Định luật Haitz: đèn LED sáng hơn và rẻ đi mười lần mỗi thập kỷ

Định luật Haitz nói rằng cứ mỗi mười năm, giá của mỗi lumen ánh sáng do đèn LED phát ra giảm khoảng mười lần, còn lượng ánh sáng một con LED phát ra tăng khoảng hai mươi lần. Nhận xét này do Roland Haitz, kỹ sư của hãng Agilent (tách ra từ Hewlett-Packard), đưa ra vào khoảng năm 2000. Nhờ nhịp đó, một bóng LED 8–9 oát hôm nay sáng ngang bóng sợi đốt 60 oát, và đèn LED gần như đã thay hết các loại đèn cũ trong nhà.

Lumen và oát: đo ánh sáng cho đúng

Muốn hiểu định luật Haitz phải tách hai thứ hay bị lẫn:

• Oát (W) đo điện năng đèn tiêu thụ.
• Lumen (lm) đo lượng ánh sáng đèn phát ra mà mắt người cảm nhận được.
• Hiệu suất phát sáng là lumen chia oát: mỗi oát điện cho ra bao nhiêu lumen.

Thời bóng sợi đốt, người ta quen nói "bóng 60 oát" để chỉ độ sáng, vì mọi bóng sợi đốt có hiệu suất gần như nhau. Với LED, nói theo oát không còn ý nghĩa. Một bóng sợi đốt 60 W cho khoảng 800 lumen. Bóng LED cho cùng 800 lumen chỉ cần khoảng 8–10 W.

Bảng so sánh các loại đèn

Bóng sợi đốt biến phần lớn điện năng thành nhiệt; chỉ vài phần trăm thành ánh sáng thấy được. Đó là lý do chạm vào bóng sợi đốt đang sáng thì bỏng tay, còn bóng LED chỉ ấm.

Lịch sử LED: từ chấm đỏ tới ánh sáng trắng

• 1962: Nick Holonyak ở hãng General Electric làm ra LED phát ánh sáng đỏ nhìn thấy được, rất mờ. Nhiều chục năm sau, LED đỏ chủ yếu làm đèn báo nguồn trên tivi, đầu đĩa và chữ số trên máy tính bỏ túi đời đầu.
• Thập niên 1970–1980: thêm LED xanh lá, vàng, cam. Độ sáng tăng dần, nhưng vẫn thiếu màu xanh lam.
• 1989–1993: Isamu Akasaki và Hiroshi Amano ở Nhật làm ra LED xanh lam từ gallium nitride; Shuji Nakamura ở hãng Nichia phát triển LED xanh lam độ sáng cao có thể sản xuất hàng loạt, công bố năm 1993.
• Khoảng 1996: LED trắng ra đời bằng cách phủ một lớp chất phát quang màu vàng lên LED xanh lam. Ánh xanh pha vàng thành ánh trắng.
• 2014: Akasaki, Amano và Nakamura nhận giải Nobel Vật lý cho phát minh LED xanh lam hiệu quả, "mở đường cho nguồn sáng trắng sáng và tiết kiệm năng lượng".

Thiếu màu xanh lam thì không có ánh sáng trắng, nên trong ba mươi năm đầu LED chỉ là đèn báo. Đây là ví dụ rõ về một nút thắt kỹ thuật chặn cả một đường cong, rồi khi tháo được thì đường cong vọt lên.

Định luật Haitz qua con số

Haitz đưa ra nhận xét khi nhìn lại khoảng ba mươi năm dữ liệu LED đỏ. Hai vế của định luật:

1. Giá mỗi lumen giảm khoảng 10 lần mỗi thập kỷ.
2. Quang thông mỗi con LED tăng khoảng 20 lần mỗi thập kỷ (với một màu nhất định).

Tạp chí Nature Photonics năm 2007 gọi xu hướng này là "định luật Haitz" và so nó với định luật Moore của ngành chip. Cả hai đều là đèn bán dẫn và chip bán dẫn, cùng hưởng lợi từ tiến bộ chế tạo tinh thể.

