ตัวอักษรย่อ GaN ที่หลาย ๆ คนอ่านว่า “แกน” หลาย ๆ คนอาจจะสงสัยว่าทำไมเครื่องชาร์จโทรศัพท์รุ่นใหม่ ๆ ถึงเลือกโฆษณาผลิตภัณฑ์ที่มาพร้อมกับสรรพคุณนี้กัน แล้วมันดีกว่าเครื่องชาร์จตัวอื่น ๆ ในท้องตลาดอย่างไร

โทรศัพท์สมาร์ตโฟน แท็บเล็ตและคอมพิวเตอร์พกพาในปัจจุบันมีการพัฒนาขนาดความจุของแบตเตอรี่ที่สูงมากขึ้น ในช่วงปี 2013 มีการคาดการณ์ว่าแบตเตอรี่ในอนาคตจะมีขนาดที่ใหญ่มากถึง 5,000 mAh ซึ่งการชาร์จแบตเตอรี่ด้วยวิธีการเดิมและเครื่องชาร์จเดิมที่กำลังไฟ 5 วัตต์นั้นอาจจะต้องใช้เวลาหลักหลายชั่วโมงจนกว่าจะเต็ม ซึ่งจะทำให้ประสบการณ์การใช้งานของผู้ใช้แย่ลงอย่างแน่นอน

ภาพถ่ายของเครื่องชาร์จโทรศัพท์มือถือขนาดเล็กรุ่นใหม่ที่มีขนาดเล็กลงกว่าเดิมด้วยเทคโนโลยี GaN ที่อยู่ภายในชิ้นส่วน ภาพถ่ายโดย Jirasin Aswakool

ในช่วงปี 2014 บริษัท Oppo บริษัทผลิตมือถือสมาร์ตโฟนเจ้าใหญ่จากประเทศจีนนำเสนอเทคโนโลยี VOOC ที่สามารถจ่ายกำลังไฟฟ้าสูงสุดถึง 20 วัตต์ และโฆษณาว่าสามารถชาร์จแบตเตอรี่เต็มได้ภายในระยะเวลาน้อยกว่าหนึ่งชั่วโมง ซึ่งระบบชาร์จแบตเตอรี่นี้ได้รับความชื่นชอบจากผู้ใช้งานเป็นอย่างมาก ต่อมาในปี 2015 บริษัท Oppo ก็ได้มีการเปิดตัวระบบ VOOC 2.0 ที่ครั้งนี้เครื่องชาร์จความเร็วสูงของเครื่องโทรศัพท์มาพร้อมกับเทคโนโลยีแกลเลียมไนไตรด์ (Gallium Nitride) ซึ่งมีอักษรย่อทางเคมีว่า GaN ทางบริษัท Oppo ให้คำโฆษณาว่าเครื่องชาร์จนี้มีขนาดที่เล็กลงกับกำลังไฟฟ้าที่สูงเทียบเท่าเดิม นี่จึงเป็นจุดเริ่มต้นของเทคโนโลยีแกลเลียมไนไตรด์ในเครื่องชาร์จโทรศัพท์มือถือที่ถูกนำมาใช้งานและใช้เป็นศัพท์ทางการตลาดอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน

ภาพจาก AI สร้างภาพวงจรอิเล็กทรอนิกส์

เครื่องชาร์จแบตเตอรี่โทรศัพท์มือถือคือเครื่องแปลงไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้ในครัวเรือนเป็นไฟฟ้ากระแสตรงเพื่อชาร์จแบตเตอรี่ ซึ่งหลาย ๆ คนอาจคิดว่าใช้แผงวงจรที่เรียกว่า “วงจรเรียงกระแส” (Rectifier Circuit) เพียงอย่างเดียวเท่านั้น แต่ว่าแท้จริงแล้วภายในเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ไม่ได้ว่าเพียงวงจรเรียกกระแสเพียงอย่างเดียว แต่ต้องมีหม้อแปลงเพื่อแปลงความต่างศักย์ไฟฟ้าจาก 110-240 โวลต์ที่ใช้ตามบ้านเรือน ลดลงมาเหลือ 5 โวลต์และต้องมีวงจรที่แปลงความถี่ของไฟฟ้า 50-60 Hz ที่ใช้งานตามบ้านเรือนให้มีความถี่ที่สูงขึ้นเป็น 15,000-100,000 Hz (ตามแต่ละผู้ผลิตออกแบบ) เพื่อให้กระแสไฟฟ้าที่ออกมามีความเรียบของกระแสมากที่สุดและปราศจากสัญญาณรบกวนจากไฟฟ้ากระแสสลับที่อาจจะสร้างความเสียหายต่อวงจรภายในโทรศัพท์มือถือหรือเซลล์แบตเตอรี่ได้

