Một trong những công nghệ mang tính cách mạng nhất của thế kỷ 21, điốt phát sáng (đèn LED) đang thay đổi cách chúng ta giao tiếp, chiếu sáng ngôi nhà và tương tác với thế giới bên ngoài. Đó là câu chuyện về sự kiên trì, sáng tạo và những khám phá mang tính đột phá-đã đưa họ từ những hiện tượng khoa học ít người biết đến đến các giải pháp chiếu sáng được sử dụng rộng rãi. Bài viết này trình bày sự phát triển củađèn LEDtheo thời gian, nhấn mạnh những đổi mới giúp cho việc sử dụng hiện tại của chúng trở nên khả thi.
1. Những phát hiện ban đầu: Nguồn gốc của điện phát quang (thập niên 1907–1960)
Hiện tượng điện phát quang hay sự giải phóng ánh sáng từ một chất khi có dòng điện chạy qua nó là cơ sở của công nghệ LED. Henry Joseph Round, một nhà nghiên cứu người Anh, đã thực hiện quan sát đầu tiên về khái niệm này vào năm 1907 khi ông phát hiện ra rằng tinh thể cacbua silic (SiC) phát ra ánh sáng mờ khi có điện áp vào. Mặc dù vô tình và chưa được hiểu rõ, nhưng phát hiện của Round là hiện tượng điện phát quang đầu tiên được ghi nhận.
Oleg Losev, một nhà phát minh người Nga, đã xây dựng dựa trên công trình của Round vào những năm 1920. Losev đã viết-các bài viết chuyên sâu về "rơ le ánh sáng" trong khi nghiên cứu các tinh thể cacbua silic và oxit kẽm. Ông còn đề xuất rằng hiện tượng điện phát quang có thể đóng vai trò là nền tảng cho các nguồn sáng hữu ích. Nhưng vì những hạn chế về mặt kỹ thuật của thời gian, nghiên cứu của ông hầu như không được quan tâm và những đóng góp của ông không được ghi nhớ cho đến nhiều thập kỷ sau.
Những năm 1950 và 1960 chứng kiến buổi bình minh của kỷ nguyên đèn LED đương đại khi những khả năng mới được tạo ra nhờ sự phát triển trong khoa học bán dẫn. Các vật liệu như gallium arsenide (GaAs) và gallium phosphide (GaP) đã được các nhà nghiên cứu tại RCA, General Electric và IBM nghiên cứu. Đèn LED hồng ngoại được Robert Biard và Gary Pittman phát minh vào năm 1961, nhưng khám phá quan trọng này lại do nhà khoa học Nick Holonyak Jr. của General Electric thực hiện. Holonyak đã phát triển đèn LED quang phổ nhìn thấy được-đầu tiên vào năm 1962, sử dụng tinh thể gallium arsenide phosphide (GaAsP) để tạo ra ánh sáng đỏ. Được biết đến là "cha đẻ của đèn LED", Holonyak đã đưa ra-dự đoán mang tính tương lai rằng đèn LED cuối cùng sẽ thay thế đèn sợi đốt.
2. Cuộc cách mạng màu sắc (thập niên 1970–1980): Mở rộng quang phổ
Ánh sáng đỏ cường độ-thấp do đèn LED đời đầu tạo ra chỉ thích hợp cho đèn báo dùng trong đồng hồ, máy tính và các thiết bị khác. Vào những năm 1970, nghiên cứu được thúc đẩy bởi mong muốn có màu sắc mới và tăng hiệu quả.
Đèn LED màu xanh lá cây và màu vàng: Vào đầu những năm 1970, các nhà phát minh đã tạo ra đèn LED màu xanh lá cây và màu vàng bằng cách pha tạp gali photphua với nitơ. Chúng đã phát triển để bao gồm các chỉ báo trên bảng điều khiển cho ô tô và đèn giao thông.
Đèn LED có màu xanh lam: Chén Thánh Do thách thức trong việc tạo ra các tinh thể gallium nitride (GaN) chất lượng cao nên ánh sáng xanh vẫn khó nắm bắt. Khó phát triển do nhiệt độ nóng chảy cao và mạng tinh thể không phù hợp với chất nền. Sử dụng phương pháp lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại (MOCVD), các nhà nghiên cứu như Isamu Akasaki và Hiroshi Amano ở Nhật Bản đã kiên trì và đạt được tiến bộ đáng kể trong việc phát triển GaN trên chất nền sapphire vào cuối những năm 1980.
Đèn LED màu xanh lam có độ sáng cao-đầu tiên được Shuji Nakamura của Nichia Corporation tạo ra vào năm 1993, đánh dấu bước tiến đáng kể cuối cùng. Lĩnh vực này đã được biến đổi nhờ phát minh của Nakamura, sử dụng indium gallium nitride (InGaN) cho lớp hoạt tính. Ngoài việc hoàn thiện bộ ba màu RGB, đèn LED xanh lam còn tạo ra đèn LED màu trắng bằng cách áp dụng lớp phủ phốt pho (sẽ nói thêm về điều này sau). Danh tiếng của đèn LED xanh lam như một phát minh có thể thay đổi trò chơi- càng được củng cố khi Akasaki, Amano và Nakamura được trao Giải Nobel Vật lý năm 2014 cho những nỗ lực của họ.
