## Prinsip Kerja dan Teknologi OLED

## Lukas B. Setyawan
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer, Universitas Kristen Satya Wacana, Salatiga Email : lukas.setyawan@staff.uksw.edu

## Ringkasan
Devais  opto-elektronik  menggunakan  bahan  organik  semakin  banyak  dibutuhkan  dengan berbagai alasan. Devais dari bahan organik memiliki keuntungan dari segi harga dibanding devais  inorganik.  Sifat  bahan  organik  yang  memiliki  kelenturan  sangat  sesuai  untuk aplikasi  tertentu  seperti  fabrikasi  di  atas  landasan  yang  lentur.  Bahan  organik  yang digunakan  untuk  membentuk  OLED  berhubungan  dengan  satu  dari  dua  mekanisme terjadinya  electroluminescence,  yaitu  fluorescene  dan  phosphorescence.  Makalah  ini menjelaskan mengenai bahan pembentuk OLED, struktur devais, diagram energi, dan cara pengangkutan elektron dan hole. Dijelaskan juga prinsip dasar Small Molecular OLED dan Polymer  LED.  Keunggulan  yang  dimiliki  OLED  mendorong  penerapan  OLED  sebagai penampil terutama penampil papan layar datar.
Kata kunci: organic light-emitting diode, polymer light-emitting diode, electroluminescence, fluorescene, phosphorescence, flat panel display

## 1. Pendahuluan
OLED  (Organic  Light-Emitting  Diode)  adalah  Light-Emitting  Diode  (LED)  dimana lapisan  emissive  electroluminescent  merupakan  lembaran  senyawa  organik  yang  akan memancarkan cahaya bila dilalui arus elektrik. Lapisan bahan semikonduktor organik ini diletakkan  di  antara  dua  elektroda.  Umumnya  salah  satu  elektroda  tersebut  tembus pandang.
Devais  OLED  dibedakan  menjadi  dua  macam,  tergantung  dari  tipe  lapisan organiknya, yaitu:
1. Devais small molecule (SMOLED)
2. Devais organic polymer (PLED atau LEP).
Devais  small  molecule  difabrikasi  menggunakan  teknik  evaporasi  vakum,  dengan meletakkan  struktur  polymer  secara  spin-casting  atau  memakai  teknik  cetak  ink-jet. Sebutan OLED biasanya mengacu ke small-molecular OLED.
Struktur dasar OLED memiliki susunan seperti Gambar 1 dengan konfigurasi seperti Gambar  2.  OLED  memiliki  ketebalan  sebesar  100  sampai  500nanometer,  sekitar  1/200 ketebalan rambut manusia. Lapisan bahan organik untuk menyusun OLED bisa 2 atau 3 lapis.
Bagian-bagian penyusun OLED adalah sebagai berikut.
1. Substrat (plastik bening, kaca, foil)
Substrat digunakan sebagai tumpuan OLED. Sebagai substrat digunakan plastik, foil, atau kaca.
2. Anode (tembus pandang)
Anode  mengambil  elektron  (menambah  “hole”  elektron)  ketika  arus  mengalir melalui devais.
3. Lapisan konduktif
Lapisan  ini  terbuat  dari  molekul  plastik  organik  yang  berfungsi  untuk mengangkut  “hole”  dari  anode.  Salah  satu  polymer  konduktif  yang  digunakan pada OLED adalah polyaniline.
4. Lapisan emisif
Lapisan  ini  terbuat  dari  molekul  plastik  organik  (berbeda  dengan  di  lapisan konduktif) yang berfungsi untuk mengangkut elektron dari katode. Di lapisan ini cahaya  dihasilkan.  Salah  satu  polymer  yang  digunakan  pada  lapisan  emisif adalah polyfluorene.
5. Katode (tembus pandang atau tidak tergantung pada jenis OLED)
Katode menyuntikkan elektron ketika arus mengalir melalui devais.
Gambar 1. Struktur dasar OLED

