ไดโอดเปล่งแสง : หลอดประหยัดไฟแห่งอนาคต

1,000 ผู้ชม

ไดโอดเปล่งแสง : หลอดประหยัดไฟแห่งอนาคต บุญรักษ์ กาญจนวรวณิชย์ ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ [email protected] คำว่า ภาวะโลกร้อน กลายเป็นคำที่คนไทยคุ้นเคยกันค่อนประเทศแล้ว เพราะคำนี้ถูกใช้ในสื่ออย่างกว้างขวาง ตั้งแต่การรณรงค์รักษาสิ่งแวดล้อมจนถึงการขายสินค้า และสินค้าหนึ่งที่ถูกโยงไปหาเรื่องภาวะโลกร้อนคือ หลอดตะเกียบประหยัดพลังงานกินไฟน้อยนั่นเอง ปัจจุบันทั้งหลอดตะเกียบและหลอดฟลูออเรสเซนต์ถือเป็นอุปกรณ์ให้แสงสว่างที่ใช้พลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพระดับหนึ่ง แต่ขณะนี้เทคโนโลยีของหลอดฟลูออเรสเซนต์กำลังถูกท้าทายจากเทคโนโลยีของอุปกรณ์ให้แสงสว่างที่เรียกว่า ไดโอดเปล่งแสง (light emitting diode, LED) หรือหลอดแอลอีดี

โอเล็ก วลาดิมิโรวิช โลเซฟ ผู้ประดิษฐ์แอลอีดีได้เป็นคนแรก

อะไรคือ หลอดแอลอีดี? หลอดแอลอีดีเป็นหลอดไฟขนาดเล็กที่แฝงอยู่ในอุปกรณ์และเครื่องใช้อิเล็กทรอนิกส์หลากหลายไม่ว่าจะเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าในบ้านอย่างรีโมททีวี เครื่องเสียง เครื่องเล่นดีวีดี วีซีดี ระบบไฟวิ่งตามเสียงเพลงในเครื่องเล่นซีดี เทป ไปจนถึงเครื่องมือไฮเทคต่างๆ หลอดแอลอีดีมีจุดเด่นเรื่องกินไฟน้อย มีอายุการใช้งานยาวนาน และทนทาน ทำให้บริษัทผู้ผลิตแอลอีดี และผู้ผลิตหลอดไฟหลายรายในปัจจุบันพยายามพัฒนาเทคโนโลยีนี้ออกมาแข่งขันกับเทคโนโลยีหลอดไส้ และหลอดฟลูออเรสเซนต์ โดย ณ เวลานี้หลอดแอลอีดีได้พัฒนาประสิทธิภาพการให้แสงสว่างจนแซงหน้าหลอดไส้เรียบร้อยแล้ว แน่นอนว่า เป้าหมายต่อไปของการพัฒนาหลอดแอลอีดีคือ การพัฒนาประสิทธิภาพให้เหนือกว่าหลอดฟลูออเรสเซนต์ให้ได้นั่นเอง เช่นนี้แล้ว เราจึงน่าจะมาทำความรู้จักเทคโนโลยีหลอดแอลอีดี ผู้ท้าชิงในอุตสาหกรรมอุปกรณ์ให้แสงสว่างกันสักเล็กน้อย

