แอลอีดีความเข้มสูง

รูปที่ 1 Light Emitting Diode (LED) ซึ่งใช้ไฟเพียง 3 โวลต์จากถ่านไฟฉายก็ได้แสงสว่างแสบตาแล้ว

นอกจากหลอดไฟแบบมีไส้หลอดที่พวกเราคุ้นเคยกันดีจะเป็นสิ่งประดิษฐ์ที่เปลี่ยนแปลงวิถีดำเนินชีวิตของมนุษยชาติไปในทางที่ดีตลอดกาลแล้ว ยังเป็นธุรกิจมูลค่ามหาศาลนับตั้งแต่การถือกำเนิดขึ้นเมื่อประมาณปีค.ศ.1879 ดังที่เราคุ้นชื่อกันดีกับ บริษัทฟิลิปส์ ออสแรม หรือ ซิลวาเนีย มานานแล้ว แต่มาปัจจุบันสิ่งนี้กำลังจะเปลี่ยนไปอย่างสิ้นเชิง ความสว่างที่เราคุ้นเคยจากปรากฏการณ์ Incandescence ดังกล่าวกำลังจะหมดยุค ต่อไปจะเป็นยุคของความสว่างที่มีต้นตอมาจากปรากฏการณ์ Electroluminescence ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะการค้นพบแอลอีดี (LED หรือ Light Emitting Diode) และการประสบความสำเร็จในการพัฒนาต่อยอดเพิ่มความเข้มแสงขึ้นได้มากที่เรียกว่าแอลอีดีความเข้มสูง (High Brightness LED หรือ HBLED) ปัจจุบันเราได้พบเห็นแล้วว่าหลอดไฟแบบที่เคยใช้ถูกแทนที่ด้วย HBLED มากขึ้นเรื่อยๆ เช่น ไฟท้ายรถยนต์ ไฟสัญญาณจราจร หรือป้ายโฆษณาที่เป็นจอของจัมโบ้ทีวี (jumbo TV screen) เป็นต้น LED กำลังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นๆทุกวัน

การถือกำเนิด

ในขณะที่ปรากฏการณ์ Incandescence คือการที่วัตถุปล่อยแสงเมื่อถูกทำให้ร้อนมาก ปรากฏการณ์ Electroluminescence คือการที่วัตถุปล่อยแสงเมื่อถูกกระตุ้นด้วยไฟฟ้าโดยไม่เกี่ยวกับความร้อน ผู้ที่ค้นพบปรากฏการณ์ Electroluminescence เป็นคนแรกในปีค.ศ. 1907 คือนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษชื่อ H. J. Round โดยสารประกอบที่เป็นตัวทำให้เกิดแสงคือซิลิกอนคาร์บายด์ (SiC) ในปีค.ศ. 1927 นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียชื่อ Oleg Vladimirovich Losev ได้นำปรากฏการณ์นี้มาพัฒนาเป็น LED ได้เป็นครั้งแรก (แต่ตอนนั้นยังไม่ได้เรียกว่า LED ) Losev ได้ตีพิมพ์เผยแพร่ผลงานการวิจัยเกี่ยวกับการเปล่งแสงของไดโอดที่ทำจาก SiC (ในสมัยนั้นเรียกว่า Carborundum ) โดยลำพังตัวคนเดียวทั้งในวารสารวิชาการของรัสเซียและของยุโรปถึง 16 เรื่องในระหว่างปีค.ศ. 1924 - 1930 แต่ผลงานเหล่านี้ไม่ได้รับการสานต่อ อาจเพราะเกิดขึ้นมาในช่วงรอยต่อของสงครามโลกครั้งที่ 1 กับ 2 การบูรณะบ้านเมืองกับการสร้างอาวุธย่อมได้รับความสนใจมากกว่า อีกทั้ง Losev เองก็มีอายุสั้นคือเสียชีวิตเมื่อปีค.ศ. 1942 ด้วยอายุเพียง 39 ปีจากการขาดอาหารเพราะกรุงเลนินกราด (หรือกรุงเซนต์ปีเตอร์เบอร์กในปัจจุบัน) ถูกปิดล้อมโดยกองทัพนาซี หลังสงครามโลกครั้งที่ 2