Tự tính: mười lần mỗi thập kỷ là bao nhiêu mỗi năm

Muốn biết mỗi năm giảm bao nhiêu, ta tìm số x sao cho x mũ 10 = 10. Đó là căn bậc 10 của 10, khoảng 1,26. Tức là mỗi năm giá mỗi lumen chỉ còn khoảng 1/1,26 ≈ 0,79 lần, nghĩa là giảm khoảng 21% mỗi năm.

Tương tự, tăng 20 lần mỗi thập kỷ: căn bậc 10 của 20 ≈ 1,35, tức sáng thêm khoảng 35% mỗi năm. Sau ba thập kỷ, 20 × 20 × 20 = 8.000 lần. Một con LED đỏ mờ thập niên 1970 chỉ đủ làm đèn báo; con LED công suất cao hôm nay có thể soi sáng cả căn phòng.

Tự tính: đổi một bóng đèn trong nhà

Thay một bóng sợi đốt 60 W bằng bóng LED 9 W, cùng khoảng 800 lumen. Đèn bật mỗi ngày 5 giờ, cả năm 365 ngày:

Mỗi bóng bớt khoảng 94 số điện mỗi năm. Nhân với giá điện ở bậc nhà mình đang dùng (xem trên hoá đơn tiền điện) là ra số tiền. Một nhà có mười bóng thì nhân mười. Đây là phép so sánh với bóng sợi đốt; nếu nhà đang dùng huỳnh quang thì phần tiết kiệm nhỏ hơn nhiều.

Những điều đường cong không nói

Tiết kiệm từng bóng, nhưng thắp nhiều hơn

Khi ánh sáng rẻ đi, người ta thắp nhiều hơn: đèn trang trí, biển quảng cáo, màn hình ngoài trời, đèn chiếu sáng cả đêm. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng bật lại, từng được nhà kinh tế William Stanley Jevons mô tả từ thế kỷ 19 với than đá. Một số nghiên cứu ảnh vệ tinh cho thấy bề mặt Trái Đất được chiếu sáng ban đêm vẫn tiếp tục tăng trong thập niên 2010, dù đèn đã hiệu quả hơn nhiều.

Ô nhiễm ánh sáng và ánh xanh

Đèn LED trắng lạnh chứa nhiều ánh xanh lam. Ánh sáng đêm quá mạnh ảnh hưởng tới côn trùng, chim di cư, rùa biển con mới nở và cả giấc ngủ của người. Nhiều thành phố chuyển sang đèn đường LED ánh vàng ấm (nhiệt độ màu khoảng 3.000 K hoặc thấp hơn) và chiếu đúng hướng xuống mặt đường.

Đèn rẻ không phải đèn nào cũng tốt

Bóng LED giá quá rẻ có thể ghi sai công suất, nhấp nháy do mạch nguồn kém, hoặc chỉ số hoàn màu thấp làm màu đồ vật trông nhợt. Khi mua nên đọc lumen trên vỏ thay vì chỉ nhìn số oát, và chọn chỉ số hoàn màu (CRI) từ khoảng 80 trở lên cho phòng ở.

Góc nhìn hôm nay

Đèn LED là ví dụ đẹp của một công nghệ đi hết đường cong: từ chấm đỏ báo nguồn năm 1962 tới nguồn sáng chính của hành tinh. Hiệu suất trong phòng thí nghiệm đã vượt 300 lumen mỗi oát; giới hạn lý thuyết cho ánh sáng trắng chất lượng tốt vào khoảng 250–370 lumen/oát tuỳ thành phần quang phổ. LED gia dụng còn cách giới hạn đó khoảng hai lần, nên đường cong hiệu suất sẽ chậm dần chứ không thể tăng mãi.

Một thí nghiệm nhỏ làm ở nhà: mở camera điện thoại, chĩa vào bóng đèn đang bật. Nếu thấy sọc chạy hoặc nhấp nháy rõ trên màn hình, mạch nguồn bóng đèn đó có thể nhấp nháy theo tần số điện lưới. Bóng tốt cho hình ổn định. Không cần thiết bị gì khác ngoài chiếc điện thoại đang cầm.