1 BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG Tên đề tài NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỒNG DẠNG MÀU ÁNH SÁNG[.]
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC
KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG
Tên đề tài: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỒNG DẠNG MÀU ÁNH SÁNG
TRẮNG CHO ĐÈN LED ĐA CHÍP BẰNG CÁCH THÊM CÁC LOẠI HẠT
TÁN XẠ VÀO LỚP PHOSPHOR
Mã số đề tài: 21/1.3CB01
Chủ nhiệm đề tài: TS Đặng Hữu Phúc
Đơn vị thực hiện: Khoa khoa học cơ bản
Tp Hồ Chí Minh, 12/2021
Trang 2LỜI CÁM ƠN
Đề tài này được thực hiện dưới sự tài trợ của Đại học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh với mã số 21/1.3CB01
Trang 3PHẦN I THÔNG TIN CHUNG
I Thông tin tổng quát
1.1 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỒNG DẠNG MÀU ÁNH SÁNG
TRẮNG CHO ĐÈN LED ĐA CHÍP BẰNG CÁCH THÊM CÁC LOẠI HẠT TÁN XẠ
Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài
1 TS Đặng Hữu Phúc Đại học Công Nghiệp Tp
1.5 Thời gian thực hiện:
1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 3 năm 2021 đến tháng 3 năm 2022
1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng… năm…
1.5.3 Thực hiện thực tế: từ tháng 3 năm 2021 đến tháng 12 năm 2021
1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):
(Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứu và tổ chức thực hiện; Nguyên
nhân; Ý kiến của Cơ quan quản lý)
1.7 Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 80.000.000 triệu đồng
II Kết quả nghiên cứu
1 Đặt vấn đề
2 Mục tiêu
a) Mục tiêu tổng quát
Trang 4Cải thiện được đồng dạng màu ánh sáng trắng (∆CCT phải thấp hơn 2000 K) và quang hiệu (thấp nhất là 70 lm/W) của 02 đèn LED này nhờ sử dụng hỗn hợp phosphor-SiO2 mới, phù hợp với 04 tiêu chuẩn: IEC/PAS 62717 Ed.1; IEC 62384:2006; IEC 61347-2-13:2006; TCVN 8781:2011
b) Mục tiêu cụ thể
- Tìm được tỉ lệ trọng lượng phốt pho vàng: SiO2: silicone tối ưu
- Lựa chọn một loại hạt nâng cao tán xạ trong 04 loại: SiO2, TiO2, CaCO3 và CaF2
để có đồng dạng màu và quang thông cao nhất
- Ứng dụng hạt SiO2 và phốt pho xanh và phốt pho đỏ
3 Phương pháp nghiên cứu
Nội dung 1: Nghiên cứu sự tán xạ của hạt SiO2, TiO2, CaCO3 và CaF2
- Cách tiếp cận: Sử dụng tài liệu nghiên cứu công bố trên các thư viện điện tử
IEEE, OSA và các tài liệu liên quan đến thiết kế TIR lens
- Kết quả: Tỉ lệ trọng lượng phốt pho vàng: SiO2: silicone tối ưu Hệ số tán xạ của
các loại hạt Hệ số tán xạ suy giảm của các loại hạt Hàm phase tán xạ trung bình của các loại hạt Hệ số mặt cắt tán xạ của các loại hạt
Nội dung 2:
Ứng dụng hạt SiO2 và phốt pho xanh và phốt pho đỏ
- Cách tiếp cận: Sử dụng tài liệu nghiên cứu công bố trên các thư viện điện tử
IEEE, OSA và các tài liệu liên quan đến thiết kế TIR lens
- Kết quả: Tỉ lệ trọng lượng phốt pho SiO2: silicone tối ưu
4 Tổng kết về kết quả nghiên cứu
Với mục đích cải thiện chất lượng chiếu sáng của cấu hình pc-WLEDs, nghiên cứu của bài báo này tập trung vào những thay đổi mà SEPs, cụ thể là CaF2 và SiO2, mang lại sự đồng nhất về màu sắc và quang thông Sau khi trải qua các thí nghiệm và được xác minh bằng lý thuyết tán xạ Mie cùng với mô phỏng Monte Carlo, kết quả xác nhận rằng việc bổ sung các SEP là tốt cho việc tăng cường pc-WLED và mỗi loại SEP có một lợi ích khác nhau Bởi vì hiệu quả của mỗi SEP là khác nhau và hiệu quả phụ thuộc vào nồng độ phosphor, một cài đặt tối ưu, liên quan đến loại SEP và nồng độ chính xác cho từng ứng dụng, là điều cần thiết cho sự phát triển tiếp theo của pc-WLED Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phát hiện ra rằng việc thêm CaF2 và SiO2 có thể cung cấp khả năng kiểm soát độ lệch CCT, một chỉ số ảnh hưởng đến sự biến động của CCT Bằng
Trang 5cách quản lý nồng độ CaF2 phosphor, độ lệch CCT có thể giảm xuống giá trị thấp nhất trong khi tránh làm hỏng quang thông do nồng độ phosphor quá mức SiO2 là vật liệu
phosphor có thể đảm bảo sự phát triển của quang thông bất kể nồng độ
5 Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận
Các kết quả và sản phẩm đáp ứng các yêu cầu đã đề ra trong thuyết minh
6 Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)
Công trình này tập trung vào việc nâng cao hiệu quả chiếu sáng của pc-WLED, một giải pháp chiếu sáng mới và tiên tiến đã nhận được rất nhiều sự quan tâm Để thích ứng với nhu cầu chiếu sáng hiện đại, hiệu suất chiếu sáng của pcWLED phải được cải thiện, đặc biệt là độ đồng nhất về màu sắc và quang thông, hai trong số những chỉ số chất lượng quan trọng nhất của pc-WLEDs Thông qua các thí nghiệm, công trình này đề xuất
sử dụng các hạt tăng cường tán xạ (SEP) như CaF2 và SiO2 với phosphor vàng Y3Al5O12:
Ce3+ trong cấu hình pc-WLEDs Mô hình pc-WLEDs được tạo ra bằng cách sử dụng chương trình LightTools và đặt ở nhiệt độ màu tương quan 8500 K, trong khi kết quả thực nghiệm thu được từ mô phỏng này sẽ được xác minh bởi lý thuyết tán xạ Mie Thông tin từ bài báo này cho thấy hệ số tán xạ của SEP ở bước sóng 455 nm và 595 nm Hơn nữa, người ta khẳng định rằng việc sử dụng CaF2 có hiệu quả trong việc thúc đẩy màu sắc nhưng có thể làm hỏng hiệu suất phát sáng nếu nồng độ quá cao trong khi vật liệu SEP, SiO2, thể hiện hiệu suất phát sáng cao ở mọi nồng độ
