จากแสงสีแดงจางๆ สู่ปฏิวัติหน้าจอ: LED เกิดขึ้นได้อย่างไร?

ลองหยุดมองรอบตัวคุณสักครู่ หน้าจอสมาร์ทโฟนที่คุณกำลังอ่านบทความนี้อยู่ ไฟส่องสว่างบนเพดาน ไฟฟ้าบนตู้เย็น หรือแม้แต่จุดเล็กๆ ที่กระพริบอยู่บนเราเตอร์ไวไฟ สิ่งเหล่านี้ล้วนมีจุดร่วมกันหนึ่งเดียว: พวกมันเกิดจากเทคโนโลยีที่เคยเป็นได้เพียงแสงสีแดงจางๆ ที่ไม่มีใครในวงการวิทยาศาสตร์คิดว่าจะมีประโยชน์

วันนี้ LED (Light Emitting Diode) หรือ ไดโอดเปล่งแสง ได้กลายเป็นหัวใจสำคัญของการแสดงผลและการให้แสงสว่างในยุคปัจจุบัน แต่เบื้องหลังความสว่างไสวนั้น คือเรื่องเล่าที่เต็มไปด้วยอุบัติเหตุ ความอดทน และการต่อสู้กับกฎของฟิสิกส์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดครั้งหนึ่งของมวลมนุษย์

จุดเริ่มต้นจากการทดลองที่ 'พัง' แต่เปล่งประกาย

เรื่องราวเริ่มต้นขึ้นเมื่อปี 1907 ณ ห้องทดลองของมาร์โคนี (Marconi) ในอังกฤษ นักวิทยาศาสตร์ชื่อ เฮนรี โจเซฟ ราวด์ (H.J. Round) กำลังทำงานกับคริสตัลคาร์ไบด์ของซิลิคอน (Silicon Carbide) เพื่อพัฒนาเครื่องตรวจจับคลื่นวิทยุ ในระหว่างการทดลอง เขาเผลอป้อนกระแสไฟฟ้าเข้าไปในคริสตัล สิ่งที่เกิดขึ้นไม่ใช่เสียงร้องดังหรือควันไฟ แต่เป็นแสงสีเหลืองอ่อนๆ ที่เรืองออกมาจากก้อนคริสตัล

นี่คือครั้งแรกที่มนุษย์ได้เห็นปรากฏการณ์ที่เราเรียกกันในปัจจุบันว่า Electroluminescence (การเรืองแสงจากไฟฟ้า) อย่างไรก็ตาม ในยุคนั้นแสงที่เกิดขึ้นยังสลัวเกินกว่าจะนำไปใช้งานได้จริง ราวด์จึงแค่จดบันทึกไว้และเดินต่อไปทำงานวิจัยอย่างอื่น โดยไม่รู้เลยว่าเขาได้เปิดประตูสู่ยุคใหม่ของเทคโนโลยีการให้แสงแล้ว

อีกสองทศวรรษต่อมาในปี 1927 นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียชื่อ โอเล็ก โลเซฟ (Oleg Losev) ได้ค้นพบปรากฏการณ์เดียวกันนี้อีกครั้ง และครั้งนี้เขาให้ความสนใจกับมันอย่างจริงจัง โลเซฟได้ทำการทดลองและเขียนบทความวิจัยอธิบายถึงกลไกการเกิดแสงจากคริสตัลเหล่านี้ แม้เขาจะไม่มีชีวิตอยู่เพียงพอที่จะเห็นผลงานของเขาเปล่งประกายสู่โลก แต่งานของเขาคือรากฐานสำคัญที่นำไปสู่การประดิษฐ์ LED ในเวลาต่อมา

ฟิสิกส์เบื้องหลังการเรืองแสง

ก่อนที่เราจะไปต่อ ขอเล่าถึงหลักการทำงานเบื้องต้นของ LED สักเล็กน้อย เพื่อให้เห็นภาพว่าทำไมการสร้างแสงสีต่างๆ จึงเป็นเรื่องยาก

