ขวัญชัย กุลสันติธำรงค์

          การคาดการณ์แนวโน้มของอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์โดยอาศัย กฎของ Moore ที่พยากรณ์ว่าจำนวนของทรานซิสเตอร์ที่ติดตั้งอยู่บนแผง Integrated Circuit Board จะเพิ่มเป็น 2 เท่าทุก ๆ 2 ปี ในอุตสาหกรรม LED ก็เช่นเดียวกัน ดอกเตอร์ Ronald Haitz อดีตนักวิจัยของบริษัท Agilent ได้พยากรณ์สมรรถนะของหลอด LED ไว้จนกลายเป็นกฎของ Haitz ว่าปริมาณแสงที่ไดโอดตัวหนึ่งเปล่งแสงออกมาได้จะเพิ่มขึ้น 20 เท่าทุก ๆ หนึ่งทศวรรษ

ขณะที่ต้นทุนที่ทำให้ได้แสงดังกล่าวจะลดลง 10 เท่า เมื่อรวมกับการพัฒนาของอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์ที่สามารถลดต้นทุนของชิปคอมพิวเตอร์ลงได้ใน 3 ทศวรรษที่ผ่านมาก็ยิ่งช่วยให้ตลาดของหลอด LED โตขึ้นอย่างรวดเร็ว

          ในบทความฉบับนี้ต้องการนำเสนอพัฒนาการด้านเทคโนโลยีของหลอด LED ซึ่งเป็นหลอดไฟทางเลือกเพื่อการประหยัดพลังงาน รวมถึงมาตรฐานใหม่ล่าสุดที่เกี่ยวข้องกับ การกำหนดคุณสมบัติของหลอด LED เพื่อเลือกหลอด LED ให้เหมาะสมกับการใช้งาน เชิญติดตามได้เลยครับ

การพัฒนาการของหลอด LED
          Solid–state Lighting (SSL) เป็นเทคโนโลยีใหม่ในการพัฒนาระบบไฟฟ้าแสงสว่างเพื่อก้าวสู่ทศวรรษที่ 2 ของโลกในศตวรรษที่ 21 โดยประกอบด้วยแหล่งกำเนิดแสง 2 ชนิดได้แก่ ชนิดแรก คือ Inorganic Light–emitting Diodes หรือ LED และชนิดที่ 2 คือ Organic Light–emitting Diodes หรือ OLED เทคโนโลยี SSL กำลังเข้ามาแทนที่หลอดไฟฟ้าชนิดหลอดไส้ที่ใช้ทังสเตนเป็นไส้หลอดเผาที่อุณหภูมิสูงเพื่อให้แสงสว่าง, หลอดฟลูออเรสเซนต์ และหลอด HID

          การพัฒนาหลอด High–brightness LED (HBLED) เป็นผลิตภัณฑ์ใหม่ของหลอด LED ที่กำลังพัฒนาอย่างต่อเนื่องและกำลังได้รับความนิยมเพิ่มมากขึ้น ข้อได้เปรียบของหลอดชนิดนี้ก็คือ มีทิศทางของแสงที่แน่นอน (Directional Light) มีขนาดกะทัดรัด, คงทนไม่แตกง่าย, ควบคุมการทำงานได้ง่าย, หลอดจุดติดทันที (Instant On), ไม่มีการกระจายของรังสีอินฟราเรดและรังสีอัลตราไวโอเลต, มีอายุการใช้งานนาน, มีประสิทธิภาพสูง, ไม่มีความร้อนเกิดขึ้น และไม่มีส่วนประกอบของสารปรอท

          โคมไฟฟ้าที่ใช้งานในปัจจุบันจะประกอบด้วยหลอดไฟฟ้าซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดแสงอยู่ภายในโคมไฟโลหะ ตลาดใหญ่ของหลอด LED ก็คือการเปลี่ยนทดแทนหลอดไส้ชนิด Incandescent และหลอด PAR โดยเฉพาะอย่างยิ่งสามารถใช้หลอด LED ชนิด HBLED ซึ่งเป็นหลอดประหยัดพลังงานกำลังส่องสว่างสูงเปลี่ยนทดแทนหลอดไฟ 2 ชนิดดังกล่าวที่กำลังจะถูกห้ามนำมาใช้ในอนาคตอันใกล้นี้ได้อย่างสบาย 

