ต้นแบบหลอดไฟประหยัดพลังงานชนิดใหม่ หลอดไฟ Cathodoluminescent

ต้นแบบหลอดไฟ cathodoluminescent ในงานวิจัย
https://avs.scitation.org/doi/10.1116/1.5070108

          ในปี ค.ศ. 1879 โทมัส เอดิสันนักประดิษฐ์ชาวอเมริกันจดสิทธิบัตรประเภทที่ใช้ไส้คาร์บอน มีคนเคยประดิษฐ์หลอดไฟก่อนหรือประดิษฐ์หลอดไฟพร้อมกับเอดิสัน แต่หลอดไฟของเอดิสันได้รับความนิยมมากกว่าเพราะมีวัสดุเปล่งแสงที่มีประสิทธิภาพ สามารถภาวะสุญญากาศภายในหลอดไฟมากกว่า และหลอดไฟมีความต้านทานไฟฟ้าสูง สามารถจ่ายพลังงานจากแหล่งไฟฟ้ากลางได้อย่างประหยัด หลังจากนั้นบ้านเรือน เมือง โลกสมัยใหม่ของเรายามค่ำคืนก็ส่องสว่างด้วยกระแสไฟฟ้า ในอดีตเราใช้หลอดไฟชนิดที่เรียกว่าหลอดไส้ร้อนแบบธรรมดา (incandescent light bulb)  ต่อมาเราก็หันมาใช้หลอดไฟแบบหลอดฟลูออเรสเซนต์ (fluorescent tube) ในปัจจุบันเรานิยมหันมาใช้หลอดไฟแอลอีดี (LED lamp โดย LED ย่อมาจาก light-emitting diode หมายถึง ไดโอดเปล่งแสง) เพราะประหยัดพลังงาน ราคาถูกและสามารถใช้ได้นาน


          นักวิทยาศาสตร์หลายกลุ่มได้พยายามพัฒนาหลอดไฟประหยัดพลังงานชนิดใหม่ โดยหนึ่งในนั้นคือ Evgenii P. Sheshin และคณะได้ตีพิมพ์งานวิจัยเรื่อง “Prototype of cathodoluminescent lamp for general lighting using carbon fiber field emission cathode” ลงในวารสาร Journal of Vacuum Science & Technology B เมื่อวันที่ 1 พฤษภาคม ค.ศ. 2019 โดยเป็นต้นแบบหลอดไฟ cathodoluminescent


          เหตุผลที่ควรพัฒนาหลอดชนิดใหม่ขึ้นมาเพราะถึงแม้หลอดไฟแอลอีดีจะมีข้อดีมากมาย แต่ในการผลิตต้องใช้วัสดุธาตุหายาก (Rare-earth element) ซึ่งสามารถผลิตได้อย่างจำกัด เช่น แกเลียม อินเดียม และธาตุหายากชนิดอื่นๆ วัสดุเหล่านี้มีความสำคัญมากใช้ในวงการการแพทย์ กลาโหม และอุตสาหกรรมหลักอื่นๆ เราจึงต้องใช้มันอย่างรอบคอบที่สุด ข้อดีของหลอด cathodoluminescent นี้คือมันไม่ต้องใช้วัสดุเหล่านี้ 


          หลอด cathodoluminescent ใช้หลักการเดียวกันกับทีวีชนิดเก่าแบบรังสีแคโทด ขั้วไฟฟ้าประจุลบหรือแคโทดอยู่ที่ด้านหนึ่งของหลอดสุญญากาศประพฤติตัวเป็นดังปืนยิงอิเล็กตรอน ความต่างศักย์ไฟฟ้าที่อาจมากถึงกว่า 10 กิโลโวลท์ถูกเร่งปลดปล่อยอิเล็กตรอนไปยังขั้วไฟฟ้าประจุลบหรือแอโนดที่เคลือบด้วยฟอสฟอรัสที่บริเวณด้านตรงข้าม การระดมยิงอิเล็กตรอนนี้ทำให้เกิดแสงบนจอทีวีที่เราเห็น ซึ่งหลอด cathodoluminescent ก็ใช้หลักการเดียวกันนี้ 