อิเล็กตรอนกระโดดข้ามช่องว่าง

LED ทำงานบนพื้นฐานของสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) ซึ่งมีโครงสร้างพลังงานอยู่ 2 ระดับ คือ แถบนำ (Conduction Band) ที่อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้อิสระ และแถบเวเลนซ์ (Valence Band) ที่อิเล็กตรอนอยู่กับที่ ระหว่างสองแถบนี้มีระยะห่างที่เรียกว่า Bandgap (ช่องว่างพลังงาน)

เมื่อเราป้อนกระแสไฟฟ้าเข้าไป อิเล็กตรอนจะถูกดันให้กระโดดจากแถบเวเลนซ์ขึ้นไปยังแถบนำ ซึ่งต้องใช้พลังงานสูง แต่อิเล็กตรอนไม่สามารถอยู่ในสถานะพลังงานสูงได้นาน เมื่อมันตกลงมายังแถบเวเลนซ์อีกครั้ง พลังงานส่วนที่เกินมาจะถูกปล่อยออกมาในรูปแบบของโฟตอน หรืออนุภาคของแสง

ความยาวคลื่นของแสง (ซึ่งกำหนดสีที่เราเห็น) ขึ้นอยู่กับขนาดของ Bandgap ยิ่งช่องว่างพลังงานกว้างมากเท่าไหร่ แสงที่ปล่อยออกมาก็จะมีพลังงานสูงขึ้น ซึ่งก็คือสีที่เข้มขึ้นหรือเลื่อนไปทางสเปกตรัมสีน้ำเงิน

ไดโอดเปล่งแสงตัวแรกของโลก

การค้นพบที่เป็นรูปธรรมและนำไปใช้ได้จริงเกิดขึ้นในปี 1961 โดยนักวิจัยของบริษัท Texas Instruments ชื่อ โรเบิร์ต ไบอาร์ด (Robert Biard) และ แกรี พิตต์แมน (Gary Pittman) พวกเขากำลังทำงานวิจัยเกี่ยวกับเลเซอร์ และบังเอิญค้นพบว่าโครงสร้าง GaAs (Gallium Arsenide) สามารถปล่อยแสงอินฟราเรด (มนุษย์มองไม่เห็น) ออกมาได้เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้า พวกเขาได้จดสิทธิบัตรไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรดตัวแรกของโลก

แต่เราจะใช้แสงที่มองไม่เห็นทำอะไรได้? จึงเกิดความพยายามต่อยอดเพื่อสร้างแสงที่ตามนุษย์เห็นได้ ในปี 1962 นิค โฮโลนยัค (Nick Holonyak Jr.) นักวิจัยของบริษัท General Electric ได้พัฒนาไดโอดเปล่งแสงสีแดงตัวแรกที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า โดยใช้สารผสม GaAsP (Gallium Arsenide Phosphide) นี่คือจุดกำเนิดของ LED ตามความหมายที่เรารู้จักกันในปัจจุบัน โฮโลนยัคได้รับการขนานนามว่าเป็น 'บิดาแห่ง LED'

ในช่วงแรก LED สีแดงนี้มีราคาแพงมากและให้แสงสลัว จึงถูกใช้เป็นเพียงไฟแสดงสถานะ (Indicator light) บนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ราคาแพง ไม่มีใครคาดคิดว่ามันจะไปได้ไกลกว่านั้น

การตามหาแสงสีฟ้า ความท้าทายที่ยิ่งใหญ่

หลังจากมี LED สีแดงและสีเขียว นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกต่างพยายามสร้าง LED สีน้ำเงิน เพราะถ้าเรามีแสงสามสีหลักคือ แดง เขียว และน้ำเงิน เราจะสามารถผสมแสงเพื่อสร้างสีขาวได้ ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการสร้างหลอดไฟและหน้าจอแสดงผลแบบเต็มสี

แต่การสร้าง LED สีน้ำเงินเป็นไปไม่ได้เลยในเวลานั้น เพราะต้องใช้สารกึ่งตัวนำที่มี Bandgap กว้างมาก นักวิทยาศาสตร์หลายคนท้อแท้และล้มเลิกความคิดนี้ไป บริษัทใหญ่ๆ อย่าง IBM หรือ RCA ก็ล้วนทุ่มเททรัพยากรมาก่อน แต่ก็ต้องยอมแพ้