          หลอด HBLED ที่กำลังพัฒนาอย่างต่อเนื่องในปัจจุบันนั้นมีความหลากหลายในด้านรูปแบบและคุณสมบัติ ผู้ผลิตหลอด HBLED ได้พยายามพัฒนาและปรับปรุงผลิตภัณฑ์เพื่อหาวิธีการที่ทำให้ค่าความส่องสว่างของหลอด HBLED เพิ่มมากขึ้นและสีของแสงที่ได้จากหลอด HBLED มีความคงที่ขึ้น ผู้ผลิตหลอด HBLED ก็พยายามที่จะเพิ่มจำนวนหลอด LED ขนาดเล็ก ๆ เข้าไปใน แผง, แถบ, แถวของชุดหลอด LED เพื่อให้ได้กำลังส่องสว่างรวมและประสิทธิผลการส่องสว่างรวมมากกว่าหลอดไฟทั่วไป รวมถึงการกระจายแสงที่สม่ำเสมอขึ้นด้วย

การกำหนดคุณสมบัติของหลอด LED 
          เนื่องจากหลอด HBLED อยู่ระหว่างช่วงแรกของการพัฒนา ข้ออ้างที่เกินจริงและข้อมูลที่ไม่ถูกต้องด้านสมรรถนะของหลอด HBLED ได้แพร่หลายในตลาดและอุตสาหกรรมด้านแสงสว่าง วิธีเดียวที่หลีกเลี่ยงความสับสนและตรวจสอบคำกล่าวอ้างของผู้ผลิตได้ดีก็คือ การนำมาตรฐานที่เกี่ยวข้องมาใช้ มีมาตรฐานจำนวน 3 ฉบับที่เกี่ยวข้องออกมาบังคับใช้ในปี 2008 ซึ่งกำหนดคุณสมบัติพื้นฐานของหลอด LED ได้แก่ ค่า Lumen Maintenance, การจัดการความร้อนที่เกิดขึ้นภายในดวงโคม และความสม่ำเสมอของสีของแสง

1. มาตรฐาน IESNA LM–80: Approved Method for Measuring Lumen Depreciation of LED Light Sources ได้กำหนดขั้นตอนการทดสอบเพื่อกำหนดค่าของ Lumen Maintenance ของหลอด LED วิธีในมาตรฐานไม่ได้เป็นการวัดโดยตรงจากดวงโคมไฟฟ้าพร้อมหลอด เนื่องจากหลอด LED มีความไวต่ออุณหภูมิสูง ดังนั้นมาตรฐาน LM–80 กำหนดให้ต้องทดสอบที่อุณหภูมิที่ต่างกัน 3 อุณหภูมิ ได้แก่ 50 ๐C, 85 ๐C และอุณหภูมิที่ 3 ให้ผู้ผลิตเลือกเอง

          การทดสอบหาอายุการใช้งานสำหรับหลอด LED ไม่สามารถทำได้ในทางปฏิบัติ เพราะหลอด LED จะมีอายุมากกว่า 50,000 ชั่วโมง หรือเท่ากับ 5.6 ปี ดังนั้นมาตรฐาน TM–21: Lumen Depreciation Lifetime Estimation Method for LED Light Sources จึงได้ให้วิธีเทียบ “บัญญัติไตรยางศ์” จากข้อมูลในช่วงเวลาที่สั้นเพื่อคาดการณ์ค่ากำลังส่องสว่างตลอดช่วงเวลาหลายหมื่นชั่วโมง

โดยการวัดค่ากำลังส่องสว่างทุก 1,000 ชั่วโมงอย่างน้อย 6,000 ชั่วโมง ค่ากำลังส่องสว่างที่ค่อย ๆ ลดลงจำนวน 6 ค่านี้ถูกนำไปพล็อตกราฟและถูกเทียบ “บัญญัติไตรยางศ์” ให้กลายเป็นค่ากำลังส่องสว่างจนถึงช่วงเวลา 36,000 ชั่วโมงได้ และถ้าทดสอบหลอด LED ในช่วงเวลา 10,000 ชั่วโมง ก็สามารถนำค่ากำลังส่องสว่างที่ได้ไปเทียบ “บัญญัติไตรยางศ์” ให้กลายเป็นค่ากำลังส่องสว่างจนถึงช่วงเวลา 60,000 ชั่วโมงได้ เมื่อค่ากำลังส่องสว่างลดลงเรื่อย ๆ จนถึง 30% ของค่าเริ่มต้น ณ เวลาดังกล่าวจะเป็นเวลาที่หลอด LED หมดอายุ

