Lịch sử phát triển công nghệ đèn LED

Tuy gần đây cũng xuất hiện những công nghệ mới bắt nguồn từ các nguyên lý trên, như đèn phóng điện có độ sáng cao HID (high-intensity discharge lamp), nhưng vẫn chưa thể đạt hiệu suất phát sáng trên 200 lm/W (với đèn Natri đơn sắc áp suất thấp).

Đột phá trong công nghệ chiếu sáng

Phương pháp thắp sáng thứ ba cho hiệu suất thắp sáng cao hơn hẳn hai phương pháp trên mới xuất hiện cách đây không lâu và đang trong quá trình hoàn thiện, dùng các điốt phát quang LED (light emitting diod), tiêu thụ ít điện hơn mà lại phát ra ít tạp nhiễu hơn hẳn hai hiệu ứng trên. Đèn thắp sáng dùng LED có  loại sử dụng điện áp thấp (điển hình là 12 V DC) mà cũng có loại dùng được với điện lưới xoay chiều 120-240 V AC.

Như những điốt thông thường, LED là một chip bằng vật liệu bán dẫn có cấy tạp chất để tạo thành một chuyển tiếp p-n, dẫn điện theo một chiều. Những điện tử và lỗ từ các điện cực có điện thế khác nhau chảy vào chuyển tiếp. Khi một điện tử gặp một lỗ, nó rơi xuống một mức năng lượng thấp hơn và nhả năng lượng ra dưới dạng một quang tử (photon). Bước sóng của quang bức xạ ra, và từ đó là màu của nó phụ thuộc khoảng cách mức năng lượng của các vật liệu hình thành chuyển tiếp p-n.

Thoạt đầu, người ta chế ra LED màu đỏ, tiềp đó là màu vàng và màu cam. Muốn tạo ra ánh sáng như ánh sáng mặt trời, phải có thêm LED màu xanh. Năm 1993 công ty Nhật Nichia Chemical Industries đã dùng nitrid Gali (GaN) chế tạo được LED màu xanh, nhờ đó ngày nay có thể tạo ra đèn LED phát ánh sáng trắng bằng các phương pháp sau:

1. phương pháp trộn màu, đem tổ hợp các LED màu đỏ, màu xanh và xanh lá cây (green) theo một tỷ lệ nhất định về số lượng và độ sáng. Tối thiểu phải dùng 2 loại LED (xanh và vàng), nhưng cũng có thể dùng 3 loại (đỏ, xanh, xanh lá cây) hay 4 loại (đỏ, xanh, xanh lá cây, vàng).
2. phương pháp biến đổi bước sóng, đặt LED màu xanh trong một hệ có chứa phốtpho chuyển đổi màu, biến một phần ánh sáng xanh ra màu đỏ và màu lá cây, làm cho mắt người cảm nhận thấy ánh sáng hỗn hợp tạo ra là màu trắng. Đơn giản nhất là sử dụng LED màu xanh với phốt pho màu vàng: cho ánh sáng xanh của LED kích thích một chất phốt pho có khả năng tái bức xạ ra màu vàng. Hỗn hợp ánh sáng xanh và vàng theo một tỷ lệ nào đó sẽ cho ra ánh sáng tựa như màu trắng. Nếu muốn có màu trắng thật hơn thì dùng LED màu xanh với nhiều loại phốt pho tái bức xạ ra những màu khác nhau, ánh sáng hỗn hợp tao ra có phổ tần phong phú và rộng hơn, nhưng giá thành cũng cao hơn. Cũng có thể dùng LED cực tím với các phốt pho tái bức xạ màu đỏ, xanh, xanh lá cây, khi đó ánh sánh hỗn hợp (theo một tỷ lệ nhất định) là màu trắng với phổ tần phong phú và rộng nhất.
3. phương pháp LED màu xanh kích thích các điểm quang tử (quantum dot): đem bọc đầu LED màu xanh bằng một lớp siêu mỏng những tinh thể nano chứa 33 hoặc 34 cặp nguyên tử (thường là Cadmium và Selenium). Ánh sáng xanh kích  thích các điểm quang tử sẽ tạo ra được ánh sáng hỗn hợp màu trắng, có phổ tần tương tự LED cực tím với các loại phôtpho đã nói ở trên.
4. phương pháp homoepitaxial ZnSe: hãng Sumitomo Electric (Nhật bản) dùng công nghệ homoepitaxial cấy LED xanh trên một lớp nền ZnSe, để vùng hoạt tính phát ra ánh sáng xanh còn vùng nền phát ra ánh sáng vàng. Ánh sáng hỗn hợp có màu trắng với phổ tần tương tự LED cực tím và các phốt pho, nhưng vì không dùng phốtpho nên hiệu suất phát ánh sáng trắng cao hơn.

Về lý thuyết phương pháp trộn màu cho hiệu suất phát sáng cao hơn phương pháp biến đổi bước sóng, vì không có sự tổn hao quang năng do chất phốtpho chuyển đổi bước sóng. Tuy vậy, để tạo thành một đèn thắp sáng phải ghép nhiều LED. Với độ sáng yêu cầu như nhau thì đèn dùng toàn LED phát ánh sáng trắng đơn giản và có thể ghép theo cấu hình bất kỳ, còn với đèn dùng phương pháp trộn màu việc bố trí LED phức tạp và kích thước đèn lớn hơn. Ngoài ra, do thời gian thoái hóa của các loại LED có màu khác nhau chênh lệch khá nhiều, cho nên sau một thời gian sử dụng ánh sáng ra của đèn dùng phương pháp trộn màu biến chất. Vì vậy ngày nay không mấy ai sản xuất loại nầy nữa.