Ngoài ra, lớp phosphor đỏ Ca5B2SiO10:Eu3+ để đặt bên trên lớp phosphor màu vàng và cả hai lớp đều có thiết kế lồi Sau đó, các thí nghiệm và phép đo được thực hiện
để tìm ra ảnh hưởng của phốt pho đỏ này cũng như thiết kế phốt pho từ xa hai lớp lồi lên màn trình diễn của đèn LED Kết quả đo được cho thấy hiệu suất ánh sáng được tăng cường đáng kể khi sử dụng cấu trúc hai lớp lồi thay vì thiết kế đơn Ngoài ra, nồng độ
Ca5B2SiO10:Eu3+ có lợi cho CRI và CQS ở khoảng 6600 K và 7700 K nhiệt độ màu tương quan (CCT) Tuy nhiên, sản lượng lumen cho thấy sự suy giảm nhẹ khi nồng độ phosphor đỏ này vượt qua 26% trọng lượng Qua các thí nghiệm, người ta thấy rằng một lớp chip kép và phốt pho kép là cấu trúc tốt nhất có thể hỗ trợ chất lượng của CRI và quang thông
This article focuses on enhancing the lighting efficiency of pc-WLEDs, a new and advanced lighting solution that has received lots of attention To adapt to the demand of modern lighting, the lighting performance of pcWLEDs must be improved, especially the
Trang 6color homogeneity and luminous flux, two of the most important quality indicators of WLEDs Through experiments, this article proposes using the scattering enhancement particles (SEPs) such as CaF2 and SiO2 with yellow phosphor Y3Al5O12:Ce3+ in pcWLEDs configuration The pc-WLEDs model is created by using the LightTools program and set at 8500 K correlated color temperature, while the experimental results yielded from this simulation will be verified by Miescattering theory The information from this article reveals the scattering coefficients of SEPs at 455 nm and 595 nm wavelengths Moreover, it is confirmed that the employment of CaF2 is effective in promoting the color but may damage the luminous efficiency if the concentration is too high while the SEP material, SiO2, exhibits high luminous efficiency at all concentration
pc-We use red phosphor Ca5B2SiO10:Eu3+ layer to place above the yellow phosphor one, and both of them have a convex design Then, the experiments and measurements are carried out to figure out the effects of this red phosphor as well as the convex-double-layer remote phosphor design on the LED’s performances The measured results reveal that the light output is enhanced significantly when using convex-dual-layer structure instead of the singlelayer design Additionally, the Ca5B2SiO10:Eu3+ concentration benefits CRI and CQS at around 6600 K and 7700 K correlated color temperature (CCT) Yet, the lumen output shows a slight decline as this red phosphor concentration surpass 26% wt Through the experiments, it is found that a double layer of chip and double phosphorus is the best structure which could support the quality of CRI and luminous flux
III Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo
3.1 Kết quả nghiên cứu ( sản phẩm dạng 1,2,3)
TT Tên sản phẩm
Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật
Trang 71 The study of
convex-dual-layer remote phosphor
geometry in upgrading
WLEDs color rendering
index, International Journal
of Electrical and Computer
Engineering (IJECE)
2 Applying calcium fluoride
and silica particles: A
solution to improve color
- Các ấn phẩm (bản photo) đính kèm trong phần phụ lục minh chứng ở cuối báo cáo (đối với ấn phẩm là sách, giáo trình cần có bản photo trang bìa, trang chính và trang cuối kèm thông tin quyết định và số hiệu xuất bản)
3.2 Kết quả đào tạo
TT Họ và tên
Thời gian thực hiện đề tài
Trang 8Ghi chú:
- Kèm bản photo trang bìa chuyên đề nghiên cứu sinh/ luận văn/ khóa luận và bằng/giấy chứng nhận nghiên cứu sinh/thạc sỹ nếu học viên đã bảo vệ thành công luận án/ luận văn;( thể hiện tại phần cuối trong báo cáo khoa học)
A Chi phí trực tiếp
2 Nguyên, nhiên vật liệu, cây con
V Kiến nghị (về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài)
VI Phụ lục sản phẩm ( liệt kê minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)
02 công bố scopus Q2
Tp HCM, ngày tháng năm
(Họ tên, chữ ký)
Trang 9PHẦN II BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
(báo cáo tổng kết sau khi nghiệm thu, đã bao gồm nội dung góp ý của hội đồng nghiệm thu)
Trang 10MỤC LỤC
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT 12
DANH SÁCH HÌNH ẢNH 13
DANH SÁCH BẢNG 15
LỜI GIỚI THIỆU 16
Chương 1: TỔNG QUAN 17
1.1 Hiệu quả của việc chiếu sáng dùng đèn LED 17
1.2 Tính cấp thiết của đề tài 18
1.3 Các nghiên cứu liên quan 20
1.3.1 Ảnh hưởng của hạt nâng cao tán xạ CaCO3 lên tính đồng dạng màu của đèn LED [7] 20
1.3.2 Ảnh hưởng của hạt nâng cao tán xạ TiO2 lên đồng dạng màu của đèn LED [8] 21
1.3.3 Ảnh hưởng của hạt nâng cao tán xạ SiO2 lên đồng dạng màu của đèn LED [6] 24
1.3.4 Cải thiện chất lượng màu và quang thông của đèn LED bằng cách thêm phốt pho đỏ hoặc phốt pho xanh với phốt pho vàng [9-26] 26
1.3.5 Ưu điểm và nhược điểm của nghiên cứu liên quan và ý tưởng đề tài 34
1.3.6 Mục tiêu đề tài 35
Chương 2: THỰC NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG 36
