มนุษย์ในยุคก่อนประวัติศาสตร์ไม่รู้จักสร้างหลอดไฟให้แสงสว่าง จนกระทั่งรู้จักจุดไฟเป็น และใช้แสงไฟจากกองไฟในการให้ความอบอุ่นกับแสงสว่าง จึงชอบล่าสัตว์ในเวลากลางวันที่มีแสงแดดช่วยในการมองเห็นได้ดี แต่เมื่อถึงเวลากลางคืน ซึ่งเป็นเวลาที่สัตว์ป่าหลายชนิดออกหากิน ผู้คนจึงต้องระมัดระวังตัวมาก เพราะมองสัตว์ร้ายไม่เห็น และสัตว์เหล่านั้นมีสายตาที่ดีกว่าตน ดังนั้น การออกเดินทางของคนในการล่าสัตว์ในเวลากลางคืนจึงต้องยุติ
ในเวลาต่อมาวิวัฒนาการของการสร้างสิ่งประดิษฐ์ที่ให้ความสว่างได้เกิดขึ้น เมื่อมนุษย์รู้จักหุงหาอาหาร โดยนำไขสัตว์มาใช้ในการทำตะเกียง ซึ่งจะให้แสงสีเหลือง ดังมีหลักฐานว่า ชาวอียิปต์เป็นชนชาติแรกที่รู้จักใช้เทียนไข แล้วต่อไปเป็นชาวโรมัน วันเวลาได้ผ่านไปจนถึงยุคของตะเกียงน้ำมัน เป็นแหล่งกำเนิดแสงสว่างที่มนุษย์รู้จักใช้กันทั่วโลก ทั้งในบ้าน และนอกบ้าน เพราะน้ำมันไม่ลุกไหม้ที่อุณหภูมิต่ำ ดังนั้นชาวบ้านจึงต้องใช้ไม้ขีดไฟในการจุดไฟที่ไส้ ซึ่งอาจทำมาจากชิ้นผ้าที่ดูดซับน้ำมันได้ดี ด้วยเหตุนี้เวลาจุดไฟด้วยไม้ขีดไฟ ความร้อนจากเปลวไฟจะทำให้น้ำมันที่ซึมขึ้นตามไส้กลายเป็นไอ และลุกไหม้ให้แสงสว่าง
เมื่อ Volta ประดิษฐ์แบตเตอรี่ได้ในปี 1799 นักวิทยาศาสตร์และนักเทคโนโลยีหลายคนได้หันมาทดลองใช้ไฟฟ้าในการให้แสงสว่าง เพราะพบว่า เวลาผ่านกระแสไฟฟ้าไปในเส้นลวด ลวดจะร้อนและเปล่งแสง แต่ปัญหาก็มีว่า เมื่อลวดร้อนมากมันจะหลอมตัว แล้วลวดก็จะขาดมีผลทำให้แสงสว่างหมดไปในทันที
Thomas Alva Edison เป็นบุคคลแรกๆ ของโลกที่ได้พยายามสร้างหลอดไฟฟ้าให้แสงสว่าง
หลังจากที่ได้ลงทุน ลงแรงไปมากเพื่อประดิษฐ์หลอดไฟฟ้าแบบหลอดไส้ธรรมดาหรือหลอดเปล่งแสง (incandescent light bulb) ลุถึงเดือนตุลาคม ค.ศ.1879 Thomas Alva Edison นักประดิษฐ์ชาวอเมริกันก็ประสบความสำเร็จในการสร้างหลอดไฟฟ้าหลอดแรกของโลก โดยการปล่อยกระแสไฟให้ไหลผ่านไส้หลอดที่ทำด้วยใยไผ่ และภายในหลอดแทบเป็นสุญญากาศ
หลังจากนั้นก็ได้ใช้เวลาอีก 10 ปีเพื่อพัฒนาคุณภาพของหลอด โดยหันมาใช้ลวด tungsten ในการทำไส้หลอด ซึ่งเวลามีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ไส้หลอดจะร้อนและเปล่งแสงให้ความสว่าง
หลอดไฟฟ้าของ Edison ได้เปลี่ยนและปฏิรูปวิถีชีวิตของผู้คนโบราณ จากเดิมที่เคยได้แสงสว่างจากการจุดเทียนไข ซึ่งทำจาก paraffin หรือไขสัตว์ เช่น ไขวาฬ หรือจากการเผาถ่านหิน แก๊ส หรือน้ำมัน มาเป็นการได้ความสว่างจากหลอดไฟฟ้าแทน
เมื่อโลกมีหลอดไฟฟ้าใช้ ผู้คนก็สามารถทำงานกลางคืนได้ จากเดิมที่เคยชวนกันเข้านอน เพราะไม่สามารถเห็นอะไร และไม่มีอะไรทำหลังพระอาทิตย์ตกดิน ทุกคนก็จะพากันหยุดงาน แต่เมื่อมีแสงสว่างในบ้านและอาคาร ผู้คนก็สามารถทำงานได้ต่อไป การมีแสงสว่างตามถนนหนทางทำให้ผู้คนสามารถออกไปพักผ่อนนอกบ้าน โดยการดูละคร และภาพยนตร์ เพราะการเดินทางในเวลากลางคืนเป็นเรื่องปลอดภัยใครๆ จึงนิยมทำกัน
