Đèn LED Trắng Và Đèn Huỳnh Quang Có Quan Hệ Họ Hàng?

Khi đọc tiêu đề của bài viết này, chắc rất nhiều bạn đọc sẽ nghi ngờ và tự đặt cho mình câu hỏi “tại sao LED lại giống đèn huỳnh quang?”. Vài điều sau đây sẽ giúp bạn hiểu rõ vấn đề.

Mô tả cấu trúc của đèn huỳnh quang

Tại sao chúng ta lại gọi các loại đèn ống (hay đèn tuýp) là đèn huỳnh quang?
Về cấu trúc, đèn huỳnh quang (hình 1) gồm hai điện cực (nơi phát ra các electron) gắn ở hai đầu một ống thủy tinh phía trong có tráng một lớp bột màu trắng gọi là bột huỳnh quang. Sau khi đã hàn kín, người ta rút hết không khí ra khỏi ống đèn và bơm vào trong ống vài miligam thủy ngân (Hg) và một chút khí trơ (thường là Argon (Ar) hoặc Kripton (Kr)). Khi đó áp suất của đèn rất thấp đến mức gần như chân không. Với cấu trúc như vậy, khi được nối vào mạch điện thì các điện cực sẽ phát ra các electron. Các electron sẽ chuyển động trong ống với vận tốc khá lớn và trên đường đi chúng va chạm với các nguyên tử thủy ngân làm cho nguyên tử thủy ngân phát sáng. Các nguyên tử argon có vai trò “cản đường” làm cho các electron phải đi theo ngững đường gấp khúc và cuối cùng là làm tăng cơ hội va chạm giữa electron và nguyên tử thủy ngân trong ống đèn để làm cho đa số các nguyên tử thủy ngân đều phát sáng. Trong khí kém, nguyên tử thủy ngân phát ra một số bước sóng ngắn trong đó 61% là bức xạ có bước sóng 253,7 nm. Chính vì vậy, đèn thủy ngân thường có ánh sáng màu xanh). Bức xạ bước sóng 253,7 nm tương tác với lớp bột huỳnh quang và làm cho lớp bột này phát ra ánh sáng trông thấy. Vì vậy ánh sáng của đèn ống (và đèn compact) thực chất là ánh sáng do lớp bột huỳnh quang phát ra nên đèn ống được gọi là đèn huỳnh quang (Fluorescent Lamp Tube: FLT) và đèn compact phải được gọi đúng là huỳnh quang compact (Fluorescent Lamp Compact). Chú ý rằng, nếu không được tráng bột huỳnh quang và ống đèn làm bằng thạch anh (để không hấp thụ tia tử ngoại) thì cái đèn nói trên sẽ trở thành đèn khử trùng mà chúng ta thường họi là đèn cực tím thường được dùng trong y tế.
Đèn LED trắng phải chăng cũng có thể gọi là đèn huỳnh quang?
Cấu tạo cơ bản của một chíp LED phát ra ánh sáng trắng được mô tả trên hình 2. Khi được nối với nguồn điện một chiều, qua một cơ chế lượng tử phức tạp (không trình bày ở đây) thì lớp bán dẫn InGaN (hợp chất gữa Gali, Indi và Ni tơ) sẽ phát ra ánh sáng bước sóng ngắn màu xanh dương. Nếu chỉ dừng ở đây thì chúng ta sẽ có một chíp LED dùng trong chiếu sáng quảng cáo.
Để có ánh sáng trắng, người ta phủ lên chíp LED một lớp bột huỳnh quang (còn gọi là bột phosphor, lớp trên cùng trong hình 2). Với cấu trúc như vậy, bức xạ màu xanh dương do chíp LED phát ra buộc phải đi qua lớp bột phosphor và khi xuyên qua, chúng đã kích thích lớp bột này phát huỳnh quang ra ánh sáng trắng.
Như vậy về mặt nguyên tắc, ta cũng có thể gọi LED trắng là đèn huỳnh quang?

Mô tả cấu trúc chip led trắng

Thế thì đèn huỳnh quang và LED trắng khác nhau ở những điểm gì?
Chúng ta sẽ không bàn đến sự khác nhau về hình dạng, cấu trúc của bộ đèn mà chỉ bàn đến sự khác nhau về cơ chế phát huỳnh quang dẫn đến sự khác nhau về phổ của hai loại đèn.
Như đã nói, cơ chế phát quang của đèn huỳnh quang là phát quang trong khí kém nên quang phổ của nó bao giờ cũng là một quang phổ vạch đặc trưng trong đó các vạch phát xạ huỳnh quang được phân bố chủ yếu trong vùng phổ nhìn thấy (hình 3, a). Tùy theo thành phần của bột huỳnh quang mà ta có các quang phổ hay các màu khác nhau Trong khi đó, cơ chế phát quang của chíp LED là phát quang trong lớp bột rắn nên quang phổ của nó (mặc dù vẫn là phổ vạch) nhưng chỉ gồm hai vạch đặc trưng trong vùng phổ nhìn thấy (hình 3, b).
Quan sát kỹ hai phổ của hai loại đèn trên hình 3 ta thấy phổ của chíp LED có “dáng dấp” một quang phổ liên tục vì vậy nó có thể cho chỉ số hoàn màu cao hơn so với đèn huỳnh quang. Hiện nay, với việc chế tạo ra các loại bột huỳnh quang pha đất hiếm (các nguyên tố Ceri (Ce), Neodym (Ne) Holmi (Ho)…), người ta có thể “lấp đầy” vùng lõm giữa hai cực đại trong quang phổ của LED. Với kỹ thuật này, người ta có thể dễ dàng điều chỉnh được chỉ số hoàn màu và hiệu suất phát quang của chíp LED. Hiện nay người ta đã chế tạo được các chíp LED có chỉ số hoàn màu xấp xỉ bằng 1 và hiệu suất phát quang lên tới 250 lm/W, trong khi hiệu suát phát quang của các loại đèn huỳnh quang thường không vượt quá 100lm/W. Đó cũng là một ưu thế nổi trội của LED trong lĩnh vực chiếu sáng dân dụng.

<A>

<B>

Phổ quang của đèn huỳnh quang (A) và đèn led (B)