2.1 Đo lường vật liệu 36
2.2 Mô phỏng 37
2.3 Lý thuyết tán xạ Mie 38
2.4 Các mô hình LED đa chip 41
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44
3.1 Kết quả cải thiện đồng dạng màu ứng dụng hạt SiO 2 và CaF 2 44
HIỆU QUẢ KINH TẾ VÀ XÃ HỘI KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU MANG LẠI 50 Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51
Trang 114.1 Kết luận 51 4.2 Kiến nghị 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO 53
Trang 12DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
S 1 , S 2 Biên độ tán xạ góc
W silicone glue Thành phần keo silicon
I 0 Năng lượng tia ánh sáng tới
µ ext Hệ số suy giảm
L Bề dày lớp phốt-pho
N r Cường độ phân bố hạt
I Năng lượng tia tới
C ext Mặt cắt suy giảm
Trang 13DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1 So sánh hiệu quả chiếu sáng của đèn LED với các phương thức được sử dụng
từ thời xưa đến thế kỷ 21 Ảnh: Royal Swedish Academy of Sciences
Hình 1.2 (a) Đèn LED phủ slicone dạng phẳng, (b) hiện tượng vòng ánh sáng màu vàng Hình 1.3 (a) Đèn LED phủ slicone dạng vòm, (b) hiện tượng vòng ánh sáng màu vàng Hình 1.4 Hình chụp mô tả hỗn hợp không có CaCO3 (a) và có CaCO3 (b)
Hình 1.5 Phân bố nhiệt độ màu tương quan trong trường hợp không có CaCO3 và có CaCO3
Hình 1.6 Sự suy giảm chênh lệch nhiệt độ màu và hiệu suất phát sáng trong trường hợp
không có CaCO3 và có CaCO3
Hình 1.7 Quá trình thêm hạt nâng cao tán xạ TiO2 vào lớp silicon (a) và trong lớp phốt pho (b)
Hình 1.8 Hình chụp chi tiết thực nghiệm sử dụng hạt TiO2
Hình 1.9 Kết quả thực nghiệm phân bố màu trong cách trường hợp sử dụng hạt TiO2 Hình 1.10 Sự suy giảm chênh lệch nhiệt độ màu và hiệu suất phát sáng trong trường hợp
sử dụng TiO2
Hình 1.11 Độ lệch màu của đèn LED khi có SiO2
Hình 1.12 Quang thông của đèn LED khi có SiO2
Hình 1.13 Cấu trúc phủ silicone dạng phẳng: Sự thay đổi độ lệch màu và Sự suy giảm
hiệu suất phát quang
Hình 1.14 Biên độ tán xạ góc của SiO2 và YAG:Ce3+
Hình 1.15: Quang phổ phát quang (PL) của -SiAlON:Eu2+: quang phổ kích thích (EX)
và quang phổ phát (EM)
Hình 1.16: (a) Mô phỏng của gói LED phốt pho “in-cup” và (b) So sánh quang phổ phát
quang của hai dạng phủ tách biệt và trộn lẫn Kết quả thực nghiệm chứng tỏ rằng việc phủ riêng biệt từng lớp đạt quang thông cao hơn trộn lẫn
Hình 1.17: Hiệu suất phát quang của Ca3Si2O4N2:Eu2+ phụ thuộc nồng độ ion Eu2+
Hình 1.18: Quang thông của các đèn LED phụ thuộc kích thước của hạt phốt pho
YAG:Ce vàng: (a) và (b) Cấu trúc “in-cup” phốt pho, (c) Cấu trúc “remote” phốt pho
Hình 1.19: Quang thông đèn LED phụ thuộc bề dày lớp phốt pho
Hình 1.20: (a) LED ánh sáng trắng: (a) cấu hình phủ “conformal” phốt pho, (b) cấu hình
phủ “in-cup” phốt pho
Trang 14Hình 1.21: (a) Quang phổ phát của cấu hình “conformal”, (b) Quang phổ phát của cấu
hình “in-cup”
Hình 1.22: (a) Sự cải thiện quang thông của đèn LED ánh sáng trắng khi sử dụng phốt
pho xanh CeTb: (a) cấu hình “conformal”, (b) cấu hình “in-cup”
Hình 1.23: (a) Sự suy giảm của độ lệch nhiệt độ màu của đèn LED khi sử dụng CeTb: (a)
cấu hình “conformal”, (b) cấu hình “in-cup”
Hình 1.24: Phân bố tán xạ ánh sáng của các hạt phốt pho CeTb và YAG:Ce với bước
sóng kích thích 453 nm và 555 nm
Hình 1.25: Sự suy giảm chỉ số hoàn màu của đèn LED ánh sáng trắng khi sử dụng CeTb:
(a) cấu hình “conformal”, (b) cấu hình “in-cup”
Hình 2.1: Hình chụp SEM hỗn hợp phốt pho YAG:Ce3+ và SiO2
Hình 2.2: Hình chụp SEM của lớp phốt pho phủ lên bề mặt chip LED
Hình 2.3: Hình chụp mô hình mô phỏng đèn LED bằng phần mềm LightTools
Hình 2.4: So sánh cường độ sáng của đèn LED thực tế và mô hình mô phỏng
Hình 2.5: Minh họa sự tán xạ trong trường hợp không có hạt SiO2 (trên) và có hạt SiO2
Hình 2.8: Sáu mô hình thêm hạt SiO2 vào lớp phốt pho vàng YAG:Ce3+
Hình 3.1 Hệ số tán xạ của SEPs ở các bước sóng khác nhau
Hình 3.2 (a) mô hình vật lý của cấu trúc WLED, (b) các thông số của WLED, (c) minh
họa về mặt cắt của mô hình WLED, (d) mô hình WLED được mô phỏng
Hình 3.3 So sánh độ lệch CCT giữa các đèn pc-WLED sử dụng (a) CaF2 và (b) SiO2
Hình 3.4 So sánh quang thông của pcLEDs thêm (a) CaF2 và (b) SiO2
Hình 3.5 a) Sự thay đổi nồng độ YAG:Ce3+ là hàm của hàm lượng Ca5B2SiO10:Eu3+ b) Phổ phát xạ của WLEDs tương ứng với nồng độ Ca5B2SiO10:Eu3+
Hình 3.6 a) Chỉ số hoàn màu của WLEDs b) Thang chất lượng màu của WLEDs tương
ứng với nồng độ Ca5B2SiO10: Eu3+
Trang 15DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1: Thông số quang học của hạt SiO2 và YAG:Ce3+
Bảng 2: Mô tả sáu mô hình LED đa chip thêm hạt SiO2
Trang 16
LỜI GIỚI THIỆU
Trong lĩnh vực chiếu sáng dùng đèn LED ánh sáng trắng, đèn LED đa chíp có nhiều
ưu điểm vượt trội như: chi phí thấp, hiệu suất cao, tuổi thọ lâu, đáp ứng nhanh và chống biến đổi khí hậu Tuy nhiên, cũng như các loại đèn LED đơn chíp, đồng dạng màu ánh sáng trắng và quang hiệu là hai cản trở lớn của LED ánh sáng trắng
Trong hầu hết các loại đèn LED ánh sáng trắng, có sử dụng lớp phosphor chuyển đổi Lớp phosphor này là hỗn hợp của phosphor vàng YAG:Ce3+ và keo silicone Các hạt phosphor hấp thụ ánh sáng xanh phát ra từ các chíp và kích thích ánh sáng vàng phát ra