แต่หลอดไฟของ Edison ก็ยังมีข้อเสีย คือ เมื่อเวลาผ่านไปนาน อะตอมของ tungsten ซึ่งเป็นวัสดุที่ใช้ทำไส้หลอด จะระเหิดหายไปทีละน้อยๆ ไส้หลอดจึงบางลงๆ จนในที่สุดไส้หลอดก็จะขาด ผู้ใช้จึงต้องซื้อหลอดใหม่มาใช้แทน เป็นการสิ้นเปลือง
Edison จึงคิดหาวิธีพัฒนาหลอดไฟให้ไส้หลอดระเหิดอย่างช้าๆ เพื่อให้หลอดสามารถใช้ได้นาน โดยได้บรรจุแก๊สเฉื่อย เช่น argon, krypton, neon หรือ xenon เข้าไปภายในหลอด แต่หลอดไส้ธรรมดาชนิดนี้ก็ยังมีข้อเสียอีก คือใช้ไฟเปลือง เพราะจากพลังงานไฟฟ้า 100% ที่หลอดได้รับ 90% ของพลังงานจะถูกเปลี่ยนไปเป็นความร้อน ซึ่งไม่เป็นประโยชน์ และอีก 10% ของพลังงานที่เหลือจะถูกเปลี่ยนเป็นแสง ดังนั้นประสิทธิภาพของหลอดไฟในการให้ความสว่างจึงค่อนข้างต่ำ
วิวัฒนาการขั้นต่อไปของเทคโนโลยีหลอดไฟ คือ การใช้หลอดผอม หรือหลอดวาวแสง (fluorescent bulb) ซึ่งถูกประดิษฐ์ขึ้นในปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 หลอดมีลักษณะทรงกระบอกเป็นแท่งยาว ภายในหลอดบรรจุแก๊สเฉื่อย เช่น neon ที่ปนด้วยไอปรอท หรือไอโซเดียม ดังนั้นเวลาเปิดไฟ อิเล็กตรอนจากขั้วหลอดจะถูกความต่างศักย์ไฟฟ้าบังคับให้พุ่งชนอิเล็กตรอนของอะตอมแก๊สที่อยู่ภายในหลอด อิเล็กตรอนในอะตอมที่ถูกชนจะถูกกระตุ้นให้มีพลังงานสูงขึ้น แต่มันจะอยู่ในสถานะกระตุ้นไม่นาน ก็จะหวนกลับคืนสถานะเดิม พร้อมกันนั้นก็ปล่อยแสง ultraviolet (UV) ออกมา สำหรับส่วนที่เป็นขั้วหลอดนั้นมักทำด้วย tungsten และมี ballast ทำหน้าที่ควบคุมกระแสไม่ให้กระแสไหลเข้ามากจนเกินไป เพราะจะทำให้หลอดขาด เมื่อขั้วหลอดมีความต่างศักย์สูง ขั้วที่ร้อนจะเร่งอิเล็กตรอนไปพุ่งชนอะตอมของแก๊สที่อยู่ภายในหลอด ให้ปล่อยแสง ultraviolet ออกมา ที่ผิวภายในหลอดผอมตามปกติมักมีสาร phosphor เคลือบอยู่ ดังนั้นเวลาผิวภายในได้รับแสง UV ปรากฏการณ์วาวแสง (fluorescence) จะเกิดขึ้น และปล่อยแสงที่ตาเห็นออกมา
หลอดผอมสามารถประหยัดไฟมากกว่าหลอดไส้ เช่น ถ้าหลอดไส้ให้กำลังส่องสว่าง 20 lumens/watt หลอดผอมจะให้กำลังส่องสว่างได้มากถึง 60 lumens/watt อีกทั้งยังประหยัดเงินกว่าหลอดไส้ เช่น ถ้าหลอดไส้ใช้งานได้นาน 1,000 ชั่วโมง หลอดผอมจะใช้ได้นานถึง 15,000 ชั่วโมง ในขณะที่หลอดไส้เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้า 10% เป็นพลังงานแสง หลอดผอมจะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้า 20% เป็นพลังงานแสง และนี่คือเหตุผลที่หลอดผอมเป็นหลอดไฟที่โลกนิยมใช้กันมานานกว่า 116 ปี จนกระทั่งถึงยุคของหลอด LED (light emitting diode) ซึ่งจะเป็นหลอดไฟรูปแบบใหม่ที่ได้ปฏิรูประบบการให้ความสว่างของโลก เพราะนอกจากจะให้แสงสว่างได้มากกว่า และคุ้มค่ากว่าแล้ว หลอด LED ยังช่วยลดภาวะวิกฤตโลกร้อนด้วย เพราะการทำงานของหลอดไม่สร้างมลภาวะ