นอกจากนี้มาตรฐาน LM–80 ข้างต้นยังได้แนะนำให้ทดสอบ Chromaticity ของหลอด LED ด้วย เพราะการเพี้ยนของอุณหภูมิแสง (สีของแสงเพี้ยนนั่นแหละ) ก็เป็นอีกหนึ่งเครื่องมือวัดที่บอกว่าหลอด LED กำลังหมดอายุ

2. มาตรฐาน IESNA LM–79 “Approved Method for the Electrical and Photometric Testing of Solid State Lighting Devices” มุ่งทดสอบในเรื่องของคุณสมบัติทางไฟฟ้า, ค่ากำลังส่องสว่างของหลอด, ค่า Luminous Intensity Distribution และคุณสมบัติด้านสีของแสง โดยจะนำเสนอค่า Luminous Intensity Distribution ในรูปแบบตารางและรูปแบบของ Polar Graph

ส่วนเรื่องคุณสมบัติด้านสีของแสงนั้น มาตรฐานนี้ได้นำเสนอในรูปแบบของกราฟ Spectral Power Distribution (SPD) ตามรูปที่ 1 ซึ่งผู้ใช้งานสามารถเปรียบเทียบค่า Radiant Power (หน่วย mW/nm) ในแต่ละความยาวคลื่นแสงที่ตามองเห็น (หน่วยนาโนเมตร)

รูปที่ 1 Spectral Power Distribution (SPD) ที่วัดได้ของหลอด LED

3. มาตรฐาน ANSI C78.377–2008 “Specifications for Chromaticity of Solid–State Lighting Products” เป็นมาตรฐานที่กล่าวถึงคุณสมบัติด้านสีของหลอด LED หลอด LED แตกต่างจากหลอดไฟชนิดทั่วไปอื่น ๆ เนื่องจากหลอด LED เป็นแหล่งกำเนิดแสงชนิด Saturated Colors โดยวัสดุชนิด Crystalline ที่ใช้ผลิตหลอด LED เป็นตัวกำหนดความคลื่นแสงหรือสีของแสงนั่นเอง เช่น Aluminium Gallium Arsenide (AlGaAs) จะให้แสงสีแดง หรือ Indium Gallium Nitride (InGaN) จะให้แสงสีน้ำเงิน และ Aluminum Gallium Phosphide (AlGaP) จะให้แสงสีเขียว

การกำหนดคุณสมบัติด้านสีของแสงของหลอด LED
          แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง แสงที่ตาเรามองเห็น (Visible Light) ครอบคลุมความยาวคลื่นตั้งแต่ 380 นาโนเมตร ซึ่งเป็นแสงสีม่วง จนถึงความยาวคลื่น 760 นาโนเมตรซึ่งเป็นแสงสีแดง เมื่อแสงที่อยู่ในช่วงความยาวคลื่นนี้มีความสมดุลก็จะทำให้เกิดเป็นแสงสีขาว

          ในอดีตด้วยข้อจำกัดด้านเทคโนโลยีของสารฟอสฟอร์ (Phosphor) ทำให้ผู้ผลิตหลอดฟลูออเรสเซนต์ต้องสร้าง “คำศัพท์ใหม่” เพื่อให้ผู้ใช้งานยอมรับแสงขาวที่เปล่งออกมาจากหลอดฟลูออเรสเซนต์ (ซึ่งไม่ขาวจริง) ได้แก่แสง Warm White หรือ แสง Cool White โดยใช้แสงที่ได้จากหลอดอินแคนเดสเซนต์เป็นแสงอ้างอิง หลอด LED ก็ประสบปัญหาลักษณะคล้ายกัน แถมมีความยุ่งยากกว่ามากในการทำให้แสงที่ได้จากหลอด LED ชนิด Single PCB มีความยาวคลื่นที่แน่นอนค่าหนึ่ง แถมแสงที่ได้ยังเป็นชนิด Saturated Color อีกด้วย ดังนั้นการกำหนดคุณสมบัติด้านสีของแสง LED จึงกำหนดด้วย “Color Temperature” และ “Color Rendering Index” มาพิจารณาคำนิยามของคำทั้งสองนี้