Sự trộn lẫn của ánh sáng xanh và vàng tạo nên ánh sáng trắng với các nhiệt độ màu tương quan mong muốn Tuy nhiên, ánh sáng xanh tán xạ và ánh sáng vàng chuyển đổi này có phân bố cường độ bức xạ khác nhau, dẫn đến đồng dạng màu ánh sáng trắng thấp (chất lượng màu kém) Nhìn chung, trong lớp phosphor của mỗi đèn LED, số hạt phosphor khoảng 104 đến 105 trên một mm3 Ánh sáng xuyên qua các hạt phosphor và tán xạ nhiều lần trước khi thoát ra ngoài Trong suốt quá trình tán xạ, ánh sáng xanh yếu dần do sự hấp thụ của phosphor, trong khi năng lượng ánh sáng vàng tăng lên trong suốt quá trình tán
xạ Vì vậy, vấn đề rất cấp thiết là điều chỉnh đồng dạng màu ánh sáng trắng của đèn LED Gần đây, có nhiều nghiên cứu nước ngoài đề xuất giải pháp cải thiện đồng dạng màu ánh sáng trắng Các nghiên cứu trên đã cho thấy được đồng dạng màu và quang hiệu của đèn LED được cải thiện khi tăng tán xạ trong lớp phosphor bởi các nguyên liệu thêm vào Tuy nhiên, các nghiên cứu đó chỉ tập trung đèn LED đơn chíp có nhiệt độ màu tương quan trung bình từ 5000 K – 6000 K Trong khi đó, đèn LED đa chíp có nhiệt độ màu tương quan phức tạp hơn rất nhiều, và ứng dụng ngày càng rộng rãi hơn trong lĩnh vực chiếu sáng Các nghiên cứu trên đã tập trung tăng quá trình tán xạ trong lớp phosphor, nghĩa là tăng quá trình trộn ánh sáng xanh và vàng, kết quả là đạt được đồng dạng màu cao hơn Tuy nhiên, sự tăng tán xạ này gây ra giảm quang hiệu của đèn do ánh sáng phản
xạ ngược lại các chíp LED, đây là nhược điểm lớn nhất của các nghiên cứu này
Trang 17Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Hiệu quả của việc chiếu sáng dùng đèn LED
Theo các nhà nghiên cứu, chiếu sáng là hoạt động tiêu tốn nhiều năng lượng, ước tính khoảng 17% lượng điện tiêu thụ tính riêng ở Mỹ [1] Lợi ích tiết kiệm năng lượng
mà đèn LED có thể mang lại đặc biệt lớn ở các quốc gia phát triển Công nghệ LED được coi là một thế hệ chiếu sáng mới Hiệu quả chiếu sáng đèn LED so với bóng đèn CFL và bóng đèn dây tóc lần lượt gấp 4 lần và 15 lần Ngoài ra lượng điện năng tiêu thụ ít hơn không chứa thủy ngân độc hại so với bóng đèn huỳnh quang Ngoài ra, tuổi thọ đèn LED kéo dài, gấp khoảng 30 lần so với bóng đèn sợi đốt Nhiều bóng đèn LED có tuổi thọ 25.000 giờ, tức tương đương 17 năm sử dụng nếu dùng để chiếu sáng 4 giờ mỗi ngày [2] Tuy nhiên, mức đầu tư ban đầu của đèn LED thường cao hơn so với các loại bóng đèn khác Tuy nhiên, giá của nó liên tục được giảm theo thời gian và dự kiến xuống mức được áp dụng rộng rãi ở các nước nghèo Việc sử dụng đèn LED có thể cải thiện chất lượng cuộc sống của họ
Hình 1.1 So sánh hiệu quả chiếu sáng của đèn LED với các phương thức được sử dụng
từ thời xưa đến thế kỷ 21 Ảnh: Royal Swedish Academy of Sciences
Với ứng dụng ngày càng tăng, yêu cầu cho đèn LED trắng ngày càng cao hơn như:
độ đồng dạng ánh sáng trắng và quang hiệu ngày càng trở nên quan trọng Động đồng dạng màu ánh sáng trắng được đánh giá từ độ lệch nhiệt độ màu tương quan Độ lệch nhiệt độ màu càng giảm nghĩa là màu ánh sáng trắng càng đồng dạng và ngược lại [3] Tham khảo các nghiên cứu nước ngoài như đề cập bên trên, độ lệch nhiệt độ màu (∆CCT) chỉ giảm được khoảng 200 K đến 450 K, trong khi quang thông phát ra cũng giảm theo Vì vậy, làm thế nào để nâng cao độ đồng đều màu (∆CCT giảm hơn 450 K)
Trang 18mà hiệu suất phát sáng của đèn LED vẫn không đổi là mục tiêu cấp thiết cho ứng dụng
đèn LED
1.2 Tính cấp thiết của đề tài
Đèn LED có nhiều ưu điểm vượt trội về hiệu suất, tuổi thọ, độ bền, tiết kiệm điện năng và thân thiện với môi trường Vì vậy, đèn LED được coi là một sự thay thế đầy tiềm năng cho công nghệ chiếu sáng trong hiện tại và tương lai [1-2] Tuy nhiên để công nghệ đèn LED phát triển và ứng dụng rộng rãi hơn, việc đưa ra các giải pháp làm tăng chất lượng ánh sáng và giảm giá thành của đèn LED là rất cần thiết
Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng hai dòng sản phẩm đèn LED đa chíp của công
ty SPIL (http://www.spil.com.tw/), Đài Loan Hình 1.2 (a) là đèn LED đa chíp bên trên phủ lớp silicone dạng phẳng, và được phủ lớp silicone dạng vòm như Hình 1.3 (a) Hai loại này được sử dụng phổ biến và rất ưa chuộng trong chiếu sáng dân dụng và công nghiệp do quang hiệu thấp nhất 70 lm/W Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của 2 loại đèn này là độ đồng dạng màu ánh sáng trắng thấp Điều này có thể dễ dàng nhận thấy trong Hình 1.2 (b) và Hình 1.3 (b), hiện tượng vòng ánh sáng vàng bao quanh hoặc xem lẫn ánh sáng trắng Vì sao có hiện tượng này? Lớp phosphor silicone (màu vàng) phủ trên bề mặt chíp của đèn LED ánh sáng trắng, là hỗn hợp của các hạt phosphor và keo silicone Các hạt phosphor có thể tán xạ ánh sáng tới và phải hấp thụ ánh sáng xanh để phát ra ánh sáng vàng Ánh sáng xanh kết hợp ánh sáng vàng tạo ra ánh sáng trắng Tuy nhiên, có sự khác biệt trong phân bố cường độ bức xạ giữa ánh sáng màu xanh được tán xạ và ánh sáng màu vàng phát ra Do đó, hiện tượng vòng màu vàng xuất hiện trên bề mặt chiếu sáng, làm cho độ lệch nhiệt độ màu ∆CCT tăng lên khoảng 2700 K đối với đèn LED phủ dạng phẳng và 2200 K, đối với đèn LED phủ dạng vòm
