หนึ่งในเทคโนโลยีที่ปฏิวัติวงการมากที่สุดแห่งศตวรรษที่ 21 -ไดโอดเปล่งแสง (LED) กำลังเปลี่ยนแปลงวิธีการสื่อสาร แสงสว่างในบ้าน และการมีส่วนร่วมกับโลกภายนอก เป็นเรื่องราวของความอุตสาหะ ความคิดสร้างสรรค์ และการค้นพบที่แปลกใหม่-ซึ่งนำพวกเขาจากปรากฏการณ์ทางวิทยาศาสตร์ที่คลุมเครือมาสู่โซลูชันระบบแสงสว่างที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย บทความนี้จะกล่าวถึงพัฒนาการของไฟ LEDตลอดเวลาโดยเน้นย้ำถึงนวัตกรรมที่ทำให้การใช้งานในปัจจุบันเป็นไปได้
1. การค้นพบในช่วงแรก: ต้นกำเนิดของสารเรืองแสงด้วยไฟฟ้า (พ.ศ. 2450-2503)
ปรากฏการณ์อิเล็กโตรลูมิเนสเซนซ์ หรือการเปล่งแสงจากสสารเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ถือเป็นพื้นฐานของเทคโนโลยี LED เฮนรี โจเซฟ ราวด์ นักวิจัยชาวอังกฤษ ได้สังเกตแนวคิดนี้เป็นครั้งแรกในปี 1907 เมื่อเขาพบว่าผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ให้แสงจาง ๆ เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้า แม้จะไม่ได้ตั้งใจและไม่ค่อยเข้าใจ แต่การค้นพบของ Round ถือเป็นการเรืองแสงด้วยไฟฟ้าครั้งแรกที่ได้รับการบันทึกไว้
Oleg Losev นักประดิษฐ์ชาวรัสเซีย สร้างขึ้นจากผลงานของ Round ในช่วงทศวรรษปี ค.ศ. 1920 Losev เขียน-บทความเชิงลึกเกี่ยวกับ "รีเลย์ไฟ" ขณะที่ค้นคว้าผลึกของซิลิคอนคาร์ไบด์และซิงค์ออกไซด์ นอกจากนี้เขายังแนะนำว่าการเรืองแสงด้วยไฟฟ้าอาจทำหน้าที่เป็นรากฐานสำหรับแหล่งกำเนิดแสงที่มีประโยชน์ แต่เนื่องจากข้อจำกัดทางเทคนิคด้านเวลา การศึกษาของเขาจึงถูกละเลยเป็นส่วนใหญ่ และการมีส่วนร่วมของเขาไม่ได้รับการจดจำจนกระทั่งหลายทศวรรษต่อมา
ทศวรรษที่ 1950 และ 1960 เป็นจุดเริ่มต้นของยุค LED ร่วมสมัย เนื่องจากความเป็นไปได้ใหม่ ๆ เกิดขึ้นได้จากการพัฒนาด้านวิทยาศาสตร์เซมิคอนดักเตอร์ วัสดุเช่นแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) และแกลเลียมฟอสไฟด์ (GaP) ได้รับการตรวจสอบโดยนักวิจัยที่ RCA, General Electric และ IBM LED อินฟราเรดถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี 1961 โดย Robert Biard และ Gary Pittman แต่การค้นพบครั้งสำคัญนี้เกิดขึ้นโดยนักวิทยาศาสตร์ของ General Electric Nick Holonyak Jr. Holonyak ได้พัฒนาสเปกตรัม LED ที่มองเห็นได้-ดวงแรกในปี 1962 โดยใช้ผลึกแกลเลียมอาร์เซไนด์ฟอสไฟด์ (GaAsP) เพื่อสร้างแสงสีแดง Holonyak เป็นที่รู้จักในนาม "บิดาแห่ง LED" และทำนายอนาคต-ในสมัยนั้นว่า LED จะมาแทนที่หลอดไส้ในที่สุด
2. การปฏิวัติสี (ทศวรรษ 1970-1980): การขยายสเปกตรัม
แสงสีแดงความเข้มต่ำ-ที่ผลิตโดย LED ในยุคแรกๆ นั้นเหมาะสำหรับไฟแสดงสถานะที่ใช้ในนาฬิกา เครื่องคิดเลข และอุปกรณ์อื่นๆ เท่านั้น ในปี 1970 การวิจัยได้รับแรงผลักดันจากความต้องการสีใหม่ๆ และประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น
ไฟ LED สีเขียวและสีเหลือง: ในช่วงต้นทศวรรษ 1970 นักประดิษฐ์ได้สร้างไฟ LED สีเขียวและสีเหลืองโดยการเติมแกลเลียมฟอสไฟด์ด้วยไนโตรเจน สิ่งเหล่านี้ขยายไปถึงตัวบ่งชี้ที่แดชบอร์ดสำหรับรถยนต์และสัญญาณไฟจราจร