## Gambar 2. Konfigurasi OLED
Struktur  dasar  OLED  terdiri  dari  bahan  organik  yang  diletakkan  di  antara  katode dan anode, yang terbuat dari indium tin oxide (ITO) tembus pandang. Sedangkan bahan organik tersusun beberapa lapis lembaran tipis, meliputi Hole Transporting Layer (HTL), Emissive  Layer  (EML),  dan  Electron  Transporting  Layer  (ETL).  Dengan  memberikan
tegangan  yang  sesuai,  hole  dari  anode  akan  masuk  ke  EML  dan  elektron  dari  katode akan  masuk  ke  EML.  Di  dalam  EML  hole  dan  elektron  bergabung  sehingga  terjadi electroluminescene. Bahan HTL, ETL, EML, dan pilihan elektrode merupakan faktor kunci yang menentukan kualitas OLED.
Gambar 3. Skema mekanisme electroluminescence pada OLED.
(1) Elektron (biru) dan hole (kuning) disuntikkan dari elektroda menuju lapisan emisif organik (EML).
(2) terbentuk pasangan elektron-hole atau exciton (hijau).
(3) rekombinasi exciton akan menyebabkan terjadinya emisi foton.
Gambar 4. Polymer yang paling banyak digunakan untuk menghasilkan electroluminescence pada OLED.
(a) PPV (b) PFO
Gambar 5. Diagram energi level (a) OLED lapis tunggal (b) OLED lapis jamak dengan hole transporting layer (HTL) dan transporting layer (ETL) disisipi emissive layer (EML).

## 2. Small-Molecular OLED
Struktur  diode  p-n  merupakan  faktor  penting  untuk  devais  OLED.    Struktur  dasar SMOLED terdiri atas dua lapis lembaran tipis bahan organik, yaitu hole transport layer – HTL (lapisan-p pada LED) dan electron transport layer – ETL (lapisan-n pada LED) yang disisipkan  di  antara  anode  dan  katode  (lihat  Gambar  6).  Kedua  lapisan  organik  ini, masing-masing memiliki ketebalan sekitar 500 Å, merupakan media untuk mengangkut pembawa muatan menuju penghubung yang terbentuk di antara dua lapisan itu.
Gambar 6. Struktur dasar OLED terdiri atas lapisan hole-transport layer dan lapisan electron transport yang disisipkan di antara katode dan anode.
Salah  satu  struktur  SMOLED  paling  dasar  menggunakan  bahan  organik  NPB (turunan dari naphthyl substituted  benzidine) sebagai HTL dan  Alq 3 sebagai ETL. Pada struktur  tipikal  ini  digunakan  indium  tin  oxide  (ITO)  sebagai  anode  yang  tembus pandang dan magnesium-doped silver (Mg:Ag) sebagai katode.
Pada  saat  diberikan  tegangan,  terjadi  injeksi  muatan  elektron  melalui  katode  dan hole  melalui  anode.  Elektron  akan  diangkut  menuju  LUMO  (Lowest  Unoccupied Molecular  Orbital)  dari  ETL,  dan  hole  menuju  HOMO  (Highest  Occupied  Molecular Orbital) dari HTL.  Kemudian terjadi rekombinasi elektron dan  hole menyeberang batas dengan  sebagian  besar  hole  bergerak  menuju  Alq 3 (Lihat  Gambar  7).  Exciton  terbentuk pada Alq 3 dan memancarkan cahaya fluroscence warna hijau.
Gambar 7. Diagram energi pada SMOLED.
Salah  satu  struktur  SMOLED  paling  dasar  menggunakan  bahan  organik  NPB (turunan dari naphthyl substituted  benzidine) sebagai HTL dan  Alq 3 sebagai ETL. Pada struktur  tipikal  ini  digunakan  indium  tin  oxide  (ITO)  sebagai  anode  yang  tembus pandang dan magnesium-doped silver (Mg:Ag) sebagai katode.

