Xuất hiện vào những năm cuối của thế kỷ 20, trải qua hơn 10 năm phát triển, đèn LED trắng đã bắt kịp và chiếu sáng những thị trường tiềm năng. Công nghệ LED còn có thể dẫn dắt con đường ánh sáng đến đâu?

Đèn LED màu và đèn LED trắng

Nói đến đèn LED (Light Emitting Diode) chắc vẫn còn nhiều người bỡ ngỡ. Nhưng chắc hẳn rất nhiều người đã quen với những chiếc đèn nhỏ xíu nhấp nháy trên các cây thông Giáng Sinh, những bảng hiệu đèn giao thông đỏ vàng xanh tại các ngã tư, những bảng hiệu quảng cáo to nhỏ đủ loại với hàng ngàn hàng vạn bóng đèn mắc phía trong làm nên một diện mạo rất đặc trưng của đô thị. Đó chính là hiện thân của LED.

LED màu đã thực sự chen vào từng ngõ ngách của cuộc sống. Tuy nhiên, những chiếc đèn LED màu như trên không thể làm nguồn sáng cho các công trình chiếu sáng công cộng để thay thế cho những bóng đèn truyền thống vì đèn LED chỉ cho các ánh sáng đơn sắc như đỏ, vàng, xanh lá cây… mà không thể tạo ra được ánh sáng trắng. Chỉ đến khi LED trắng xuất hiện thì công nghệ LED mới tạo được chỗ đứng trong nền công nghiệp chiếu sáng. Để có thể chuyển từ màu qua trắng, nghe thì đơn giản nhưng là cả một quá trình phát triển và nỗ lực không ngừng của công nghệ chiếu sáng. Giáo sư Shuji Nakamura (Nhật) đã giành giải thưởng Công nghệ Thiên niên kỷ (Millenium Technology Prize) cho sáng chế  đèn LED ánh sáng trắng.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

LED hay còn gọi là diot chiếu sáng (diot: hai điện cực). Đúng như tên gọi, công nghệ LED là công nghệ chiếu sáng bằng hai điện cực với hỗ trợ của các loại vật liệu bán dẫn và công nghệ nano.

Quy trình chế tạo đèn LED trải qua hai giai đoạn chính là chế tạo tim đèn trước rồi gắn với hai điện cực tạo thành bóng đèn. Hai điện cực này có độ dài khác nhau, chân dài là anod (điện cực dương), ngắn hơn là catod (điện cực âm).

Tim đèn là phần nối giữa hai điện cực, gọi là LED chip, được làm bằng vật liệu bán dẫn. Dòng điện một chiều đi qua làm chuyển động khuếch tán các điện tích âm và dương giữa hai điện cực, và giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng. Tùy vào loại vật liệu bán dẫn dùng để chế tạo LED chip mà cho ra các đèn LED với màu sắc khác nhau. Aluminum gallium arsenide (AlGaAs) tạo ra LED đỏ, aluminum gallium phosphide (AlGaP) cho ra LED xanh lá, indium gallium nitride (InGaN) cho ra LED xanh biển, GaP cho ra LED vàng… Đèn LED trắng là sự kết hợp của đèn LED đỏ, xanh lá và xanh biển. Cách thứ hai để tạo ra đèn LED trắng là phủ một lớp phosphor vàng vào đèn LED xanh biển.

Tất cả công đoạn sản xuất LED đều thuộc lĩnh vực công nghệ cao vì phải xử lý chính xác các đơn vị có kích thước nano và phải chế tạo các màng bán dẫn thật mỏng trong môi trường thật sạch để đảm bảo tính năng và tuổi thọ của tim đèn. Phản ứng tạo thành vật liệu bán dẫn phát sáng phải được thực hiện trong chân không, thực hiện trong phòng sạch, sạch hơn cả phòng bào chế y dược. Chính công đoạn này đã đẩy giá LED lên cao, đây cũng chính là yếu điểm của LED vì chưa thể cạnh tranh về giá  với các công nghệ chiếu sáng truyền thống.
 
Ánh sáng từ sáng chế LED

Từ năm 1974 đến nay (tháng 10/2009) có 2.272 sáng chế về LED. Nhìn bản đồ sáng chế của LED qua các năm, có thể nhận thấy con đường phát triển của công nghệ LED chia làm 2 chặng rõ rệt. Từ những năm 2000 trở về trước, sáng chế LED chỉ dừng ở con số hàng chục thì từ năm 2000 đến nay, số lượng sáng chế về LED tăng vọt, đạt đến con số hàng trăm (Hình 1). Các công ty sở hữu các sáng chế LED chính là các công ty điện tử có bề dày phát triển và có thế mạnh trên thị trường. Dẫn đầu là tập đoàn chiếu sáng số 1 Philips với 164 sáng chế, thứ hai là Cree Inc. với 33 sáng chế, một số tập đoàn điện tử khác cũng đã ghi tên mình trên bản đồ sáng chế là Gelcore LLC (28), Osram (27), Siemens (23), Samsung (20), LG (17), Univ (15).
 

LED “xanh”

Chiếu sáng bằng đèn LED là một công nghệ xanh và tiết kiệm.