Trang 19(a) (b)
Hình 1.2 (a) Đèn LED phủ slicone dạng phẳng, (b) hiện tượng vòng ánh sáng màu vàng
(a) (b)
Hình 1.3 (a) Đèn LED phủ slicone dạng vòm, (b) hiện tượng vòng ánh sáng màu vàng
Độ đồng dạng màu ánh sáng trắng có ý nghĩa hết sức quan trọng trong kỹ thuật chiếu sáng Nếu độ lệch màu ∆CCT cao hơn 2500 K, dễ dàng gây mỏi mắt và thực hiện công việc không chính xác, gây mệt mỏi và có thể dẫn đến tai nạn lao động [4]
Trong đề tài này, nhóm chúng tôi đề xuất cho thêm hạt SiO2 vào trong lớp phosphor của cả hai dòng sản phẩm của công ty SPIL Một số mô phỏng và chứng minh trước của chúng tôi [5, 6] cho thấy rằng sự tham gia của hạt SiO2 có thể thúc đẩy quá trình tán xạ ánh sáng trong LED Sự phân bố nhiệt độ màu tương quan có thể được cải thiện bởi quá trình tán xạ này Trong khi đó, quang thông phát ra của bóng đèn vẫn không thay đổi đáng kể Tuy chỉ mới dừng lại ở việc phân tích, mô phỏng bằng phần mềm bản quyền chuyên dụng LightTools, nhóm đã xuất bản hơn 2 bài báo quốc tế Scopus
Đề tài này rất cần thiết cho nhóm thực hiện đề tài có kinh phí để tiếp tục nghiên cứu nâng cao chất lượng đèn LED
Trang 201.3 Các nghiên cứu liên quan
1.3.1 Ảnh hưởng của hạt nâng cao tán xạ CaCO3 lên tính đồng dạng màu của đèn LED [7]
Đồng dạng màu là một trong các yếu tố quan trọng đánh giá chất lượng màu của đèn LED ánh sáng trắng Cho đến nay có nhiều nghiên cứu cải thiện đồng dạng màu, tức
là giảm độ lệch màu của đèn LED ánh sáng trắng Nhiều cách để giảm độ lệch màu: thêm hạt nâng cao tán xạ, sử dụng vật liệu kích thước nano, sử dụng cấu trúc conformal Trong những phương pháp trên, sử dụng hạt nâng cao tán xạ được đánh giá hiệu quả Hạt CaCO3 được trộn chung với lớp phốt pho vàng YAG:Ce3+ để tạo thành hỗn hợp phốt pho phủ lên chip LED Hỗn hợp này còn có keo silicon kết dính 2 loại hạt Hình 1.4 mô tả hình chụp lớp phốt pho có chứa CaCO3 và không có CaCO3
Hình 1.4 Hình chụp mô tả hỗn hợp không có CaCO3 (a) và có CaCO3 (b)
Hình 1.5 Phân bố nhiệt độ màu tương quan trong trường hợp không có CaCO3 và có CaCO3
Trang 21Rõ ràng khi có sự hiện diện của CaCO3 trong lớp phốt pho, phân bố màu thay đổi đáng kể, đỉnh màu từ 9000 K giảm xuống 6000 K Kết quả Hình 1.5 cho thấy chênh lệch màu giảm từ 4000 K xuống khoảng 1500 K, giảm hơn 50 % Điều này đồng nghĩa với việc đồng dạng màu tốt hơn gấp đôi khi có CaCO3 Có thể giải thích kết quả này theo lý thuyết tán xạ Mie Sự tán xạ trong LED tăng lên, khi đó các tia sáng trộn nhiều lần trước khi tạo thành ánh sáng trắng Sự trộn lẫn nhiều lần này giúp giảm độ lệch màu, hay giảm được hiện tượng vòng màu vàng Tuy nhiên, CaCO3 khi áp dụng LED đơn chip trong nghiên cứu này, quang thông của LED có xu hướng giảm như Hình 1.6
Hình 1.6 Sự suy giảm chênh lệch nhiệt độ màu và hiệu suất phát sáng trong trường hợp
không có CaCO3 và có CaCO3
Hình 1.6 trình bày sự đối nghịch giữa sự suy giảm chênh lệch nhiệt độ màu và hiệu suất phát sáng của đèn LED theo nồng độ CaCO3 Nồng độ CaCO3 càng lớn càng có lợi cho đồng dạng màu Ở đỉnh điểm, suy giảm chênh lệch màu có thể lên đến gần 250 % khi nồng độ CaCO3 tăng lên đến 10% Điều này cũng có nghĩa là đồng dạng màu tăng lên gần 250 % Tuy nhiên, dễ dàng nhận thấy sự suy giảm hiệu suất sáng cũng tăng lên nhưng không đáng kể, trong trường hợp sử dụng CaCO3
1.3.2 Ảnh hưởng của hạt nâng cao tán xạ TiO2 lên đồng dạng màu của đèn LED [8]
Nghiên cứu này trình bày nâng cao tán xạ trong LED bằng hai cách: một là thêm hạt TiO2 vào lớp silicon lens, hai là thêm hạt TiO2 vào lớp phốt pho YAG:Ce3+ Hình 1.6 mô tả phương pháp thực nghiệm Đầu tiên, từ chip LED xanh, phủ một lớp phốt pho vàng YAG:Ce3+, sau đó phát triển thành dạng phủ bảo giác, và cuối cùng là thêm TiO2 vào Hình ảnh chi tiết thực nghiệm được trình bày trong Hình 1.8
Trang 22(b) Hình 1.7 Quá trình thêm hạt nâng cao tán xạ TiO2 vào lớp silicon (a) và trong lớp phốt pho (b)
Hình 1.8 Hình chụp chi tiết thực nghiệm sử dụng hạt TiO2
Tiến hành tăng nồng độ TiO2 tăng dần từ 0.01% đến 5% trọng lượng Về màu sắc thay đổi, dễ dàng nhận thấy màu sắc của lớp silicon lens và lớp phốt pho trở nên trắng hơn khi tăng nồng độ TiO2 Nghiên cứu đưa ra so sánh hiệu quả sử dụng TiO2 trong hai trường hợp
Trang 23Hình 1.9 Kết quả thực nghiệm phân bố màu trong cách trường hợp sử dụng hạt TiO2
Trang 24màu, hay giảm được hiện tượng vòng màu vàng Tuy nhiên, TiO2 khi áp dụng LED đơn chip trong nghiên cứu này, quang thông của LED có xu hướng giảm như Hình 1.10 Tương tự như CaCO3, Hình 1.10 trình bày sự đối nghịch giữa sự suy giảm chênh lệch nhiệt độ màu và hiệu suất phát sáng của đèn LED theo nồng độ TiO2 Nồng độ TiO2
càng lớn càng có lợi cho đồng dạng màu Ở đỉnh điểm, suy giảm chênh lệch màu có thể lên đến gần 98% khi nồng độ CaCO3 tăng lên đến 10% Điều này cũng có nghĩa là đồng dạng màu tăng lên gần 98 % Tuy nhiên, dễ dàng nhận thấy sự suy giảm hiệu suất sáng cũng tăng lên nhưng không đáng kể, trong trường hợp sử dụng TiO2