3. Chiếu sáng thế giới: Đột phá về đèn LED trắng (thập niên 1990–2000)
Ánh sáng chung đòi hỏi ánh sáng trắng. Trước khi có đèn LED, việc trộn các đèn LED màu đỏ, xanh lục và xanh lam để tạo ra ánh sáng trắng là một quy trình khó khăn và không hiệu quả. Sự ra đời của đèn LED màu xanh lam đã đưa ra cách khắc phục đơn giản hơn: phủ chất lân quang màu vàng (chẳng hạn như garnet nhôm yttri pha tạp xeri-hoặc YAG:Ce) vào đèn LED màu xanh lam. Khi phốt pho bị kích thích bởi ánh sáng xanh, nó sẽ giải phóng một quang phổ ánh sáng rộng kết hợp với bất kỳ ánh sáng xanh nào còn lại để tạo ra màu trắng.
Vào cuối những năm 1990, kỹ thuật này-được gọi là đèn LED trắng chuyển đổi phốt pho-hay đèn LED PC-LED-đã trở nên khả thi về mặt kinh tế. Vào những năm 2000, đèn LED trắng có hiệu suất cao hơn bóng đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang được-sản xuất hàng loạt bởi các công ty như Cree, Philips và Osram.
Những bước ngoặt quan trọng bao gồm:
Hiệu suất phát sáng: Đến những năm 2010, hiệu suất đã tăng từ 5 lm/W (màu đỏđèn LEDtừ những năm 1960) đến hơn 150 lm/W.
Giảm chi phí: Từ năm 2000 đến năm 2015, các phương pháp sản xuất được cải tiến (chẳng hạn như sản xuất quy mô wafer{2}}) đã giúp giảm giá 90%.
Áp dụng trong chiếu sáng: Để tiết kiệm năng lượng, các chính phủ trên toàn cầu đã khuyến khích sử dụng đèn LED. Ví dụ, Giải thưởng L năm 2008 của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã thúc đẩy việc áp dụng đèn LED để thay thế cho đèn sợi đốt 60W.
4. Ngoài chiếu sáng: Công nghệ thông minh và đa dạng hóa (2010s–nay)
Ngày nay, đèn LED được sử dụng không chỉ để chiếu sáng. Nhiều ứng dụng đã được thực hiện nhờ sự phát triển trong khoa học vật liệu và thu nhỏ.
Một. Công nghệ hình ảnh và màn hình
Đèn LED hữu cơ, hay OLED, là màn hình rất mỏng, linh hoạt được thấy trên điện thoại thông minh (chẳng hạn như tấm nền AMOLED của Samsung).
Đèn LED-micro: Pixel-tự phát sáng cho tai nghe AR/VR và TV độ phân giải-cao.
Li-Fi: Điều chế ánh sáng sử dụng đèn LED để truyền dữ liệu không dây.
b. Ánh sáng tập trung vào con người
Ngày nay, đèn LED có thể điều chỉnh thay đổi nhiệt độ màu để tái tạo chu kỳ của ánh nắng mặt trời tự nhiên, cải thiện chất lượng và năng suất giấc ngủ. “Ánh sáng sinh học” được sử dụng trong trường học và bệnh viện để kiểm soát nồng độ melatonin.
c. Nông nghiệp và Làm vườn
Đèn LED trồng cây sử dụng các bước sóng cụ thể (ví dụ như màu đỏ và xanh lam để quang hợp) để tối đa hóa sự phát triển của cây trồng. Đèn LED rất cần thiết cho-sản xuất cây trồng quanh năm của các trang trại thẳng đứng.
d. Giao thông vận tải và ô tô
Do tính chắc chắn và khả năng thích ứng trong thiết kế, đèn LED là tiêu chuẩn công nghiệp để chiếu sáng xe. Đèn LED được sử dụng trong các xe điện hiện tại cho mọi mục đích, từ đèn pha đến chỉ báo trạng thái pin và đèn chạy ban ngày LED năm 2004 của Audi đã bắt đầu một xu hướng.
5. Đổi mới và khó khăn
Đèn LED tiếp tục gặp phải những trở ngại bất chấp sự thành công của chúng:
Một. Giảm hiệu quả
Hiệu suất LED giảm ở dòng điện cao do rò rỉ nhiệt và điện tử. GaN-trên-Chất nền GaN và thiết kế giếng lượng tử là hai cách để giảm bớt sai sót.
b. Các vấn đề môi trường
Kim loại nặng và các nguyên tố đất hiếm, chẳng hạn như europium trong phốt pho, được tìm thấy trong đèn LED. Mối lo ngại về chất thải điện tử-tăng lên do thiếu hụt cơ sở tái chế.
c. Chất lượng màu sắc
Sự thể hiện màu sắc của màu trắng sớmđèn LED was subpar (CRI). Modern violet-pumped phosphors and quantum dot LEDs (QLEDs) may now match natural light in CRI (>90).
6. Tương lai của đèn LED
Các công nghệ mới có tiềm năng cải tiến đèn LED:
Đèn LED Perovskite: Vật liệu-chi phí thấp, có màu sắc-tinh khiết.
Đèn LED UV{0}}C: Để lọc và khử trùng nước.
Tích hợp LiDAR: Lập bản đồ 3D sử dụng đèn LED trong ô tô tự lái.
Sự phát triển của đèn LED, từ tinh thể chiếu sáng của Henry Round đến đèn LED màu xanh lam của Shuji Nakamura, là bằng chứng về sự khéo léo của con người và sự hợp tác liên ngành. Hơn một nửa hệ thống chiếu sáng trên thế giới hiện nay được cấp nguồn bằng đèn LED-, giúp giảm lượng khí thải carbon và tiết kiệm hàng tỷ đô la chi phí năng lượng.đèn LEDsẽ tiếp tục dẫn đầu cuộc cách mạng công nghệ khi tiếp tục nghiên cứu về hệ thống chiếu sáng thông minh hơn, xanh hơn và dễ thích ứng hơn, chứng minh rằng ngay cả đi-ốt nhỏ nhất cũng có thể thắp sáng hành tinh.