LED ที่เป็นสีน้ำเงิน: จอกศักดิ์สิทธิ์ เนื่องจากความท้าทายในการสร้างผลึกแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) คุณภาพสูง- แสงสีน้ำเงินจึงยังคงเป็นสิ่งที่เข้าใจยาก การเจริญเติบโตทำได้ยากเนื่องจากอุณหภูมิหลอมละลายที่สูงของ GaN และโครงตาข่ายไม่ตรงกับพื้นผิว การใช้การสะสมไอสารเคมีโลหะอินทรีย์ (MOCVD) นักวิจัยเช่น Isamu Akasaki และ Hiroshi Amano ในญี่ปุ่นยังคงยืนหยัดและมีความก้าวหน้าที่สำคัญในการพัฒนา GaN บนพื้นผิวแซฟไฟร์ในช่วงปลายทศวรรษ 1980
ไฟ LED สีน้ำเงินความสว่างสูง-ดวงแรกถูกสร้างขึ้นในปี 1993 โดย Shuji Nakamura จาก Nichia Corporation ซึ่งถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญครั้งสุดท้าย สนามได้รับการเปลี่ยนแปลงโดยการประดิษฐ์ของ Nakamura ซึ่งใช้อินเดียมแกลเลียมไนไตรด์ (InGaN) สำหรับชั้นที่ใช้งานอยู่ นอกเหนือจากการทำให้กลุ่มสี RGB เสร็จสมบูรณ์แล้ว ไฟ LED สีน้ำเงินยังทำให้ LED สีขาวเป็นไปได้ด้วยการเคลือบสารฟอสเฟอร์ (จะมีรายละเอียดเพิ่มเติมในภายหลัง) ชื่อเสียงของ LED สีฟ้าในฐานะสิ่งประดิษฐ์ที่เปลี่ยนแปลงเกม-ได้รับการผนึกไว้เมื่ออาคาซากิ อามาโนะ และนากามูระได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 2014 จากความพยายามของพวกเขา
3. การส่องสว่างโลก: ความก้าวหน้าของ LED สีขาว (ช่วงปี 1990-2000)
แสงทั่วไปต้องใช้แสงสีขาว ก่อนที่จะมี LED การผสม LED สีแดง เขียว และน้ำเงินเพื่อสร้างแสงสีขาวเป็นขั้นตอนที่ยากและไม่มีประสิทธิภาพ การนำ LED สีน้ำเงินมาใช้เสนอแนวทางแก้ไขที่ตรงไปตรงมามากขึ้น: การใช้สารเรืองแสงสีเหลือง (เช่น อะลูมิเนียมโกเมนอิตเทรียมที่เจือด้วยซีเรียม- หรือ YAG:Ce) กับ LED สีน้ำเงิน เมื่อฟอสเฟอร์ถูกกระตุ้นด้วยแสงสีน้ำเงิน มันจะปล่อยแสงสเปกตรัมกว้างออกมาซึ่งรวมกับแสงสีน้ำเงินที่เหลืออยู่เพื่อสร้างสีขาว
ในช่วงปลายทศวรรษ 1990 เทคนิคนี้-เรียกว่าฟอสเฟอร์-ไฟ LED สีขาวที่แปลงแล้ว หรือ-ไฟ LED{4}} ของพีซีมีความเป็นไปได้ในเชิงเศรษฐกิจ ในช่วงทศวรรษ 2000 ไฟ LED สีขาวที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าหลอดไส้และหลอดฟลูออเรสเซนต์ได้รับการผลิตจำนวนมาก-โดยบริษัทต่างๆ เช่น Cree, Philips และ Osram
จุดเปลี่ยนที่สำคัญได้แก่:
ประสิทธิภาพการส่องสว่าง: ภายในปี 2010 ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นจาก 5 ลูเมน/วัตต์ (สีแดงไฟ LEDตั้งแต่ทศวรรษ 1960) ไปจนถึงมากกว่า 150 ลูเมน/วัตต์
การลดต้นทุน: ระหว่างปี 2000 ถึง 2015 วิธีการผลิตที่ได้รับการปรับปรุง (เช่น การผลิตแผ่นเวเฟอร์-) ลดราคาลง 90%
การยอมรับในระบบแสงสว่าง: เพื่อประหยัดพลังงาน รัฐบาลทั่วโลกสนับสนุนการใช้ LED ตัวอย่างเช่น รางวัล L Prize ประจำปี 2008 จากกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา กระตุ้นให้มีการใช้ไฟ LED แทนหลอดไส้ 60W
4. Beyond Lighting: เทคโนโลยีอัจฉริยะและความหลากหลาย (ปี 2010-ปัจจุบัน)