นักวิจัยหัวกะทิและความอดทน

ในปี 1980s มีนักวิจัยชาวญี่ปุ่นชื่อ ชูจิ นากามูระ (Shuji Nakamura) ทำงานอยู่ในบริษัทเล็กๆ ชื่อ Nichia Chemicals ในเมืองโทกุชิมะ เขาตัดสินใจเลือกทำงานวิจัยที่คนอื่นทิ้งไปแล้ว คือการสร้าง LED สีน้ำเงินจากสาร GaN (Gallium Nitride)

เขาใช้เวลาหลายปีในห้องแล็บ ทำงานวันละกว่าสิบชั่วโมง พัฒนาเครื่องมือและวิธีการเพาะชั้นสารกึ่งตัวนำด้วยตัวเอง ในที่สุดปี 1993 เขาก็สร้าง LED สีน้ำเงินที่สว่างและมีประสิทธิภาพสูงได้สำเร็จ ความสำเร็จนี้ไม่เพียงแต่ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในภายหลัง แต่ยังเป็นจุดเปลี่ยนที่ทำให้เรามีหลอดไฟ LED สีขาวที่ประหยัดพลังงาน และหน้าจอแสดงผลแบบเต็มสีในสมาร์ทโฟนที่คุณใช้อยู่ทุกวันนี้

ยุคทองของ LED และการเปลี่ยนแปลงโลก

เมื่อมี LED สีน้ำเงินครบเซ็ต นักวิทยาศาสตร์ก็เคลือบสารเรืองแสงสีเหลือง (Phosphor) บน LED สีน้ำเงิน เมื่อแสงน้ำเงินกระทบสารเรืองแสง มันจะถูกดูดซับแล้วปล่อยแสงสีเหลืองออกมา แสงน้ำเงินและเหลืองผสมกันจึงกลายเป็นแสงสีขาว นี่คือหลักการของหลอดไฟ LED สีขาวที่เราใช้กันในปัจจุบัน

จากไฟส่องสว่างสู่หน้าจอ OLED

นอกจากจะใช้ทำหลอดไฟที่ประหยัดพลังงานและอายุการใช้งานยาวนานกว่าหลอดไส้แบบเดิมหลายเท่าตัวแล้ว เทคโนโลยี LED ยังถูกพัฒนาต่อยอดเป็น OLED (Organic LED) ซึ่งใช้สารอินทรีย์เป็นตัวเปล่งแสง ทำให้หน้าจอสามารถบางและพับได้ สีสันสดใส และใช้พลังงานน้อยกว่าจอ LCD แบบเดิม

บทสรุปและการมีส่วนร่วม

จากแสงสีเหลืองจางๆ ในก้อนคริสตัลเมื่อกว่าร้อยปีก่อน สู่หน้าจอ 4K ที่สว่างไสวและหลอดไฟประหยัดพลังงานในบ้านของคุณ เทคโนโลยี LED คือบทพิสูจน์ว่าความอดทนในการวิจัยที่ดูเหมือนไม่มีประโยชน์ในวันนี้ อาจเปลี่ยนโลกในวันพรุ่งนี้ได้เสมอ

ครั้งต่อไปที่คุณเปิดไฟในห้อง หรือกดสมาร์ทโฟนดูคลิป ลองนึกถึงอิเล็กตรอนตัวเล็กๆ ที่กำลังกระโดดข้ามช่องว่างพลังงานเพื่อสร้างแสงสีให้คุณมองเห็น มันเป็นเวทมนตร์ของฟิสิกส์ที่เราสามารถสัมผัสได้ทุกวัน

คุณคิดว่าเทคโนโลยีการแสดงผลแบบไหนจะมาแทนที่ LED ในอนาคต? มาแชร์ความคิดเห็นกันได้ในคอมเมนต์ และอย่าลืมกดติดตามเพื่ออ่านบทความเกี่ยวกับเทคโนโลยีที่เปลี่ยนโลกในรอบสัปดาห์หน้า!