คำ ไดโอด (diode) อันเป็นชื่อส่วนหนึ่งของหลอด LED นั้นเป็นวัสดุที่บังคับให้กระแสไฟฟ้าไหลทางเดียว ไดโอดประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำ 2 ชนิด คือ ชนิด n กับชนิด p ที่ถูกนำมาประกบกัน สารกึ่งตัวนำชนิด n เช่น gallium arsenide เพราะเวลาถูกโด๊ปจะมีจำนวนอิเล็กตรอนมากกว่าปกติ หรือเวลาถูกโด๊ปด้วยสารบางชนิดจะมีจำนวน hole มากกว่าปกติ จึงเรียกสารชนิด p (hole คือ “อนุภาค” ที่เกิดขึ้นเวลามีการโยกย้ายอิเล็กตรอนออกไปจากสารกึ่งตัวนำ ทำให้เกิดที่ว่าง ซึ่งเรียก hole) hole มีประจุไฟฟ้าบวกตรงข้ามกับอิเล็กตรอนที่มีประจุไฟฟ้าลบ
เวลามีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านไดโอด อิเล็กตรอนที่มีอยู่ในสารชนิด n จะเคลื่อนที่เข้าปะทะกับ hole ของสารชนิด p ที่บริเวณรอยต่อ การพบกันระหว่างอิเล็กตรอนกับโฮลจะทำให้เกิดแสง โดยทั่วไปเวลามีการเปลี่ยนชนิดของสารกึ่งตัวนำและโด๊ป แสงที่เกิดขึ้นจะมีความยาวคลื่นที่แตกต่างกันตามขนาดของช่องว่างพลังงานที่มีในสารกึ่งตัวนำนั้นๆ
สำหรับหลอดไฟ LED หลอดแรกของโลกนั้นเป็นผลงานของ Nick Holonyak และคณะแห่งบริษัท General Electric ซึ่งได้สร้างเมื่อปี 1962 ในครั้งนั้น Holonyak ใช้สารกึ่งตัวนำ gallium arsenide phosphide (GaAsP) ซึ่งให้แสงสีแดงที่มีความเข้มแสงต่ำ
พัฒนาการของหลอด LED ในอีก 30 ปีต่อมา โดยใช้ gallium phosphide (GaP) และ aluminium gallium arsenide (AlGaAs) ให้แสงแดง และแสงเขียว จึงยังไม่สามารถนำไปใช้ในบ้านได้
จนกระทั่งอีก 25 ปี ต่อมานักวิจัยที่บริษัท Hewlett Packard จึงได้พัฒนาหลอด LED ที่ใช้สาร aluminium indium gallium phosphide ความสว่างของหลอด LED จึงเพิ่มมากขึ้น
ในอดีตตั้งแต่ปี 1950 นักวิทยาศาสตร์สามารถผลิต diode ที่เปล่งแสงสีแดง และสีเขียวได้ แต่ยังไม่มีใครสามารถประดิษฐ์ diode ที่เปล่งแสงสีน้ำเงินได้ เพราะไม่รู้ว่าต้องใช้สารกึ่งตัวนำชนิดใด และจะโด๊ปด้วยสารอะไรในการทำไดโอดสีน้ำเงิน
ความต้องการสร้างไดโอดที่เปล่งแสงสีน้ำเงิน จึงเป็นความประสงค์สูงสุดของนักวิทยาศาสตร์ทุกคน เพราะแสงสีน้ำเงินเป็นแม่แสงหนึ่งในสามที่จำเป็นในการสร้างแสงสีขาว
ข้อจำกัดในการสร้าง LED ที่มีประสิทธิภาพสูงเกิดจากสองสาเหตุ คือ หนึ่ง อิเล็กตรอนกับโฮลในหลอด LED เวลาปะทะกันจะไม่ได้ให้แสงทุกครั้งไป แต่ให้ความร้อนแทน ประสิทธิภาพในการให้แสงจึงต่ำ และสอง เวลาที่มีแสงเกิดขึ้น แสงนั้นได้สะท้อนกลับไปภายในหลอดแทนที่จะถูกขับออกมานอกหลอดให้ทุกคนเห็น การสะท้อนกลับไปกลับมาภายในหลอดจะทำให้แสงนั้นถูกดูดกลืนในที่สุด และทำให้หลอดร้อน
นี่คืออุปสรรคหลักที่ทำให้ gallium nitride ไม่สามารถให้แสงสีน้ำเงินได้อย่างสว่างไสว เพราะการปลูกผลึก GaN ให้บริสุทธิ์และสมบูรณ์เป็นเรื่องที่ทำได้ยาก