ในปีค.ศ. 1955 Rubin Braunstein นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันค้นพบว่าสารประกอบแกลเลี่ยมอาเซนายด์ (GaAs) เมื่อทำให้เป็นไดโอด แล้วให้มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านจะปล่อยแสงในย่านอินฟราเรด(ที่ตามองไม่เห็น)ที่อุณหภูมิห้อง ต่อมา Robert Biard กับ Gary Pittman นักวิจัยของบริษัท Texas Instruments ระหว่างที่ค้นคว้าวิจัยสารประกอบต่างๆเพื่อต้องการจะพัฒนาเป็นไดโอดเลเซอร์ ได้จดสิทธิบัตรไดโอด GaAs เป็น LED ที่สามารถผลิตได้จริงในทางปฏิบัติเป็นคณะแรกในปีค.ศ. 1961

แต่ผู้ที่ให้กำเนิด LED ที่ปล่อยแสงที่ตามองเห็นได้เป็นคนแรกในปีค.ศ. 1962 คือ Nick Holonyak โดยเป็น LED ให้แสงสีแดง สารประกอบต้นตอแสงคือ แกลเลี่ยม อาเซนายด์ ฟอสฟายด์ (GaAsP) ด้วยเหตุที่ LED ของ Holonyak ปล่อยแสงที่ตามองเห็นจริงๆ Holonyak จึงได้รับการยกย่องว่าเป็น “บิดาของ LED” Holonyak เป็นลูกศิษย์ปริญญาเอกคนแรกของ John Bardeen นักฟิสิกส์ทฤษฎี เจ้าของรางวัลโนเบลประจำปีค.ศ. 1956 จากผลงานการพัฒนาทรานซิสเตอร์ ต่อมาในปีค.ศ. 1972 ลูกศิษย์คนหนึ่งของ Holonyak ชื่อ M. George Craford ซึ่งเป็นนักวิจัยของบริษัท Monsanto ได้ประสบความสำเร็จในการประดิษฐ์ LED สีเหลือง บริษัท Monsanto นี่เองที่ผลิต LED ในเชิงอุตสาหกรรมเป็นเจ้าแรก แล้วตามมาด้วยบริษัท Fairchild ที่สามารถทำให้มันมีราคาถูกลงได้

รูปที่ 2 Nick Holonyak : “Father of the Light Emitting Diode” (จาก ecomagination.com)

ในปีค.ศ. 1976 Thomas P. Pearsall ได้ประดิษฐ์ LED ประสิทธิภาพและความเข้มสูงสำเร็จ วัตถุประสงค์ตอนนั้นก็เพื่อนำไปใช้ในงานด้านไฟเบอร์ออฟติคส์ และ การสื่อสารผ่านเส้นใยนำแสง

ในปีค.ศ. 1993 Shuji Nakamura นักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่นได้ประสบความสำเร็จในการสร้าง LED สีน้ำเงินความเข้มสูงจากสารกึ่งตัวนำชนิดอินเดียม แกลเลี่ยม ไนตรายด์ (InGaN) ซึ่งทำให้แม่สีแสงคือแดง เขียว น้ำเงิน มีสมาชิกครบสมบูรณ์ ช่วยให้ LED มีประโยชน์เชิงประยุกต์กว้างขวางมากยิ่งขึ้น เช่นสามารถทำ LED ที่ให้แสงสีขาว (white light) ได้คือโดยการหุ้มสารกึ่งตัวนำด้วยสารเรืองแสง แสงสีน้ำเงินจากสารกึ่งตัวนำจะไปกระตุ้นให้สารเรืองแสงผลิตแสงสีเหลือง แล้วเมื่อแสงสีเหลืองผสมกับแสงสีน้ำเงินจะได้แสงสีขาว เช่นพวก LED ที่ใช้ทำหลอดไฟดังแสดงในรูปที่ 3 (ในกรณีของจอโทรทัศน์ แสงสีขาวเกิดจากการผสมกันของแสงสีแดง เขียวและน้ำเงินจาก LED สามชนิด)