          * Color Temperature เป็นอุณหภูมิสีของแสงเทียบกับแหล่งกำเนิดแสงขาว (White Light Source) ว่าแสงที่เห็นนั้นมี “สีเหลือง”, “สีทอง (ที่ให้ความรู้สึกอุ่น)” หรือ “สีน้ำเงิน (ที่ให้ความรู้สึกเย็น) ” มากแค่ไหน เช่น เมื่อพิจารณาแสงธรรมชาติที่ประกอบด้วยทุกสเปกตรัมของแสงที่ตามองเห็นแล้ว เราจะเห็นแสงธรรมชาติในช่วงเช้าและช่วงเย็นเป็นแสง “Warm White” และในช่วงเที่ยงที่มีเมฆมากจะเป็นแสง “Cool White”

          เพื่อให้เกิดความเข้าใจในเรื่องของ Color Temperature ก็ต้องเริ่มต้นจากวัตถุดำ (Black Body) ก่อน ในทางทฤษฏีแล้ว วัตถุดำเป็นวัตถุที่ไม่มีสี และการที่มีสีดำเพราะว่าแสงที่มากระทบกับผิวของวัตถุดำถูกดูดกลืนจนหมดจนไม่มีแสงสะท้อนออกไป (คล้าย ๆ กับหลุมดำ นั่นแหละครับ) ที่อุณหภูมิ 0 เคลวิน หรือเท่ากับ – 273๐C  ซึ่งเป็นอุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์ที่โมเลกุลทุกโมเลกุลหยุดนิ่งไม่มีการเคลื่อนที่

จากทฤษฏีการแผ่รังสีของวัตถุดำนักวิทยาศาสตร์ได้สร้างวัตถุดำที่เป็นรูปปริซึมสี่เหลี่ยมผืนผ้าทำจากโลหะทังสเตนผสมคาร์บอนเพื่อให้กระแสไฟฟ้าสามารถไหลผ่านวัตถุดำนี้ได้ เมื่อวัตถุดำนี้ร้อนขึ้นเรื่อย ๆ ก็จะแผ่รังสีในช่วงที่ตามองเห็นพร้อม ๆ กับผิวของวัตถุก็จะค่อย ๆ เปลี่ยนสีจากแดง เป็นส้ม เป็นเหลือง และในที่สุดก็จะกลายเป็นสีขาวอมน้ำเงิน โดยอุณหภูมิจะเปลี่ยนตั้งแต่ 1,000 K – 6,500 K ดังนั้นอุณหภูมิสีของแหล่งกำเนิดแสงก็คืออุณหภูมิของวัตถุดำที่ได้รับความร้อนและเปล่งแสงสีเดียวกับแหล่งกำเนิดแสงนั้น

          ความจริงแล้ว ค่าอุณหภูมิสีที่มีความถูกต้องแม่นยำนั้นใช้ได้กับหลอดอินแคนเดสเซนต์เท่านั้น เนื่องจากแสงที่ได้จากหลอดอินแคนเดสเซนต์มีสเปกตรัมของแสงที่ต่อเนื่องที่อุณหภูมิสีเท่ากับ 2,700 K ส่วนแหล่งกำเนิดแสงประเภทอื่น ๆ เฉพาะหลอดก๊าซดิสชาร์จและหลอด HBLED มีสเปกตรัมของแสงที่ไม่ต่อเนื่อง (Discontinuous Spectrum) ดังนั้นอุณหภูมิสีของหลอดไฟประเภทนี้จึงเรียกเป็นค่า Correlated Color Temperature (CCT) มาตรฐาน ANSI C78.377–2008 ได้กำหนดค่า CCT ของหลอด LED ไว้จำนวน 8 ค่าตั้งแต่อุณหภูมิสีเท่ากับ 2,700 K จนถึง 6,500 K