ชิ้นส่วนที่ทำหน้าที่ในการสร้างสัญญาณความถี่สูงคือ MOSFET ทรานซิสเตอร์ประเภทหนึ่ง ตำแหน่งของวงจรสร้างสัญญาณความถี่สูงคืออยู่ก่อนตำแหน่งของหม้อแปลงที่ลดแรงดันไฟฟ้าจาก 110-240 โวลต์ เหลือ 5 โวลต์ หมายความว่าตัว MOSFET จะต้องทำหน้าที่สร้างไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูง 100,000 Hz และกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวมันมีแรงดันไฟฟ้าสูงถึง 240 โวลต์ แต่ถึงกระนั้นกำลังไฟฟ้าที่ไหลผ่าน MOSFET นั้นอยู่ที่ 5 วัตต์เท่านั้น สำหรับการใช้งานปกติทั่วไปจึงไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับส่วนนี้

กระทั่งเมื่อเทคโนโลยีของการชาร์จไวมาถึง กำลังไฟฟ้าที่ใช้ในการชาร์จย่อมเพิ่มขึ้น มีตั้งแต่มาตรฐานการชาร์จไวที่กำลังไฟฟ้า 20 วัตต์ จนถึงมาตรฐานที่จ่ายกำลังไฟมากถึง 240 วัตต์ในปัจจุบัน นั่นหมายความว่า MOSFET ที่ทำหน้าที่ในการสร้างความถี่สูงจะต้องแบกรับภาระมากขึ้น ขนาดของตัวชิป จำนวนของตัวชิ้นส่วนในวงจร และชิ้นส่วนระบายความร้อนจึงต้องใหญ่ขึ้น ส่งผลให้เครื่องชาร์จโทรศัพท์มือถือมีขนาดที่ใหญ่มากขึ้น

ภาพถ่ายผลิตภัณฑ์ชิปที่ผลิตจาก GaN ที่ผลิตโดย Ferdinand-Braun-Institut จะเห็นว่าชิปนั้นมีขนาดที่เล็กมากเมื่อเทียบกับเหรียญหนึ่งเพนนี ภาพถ่ายจาก Ferdinand-Braun-Institut

แกลเลียมไนไตรด์เข้ามามีบทบาทในการเป็นชิ้นส่วนสำหรับการสร้างหลอด LED สีฟ้าตั้งแต่ช่วงทศวรรษที่ 1990 แต่ปัญหาที่ทำให้ GaN นั้นยังไม่แพร่หลายในอดีตนั้นเป็นเพราะกระบวนการสร้างคริสตัลของแกลเลียมไนไตรด์นั้นยุ่งยาก ส่งผลให้ราคาของชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ที่ผลิตจากแกลเลียมไนไตรด์มีราคาสูง แต่ในปัจจุบันมีการพัฒนากระบวนการในการสร้างคริสตัลของแกลเลียมไนไตรด์ที่ให้ผลผลิตสูงขึ้นและสามารถสร้างคริสตัลบนผลึกชนิดอื่นที่แตกต่างจากแซฟไฟร์ได้แล้ว จึงทำให้ราคาของชิ้นส่วนที่ใช้แกลเลียมไนไตรด์ลดลง เห็นได้จากราคาหลอดไฟ LED ในปัจจุบันมีราคาที่ถูกลงจากในอดีต