รูปที่ 3 หลอดไฟ LED ที่มีขายในท้องตลาด หลอดนี้ขนาด 5 วัตต์ (เทียบเท่ากับหลอดไฟธรรมดาขนาด 50 วัตต์) เป็นแบบ แสงสีเหลือง (warm white) ราคา 170 บาท รับประกัน 3 ปี ภาพนี้เปิดฝาครอบกระจายแสงออกเพื่อให้เห็น LED ภายใน

ฟิสิกส์เบื้องหลัง

ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ไดโอด (diode) เป็นอุปกรณ์ที่มีบทบาทสำคัญไม่ยิ่งหย่อนไปกว่าตัวต้านทาน ตัวคาปาซิเตอร์ หรือตัวทรานซิสเตอร์ ไดโอดทำหน้าที่ควบคุมทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า ให้วิ่งผ่านได้ทางเดียว วิ่งสวนย้อนศรไม่ได้ สิ่งที่มีพฤติกรรมเหมือนไดโอดถูกประดิษฐ์ขึ้นเป็นครั้งแรกเมื่อปีค.ศ. 1904 โดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อ John Ambrose Fleming โดยมีรูปลักษณ์เริ่มต้นเป็นหลอดสุญญากาศ (vacuum tube) ในตอนนั้นเรียกสิ่งประดิษฐ์นี้กันว่า “Fleming valve” แต่ปัจจุบันไดโอดที่ทำจากสารกึ่งตัวนำได้เข้ามาแทนที่เพราะมีประโยชน์เหนือกว่าหลายประการเช่นมีราคาถูกกว่า ขนาดเล็กกว่ามาก ตอบสนองเร็วกว่า ไม่ต้องมีการจุดไส้หลอด ฯลฯ

กลไกเบื้องหลังการทำงานของไดโอดเปล่งแสงต้องอธิบายด้วยทฤษฎีของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่เรียกกันว่า Band Theory of Solids ซึ่งสร้างอยู่บนพื้นฐานคือทฤษฎีควอนตัม Band Theory นี้ร่วมกันพัฒนาขึ้นโดยนักฟิสิกส์รุ่นลูกศิษย์ของ W. Pauli และ W. Heisenberg หลายคนเช่น F. Bloch R. Peierls และ A. Wilson เป็นต้น ในที่นี้อธิบายพอเป็นสังเขปได้ว่า ไดโอดสารกึ่งตัวนำทำจากการนำสารกึ่งตัวนำสองชนิดคือชนิด n (สารกึ่งตัวนำที่โด๊ป (dope) ด้วยมลทินเช่นฟอสฟอรัสเป็นต้น) กับชนิด p (สารกึ่งตัวนำที่โด๊ปด้วยมลทินเช่นโบรอนเป็นต้น) มาประกบกัน โดยตรงรอยต่อเกิดเป็น p-n junction ซึ่งเป็นเขตปลอดประจุไฟฟ้าที่เป็นพาหะของกระแสไฟฟ้า มีชื่อเป็นทางการว่า depletion region เขตปลอดประจุนี้บางมาก อยู่ในเรือนไมโครเมตรหรือต่ำกว่าเท่านั้น อิเล็กตรอนในแถบ conduction (conduction band หรือ CB) จากด้าน n ไม่สามารถแพร่ข้ามเข้าไปอยู่ในแถบ conduction ของด้าน p ได้เพราะไม่สามารถข้ามกำแพงความต่างศักย์ที่สูง V0 ดังแสดงในรูปที่ 4(ก) ซึ่งเป็นแผนภาพแถบพลังงานตรงบริเวณ p-n junction ของไดโอดที่ยังไม่ได้จ่ายไฟให้ แต่เมื่อมีการจ่ายไฟให้แบบตรงขั้ว (forward biased) สมมุติมีค่าความต่างศักย์ V กำแพงดังกล่าวจะเตี้ยลงเหลือเป็นความสูงเพียง V0 – V ดังแสดงในรูปที่ 4(ข) ซึ่งเตี้ยพอที่อิเล็กตรอนจะสามารถข้ามเข้าไปอยู่ในด้าน p ได้ แต่เนื่องจากสารกึ่งตัวนำชนิด n ถูกโด๊ปเข้มข้นกว่าการโด๊ปของสารกึ่งตัวนำชนิด p (แทนด้วยสัญลักษณ์ n+ ในรูป) อิเล็กตรอนจึงแพร่เข้าไปอยู่ด้าน p มากกว่าที่พวก hole ในแถบ valence (valence band หรือ VB) จะแพร่เข้าไปอยู่ในแถบ valence ของด้าน n เมื่อมีคู่ hole อยู่ฝั่งตรงข้ามของด้านเดียวกัน อิเล็กตรอนจึงสามารกระโดดลงไปจับคู่ (recombination) แต่เป็นการลดระดับพลังงานของตัวเองเท่ากับ energy gap (Eg) ระหว่างแถบconduction กับแถบ valence ของสารกึ่งตัวนำชนิดนั้นๆ ทำให้อิเล็กตรอนต้องปลดปล่อยพลังงานส่วนเกินออกไปตามกฎการคงตัวของพลังงาน (Law of Conservation of Energy) โดยในกรณีนี้ปลดปล่อยออกไปในรูปของแสง ปรากฎการณ์นี้เองที่เรียกว่า Electroluminescence ความยาวคลื่นของแสง ( λ ) ที่ถูกปล่อยออกมาตามกลไกในรูปที่ 4 (ข) สามารถคำนวณได้จากสมการง่ายๆดังนี้