หลังจากนั้นไม่นาน Shuji Nakamura แห่งบริษัท Nichi Chemical Industries และ Hiroshi Amano กับ Isamu Akasaki แห่งมหาวิทยาลัย Nagoya ในญี่ปุ่น ก็ได้พัฒนาหลอด LED สีน้ำเงินที่ให้ความสว่างมากเป็นผลสำเร็จ โดยยังใช้ gallium nitride เคลือบบนผิว sapphire ซึ่งให้แสงได้ตั้งแต่สีเขียวจนถึงสีน้ำเงินเป็นการปูทางให้มีการสร้าง LED สีขาว
คนทั้งสามได้พยายามต่อไป โดยใช้ yttrium aluminium garnet ที่โด๊ปด้วย cerium คือ Y3Al5O12: Ce (YAG) และใช้ phosphor เคลือบที่ขั้ว emitter ซึ่งสามารถดึงดูดแสงสีน้ำเงินบางส่วนไว้ แล้วปล่อยแสงสีเหลืองออกมาโดยกระบวนการวาวแสง จากนั้นแสงสีเหลืองจะรวมกับแสงสีน้ำเงินที่ได้จาก indium gallium nitride InGaN ให้แสงสีขาว
หลอด LED ที่ให้แสงสีขาวตามปกติให้กำลังส่องสว่างได้มากกว่าหลอดผอมหรือหลอดไส้ คือมีประสิทธิภาพมากถึง 80% อีกทั้งสามารถใช้งานได้นานกว่า ประหยัดไฟกว่าประมาณ 20% และประสิทธิภาพของหลอดก็ไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ ดังนั้น จึงเป็นที่คาดว่า ในอนาคต หลอด LED จะเข้ามาแทนที่หลอดไฟชนิดอื่นทั้งหมด ไม่ว่าจะเป็นที่บ้าน ที่โรงงานหรือที่ใด
แต่ LED นั้นจำเป็นต้องใช้กระแสไฟตรง ในขณะที่ไฟฟ้าที่ใช้ตามบ้านเป็นกระแสสลับ ดังนั้น เวลาใช้หลอด LED ในบ้านใด บ้านนั้นจึงต้องมีเครื่องแปลงไฟ และนี่เป็นข้อเสียหนึ่ง เพราะเจ้าของบ้านต้องติดตั้งอุปกรณ์ไฟฟ้าเพิ่มเพื่อช่วยในการแปลงไฟ
แต่ข้อดีของเรื่องนี้ก็มีกว่ามาก เช่น หลอด LED มักมีขนาดเล็ก คือ มีพื้นที่ภาคตัดขวางประมาณ 5 ตารางมิลลิเมตรเท่านั้นเอง คนที่ใช้หลอดจึงสามารถควบคุมทิศการเปล่งแสงได้ อีกทั้งสามารถนำไปใช้ใน smart phone ในโทรทัศน์ หรือใน computer อนาคตที่ใช้แสงแทนไฟฟ้าในการเก็บข้อมูล
การได้รับรางวัลโนเบลของคนทั้งสาม มิได้จบลงอย่างชื่นมื่น เพราะ Nakamura ได้อพยพจากญี่ปุ่นไปทำงานที่มหาวิทยาลัย California ที่ Santa Barbara ในปี 2000 ได้ยื่นฟ้องบริษัท Nichia ในปี 2001 ว่า เขาได้รับเงินค่าตอบแทนในการประดิษฐ์หลอด LED สีน้ำเงินน้อยไป
ในที่สุดศาลได้ตัดสินใจใจให้ Nakamura ได้รับเงิน 300 ล้านบาทเป็นค่าความคิด
เมื่อได้รับข่าวในวันที่ 7 ตุลาคม ค.ศ.2014 ว่า ตนกับ Amano และ Akasaki ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ร่วมกัน Nakumura ก็บอกว่า เหลือเชื่อ เพราะไม่คาดว่าจะได้
แต่คณะกรรมการรางวัลโนเบลก็คิดว่า คนทั้งสามสมควรได้รับรางวัล เพราะได้สร้างสรรค์ผลงานที่เป็นไปตามจุดประสงค์ของ Alfred Nobel ทุกประการ คือผลงานมีประโยชน์ต่อมนุษยชาติอย่างเห็นได้ชัด
อ่านเพิ่มเติมจาก Brilliant: The Evolution of Artificial Light โดย Jane Brox จัดพิมพ์โดย Houghton Miffin Harcourt ในปี 2010
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