          ในอดีตเคยมีการพยายามพัฒนาหลอด cathodoluminescent มาแล้วแต่ไม่ค่อยได้รับความนิยมเท่าไหร่เพราะหลอดต้องใช้ระยะเวลาสักพักหลายวินาทีหลังจากเปิดแล้วเพื่ออุ่นเครื่องแคโทดให้ไปสู่อุณหภูมิที่สามารถปฏิบัติงานได้คล้ายกับทีวีชนิดเก่าแบบรังสีแคโทดที่ต้องรอหลายวินาทีกว่าภาพจะปรากฎให้เห็นหลังจากเปิดเครื่องแต่หลอด cathodoluminescent บางชนิดก็ไม่ต้องรอเวลาสักพัก สามารถทำงานได้เลย ซึ่งก็เป็นหลอดแบบที่ใช้ในงานวิจัยนี้โดยใช้เทคนิค field emission โดยหลอดแคโทดเย็นสามารถปล่อยอิเล็กตรอนได้ทันทีภายใต้สนามไฟฟ้าสถิตย์จากปรากฎการณ์ tunneling 


          การปล่อยเนื่องจากสนามไฟฟ้าหรือ field emission คือการปลดปล่อยอิเล็กตรอนจากพื้นผิวของตัวนำไฟฟ้าภายใต้สนามไฟฟ้าสถิตย์ที่ความเข้มของสนามไฟฟ้าสูง โดยปรกติแล้วจะเกิดในพื้นผิวของของแข็งในสุญญากาศ แต่จริงๆแล้วยังสามารถเกิดในการปล่อยอิเล็กตรอนจากพื้นผิวของของเหลว หรือเกิดขึ้นในที่มีอากาศหรือเป็นของไหลก็ได้  ซึ่งนักวิทยาศาสตร์พบว่าสาเหตุเบื้องหลัง field emission เป็นผลมาจากปรากฎการณ์ quantum tunneling หมายถึงปรากฎการณ์ทางควอนตัมที่ซึ่งอนุภาคสามารถทะลุผ่าน energy barrier ได้ ซึ่งในกลศาสตร์แบบคลาสสิคไม่สามารถเกิดเหตุการณ์นี้ได้ quantum tunneling เป็นประโยชน์มากสามารถนำหลักการมาประยุกต์ใช้สร้างเป็นอุปกรณ์ในปัจจุบันเช่น tunnel diode การประมวลผลแบบควอนตัม (quantum computing) และกล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดทะลุผ่าน (scanning tunneling microscope) เป็นต้น quantum tunneling สามารถอธิบายได้โดยใช้หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนแบร์กและคุณสมบัติทวิภาคของคลื่น–อนุภาค 


          ในงานวิจัยนี้ใช้วัสดุแคโทดจากคาร์บอนไฟเบอร์ สรุปว่าต้นแบบหลอดไฟประหยัดพลังงานชนิดใหม่ หลอดไฟ cathodoluminescent ถ้าทำออกมาจำนวนมากเชิงพาณิชย์อาจสามารถแข่งกับหลอดแอลอีดีได้ และแม้ในที่ที่มีอุณหภูมิสูงหลอดไฟแอลอีดีจะมีอายุการใช้งานที่สั้นลง แต่หลอดไฟ cathodoluminescent ยังสามารถใช้งานได้อย่างปรกติ โดยหลอดไฟต้นแบบสามารถให้ปริมาณการส่องสว่าง  25 ลูเมน เทียบได้กับหลอดไส้ร้อนแบบธรรมดา 25 วัตต์ และมีประสิทธิภาพการส่องสว่าง 30-40 ลูเมนต่อวัตต์ จากปลั๊กไฟบนกำแพงกำลัง 5.5 วัตต์

 

 

 

(a)    ลูกศรชี้แสดงให้เห็นถึงขั้วแคโทดชนิด field emission
(b) ภาพกำลังขยายแสดงขั้วแคโทดชนิด field emission ที่ทำมาจากคาร์บอนไฟเบอร์
https://avs.scitation.org/doi/10.1116/1.5070108

อ้างอิง