Ðèn LED có những ưu điểm như tiết kiệm năng lượng tiêu thụ từ 70%-80% so với loại đèn thông thường. Một bóng đèn LED công suất 5W có thể cho ánh sáng tương đương với một bóng đèn thông thường công suất 20W. Thời gian chiếu sáng của đèn LED trắng trung bình 100.000 giờ (tương đương 35 năm, mỗi ngày hoạt động 8 giờ). Theo tính toán của Viện Hàn lâm Khoa học Mỹ, nếu sử dụng đèn LED cho 50% nhu cầu chiếu sáng hiện nay ở nước này, thì mỗi năm sẽ tiết kiệm được 17 GigaWatt điện, tương đương công suất của 17 cụm nhà máy điện hạt nhân. Với lĩnh vực chiếu sáng công cộng, đèn LED trắng đã bắt đầu tham gia vào các công trình kiến trúc mới. Tuy nhiên những sản phẩm ứng dụng chiếu sáng bằng đèn LED vẫn chưa thể cạnh tranh với đèn huỳnh quang trong từng hộ gia đình do giá cả vẫn còn quá cao.

Chiếu sáng những thị trường tiềm năng

Đèn chiếu sáng ứng dụng công nghệ diot phát sáng đầu tiên đã được giới thiệu từ năm 1962 bởi nhà khoa học Nick Holonyak Jr (Mỹ). Vào những năm đầu 1970, LED được ứng dụng vào thị trường máy tính và đồng hồ. Sau khi LED trắng ra đời tham gia vào lĩnh vực chiếu sáng, thị trường của công nghệ LED bắt đầu tăng trưởng mạnh mẽ.

Điện thoại di động và các thiết bị điện tử cầm tay như máy ảnh, máy chiếu…hiện nay là lĩnh vực ứng dụng lớn nhất của LED. Trong điện thoại di động, với tiêu chí nhỏ gọn, đèn LED có thể ứng dụng để chiếu sáng màn hình điện thoại và hỗ trợ chức năng flash trong điện thoại. Với sự phát triển theo cấp số nhân của điện thoại di động đã làm cho việc ứng dụng LED trong lĩnh vực này mang lại lợi nhuận to lớn.

Với các đặc tính không bị ảnh hưởng của rung động, hoạt động ở điện áp thấp, LED cũng có điều kiện lý tưởng để ứng dụng cho ôtô. Mẫu xe nổi tiếng gần đây nhất của Audi là R8 đã được lắp đặt sẵn hệ thống đèn chiếu sáng LED tiên tiến. Đèn LED rất tiết kiệm năng lượng, chỉ mất khoảng 10W khi xe hoạt động chiếu sáng so với 150W với phương thức chiếu sáng cũ. Điều này thật sự hữu ích vì hiệu quả mà nó mang lại là rất rõ rệt, lượng xăng dành cho việc chiếu sáng được giảm đi đáng kể.

Trong danh mục chiếu sáng cho màn hình tinh thể lỏng (LCD), các nhóm ứng dụng LED là màn hình tivi, màn hình laptop, màn hình desktop... Samsung là nhà sản xuất đầu tiên trên thế giới áp dụng công nghệ LED vào tivi. Trong 70,8 tỷ đèn LED được xuất xưởng năm 2008, chiếu sáng cho tấm nền LCD khoảng 8 tỷ bóng, chiếm khoảng 11%. DisplaySearch dự báo tổng lượng đèn LED cho năm 2012 là 167 tỷ bóng, trong đó chiếu sáng cho LCD là 34 tỷ bóng, chiếm 34,7% thị phần toàn cầu về LED đến năm 2012.

Trong năm 2008, thị trường LED đạt 5,1 tỷ USD, trong đó ứng dụng trong lĩnh vực chiếu sáng trong điện thoại di động và thiết bị điện tử cầm tay là 43%. Công nghệ LED ứng dụng trong chiếu sáng màn hình và đèn hiệu là 17%. Trong lĩnh vực làm đèn chiếu sáng cho xe hơi, chiếm 15%. Đây thực sự là những thị trường đầy tiềm năng của công nghệ LED.
 

Việt Nam với vũ điệu sắc màu của LED

150 chiếc đèn sạc với bóng LED “made in Vietnam” đầu tiên đã được sản xuất thành công tại phòng thí nghiệm công nghệ nano LNT (đại học Quốc gia TP.HCM). Đây là những sản phẩm hoàn chỉnh đầu tiên ứng dụng công nghệ nano do Việt Nam sản xuất. Lô hàng đầu tiên có 4 model, với ký hiệu: SLL01, SLL02, SLL03 và SLL04. Mẫu đèn LED của LNT phát ánh sáng trắng với cường độ cao đủ dùng cho thắp sáng sinh hoạt, tuổi thọ 100.000 giờ. Những chiếc đèn LED màu trắng đầu tiên hiện đã được dùng trong chính các phòng nghiên cứu của LNT.

Không những chỉ chiếu sáng ở phòng thí nghiệm, công nghệ LED cũng đã bắt đầu bước chân ra khỏi phòng thí nghiệm. Ðiển hình là việc lắp đặt hệ thống đèn LED tại cầu sông Hàn và cầu Thuận Phước ở thành phố Ðà Nẵng. Bóng đèn chiếu sáng cho trụ cầu được tổ hợp từ các hệ thống ma trận đèn LED nhỏ. Hệ thống đèn LED lắp trên thành cầu có thân bằng nhôm, sử dụng kính chịu nhiệt. Mỗi bộ đèn có công suất tiêu thụ chỉ 25W, ánh sáng phát ra có thể đưa xa đến khoảng cách 20m. Ðây là công nghệ lần đầu được ứng dụng trong chiếu sáng công trình công cộng ở Việt Nam.

Mỗi đêm, LED đều thắp sáng mình và thắp sáng những ước mơ bằng những vũ điệu sắc màu kỳ diệu. (Theo Cesti)