พัฒนาการของหลอดแอลอีดี การพัฒนาเทคโนโลยีหลอดแอลอีดีนั้น เริ่มต้นอย่างจริงจังในปี ค.ศ. 1955 เมื่อรูบิน บราวน์สไตน์ (Rubin Braunstein) นักวิทยาศาสตร์ของบริษัทอาร์ซีเอ (RCA, Radio Corporation of America) ได้รายงานเรื่องการเปล่งรังสีอินฟราเรดออกมาของสารแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) และโลหะกึ่งตัวนำชนิดอื่นๆ แต่เมื่อหลายสิบปีก่อนก็มีการรายงานถึงปรากฏการณ์การเปล่งแสงลักษณะนี้เช่นกัน โดยนักวิทยาศาสตร์จากบริษัท มาร์โคนีแล็บส์ (Marconi Labs) ชื่อ เฮนรี ราวนด์ (Henry Round) พบปรากฏการณ์การเปล่งแสงออกจากสารกึ่งตัวนำตั้งแต่ปี ค.ศ. 1907 แล้ว แต่เนื่องจากเขาไม่สนใจสิ่งที่พบจึงไม่มีการค้นคว้าวิจัยต่อแต่อย่างใด นอกจากนี้ในช่วงกลางทศวรรษที่ 1920 นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียชื่อ โอเล็ก วลาดิมิโรวิช โลเซฟ (Oleg Vladimirovich Losev) ก็ประดิษฐ์แอลอีดีชิ้นแรกออกมาสำเร็จโดยไม่เคยทราบเรื่องการค้นพบของเฮนรี ราวด์มาก่อน ซึ่งผลงานของนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียท่านนี้ได้ลงตีพิมพ์ในวารสารทางวิทยาศาสตร์หลายฉบับทั้งในประเทศรัสเซีย เยอรมนี และอังกฤษ แต่กลับไม่มีใครสนใจผลงานของเขาเลย กระทั่งรูบิน บราวน์สไตน์ รายงานสิ่งที่เขาพบออกมา บรรดานักวิทยาศาสตร์จึงเริ่มหันมาค้นคว้าวิจัยเรื่องนี้อย่างจริงจัง จากนั้นในปี ค.ศ. 1962 นิก โฮลอนแยค (Nick Holonyak) ก็ประสบความสำเร็จสามารถประดิษฐ์แอลอีดีให้แสงสีแดงออกมาได้ ต่อมาจึงเริ่มมีการพัฒนาหลอดแอลอีดีให้แสงสีอื่นทยอยตามกันออกมา ความก้าวหน้าครั้งสำคัญของแอลอีดีเกิดขึ้นอีกครั้งในปี ค.ศ. 1993 เมื่อชูจิ นากามูระ (Shuji Nakamura) นักวิจัยชาวญี่ปุ่นของบริษัทนิชิอะ (Nichia) สามารถพัฒนาแอลอีดีให้แสงสีน้ำเงินออกมาได้ ความสำเร็จครั้งนี้จุดประกายความหวังของการพัฒนาแอลอีดีให้แสงสีขาวให้เข้าใกล้ความจริงขึ้นอีก เนื่องจากแสงสีน้ำเงินเป็นหนึ่งในสามแม่สีแสงหลักอันได้แก่ แสงสีน้ำเงิน แสงสีแดง และแสงสีเขียว โดยเมื่อรวมแม่สีแสงหลัก 3 สีเข้าด้วยกันอย่างเหมาะสมจะได้ผลลัพธ์เป็นแสงสีขาวที่ต้องการ จากปี ค.ศ. 1993 จนขณะนี้ (ค.ศ. 2008) หลอดแอลอีดีแสงสีขาวเริ่มมีใช้ในอุปกรณ์ส่องสว่างแบบต่างๆ อย่างเช่น กระบอกไฟฉาย เป็นต้น แสดงให้เห็นว่า หลอดแอลอีดีมีประสิทธิภาพและราคาที่ผู้ผลิตยอมรับได้ในระดับหนึ่งแล้ว

โครงสร้างของแอลอีดี ภายในหลอดแอลอีดีประกอบด้วยแผ่นชิปสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็นและชนิดพีติดอยู่ในถ้วยสะท้อนแสง มีเส้นลวดทองคำขนาดเล็กมากเชื่อมระหว่างสารกึ่งตัวนำและขาแอลอีดี (ดังภาพประกอบ) ชิ้นส่วนทั้งหมดถูกบรรจุในพลาสติกใสทรงโดม ซึ่งทำหน้าที่เป็นเลนส์รวมแสง โดยลักษณะลำแสงที่ออกจากหลอดแอลอีดีขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น รูปร่างของถ้วยสะท้อนแสง ขนาดของชิปสารกึ่งตัวนำ รูปร่างเลนส์ ระยะห่างระหว่างตัวชิปกับผิวพลาสติกที่หุ้มอยู่ เป็นต้น

การทำงานของไดโอด ไดโอดเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำ 2 ชนิดได้แก่ สารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น (N-type semiconductor) ซึ่งเป็นสารกึ่งตัวนำที่ถูกดัดแปลงให้มีอิเล็กตรอนอิสระมากกว่าสารกึ่งตัวนำปกติ กับสารกึ่งตัวนำชนิดพี (P-type semiconductor) ซึ่งเป็นสารกึ่งตัวนำดัดแปลงให้มีโฮล (hole) ซึ่งมีสภาพเป็นประจุบวก เมื่อนำสารกึ่งตัวนำดัดแปลงทั้งสองชนิดมาประกบติดกัน ในสภาพที่ไม่มีการจ่ายกระแสไฟฟ้าให้แก่สารกึ่งตัวนำ อิเล็กตรอนส่วนหนึ่งของสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็นและโฮลของสารกึ่งตัวนำชนิดพีที่รอยต่อของสารทั้งสองจะเคลื่อนที่เข้าหากัน ทำให้สารกึ่งตัวนำทั้งสองชนิดเกิดพื้นที่กลางที่ไม่มีประจุไฟฟ้าขึ้นโดยรอบบริเวณรอยต่อ