          นอกเหนือจากคำว่า Color Temperature แล้ว ยังมีคำที่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติด้านสีของแสงอีกคำหนึ่งก็คือคำว่า Chromaticity โดยแสดงการเปลี่ยนสีของสเปกตรัมของแสงที่ตามองเห็นที่ระบุด้วยอุณหภูมิเคลวินนำมาพล็อตเป็นกราฟที่เรียกว่า International Commission on Illumination (CIE) Chromaticity Diagram ซึ่งแสดงถึงการเปลี่ยนสีของวัตถุดำ หรือ Black Body Locus โดยมีคู่ลำดับ (X,Y) ที่อ่านค่าจากแกน X และ แกน Y ดังนั้นการระบุคุณสมบัติด้านสีของแสงจากแหล่งกำเนิดแสงต่าง ๆ จึงสามารถเทียบเคียงกับแสงจากวัตถุดำจาก CIE Chromaticity Diagram นี้ได้ ตามรูปที่ 2

รูปที่ 2 CIE Chromaticity Diagram

          *  Color Rendering Index (CRI) เป็นคุณสมบัติหลักอีกอันหนึ่งที่ใช้ในการเลือกหลอดไฟ ซึ่งใช้ในเลือกหลอดฟลูออเรสเซนต์และหลอดก๊าซดิสชาร์จมาเป็นเวลาติดต่อกันกว่า 40 ปี ค่า Color Rendering Index เป็นดัชนีชี้วัดว่าเมื่อดูวัสดุที่มีสีภายใต้แหล่งกำเนิดแสงแล้วจะมีสีที่เป็นธรรมชาติหรือที่เป็นสีของวัตถุนั้นจริงโดยเปรียบเทียบกับแหล่งกำเนิดแสงอ้างอิงที่มีอุณหภูมิสีเดียวกัน

ค่า Color Rendering Index นี้มีค่าตั้งแต่ 0–100 ค่าความแตกต่างที่วัดได้จะนำมาลบออกจาก 100 ก็ได้ค่า Color Rendering Index ในกรณีที่หลอดไฟที่ต้องการทดสอบมีค่า Correlated Color Temperature น้อยกว่า 5,000 เคลวิน ให้ใช้หลอดอินแคนเดสเซนต์เป็นหลอดไฟอ้างอิงทำหน้าที่แทนวัตถุดำ

          มาตรฐาน CIE ใช้หลอดอินแคนเดสเซนต์เป็นแหล่งกำเนิดแสงอ้างอิง เพราะไส้หลอดที่ทำจากโลหะทังสเตนมีคุณสมบัติเหมือนกับการแผ่รังสีของวัตถุดำ ดังนั้นหลอดอินแคนเดสเซนต์จึงมีค่า CRI สูงมาก ใกล้กับค่า 100 ในปัจจุบัน ค่า CRI ก็ถูกนำมาใช้วัดความถูกต้องของสีของจากหลอด HBLED ด้วย

          อย่างไรก็ตามในรายงานทางเทคนิคที่จัดทำโดย CIE no. 177: 2007 “Color Rendering of White LED Light Sources” ซึ่งพบว่าการใช้ค่า CRI กับหลอด LED นั้นไม่มีประโยชน์เนื่องจากหลอด LED ที่มีค่า CRI ที่ต่ำขนาดไหน ก็ยังคงให้แสงที่ดูด้วยตาแล้วมีคุณสมบัติด้านสีที่ดีมาก

ดังนั้น National Institute of Standard and Technology (NIST) จึงได้พัฒนามาตรฐานใหม่ในการตรวจวัดคุณสมบัติด้านสีของแหล่งกำเนิดแสง มาตรฐานนี้ได้กำหนดดัชนีชี้วัดใหม่นี้ว่า Color Quality Scale (CQS) โดยใช้วัดค่าความถูกต้องของสีของแหล่งกำเนิดแสงทุกชนิดรวมถึงหลอด LED ทุกชนิด

สรุป
          ในบทความฉบับนี้ท่านผู้อ่านก็จะได้รับทราบถึงพื้นฐานของเทคโนโลยีของหลอด LED และมาตรฐานล่าสุดที่เกี่ยวข้องในการพัฒนาหลอด LED ในการใช้งานประเภทต่าง ๆ อย่างน้อยก็จะทำให้ผู้อ่านมี Background ในการพิจารณาเลือกใช้หลอด LED จากผู้ผลิตที่หลากหลายได้อย่างถูกต้องมากขึ้น

เอกสารอ้างอิง
1. http://www.ecmweb.com
2. EC&M October 2010–LED Update Part 1