## 3. PLED
PLED  tersusun  atas  satu  atau  lebih  lapisan  tipis  semipenghantar  organik  yang disisipkan  di  antara  dua  elektroda,  salah  satu  elektroda  harus  tembus  pandang (transparan). (Gambar 8).
Gambar 8. Struktur dasar PLED (dua lapis)..
Diagram level energi untuk PLED lapis tunggal diperlihatkan oleh Gambar 9. PLED ini  menggunakan  PPV  (poly-para-phenylene  vinylene)  dengan  ketebalan  sekitar  100nm dan ITO sebagai anode serta kalsium sebagai katode.
Gambar 9. Diagram energi PLED.
Saat  diberikan  pra-tegangan  maju  maka  elektron  diinjeksikan  dari  katode  menuju LUMO  polymer  dan  hole  diinjeksikan  dari  anode  menuju  HOMO  polymer.  Elektron harus  mampu  mengatasi  rintangan  (electron  injection  barrier)  yang  ada  di  antara  level Fermi  dari  kalsium  dan  level  LUMO  dari  polymer.  Untuk  memperkecil  rintangan biasanya digunakan logam yang memiliki work function rendah seperti Mg atau Ca agar didapat kontak ohmic. Bila terdapat kesesuaian energi antara katode dan LUMO berarti tidak  banyak  energi  yang  terbuang  ketika  elektron  diinjeksikan.  Demikian  juga,  untuk menjamin agar terjadi kontak ohmic saat hole diinjeksikan dari level Fermi ITO menuju HOMO  polymer,  maka  ITO  perlu  diberi  perlakuan  dengan  berbagai  cara  (misalnya dilakukan  pembukaan  untuk  dibersihkan  menggunakan  ultraviolet-ozone)  agar  level Ferminya lebih rendah. Rintangan di sini disebut hole injection barrier.

## 4. Kelebihan dan Kekurangan OLED

## 4.1.   Kelebihan OLED

## 4.1.1.  Lebih cepat
Waktu  tanggap  OLED  jauh  lebih  cepat  dibanding  penampil  tipe  lain.  Dengan demikian layar penampil OLED memberikan kenyamanan kepada pengguna. Kelebihan
ini  mendorong  semakin  banyak  penggunaan  layar  penampil  OLED  pada  telepon genggam dan peralatan lain yang membutuhkan waktu tanggap yang lebih cepat.

## 4.1.2.  Pemakaian energi lebih efisien
Pemakaian  energi  pada  penampil  OLED  lebih  kecil  dibanding  penampil  LCD  dan layar  penampil  lain.  Penampil  OLED  tidak  memerlukan  lampu  latar  (backlit)  dan  ini merupakan kelebihan utama OLED untuk pemakaian perangkat portabel.

## 4.1.3.  Sudut pandang lebih lebar
Sudut  pandang  merupakan  masalah  besar  pada  penampil  layar  datar.    Penampil OLED memiliki sudut pandang sebesar 170 derajat karena OLED  memancarkan cahaya serhingga memperlebar sudut pandang.

## 4.1.4.  Lentur
Karena sifatnya lentur maka  bisa dibuat penampil yang melengkung. Hal ini hanya dapat diperoleh dengan layar OLED.

## 4.1.5.  Awet
Kelebihan lain dari OLED dibanding  layar yang ada sebelumnya adalah lebih tahan lama. Kemungkinan rusak lebih kecil dibanding penampil LCD dan penampil lainnya.

## 4.1.6.  Lebih tipis
Layar OLED lebih tipis dibanding layar LCD. Layar LCD dan layar plasma memiliki ketebalan beberapa inci sedangkan layar OLED ketebalannya hanya beberapa milimeter.

## 4.1.7.  Lebih murah
Harga layar OLED lebih murah dibanding layar LCD.

## 4.1.8.  Nyaman di mata
OLED  lebih  nyaman  dipandang  karena  memiliki  kontras,  kecerahan,  dan  aspek warna lebih baik.