เมื่อต่อไฟฟ้ากระแสตรง เข้าที่ขาไดโอด โดยต่อขั้วลบกับสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น และต่อขั้วบวกเข้ากับสารกึ่งตัวนำชนิดพี อิเล็กตรอนอิสระในสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็นจะถูกผลักให้เคลื่อนที่ออกจากขั้วลบไปในสารกึ่งตัวนำชนิดพี ในทางตรงข้ามโฮลของสารกึ่งตัวนำชนิดพีก็จะถูกผลักให้ออกจากขั้วบวกไปในสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็นเช่นกัน หากผ่านกระแสไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์สูงเพียงพอ จะทำให้พื้นที่กลางบริเวณที่ไม่มีประจุไฟฟ้าสลายไป ทำให้กระแสไฟฟ้าสามารถไหลผ่านไดโอดได้

แอลอีดีแสงสีขาว โดยทั่วไปหลอดแอลอีดีสามารถเปล่งแสงออกมาได้เพียงสีเดียว (ความถี่หรือความยาวคลื่นเดียว) เท่านั้น แต่แสงสีขาวประกอบด้วยแสงหลายสีผสมกัน ดังนั้นจึงมีความพยายามหาเทคนิคต่างๆ เพื่อทำให้แอลอีดีสามารถเปล่งแสงสีขาวออกมา ซึ่งปัจจุบันเทคนิคที่ใช้ผลิตหลอดแอลอีดีให้แสงสีขาวออกมาได้มี 2 เทคนิคด้วยกันคือ เทคนิคการเปลี่ยนความยาวคลื่น (wavelength conversion) และเทคนิคการผสมสี (colour mixing)

การเปลี่ยนความยาวคลื่น (wavelength conversion) เทคนิคนี้อาศัยสารเรืองแสงในการเปลี่ยนความยาวคลื่นแสงบางส่วนหรือทั้งหมด ซึ่งสามารถประยุกต์ได้ 3 รูปแบบด้วยกันคือ 1.การใช้แอลอีดีให้แสงสีน้ำเงินร่วมกับสารเรืองแสงสีเหลือง (yellow phosphor) แสงสีน้ำเงินจากแผ่นชิปสารกึ่งตัวนำจะไปกระตุ้นสารเรืองแสงสีเหลืองที่เคลือบอยู่ให้ปล่อยแสงสีเหลืองออกมา เมื่อปรับสัดส่วนของแสงสีน้ำเงินและแสงสีเหลืองให้พอเหมาะจะทำให้ดวงตาเห็นแสงที่ออกมาเป็นแสงสีขาว เทคนิคนี้พัฒนาขึ้นมาโดยบริษัท นิชิอะ ประเทศญี่ปุ่น และเป็นเทคนิคการทำแอลอีดีให้แสงสีขาวมีต้นทุนต่ำที่สุด และใช้ผลิตหลอดแอลอีดีให้แสงสีขาวส่วนใหญ่ในตอนนี้ 2.การเคลือบแอลอีดีให้แสงสีน้ำเงินด้วยสารเรืองแสงหลายสี เทคนิคนี้คล้ายกับเทคนิคแรก แต่ใช้สารเรืองแสงที่ให้แม่สีแสงหลักร่วมกัน เมื่อผสมแสงที่ออกจากสารเรืองแสงแต่ละสีกับแสงสีน้ำเงินเข้าด้วยกัน จะได้แสงสีขาวเช่นกัน จุดเด่นของเทคนิคนี้คือ แสงสีขาวที่ผลิตได้มีคุณภาพดีกว่าเทคนิคแรก แต่หลอดแอลอีดีชนิดนี้จะมีราคาสูงกว่าด้วยเช่นกัน 3.การใช้แอลอีดีที่เปล่งแสงในช่วงคลื่นแสงยูวี (UV) ร่วมกับสารเรืองแสงหลายสี เทคนิคนี้มีรูปแบบคล้ายกับเทคนิคการเรืองแสงของหลอดฟลูออเรสเซนต์ โดยแสงยูวีจะกระตุ้นให้สารเรืองแสงแต่ละสีปล่อยแม่สีแสงหลักออกมาผสมกันได้เป็นแสงสีขาว