So sánh kết quả Hình 1.10, sự suy giảm chênh lệch màu trong trường hợp (a) tốt hơn trường hợp (b) Có thể giải thích kết quả này qua môi trường tán xạ Sự tán xạ ánh sáng diễn ra nhiều hơn trong trường hợp (a) Chính vì vậy, năng lượng truyền sụt giảm đáng kể khi nồng độ TiO2 tăng hơn 0.1% Trong khoảng 0.01%-0.1% TiO2, sự sụt giảm hiệu suất sáng không đáng kể Vì vậy, khi ứng dụng TiO2 có thể áp dụng trường hợp (a), với nồng độ khoảng 0.01%-0.1% TiO2
1.3.3 Ảnh hưởng của hạt nâng cao tán xạ SiO2 lên đồng dạng màu của đèn LED [6]
Năm 2014, tác giả Quốc Anh và cộng sự đã đề xuất CeTb để cải thiện quang thông
và đồng dạng màu của đèn LED ánh sáng trắng có nhiệt độ màu cao (7000 K trở lên) Nghiên cứu tập trung vào hai cấu hình phốt pho “conformal” và “in-cup” với nhiệt độ màu 7000 K, 7700 K và 8500 K Mục tiêu của nghiên cứu là trình bày một ứng dụng mới của SiO2 để cải thiện chỉ số hoàn màu, mà vẫn duy trì hiệu suất phát quang của đèn LED ánh sáng trắng Trong các mô phỏng trên phần mềm LightTools, 5-30% SiO2 được thêm vào lớp phosphor YAG:Ce3+. Kết quả đạt được cho thấy rằng đồng dạng màu ánh sáng trắng tăng lên với nồng động SiO2 Hơn nữa, hiệu suất phát quang của gói LED giảm không đáng kể trong khoảng 10% SiO2, như Hình 1.11 và Hình 1.12 Nhưng nếu tăng thêm SiO2 vượt quá 10%, hiệu suất phát sáng bắt đầu giảm dần Để làm sáng tỏ những kết quả này, các đặc tính tán xạ của SiO2 như cường độ tán xạ theo góc được xác định và phân tích dựa vào lý thuyết tán xạ Mie
Trang 25Hình 1.11 Độ lệch màu của đèn LED khi có SiO2
Hình 1.12 Quang thông của đèn LED khi có SiO2
Để tìm ra nồng độ SiO2 phù hợp thêm vào các cấu trúc dạng phẳng và dạng vòm, 5-30% SiO2 được thêm vào lớp phosphor YAG:Ce3+ Với cấu trúc dạng phẳng, độ lệch màu giảm từ 2800K đến 2000K, khi khi đó hiệu suất phát quang suy giảm không đáng
kể Với cấu trúc dạng vòm, độ lệch màu giảm từ 2211 đến 1719K, khi khi đó vẫn duy trì hiệu suất phát quang Như vậy, mục tiêu là chế tạo được hỗn hợp phosphor-SiO2 mới để nâng cao đồng dạng màu ánh sáng trắng (∆CCT phải thấp hơn 2000 K) đã hoàn thành, như Hình 1.13 Hình 1.14 mô tả biên độ tán xạ góc của các hạt SiO2 và YAG:Ce3+ Có sự khác nhau rõ rệt giữa giá trị tán xạ hai loại hạt này Vì vậy có thể dùng tán xạ của hạt SiO2 để cải thiện thông số ngõ ra của LED
Trang 26Hình 1.13 Cấu trúc phủ silicone dạng phẳng: Sự thay đổi độ lệch màu và Sự suy giảm
hiệu suất phát quang
Hình 1.14 Biên độ tán xạ góc của SiO2 và YAG:Ce3+
1.3.4 Cải thiện chất lượng màu và quang thông của đèn LED bằng cách thêm phốt pho đỏ hoặc phốt pho xanh với phốt pho vàng [9-26]
Để cải thiện quang thông của đèn LED ánh sáng trắng, các hỗn hợp phốt pho xanh như
-SiAlON:Eu2+, (Ba, Sr)2SiO4:Eu2+, Ca3Si2O4N2:Eu2+, Ca7(PO4)2(SiO4)2:Eu2+ được trộn
Trang 27vào hỗn hợp phốt pho vàng YAG:Ce để tạo thành hỗn hợp phốt pho mới phủ lên chip LED
Hình 1.15: Quang phổ phát quang (PL) của -SiAlON:Eu2+: quang phổ kích thích (EX)
và quang phổ phát (EM)
Năm 2005, tác giả Hirosaki và cộng sự đã chứng minh -SiAlON:Eu2+ có khả năng phát ánh sáng xanh lá mạnh dưới bước sóng UV (350-410 nm) hoặc ánh sáng xanh dương (450-470 nm), (Hình 1.15) Nhưng nghiên cứu này không đề cập đến nồng độ, kích thước -SiAlON:Eu2+ phù hợp, hay cũng không đề cập đến cấu hình phủ phốt pho nào áp dụng Và hiệu suất phát quang của đèn LED cũng không được đề cập đến Nhóm của tác giả Won đã sử dụng (Ba,Sr)2SiO4:Eu2+ trong cấu hình phốt pho “in-cup” Quang hiệu đạt được là 51 lm/W (Hình 1.16), thấp hơn cả đèn compact 20W chuyên dụng cho thanh long hiện nay Tuy nhiên vào thời điểm 2009, nghiên cứu của nhóm của tác giả Won đã góp phần phát triển hướng nghiên cứu ứng dụng vật liệu mới cho đèn LED ánh sáng trắng dần rõ ràng hơn
Trang 28Hình 1.16: (a) Mô phỏng của gói LED phốt pho “in-cup” và (b) So sánh quang phổ phát
quang của hai dạng phủ tách biệt và trộn lẫn Kết quả thực nghiệm chứng tỏ rằng việc phủ riêng biệt từng lớp đạt quang thông cao hơn trộn lẫn
Hình 1.17: Hiệu suất phát quang của Ca3Si2O4N2:Eu2+ phụ thuộc nồng độ ion Eu2+
Đến năm 2011, tác giả Chiu và cộng sự đã đề xuất thêm ion Eu2+ vào Ca3Si2O4N2
để tạo thành Ca3Si2O4N2:Eu2+ có hiệu suất phát quang cao hơn như Hình 1.17 Nồng độ tối ưu của Eu2+ thêm vào Ca3Si2O4N2 là 1 mol% Cho đến nay, hướng phát triển mới về ứng dụng vật liệu: thêm các ion như: Eu3+, Ce3+, Sm3+, Cr3+ và Tb3+ trong hỗn hợp phốt pho để điều khiển đặc tính quang học của vật liệu, từ đó tăng hiệu suất phát quang của đèn LED Có bốn đặc tính quang học của phốt pho bị tác động bởi các ion đó là: tán xạ,
Trang 29và cấu hình phủ lên chip LED Vì vậy, tác giả Nguyễn Thế Trần và cộng sự đã đề xuất đường kính hạt phốt pho vàng là 20 µm để cả hai cấu trúc “remote” và “in-cup” đạt quang thông cao nhất, xem Hình 1.18:
(c)
Hình 1.18: Quang thông của các đèn LED phụ thuộc kích thước của hạt phốt pho
YAG:Ce vàng: (a) và (b) Cấu trúc “in-cup” phốt pho, (c) Cấu trúc “remote” phốt pho
Từ kết quả Hình 1.18 cấu trúc “remote” mang lại quang thông cao hơn cấu trúc