Đặc tính LED

Đèn thắp sáng dùng LED có ưu điểm hơn những đèn dùng các nguyên lý cổ điển ở mấy điểm sau:

• Bền – không sợ đứt tóc hay vỡ bóng
• Tuổi thọ cao – Tuổi thọ LED đến khoảng 100.000 giờ
• Tiêu thụ điện năng ít – hiệu suất phát sáng của LED cao
• Mềm dẻo trong sử dụng – LED có kích thước nhỏ nên dễ ghép thành đèn hay mảng phát sáng theo cấu hình bất kỳ.
• Bức xạ nhiệt thấp – tổn hao năng lượng vì bức xạ nhiễu rất bé

Tuy vậy giá thành đèn dùng LED hiện nay còn khá cao, và với loại có giá chấp nhận đươc thì ánh sáng trắng tạo ra lại chưa thật.

Chính phủ Hoa kỳ chủ trương tìm công nghệ mới để đến năm 2025 giảm 50% mức tiêu thụ điện năng cho thắp sáng. Đèn dùng LED được coi là phương tiện đáng tin cậy nhất để đạt mục tiêu đó. Các tập đoàn công nghệ vi điện tử Hoa kỳ đang khẩn trương nghiên cứu cải tiến LED, và đã đạt nhiều kết quả đáng khích lệ, cường độ phát sáng của đèn dùng LED tăng gấp đôi sau mỗi chu kỳ 18 tháng, có thể tin tưởng là đến 2010 đèn dùng LED đủ sáng để thay thế được đèn huỳnh quang.

LED phát ánh sáng trắng đã đạt và vượt hiệu suất phát sáng của đèn thắp sáng theo nguyên lý nóng sáng. Năm 2002, hãng Lumileds đã làm ra loại LED 5 Watt có hiệu suất phát quang 18–22 lm/ watt. Để so sánh, xin nhắc lại là bóng đèn nóng sáng 60–100 watt có hiệu suất 15 lm/watt, còn đèn huỳnh quang đạt 100 lm/watt.

Tháng 9/ 2003, công ty Cree Inc. trình diễn một loại LED xanh mới, cho phép sản xuất ra đèn phát ánh sáng trắng có hiệu suất 65 lm/W, với dòng điện vào 20 mA. Khi đó nó là đèn dùng LED sáng nhất trên thị trường, và có hiệu suất phát sáng gấp 4 lần loại đèn nóng sáng tiêu chuẩn. Năm 2006, họ lại nâng hiệu suất phát sáng lên131 lm/W với 20 mA.

Nichia Corp. hiện đã phát triển được một loại LED ánh sáng trắng có hiệu suất phát sáng 150 lm/W với dòng điện vào 20 mA, còn Seoul Semiconductor  đang có kế hoạch vượt  đèn huỳnh quang, vói các mốc chỉ tiêu 135 lm/W năm 2007 và 145 lm/W năm 2008..

Đối với những ứng dụng thắp sáng thông dụng hiện nay, cần có những LED công suất lớn (≥ 1 Watt). Dòng điện đỉển hình với loại LED nầy phải từ 350 mA trở lên. LED ánh sáng trắng công suất lớn và hiệu suất cao nhất hiện nay là sản phẩm của Philips Lumileds Lighting Co. với  hiệu suất phát sáng 115 lm/W (350 mA).

Sau đây là bảng dự báo chỉ tiêu kỹ thuật mà đèn dùng LED sẽ đạt vào thập kỷ tới:

Chỉ tiêu CRI (Color Rendering Index) là độ đo độ trung thực của mầu sắc mọi vật thể trước một nguồn chiếu sáng. Ánh sáng mặt trời và một vài loại đèn nóng sáng có CRI bằng 100, còn đèn huỳnh quang khoảng 80. Với LED ở thế hệ hiện thời (thường dùng chip LED xanh + phốtpho vàng) thì CRI khoảng 70, đạt chất lượng dùng trong nhà, chỉ có thể dùng làm đèn đường, đèn vườn, công trường, xưởng cơ khí.

Giải pháp tiết kiệm năng lượng

Hội Vô tuyến Điện tử Việt nam nhận định rằng nước ta đang ở trong tình trạng thiếu hụt điện năng nghiêm trọng. Trong vài thập kỷ tới, mặc dầu ngành điện lực đã có những dự án lớn để tăng công suất nguồn điện và được hưởng nhiều ưu đãi từ phía Chính phủ để thực hiện các dự án đó nhưng với nhu cầu của một nền kinh tế đang phát triển nhanh, xem ra “cung” luôn luôn không theo kịp “cầu”, và sẽ còn thiếu điện dài dài !

Vì vậy Hội đã quan tâm vấn đề thắp sáng bằng đèn dùng LED. Ở thành thị dùng điện xoay chiều, bóng đèn dùng LED sẽ giúp tiết kiệm điện, nếu có chính sách và biện pháp tốt chắc đến 2025 cũng có thể tiết kiệm 50% điện năng dùng cho thắp sáng như Mỹ ! Ở Trung quốc hiện nay một số công trường,  phân xưởng của nhà máy đã thí điểm dùng bóng đèn LED thắp bằng điện xoay chièu (xem hình 1).

Xem bảng sau đây có thể có một ý niệm về mức tiết kiệm chi phí của người tiêu dùng và năng lương của nguồn điện  quốc gia khi thay bóng nóng sáng bằng bóng LED.

Ở nhiều vùng nông thôn, đặc biệt là ở miền núi, hải đảo, việc kéo dây điện đến khó khăn, tốn kém, dùng đèn thắp sáng bằng LED do điện mặt trời (xem hình 2) hay điện gió (hoặc kết hợp cả hai, xem hình 3) là biện pháp khả thi và xét về tổng thể là tiết kiệm