การผสมสี (colour mixing) เทคนิคนี้ไม่ใช้สารเรืองแสง แต่ใช้การผสมแม่สีแสงหลักโดยตรง ภายในหลอดแอลอีดีชนิดนี้ประกอบด้วยแผ่นชิปให้แสงสีต่างกัน 3 ตัว เมื่อรวมแสงสีที่ออกมาจากแผ่นชิปแต่ละตัวอย่างเหมาะสมจะได้แสงสีขาวอย่างต้องการ หลอดแอลอีดีแบบนี้มีจุดเด่นที่สามารถให้แสงสีขาวที่มีคุณภาพสูง แต่ขณะเดียวกัน เนื่องจากต้องใช้ชิป 3 ตัว ซึ่งชิปแต่ละตัวต้องการแรงดันไฟฟ้าแตกต่างกัน ทำให้โครงสร้างแอลอีดีมีความซับซ้อน ส่งผลให้หลอดแอลอีดีมีราคาแพง นอกจาก 2 เทคนิคดังที่กล่าวไปแล้วนั้น ยังมีเทคนิคอื่นๆ ที่อยู่ระหว่างการพัฒนาให้หลอดแอลอีดีเปล่งแสงสีขาวออกมาได้ เช่น โฮโมอีพิแท็กเซียล ซิงค์เซเลไนด์ (Homoepitaxial ZnSe) เป็นเทคโนโลยีที่ใช้แผ่นชิปสารกึ่งตัวนำให้แสงสีน้ำเงินทำงานร่วมกับตัวฐานรอง (substrate) ที่ทำจากวัสดุซิงค์เซเลไนด์ซึ่งสามารถเปล่งแสงออกมาได้ โดยฐานรองจะเปล่งแสงสีเหลืองออกมาผสมกับแสงสีน้ำเงินจากแผ่นชิปของสารกึ่งตัวนำทำให้ได้แสงสีขาวเช่นกัน

เปรียบเทียบแต่ละเทคโนโลยี

หลอดไส้ แสงสว่างเกิดจากกระแสไฟฟ้าที่วิ่งผ่านเส้นลวดขนาดเล็กมาก ทำให้เส้นลวดร้อนแดงและเปล่งแสงออกมา ซึ่งวิธีนี้พลังงานไฟฟ้าส่วนใหญ่สูญเสียไปในรูปของความร้อน มากกว่าจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานแสง โดยทั่วไปหลอดไส้สามารถให้แสงสว่างได้ประมาณ 15-20 ลูเมน/วัตต์ และมีอายุการใช้งานประมาณ 1,000 ชั่วโมง ทำให้เทคโนโลยีนี้มีจุดเด่นเพียงประการเดียวคือ ราคาถูก

หลอดฟลูออเรสเซนต์ ทำงานโดยอิเล็กตรอนถูกปลดปล่อยจากขั้วหลอดไปกระทบกับไอปรอท ทำให้เกิดแสงยูวีขึ้น แสงยูวีนี้จะถูกดูดซับโดยสารเรืองแสง และปล่อยออกมาเป็นแสงสีขาว แม้จะมีการสูญเสียพลังงานบ้างในขั้นการเกิดแสงยูวี และขั้นของการเปลี่ยนแสงยูวีเป็นแสงสีขาว แต่หลอดฟลูออเรสเซนต์ก็มีประสิทธิภาพการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานแสงสูงกว่าหลอดไส้ สามารถให้แสงสว่างได้มากกว่า (เปรียบเทียบจากหลอดที่กินไฟ (วัตต์) เท่ากัน) หลอดฟลูออเรสเซนต์สามารถให้แสงสว่างได้ประมาณ 50-100 ลูเมน/วัตต์ และมีอายุการใช้งานประมาณ 10,000 ชั่วโมง

หลอดแอลอีดี การรวมตัวและสลายตัวของอิเล็กตรอนจากสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น และโฮลจากสารกึ่งตัวนำชนิดพีในแอลอีดี เทียบได้กับการที่อิเล็กตรอนตกลงมาจากระดับชั้นพลังงานสูง (อิเล็กตรอนที่อยู่ในสถานะถูกกระตุ้น) มายังชั้นที่มีระดับพลังงานต่ำกว่า (แต่มีความเสถียรมากกว่า) ทำให้อิเล็กตรอนคายพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปโฟตอนหรือแสง ซึ่งแสงที่ออกมาจากสารกึ่งตัวนำในแอลอีดีอาจเป็นแสงความถี่ต่ำในช่วงแสงอินฟราเรดที่ตามองไม่เห็น หรือแสงสีที่ตามองเห็นก็ได้ สิ่งที่เป็นตัวกำหนดความถี่แสงคือ ชนิดของสารกึ่งตัวนำ หากเปลี่ยนชนิดสารกึ่งตัวนำที่ใช้ แสงที่ออกจากหลอดแอลอีดีจะเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย หลอดแอลอีดีให้แสงสีขาวมีประสิทธิภาพการให้แสงสว่างสูงประมาณ 10 – 90 ลูเมน/วัตต์ ขณะที่อายุการใช้งานมากกว่า 80,000 ชั่วโมง ขึ้นอยู่กับชนิดแอลอีดี