“conformal” và “in-cup” Tuy nhiên việc phủ phốt pho dạng “remote” thực tế rất phức tạp khó đạt được độ chính xác cao, chi phí tốn kém hơn, khi bề dày của lớp phốt pho khoảng 0.1 mm Đó là lý do cấu trúc “remote” vẫn chưa được sản suất hàng loạt trong công nghiệp Bên cạnh kích thước, nhóm này cũng đề xuất bề dày cấu trúc “in-cup” tối
ưu là 1.8 mm, như Hình 1.19 Hình 1.19 trình bày sự biến đổi quang thông đèn qua bề dày lớp “in-cup” Cả kích thước và bề dày và cấu hình đều có liên quan đến nồng độ phốt
Trang 30pho Mỗi sự thay đổi của kích thước và bề dày và cấu hình đều thay đổi nồng độ phốt pho Bên cạnh đó, nhiệt độ màu, cũng không thể bỏ qua khi xét đến yếu tố ảnh hưởng quang thông
Hình 1.19: Quang thông đèn LED phụ thuộc bề dày lớp phốt pho
Hai nghiên cứu đề cập đến của tác giả Nguyễn Thế Trần, hỗn hợp phốt pho áp dụng chỉ đơn thuần gồm: phốt pho vàng YAG:Ce và keo silicone Vì vậy, khi thêm một loại phốt pho mới vào hỗn hợp YAG:Ce cần lựa chọn kích thước, nồng độ phù hợp để đạt quang thông như mong muốn
Năm 2016, tác giả Quốc Anh và cộng sự đã đề xuất CeTb để cải thiện quang thông
và đồng dạng màu của đèn LED ánh sáng trắng có nhiệt độ màu cao (7000 K trở lên) Nghiên cứu tập trung vào hai cấu hình phốt pho “conformal” và “in-cup” với nhiệt độ màu 7000 K và 8500 K như Hình 1.20
Hình 1.20: (a) LED ánh sáng trắng: (a) cấu hình phủ “conformal” phốt pho, (b) cấu hình
phủ “in-cup” phốt pho
Những đèn LED có nhiệt độ cao thực tế rất khó cải thiện quang thông [19] Việc
sử dụng hai cấu hình đèn LED có nhiệt độ màu cao này để khẳng định hiệu quả của phốt
Trang 31pho xanh CeTb Quang phổ của đèn phụ thuộc vào nồng độ CeTb thêm vào như hình 1.21
Hình 1.21: (a) Quang phổ phát của cấu hình “conformal”, (b) Quang phổ phát của cấu
hình “in-cup”
Hình 1.22: (a) Sự cải thiện quang thông của đèn LED ánh sáng trắng khi sử dụng phốt
pho xanh CeTb: (a) cấu hình “conformal”, (b) cấu hình “in-cup”
(a)
(b)
Trang 32Theo kết quả như hình 1.22, quang phổ phát của các đèn LED đều tăng lên với nồng độ CeTb thêm vào Cấu trúc “in-cup” có quang phổ tăng lên đáng kể so với cấu hình
“conformal”, dẫn đến quang thông đèn LED phủ “in-cup” cũng tăng đáng kể Với cấu hình “in-cup”, quang thông có thể tăng lên 1600 lm từ 900 lm, vượt 75% , cho cả hai đèn LED có nhiệt độ màu 7000 K và 8500 K Trong khi đó, phần trăm quang thông tăng lên chỉ đạt khoảng 20% ở nhiệt độ màu 8500 K và khoảng 30% đối với nhiệt độ màu 7000
K, với cấu hình “conformal” Hơn nữa, quang thông cao nhất cấu hình “conformal” đạt được thấp hơn đáng kể so với với cấu hình “in-cup” Không chỉ quang thông tăng lên, khi thêm CeTb vào hỗn hợp YAG:Ce, quá trình tán xạ ánh sáng trong hỗn hợp phốt pho mới cũng tăng lên, các tia sáng được trộn lẫn nhiều lần hơn để khi tạo thành ánh sáng trắng
Vì vậy, đồng dạng màu cũng được cải thiện đáng kể Đồng dạng màu ánh sáng trắng là một trong hai yếu tố đánh giá chất lượng màu của đèn dựa trên độ chênh lệch nhiệt độ màu theo góc chiếu sáng (CCT P-V deviation), như hình 1.23 Để hiểu rõ hơn về sự cải thiện đồng dạng màu, phân bố cường độ ánh sáng tán xạ góc (0-900), ứng với hai bước sóng kích thích, 453 nm và 555 nm, được trình bày như hình 1.20 Sự nâng cao tán xạ trong hỗn hợp phốt pho mới đạt được sau khi thêm CeTb Vì vậy, sự phân bố màu của đèn LED có thể hiệu chỉnh và cải thiện với các hạt CeTb
Trang 33Hình 1.23: (a) Sự suy giảm của độ lệch nhiệt độ màu của đèn LED khi sử dụng CeTb: (a)
cấu hình “conformal”, (b) cấu hình “in-cup”
Hình 1.24: Phân bố tán xạ ánh sáng của các hạt phốt pho CeTb và YAG:Ce với bước
sóng kích thích 453 nm và 555 nm
(a)
Trang 34Hình 1.25: Sự suy giảm chỉ số hoàn màu của đèn LED ánh sáng trắng khi sử dụng CeTb:
(a) cấu hình “conformal”, (b) cấu hình “in-cup”
Kết quả nghiên cứu cho thấy, để đạt được quang thông và đồng dạng màu cao hơn, cấu hình “in-cup” là phù hợp, hoàn toàn có thể thay thế cấu hình “conformal” truyền thống Tuy nhiên, khuyết điểm lớn nhất của của cấu hình “in-cup” là chỉ số hoàn màu (CRI), là yếu tố quan trọng thứ 2 để đánh quá chất lượng màu của đèn LED ánh sáng trắng Hình 1.25 trình bày sự suy giảm CRI khi tăng nồng độ CeTb Vì vậy, việc tăng quang thông và đồng dạng màu đèn LED sử dụng CeTb bị hạn chế chế bởi chỉ số hoàn màu
1.3.5 Ưu điểm và nhược điểm của nghiên cứu liên quan và ý tưởng đề tài
Nhìn chung, các nghiên cứu đề cập trên đã đạt được mục tiêu của nghiên cứu Các mục tiêu cụ thể bao gồm: 1 Cải thiện đồng dạng màu sử dụng hạt nâng cao tán xạ; 2 Tìm ra nồng độ và kích thước hạt tối ưu thông số quang học của LED; 3 Ứng dụng phốt pho phát ánh sáng xanh hoặc đỏ với YAG:Ce3+ để cải thiện chỉ số hoàn màu và quang thông của đèn LED
- Với mục tiêu 1, có nhiều nghiên cứu đề xuất ra rất nhiều loại hạt có thể nâng cao tán xạ trong lớp phốt pho hoặc trong đèn LED Nhưng rất khó cho nhà sản xuất đèn LED khi đưa vào ứng dụng, khó trong việc chọn một loại hạt phù hợp nhất Vì vậy, thông qua
đề tài này, Nhóm đề xuất giải phải lựa chọn giúp nhà sản xuất dễ dàng lựa chọn một loại hạt để ứng dụng Qua đây, nhóm còn chứng minh được liệu SiO2 có phải là loại hạt tốt nhất trong 4 loại