## 4.2.   Kekurangan OLED

## 4.2.1.  Umur-pakai singkat
Kekurangan  utama  OLED  adalah  layarnya  tidak  bisa  dipakai  dalam  waktu  lama. Dibanding LCD yang layarnya dirancang agar bisa dipakai dalam waktu lama.  Dengan demikian  layar  penampil  OLED  memiliki  kekurangan  terbesar  yaitu  masalah  utama dalam  hal  umur-pakai.  Meskipun  demikian,  layar  OLED  tetap  banyak  digunakan  pada layar telepon genggam karena sebagian besar pengguna telepon genggam menggunakan telepon kurang dari satu tahun sebelum ganti baru.

## 4.2.2.  Pengaruh paparan sinar matahari
Kekurangan  lain  layar  OLED  adalah  kesulitan  melihat  tampilan  layar  di  bawah paparan  sinar  matahari  langsung.  Bila  berada  di  ruangan  yang  terpapar  sinar  matahari langsung maka lebih susah membaca tampilan layar.

## 4.2.3.  Sangat rentan terhadap air
Layar  OLED  sangat  rentan  terhadap  air.  Layarnya  tidak  bisa  bertahan  meski  hanya terkena tetesan air.

## 4.2.4.  Terpengaruh kelembaban
Kelembaban  akan  selalu  mempengaruhi  lapisan  organik  dan  mengakibatkan penurunan kualitas dan kerusakan pada penampil OLED.

## 4.2.5.  Konsumsi daya
Untuk  menampilkan  gambar  yang  sebagian  besar  berwarna  hitam,  OLED membutuhkan  daya  sekitar  40%  dibandingkan  LCD,  secara  keseluruhan  gambar  akan mengkonsumsi  daya  60-80%  dari  konsumsi  daya  LCD.  Sementara  untuk  menampilkan gambar dengan latar belakang putih seperti dokumen atau website dibutuhkan daya tiga kali lebih besar.

## 5. Aplikasi OLED
Aplikasi OLED banyak digunakan untuk merealisasikan penampil digital di berbagai macam peralatan, contohnya layar televisi, monitor komputer, perangkat portabel seperti telpon  genggam,  digital  media  player,  radio  mobil,  kamera  digital,  penerangan  mobil, perangkat  game  genggam,  dan  PDA.  Aplikasi  portabel  seperti itu  lebih  memilih  OLED yang keluaran cahayanya sangat terang sehingga mudah terbaca di bawah terpaan sinar matahari dan irit pemakaian daya. Penelitian lebih mendalam telah menghasilkan OLED yang memiliki warna lebih natural, perangkat lebih efisien, dan kerjanya stabil.
OLED    berkembang  sangat  cepat  sebagai  teknologi  baru  dalam  bidang  papan penampil  dengan  kemampuan  OLED  menampilkan  warna  lengkap,  ongkos  produksi makin  murah,  sudut  pandang  makin  lebar,  lebih  lentur,  konsumsi  daya  lebih  kecil, kecerahan tampilan lebih baik, lebih tipis, dan lain-lain sehingga mampu menggantikan teknologi lain, seperti LCD dan LED.
OLED  bisa  dibentuk  di  atas  plastik  atau  bahan  lain  yang  memungkinkan  berbagai aplikasi  OLED  untuk  merealisasikan  panel  video  ukuran  raksasa,  layar  gulung  untuk laptop, penampil otomotif, lampu penerangan rumah dan kantor, bahkan penampil yang bisa dipasang di kepala.
Penampil  electroluminescence  organik  cukup  kecil,  gampang  dipasang  pada  layar datar raksasa yang bisa digulung atau digantung rata dinding.
OLED  dapat  dikasifikasikan  berdasar  cara  pembuatan  dan  tujuan  penggunaannya menjadi beberapa tipe, sebagai berikut.