จุดเด่นของหลอดแอลอีดี • ตัวหลอดทนทานต่อแรงกระทบกระแทกต่างๆ เพราะชิปเปล่งแสงบรรจุอยู่ในพลาสติกใสซึ่งแข็งและเหนียวตกไม่แตก • หลอดแอลอีดีมีอายุการใช้งานประมาณ 80,000 - 100,000 ชั่วโมง มากกว่าหลอดฟลูออเรสเซนต์และหลอดไส้ • หลอดแอลอีดีกินไฟน้อย • ตัวหลอดมีขนาดเล็กจึงสามารถประยุกต์หรือปรับเปลี่ยนรูปแบบการใช้งานได้หลากหลาย • หลอดแอลอีดีเกิดความร้อนเพียงเล็กน้อยในขณะทำงาน จึงสามารถสัมผัสหลอดได้โดยไม่ถูกความร้อนลวก • หลอดแอลอีดีเหมาะกับการใช้งานที่ต้องมีการปิด-เปิดไฟบ่อยครั้ง โดยไม่มีผลต่ออายุการใช้งาน ต่างจากหลอดฟลูออเรสเซนต์ที่หากเปิด-ปิดบ่อยครั้งจะเสียง่าย • หลอดแอลอีดีไม่ใช้สารปรอทเหมือนหลอดฟลูออเรสเซนต์

จุดด้อยของหลอดแอลอีดี • หลอดแอลอีดีแสงสีขาวยังมีราคาค่อนข้างแพง จากการสำรวจข้อมูลราคาขายหลอดแอลอีดีในเว็บไซต์ไทยบางแห่งพบว่า หลอดไฟประกอบด้วยชุดหลอดแอลอีดี 18 ดวง กินไฟประมาณ 1.3 วัตต์ ราคาหลอดละ 200 บาท หรือหลอดแอลอีดีให้แสงสีขาวหลอดเดี่ยวขนาด 3 วัตต์ก็มีราคาสูงถึงหลอดละ 680 บาท • หลอดแอลอีดียังมีประสิทธิภาพในการให้แสงสว่างน้อยกว่าหลอดฟลูออเรสเซนต์ • หลอดแอลอีดียังมีค่าดัชนีการทำให้เกิดสี (colour rendering index, CRI) ต่ำ ถึงวันนี้เทคโนโลยีหลอดแอลอีดีให้แสงสีขาวจะยังมีราคาค่อนข้างแพง กับมีประสิทธิภาพการให้แสงสว่างด้อยกว่าเทคโนโลยีหลอดฟลูออเรสเซนต์ แต่ด้วยการแข่งขันกันพัฒนาเทคโนโลยีวัสดุสารกึ่งตัวนำ และเทคโนโลยีวิศวกรรมด้านอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง จึงเชื่อได้ว่า อีกไม่นานหลอดแอลอีดีให้แสงสีขาวจะมีประสิทธิภาพเหนือกว่าหลอดฟลูออเรสเซนต์ ขณะที่ราคาก็จะถูกลง ทำให้มีความคุ้มค่าที่จะเปลี่ยนมาใช้หลอดแอลอีดีมากขึ้น เมื่อถึงวันนั้นค่าไฟฟ้าจากอุปกรณ์ให้แสงสว่างของบ้านจะลดลงได้แน่นอน แต่ก่อนจะถึงวันนั้น......ตอนนี้คุณลืมปิดไฟที่ไม่ใช้งานอยู่หรือเปล่า ?

แหล่งข้อมูลอ้างอิง https://en.wikipedia.org/wiki/Light-emittingUn1diode https://electronics.howstuffworks.com/led.htm https://en.wikipedia.org/wiki/LEDUn1lamp https://www.netl.doe.gov/ssl/PDFs/LEDColorQuality.pdf https://www.nature.com/nphoton/journal/v1/n4/full/nphoton.2007.34.html https://en.wikipedia.org/wiki/HenryUn1Round https://www.eia.doe.gov/emeu/reps/enduse/er01Un1usUn1tab1.html https://en.wikipedia.org/wiki/LuminousUn1efficacy https://www.boi.go.th/thai/download/publicationUn1economyUn1extra/158/ecoUn127aug07.pdf