- Với mục tiêu 2: Kích thước và nồng độ hạt là hai thông số ảnh hưởng lớn đến chất lượng đèn LED Việc điểu khiển hai thông số này luôn là mục tiêu của các nghiên cứu nói cung và nghiên cứu trong đề tài này nói riêng
(b)
Trang 35b) Mục tiêu cụ thể
a Mục tiêu cụ thể
- Tìm được tỉ lệ trọng lượng phốt pho vàng: SiO2: silicone tối ưu
- Lựa chọn một loại hạt nâng cao tán xạ trong 04 loại: SiO2, TiO2, CaCO3 và CaF2
để có đồng dạng màu và quang thông cao nhất
- Ứng dụng hạt SiO2 và phốt pho xanh và phốt pho đỏ
Trang 36Chương 2: THỰC NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG
2.1 Đo lường vật liệu
Trước khi thực hiện các mô phỏng quang học trên phần mềm LightTools, các thông
số vất liệu được đo lường chính xác Hình 2.1 mô tả hạt SiO2 được trộn trong lớp phốt pho vàng YAG:Ce3+ Để đạt được thuận lợi về tán xạ, kích thước hạt SiO2 thường nhỏ hơn YAG:Ce3+ Trong khi đó, đường kính trung bình của hạt YAG:Ce3+ khoảng 14.5 µm Trong đề tài này, nhóm cũng đề xuất kích thước và nồng độ SiO2 tối ưu cho đồng dạng màu và quang thông đèn LED
Hình 2.1: Hình chụp SEM hỗn hợp phốt pho YAG:Ce3+ và SiO2
Hình 2.2: Hình chụp SEM của lớp phốt pho phủ lên bề mặt chip LED
Bảng 1 trình bày các thông số quang học đo lường của SiO2 và YAG:Ce3+ Các thông số này là cần thiết để khai báo khi mô phỏng Ở đây, kích thước SiO2 được khảo sát trong khoảng 0.2 ÷ 20 µm để tìm ra kích thước tối ưu Trong khi đó nồng độ SiO2
được khảo sát từ 0 ÷ 30 % để tìm ra nồng độ tối ưu Khi thay đổi nồng độ hay kích thước SiO , nồng độ YAG:Ce3+ cũng thay đổi theo để giữ cố định nhiệt độ màu đèn LED Đối
Trang 37với hạt phốt pho vàng YAG:Ce3+ ngoài thông số quang học trong Bảng 1, khi mô phỏng hạt YAG:Ce3+ cần có thông số khác như: quang phổ hấp thụ, quang phổ kích thích, quang phổ phát và khoảng cách đường trung bình
Nồng độ của lớp phốt pho được tính như sau:
Chỉ số khúc xạ của lớp phốt pho được tính như sau:
Bảng 1: Thông số quang học của hạt SiO2 và YAG:Ce3+
Hình 2.3: Hình chụp mô hình mô phỏng đèn LED bằng phần mềm LightTools
2.2 Mô phỏng
LightTools là phần mềm thương mại mô phỏng các đối tượng quang học như hệ kính, LED, vật liệu, tán xạ Đặc biệt, LightTools được đánh giá cao trong việc mô phỏng chính xác LED với nhiều ngõ vào khai báo như đề cập mục 2.1 Trong đề tài này, Nhóm sử dụng LED có 9 chip LED, gọi là LED đa chip Công suất mỗi chip LED là 1.16
W Các chip LED này được phủ lên trên hỗn hợp phốt pho có bề dày 0.08 mm
Trang 38Khẳng định mô hình mô phỏng chính xác là công việc quan trọng đầu tiên cần làm trước khi thực hiện các mô phỏng thêm hạt Biểu thức tính tương quan chéo định mức
(NCC) được áp dụng để so sánh sự giống nhau giữa mô hình mô phỏng và LED thực tế:
(3)
Hình 2.4: So sánh cường độ sáng của đèn LED thực tế và mô hình mô phỏng
Có thể thấy rằng, giá trị NCC bằng 99.5%, nghĩa là mô hình mô phỏng gần như
chính xác hoàn toàn thực tế Như vậy các mô phỏng tiếp theo có thể được thực hiện
2.3 Lý thuyết tán xạ Mie
Quá trình tán xạ bao gồm quá trình khúc xạ và phản xạ Quá trình tán xạ của lớp phốt pho phụ thuộc vào các thành phần trong lớp đó Như vậy, phân tích tán xạ của lớp phốt pho là phân tích sự tán xạ của hạt SiO2 và YAG:Ce3+
Hình 2.5: Minh họa sự tán xạ trong trường hợp không có hạt SiO2 (trên) và có hạt SiO2
Trang 39Khi có các hạt SiO2 thêm vào, các tia sáng xanh phản xạ từ chip LED tăng lên Điều này làm giảm hiện tượng vòng màu vàng của LED do sự bổ sung ánh sáng xanh dương ở 2 bên chip LED Mặt khác sự hiện diện của SiO2 làm tăng thời gian trộn lẫn các tia sáng Các tia sáng được trộn với nhau nhiều lần hơn trước khi tạo thành ánh sáng trắng
Khi nói đến tán xạ, không thể không nói đến lý thuyết tán xạ Mie Lý thuyết này được đánh giá mô phỏng gần như chính xác sự tán xạ của hạt SiO2 và YAG:Ce3+ Để mô
tả độ lớn cường độ tán xạ và góc tán xạ của hạt, biên độ tán xạ góc được sử dụng dụng thông qua kí hiệu S1 và S2 Biên độ tán xạ ảnh hưởng đến năng lượng truyền ánh sáng phát ra và độ lệch màu, hay rõ hơn là đồng dạng màu Biên độ tán xạ càng lớn, sự tán xạ trong lớp phốt pho SiO2 và YAG:Ce3+ càng nhiều, càng có lợi cho đồng dạng màu nhưng không có lợi cho quang thông đèn LED phát ra Góc tán xạ ảnh hưởng đến độ chênh lệch màu ánh sáng trắng, và cả năng lượng tán xạ
Giá trị biên độ tán xạ góc tính theo lý thuyết Mie:
(4)
(5) Hai biểu thức (4) và (5) có thể lập trình như sau:
function result = Mie_tetascan(m, x, nsteps)
% Computation and plot of Mie Power Scattering function for given
% complex refractive-index ratio m=m'+im", size parameters x=k0*a,
% according to Bohren and Huffman (1983) BEWI:TDD122
Trang 40Hình 2.6 trình bày kết quả mô phỏng biên độ tán xạ góc ở hai bước sóng 453 nm
và 555 nm Tia màu xanh là tán xạ của hạt SiO2 với đường kính 6 µm Tia màu vàng là tán xạ của hạt YAG:Ce3+ với đường kính 14.5 µm Dễ dàng nhận sự tán xạ SiO2 lớn hơn tán xạ của YAG:Ce3+ ở cả hai loại bước sóng kích thích Điều này có nghĩa là thêm SiO2
vào lớp phốt pho vàng YAG:Ce3+, sự tán xạ trong lớp phốt pho này tăng lên, các tia sáng được tán xạ nhiều lần hơn trước khi hình thành ánh sáng trắng Vì vậy, độ lệch màu có