## 5.1.   Passive-matrix OLED (PMOLED)
PMOLED  memiliki lapisan organik dan lajur-lajur anode yang  tersusun tegak lurus terhadap  lajur-lajur  katode.  Persimpangan  antara  katode  dan  anode  membentuk  piksel dimana  cahaya  dipancarkan.  Kecerahan  setiap  piksel  sebanding  dengan  besarnya  arus yang diberikan.  Sirkit eksternal akan memberikan arus ke lajur  anode dan katode yang dipilih untuk menentukan piksel mana yang dibuat on dan piksel mana yang tetap off. Fabrikasi  PMOLED  mudah  dan  murah  tetapi  memerlukan  daya  lebih  besar  dibanding OLED  tipe  lain  meski  tetap  lebih  sedikit  dari  konsumsi  daya  LCD  dan  LED.  Penampil PMOLED memiliki kendala dalam hal resolusi dan ukuran (semakin  banyak lajur garis

## Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 16 No. 2 Oktober 2017 Hal 121 - 132
semakin besar tegangan yang diperlukan). Penampil PMOLED biasanya berukuran kecil (paling  besar  3  inci)  dan  digunakan  untuk  menampilkan  data  karakter  atau  ikon  mini seperti  pemakaian  di  pemutar  MP3,  tampilan  tambahan  di  telepon  genggam,  dan  lain- lain.
Gambar 10. Struktur Passive-Matrix OLED.
Gambar 11. Tampilan layar telepon genggam.
5.2.   Active-matrix OLED (AMOLED)
Gambar 12. Struktur Active-Matrix OLED.
AMOLED menggunakan katode, molekul organik, dan anode dalam bentuk lapisan penuh. Lapisan anode ditumpuk dengan bidang thin film transistor (TFT) secara paralel membentuk sebuah matriks. Ini akan membantu pada saat pensaklaran tiap piksel dalam kondisi keadaan on atau off sesuai dengan keinginan, sehingga terwujud sebuah gambar. Bila  tidak  diperlukan  maka  piksel  dibuat  off  dan  terlihat  warna  hitam  pada  penampil sehingga  memperpanjang  umur  baterai  devais.  Dibanding  dengan  tipe  lain,  AMOLED paling  kecil  konsumsi  dayanya  serta  memiliki  refresh  rate  lebih  cepat  sehingga  sangat cocok untuk aplikasi video.  AMOLED paling baik digunakan untuk monitor komputer, TV layar lebar (Gambar 13), dan peraga elektronik atau billboard.
Gambar 13. Full-HD AMOLED TV (tebal 4mm dan berat hanya 3,5 kg).

## 5.3.   Transparent OLED
Gambar 14. Struktur Transparent OLED.
Transparent  OLED  (TOLED)  hanya  memiliki  komponen  tembus  pandang:  substrat, katode,  dan  anode.  Ketika  penampil  TOLED  dihidupkan  akan  memungkinkan  cahaya melalui  kedua  arah.  Tipe  OLED  ini  dapat  termasuk  dalam  kategori  active  dan  passive matrix.  Karena  memiliki  parameter  tembus  pandang  pada  kedua  sisi  maka  dapat menampilkan  tampilan  pada  bagian  atas  maupun  bagian  bawah.  Devais  ini  memiliki kontras  yang  bagus  meski  dalam  keadaan  sinar  matahari  cerah  sehingga  dapat digunakan pada penampil head-up, laptop, telepon mobil, dan smart window.
Gambar 15. Laptop Transparent OLED.

## 5.4.   Top-emitting OLED
Top-emitting  OLED  menggunakan  tumpuan  tidak  tembus  cahaya  atau  yang memantulkan  cahaya.  Top-emitting  OLED  sangat  cocok  untuk  aplikasi  active-matrix karena  akan  lebih  mudah  menggabungkan  dengan  landasan  transistor  yang  tidak tembus pandang. Pabrikan memakai penampil top-emitting OLED untuk smart card.
Gambar 16. Struktur Top-Emitting OLED.
Gambar 17. Aplikasi  Top-Emitting OLED.