คุณสมบัติหนึ่งของแกลเลียมไนไตรด์คือการมีช่วงพลังงานเปลี่ยนแปลงสถานะทางไฟฟ้าที่กว้างกว่าซิลิคอนทั่วไป ส่งผลให้มันเป็นตัวตั้งต้นในการผลิตทรานซิสเตอร์ที่ยอดเยี่ยมเนื่องจากมันสามารถนำมาใช้เป็นอุปกรณ์ที่เปิดและปิดเกตไฟฟ้าได้อย่างรวดเร็วกว่า (10-11 นาโนวินาที) มอบประสิทธิภาพที่ดีกว่า ทนทานมากกว่าและสูญเสียพลังงานในรูปของความร้อนน้อยกว่าตัวซิลิคอนปกติถึง 3 เท่า ทำให้มันถูกเลือกนำมาใช้เป็นทรานซิสเตอร์สำหรับอุปกรณ์ภาคจ่ายไฟของเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ต้องการกำลังไฟฟ้าที่สูง หนึ่งในนั้นก็คือเครื่องชาร์จแบตเตอรี่โทรศัพท์นั้นเอง

ภาพถ่ายเปรียบเทียบขนาดของเครื่องชาร์จโทรศัพท์มือถือกำลังไฟ 20 วัตต์ โดยทางซ้ายเป็นเครื่องชาร์จที่ใช้งานชิปแบบ GaN ส่วนทางขวาใช้ชิป Si แบบดั้งเดิม จะเห็นได้ว่ามีขนาดที่ต่างกันค่อนข้างมาก ภาพถ่ายโดย Jirasin Aswakool

หลากหลายผู้ผลิตในปัจจุบันได้เลือกใช้งานแกลเลียมไนไตรด์เข้ามาเป็นชิ้นส่วนหลักในอุปกรณ์เครื่องชาร์จแบบไว เพราะสามารถสร้างเครื่องชาร์จเหล่านี้ในขนาดที่เล็กลง แต่ให้กำลังไฟฟ้าที่เพิ่มสูงขึ้นได้ และให้คำโฆษณาว่า เล็กกว่า ดีกว่า และร้อนน้อยกว่า แต่ถึงกระนั้นเมื่อชาร์จมือถือแบบชาร์จไวแล้วจะพบว่าเครื่องชาร์จไวที่ทำจากแกลเลียมไนไตรด์ก็ยังปล่อยความร้อนออกมาสูงมากอยู่ดี ที่เป็นเช่นนั้นเพราะว่ากำลังไฟฟ้าที่จ่ายให้กับโทรศัพท์มือถือนั้นสามารถมากได้ถึง 240 วัตต์ (ตามมาตรฐานของแต่ละผู้ผลิต) ซึ่งเป็นกำลังไฟฟ้าที่สูงมาก ความร้อนที่ออกมามากจึงไม่ใช่เรื่องที่แปลกอะไร รวมถึงขนาดของเครื่องชาร์จที่ใช้แกลเลียมไนไตรด์ก็มีขนาดที่เล็กกว่าเครื่องชาร์จทั่วไปทำให้พื้นที่ระบายความร้อนน้อย ดังนั้นถึงแม้ว่าคำโฆษณาของเครื่องชาร์จไวจะบอกว่าไม่ร้อน แต่ก็ควรระมัดระวังการหยิบจับเครื่องชาร์จระหว่างและหลังการใช้งาน และควรใช้งานเครื่องชาร์จในบริเวณที่อากาศถ่ายเทสะดวก ไม่เป็นพื้นที่อับ อมความร้อน หรืออยู่ในบริเวณที่มีวัสดุที่ติดไฟง่าย เช่น บนหมอนหรือเตียงนอน

เรียบเรียงโดย จิรสิน อัศวกุล

🎧 อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech

สรุปประเด็นให้โดย Generative AI

GaN คืออะไร ทำไมเครื่องชาร์จโทรศัพท์หลาย ๆ เจ้าเลือกโฆษณาสิ่งนี้กัน