λ = hc / Eg

เมื่อ h คือค่าคงที่ของพลังค์ และ c คือความเร็วแสงในสุญญากาศ เช่น สารกึ่งตัวนำ GaAs มี Eg = 1.43 eV แสงที่ปล่อยออกมาก็จะมี λ = 867 นาโนเมตร หรือเทียบเท่ากับแสงในย่านอินฟราเรด เป็นต้น 

รูปที่ 4 แผนภาพแถบพลังงานของ homojunction ระหว่างสารกึ่งตัวนำชนิด p กับชนิด n ที่มี Eg เท่ากัน (ก) ในกรณีที่ยังไม่จ่ายไฟให้ กับ (ข) กรณีที่จ่ายไฟความต่างศักย์ V ให้แบบตรงขั้ว [1, 2]

ดังนั้นโดยการวิจัยและพัฒนาตัวสารกึ่งตัวนำและเทคนิคการสร้างไดโอด เช่นการพัฒนาและดัดแปลงวิธีการปลูกผลีก (crystal growth) เทคนิคการโด๊ปสารมลทิน ชนิดของสารที่ผสมและ / หรือ การพัฒนาจาก homojunction เป็นแบบ heterojunction (สารกึ่งตัวนำชนิด n กับ p มี Eg ไม่เท่ากัน) เพื่อดัดแปลงลักษณะของแถบพลังงาน ความบริสุทธิ์ของสารที่เกี่ยวข้องเพราะมลทินหรืความบกพร่องของผลึกมีส่วนทำให้การย้ายตำแหน่งของอิเล็กตรอนไม่เกิดผลเป็นแสง เป็นต้น สามารถทำให้เกิดไดโอดที่ให้แสงได้แทบทุกสี และทำให้มีความเข้มแสงหรือความสว่างเพิ่มมากขึ้นได้ด้วย

นอกจากความเข้มแสงจะเพิ่มขึ้นได้ด้วยวิธีการดังกล่าวแล้ว ยังสามารถเพิ่มขึ้นได้ด้วยวิธีการดังต่อไปนี้ด้วย

ก) ทำให้เกิดการดูดกลืนภายในลดลง โดยการทำสารกึ่งตัวนำชนิด p เป็นชั้นบางๆ ดังแสดงในรูปที่ 5 เพราะแสงจะปล่อยออกมาจากบริเวณ junction ค่อนไปทางด้าน p