## 5.5.   Foldable OLED
Foldable  OLED  (FOLED)  memiliki  tumpuan  terbuat  dari  foil  metalik  atau  plastik yang  sangat  lentur.  FOLED  memiliki  sifat  lentur,  sangat  ringan,  dan  awet.  Tipe  ini digunakan  terutama  pada  perangkat  yang  gampang  pecah.  Karena  terbuat  dari  bahan yang kuat maka akan mengurangi kemungkinan rusak sehingga banyak digunakan pada perangkat  GPS,  telepon  selular  (Gambar  18a),  dan  TV  layar  lengkung  raksasa  (Gambar 18b). FOLED menawarkan resolusi gambar lebih bagus, waktu tanggap lebih cepat, dan gambar  lebih  kontras  untuk  televisi  layar  lengkung.  Penampil  foldable  OLED  dapat dilekatkan  ke  kain  untuk  membangkitkan  kesan  pakaian  lebih  “pintar”,  semacam pakaian  untuk  bertahan  hidup  di  luar  rumah  yang  dilengkapi  dengan  chip  komputer, telepon selular, penerima GPS, dan penampil OLED dijahit ke pakaian.

## 5.6.   White OLED
White OLED memiliki kualititas lampu pijar true-color dan memancarkan sinar putih sangat  terang,  lebih  merata,  lebih  hemat  energi  dibandingkan  dengan  sinar  yang dihasilkan oleh lampu fluoresen dan lampu pijar. Karena white OLED bisa direalisasikan di  atas  lembaran  besar,  murah,  konsumsi  daya  rendah  maka  bisa  dipakai  sebagai pengganti lampu fluoresen dan sangat menghemat pemakaian energi untuk penerangan (Gambar  19a).  White  OLED  sangat  cocok  untuk  penerangan  pada  mobil  (Gambar  19b) karena dapat menampilkan warna hitam pekat seperti layaknya lampu.
(a)
(b)
Gambar 18. (a) Foldable OLED Smartphone (Samsung galaxy S4); (b) TV OLED melengkung pertama.
(a)
(b)
Gambar 19. (a) White OLED flat Lamps; (b) White (dan warna lain) OLED untuk lampu mobil.

## 6. Kesimpulan
Dapat disimpulkan bahwa OLED akan lebih baik apabila telah melewati tiga proses penting,  yaitu  injeksi  muatan,  pengangkutan  muatan,  dan  emisi  cahaya.  Unjuk  kerja OLED  memenuhi  kebutuhan  target  utama  yang  diperlukan  dalam  aplikasi  tampilan. Tampilan  passive-Matrix  OLED  sangat  menarik  karena  bentuknya  sangat  sederhana. Pengembangan  fleksibel  OLED  dengan  kecenderungan  pemakaian  daya  lebih  rendah, dan lebih ringan  menawarkan  banyak keuntungan  terhadap pemakaian LCD dan LED. Substrat dan lapisan organik pada OLED lebih tipis, lebih ringan, lebih lentur, dan lebih terang dibanding dengan lapisan kristalin pada LED dan LCD. OLED mudah diproduksi dan karena pada dasarnya OLED adalah plastik maka bisa dibentuk pada lembaran tipis dan lebar.

## Daftar Pustaka
[1]  A.  Singh,  H.  L.  Vishwakarma,  “Organic  Light  Emitting  Diodes:  Materials, Fabrications  and  Applications,”  International  Journal  of  Science  and  Research,”  vol.  3, issue 6, h. 577 – 581, June 2014.
[2]  A. Khazanchi, A. Kanwar, L. Saluja, A. Damara, V. Damara, “OLED: A New Display Technology,” International Journal Of Engineering And Computer Science,” vol. 1, issue 2, h. 75 – 84, 2012.
[3]  Y.  Karzazi,  “Organic  Light  Emitting  Diodes:  Devices  and  Applications,”  J.Mater. Environ. Sci., vol. 5, no.1, h. 1 – 12, 2014.

## Internet:
[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Oled
[5] http://www.oled-info.com/oledTV
[6] http://www.jmaterenvironsci.com
[7] http://www.extra.research.philips.com/euprojects/olla/
[8]  http://expertscolumn.com/content/oled-advantages-and-disadvantages [9]  http://www.cosc.brocku.ca/Offerings/3P92/seminars/OLED_Organic.ppt