ปัจจุบัน LED ถูกนำมาใช้เป็นมากกว่าการให้แสงสว่าง การใช้งานจำนวนมากเกิดขึ้นได้จากการพัฒนาในด้านวัสดุศาสตร์และการย่อขนาด
ก. เทคโนโลยีการมองเห็นและการแสดงผล
LED ออร์แกนิกหรือ OLED เป็นหน้าจอที่บางและยืดหยุ่นซึ่งพบเห็นได้ในสมาร์ทโฟน (เช่น แผง AMOLED ของ Samsung)
ไมโคร-ไฟ LED: พิกเซลที่เปล่งแสงได้เอง-สำหรับชุดหูฟัง AR/VR และทีวีที่มีความคมชัดสูง-
Li-Fi: การปรับแสงโดยใช้ LED เพื่อส่งข้อมูลแบบไร้สาย
ข. แสงสว่างมุ่งเน้นไปที่มนุษย์
ทุกวันนี้ ไฟ LED ที่ปรับได้จะเปลี่ยนอุณหภูมิสีเพื่อจำลองวัฏจักรของแสงแดดตามธรรมชาติ ซึ่งช่วยปรับปรุงคุณภาพการนอนหลับและประสิทธิภาพการทำงาน "ไฟ Circadian" ใช้ในโรงเรียนและโรงพยาบาลเพื่อควบคุมระดับเมลาโทนิน
ค. เกษตรกรรมและการทำสวน
ไฟเร่งโต LED ใช้ความยาวคลื่นเฉพาะ (เช่น สีแดงและสีน้ำเงินสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสง) เพื่อเพิ่มการพัฒนาของพืชให้สูงสุด ไฟ LED มีความสำคัญต่อ-การผลิตพืชผลตลอดทั้งปีในฟาร์มแนวตั้ง
ง. การคมนาคมและรถยนต์
เนื่องจากการออกแบบมีความทนทานและปรับเปลี่ยนได้ LED จึงเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับการส่องสว่างของยานพาหนะ ไฟ LED ถูกนำมาใช้ใน EV ในปัจจุบันเพื่ออะไรก็ได้ตั้งแต่ไฟหน้าไปจนถึงตัวบ่งชี้สถานะแบตเตอรี่ และไฟ LED สำหรับวิ่งกลางวันในปี 2004 ของ Audi ก็เริ่มได้รับความนิยม
5. นวัตกรรมและความยากลำบาก
LED ยังคงเผชิญกับอุปสรรคแม้จะประสบความสำเร็จ:
ก. ประสิทธิภาพการหลบตา
ประสิทธิภาพของ LED จะลดลงที่กระแสสูงเนื่องจากความร้อนและการรั่วไหลของอิเล็กตรอน GaN-บน-ซับสเตรต GaN และการออกแบบหลุมควอนตัมเป็นสองวิธีในการลดข้อบกพร่อง
ข. ปัญหาสิ่งแวดล้อม
โลหะหนักและธาตุดินหายาก- เช่น ยูโรเพียมในฟอสเฟอร์พบได้ใน LED ความกังวลเกี่ยวกับ-ขยะอิเล็กทรอนิกส์เพิ่มขึ้นจากช่องว่างในโรงงานรีไซเคิล
ค. คุณภาพของสี
การแสดงสีของสีขาวตอนต้นไฟ LED was subpar (CRI). Modern violet-pumped phosphors and quantum dot LEDs (QLEDs) may now match natural light in CRI (>90).
6. อนาคตของไฟ LED
เทคโนโลยีใหม่มีศักยภาพในการพัฒนา LEDs:
ไฟ LED ของ Perovskite: วัสดุบริสุทธิ์-ต้นทุนต่ำ ให้สีมาก-
ไฟ LED UV-C: สำหรับการทำให้น้ำบริสุทธิ์และฆ่าเชื้อ
การบูรณาการ LiDAR: การทำแผนที่ 3 มิติโดยใช้ไฟ LED ในรถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยตนเอง-
การพัฒนาไฟ LED ตั้งแต่คริสตัลไฟของ Henry Round ไปจนถึงไฟ LED สีฟ้าของ Shuji Nakamura ถือเป็นข้อพิสูจน์ถึงความเฉลียวฉลาดของมนุษย์และความร่วมมือข้าม{0}}วินัย ขณะนี้แสงสว่างมากกว่าครึ่งหนึ่งในโลกใช้พลังงานจาก LED- ซึ่งช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนและประหยัดค่าใช้จ่ายด้านพลังงานได้หลายพันล้านดอลลาร์ไฟ LEDจะยังคงเป็นผู้นำในการปฏิวัติทางเทคโนโลยี ในขณะที่การวิจัยเกี่ยวกับระบบไฟที่ชาญฉลาดขึ้น เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และปรับเปลี่ยนได้มากขึ้น ยังคงดำเนินต่อไป ซึ่งแสดงให้เห็นว่าแม้แต่ไดโอดที่เล็กที่สุดก็สามารถส่องสว่างโลกได้