รูปที่ 5 แผนภาพแสดงโครงสร้างแบบหนึ่งของ LED ที่ตั้งใจทำให้สารกึ่งตัวนำชนิด p เป็นชั้นบางๆ

ข) ลดการสะท้อนกลับหมดภายในที่รอยต่อระหว่างผิวหน้าของสารกึ่งตัวนำชนิด p (ค่าดัชนีหักเหประมาณ 3.3 ) กับอากาศ (ค่าดัชนีหักเหเท่ากับ 1) (ดูรูปที่ 6 (ก)) โดยการหุ้มด้วยพลาสติกใสที่มีค่าดัชนีหักเหมากกว่าอากาศ และทำผิวบนของพลาสติกให้เป็นรูปทรงครึ่งทรงกลมเพื่อแสงจะตกตั้งฉากกับผิวนี้เสมอ ดังแสดงในรูปที่ 6 (ข) แสงก็จะออกมาจาก LED ได้มากขึ้น

รูปที่ 6 (ก) การเกิดการสะท้อนกลับหมดภายในที่รอยต่อระหว่างผิวหน้าของสารกึ่งตัวนำชนิด p กับอากาศ และ (ข) วิธีการที่มีต้นทุนต่ำที่ช่วยปลดปล่อยแสงจากสารกึ่งตัวนำออกมาทางด้านหน้ามากขึ้นคือหุ้มด้วยพลาสติกใสรูปครึ่งทรงกลม [1]

อนาคตที่สดใส

การที่ LED ได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นเรื่อยๆก็เพราะ LED มีข้อดีเหนือหลอดไฟทั้งแบบธรรมดาและแบบฟลูออเรสเซนต์หลายประการเช่น ในจำนวนวัตต์ที่เท่ากัน LED ผลิตแสงมากกว่าหลอดไฟธรรมดาไม่ต่ำกว่า 5 เท่า และมากกว่า หลอดตะเกียบ (compact fluorescent lamp หรือ CFL) ไม่ต่ำกว่า 2 เท่า จึงประหยัดพลังงานมากกว่า LED สร้างแสงสีต่างๆได้ด้วยตัวเองโดยไม่ต้องอาศัยฟิลเตอร์ช่วย ทำให้มีต้นทุนถูกกว่า สิ้นเปลืองการบำรุงรักษาน้อยกว่าเช่นบริษัท Philips โฆษณาว่า LED ของตนมีอายุการใช้งานนาน 50,000 ชั่วโมง ในขณะที่หลอดไฟธรรมดากับหลอดฟลูออเรสเซนต์มีอายุการใช้งาน 1,000 – 2,000 ชั่วโมง และ 30,000 ชั่วโมง ตามลำดับ มีการตอบสนองเร็ว สว่างเต็มที่ได้ภายในเวลาในเรือนไมโครวินาที มีขนาดเล็กและน้ำหนักเบามาก ดังจะเห็นได้ว่าสามารถทำเป็นเม็ดแม่สีแสงเล็กๆบนจอโทรทัศน์ (LED TV) หรือจอแสดงภาพ (LED display) ได้ และไม่ใช้สารปรอทจึงเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม เป็นต้น

ปัจจุบันการแข่งขันกันพัฒนา LED ที่มีความเข้มสูงขึ้นๆ แต่มีราคาถูกลงๆกำลังดำเนินไปอย่างเข้มข้น ทั้งนี้เพราะมีแรงจูงใจจากข้อมูลที่ว่าตลาด LED มีแนวโน้มที่จะเติบโตขึ้นอย่างต่อเนื่อง เช่นมีผู้ประเมินว่าในปีนี้ (ค.ศ. 2013) ตลาด LED ทั่วโลกจะมีมูลค่าสูงถึง 7.6 แสนล้านบาท โดยสูงกว่าปีที่แล้วถึง 54 % ตลาดในอนาคตของ LED จะยิ่งสดใสกว่านี้