Việc sử dụng ánh sáng nhân tạo có quang phổ, cường độ và quang kỳ thích hợp để điều khiển quá trình ra hoa ở một số cây ngày dài đã và đang được quan tâm nghiên cứu.. Từ đó nghiên cứu th
TỔNG QUAN
Nhu cầu ánh sáng nhân tạo trong sản xuất nông nghiệp
Dân số thế giới gia tăng liên tục đã kéo theo nhu cầu về lương thực cũng theo đó tăng cao Từ thời kỳ sơ khai, con người phụ thuộc vào thực phẩm tự nhiên, trồng dưới ánh sáng mặt trời và môi trường tự nhiên (hình 1.1) Tuy nhiên, quá trình công nghiệp hóa không kiểm soát cùng với lạm dụng phân bón amoniac đã gây ra sự gia tăng tiêu thụ năng lượng, ô nhiễm môi trường và các bệnh liên quan đến ô nhiễm, đồng thời góp phần vào biến đổi khí hậu toàn cầu Ngoài ra, thảm họa động đất-sóng thần ngày 11/3/2011 tại Fukushima đã gây ra ô nhiễm đất đai và nguồn nước bởi phóng xạ từ các nhà máy điện hạt nhân, làm nổi bật những mối lo ngại về an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường.
Hình 1 1 Vai trò của ánh sáng mặt trời đối với sự sống trên trái đất
Trong bối cảnh môi trường biến đổi phức tạp, tình trạng thiếu lương thực toàn cầu đang ngày càng nghiêm trọng do các yếu tố tự nhiên và nhân tạo gây ra Các yếu tố như biến đổi khí hậu, thiên tai đột ngột, xu hướng chuyển dịch lao động ra khỏi nông nghiệp và xung đột vùng miền hoặc chiến tranh đều ảnh hưởng tiêu cực đến năng suất và sản lượng lương thực, gây ra khan hiếm nguồn cung nghiêm trọng trên toàn thế giới.
Một trong những thách thức lớn nhất của nhân loại hiện nay là phát triển hệ sinh thái sạch và công nghệ sản xuất thực phẩm an toàn, bền vững và tiết kiệm năng lượng Các mô hình nông nghiệp công nghệ cao, sử dụng nguồn sáng LED nhân tạo không bị ảnh hưởng bởi tác động bên ngoài, là bước tiến quan trọng để đạt được mục tiêu này Công nghệ này bao gồm hệ thống chiếu sáng tối ưu dựa trên nhịp sinh học thực vật, thủy canh giàu chất dinh dưỡng, điều hòa không khí chi phí thấp, cảm biến tạo môi trường sản xuất đồng nhất và các công nghệ tự động hóa, robot tiên tiến giúp giảm chi phí lao động và duy trì vệ sinh trong quá trình trồng trọt, thu hoạch.
Ánh sáng đóng vai trò quan trọng trong sự sinh trưởng và phát triển của thực vật, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình nảy mầm, quang hợp, ra hoa và tích lũy dưỡng chất Để cây trồng phát triển tối ưu, môi trường cung cấp đủ ánh sáng là yếu tố then chốt, giúp cây sinh trưởng khỏe mạnh và đạt năng suất cao.
Hình 1 2 Vai trò của ánh sáng đối với các quá trình sinh trưởng của cây trồng [1]
Thực vật có nhiều loại tế bào cảm quang phục vụ các chức năng khác nhau và phối hợp điều hòa lẫn nhau Chất diệp lục, phytochrome và cryptochrome là các nguyên tố chính trong tế bào cảm quang, đảm nhận vai trò quan trọng trong quá trình quang hợp, điều chỉnh sự nảy mầm, ra hoa và đồng hồ sinh học Chất diệp lục là phân tử bẫy ánh sáng chuyển đổi năng lượng qua quang hợp, trong khi phytochrome điều chỉnh thời điểm nảy mầm và ra hoa của cây trồng Cryptochrome hoạt động trong vùng UV-A / xanh lam của quang phổ, kích thích các phản ứng phòng vệ của thực vật và thúc đẩy sản xuất các hợp chất phytochemical như vitamin C, anthocyanins và phenolic, đóng vai trò quan trọng trong hấp thụ dinh dưỡng và tăng cường khả năng chống chịu của cây.
Ánh sáng cho ra hoa ở cây ngày dài
Cây trồng sử dụng ánh sáng như một tín hiệu quan trọng để điều chỉnh sự sinh trưởng và phát triển phù hợp với điều kiện môi trường Ánh sáng ảnh hưởng đến quá trình này thông qua ba yếu tố chính: bước sóng, cường độ và thời gian chiếu sáng Việc hiểu rõ tác động của từng yếu tố giúp tối ưu hóa khả năng quang hợp, thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của cây trong nông nghiệp và trồng trọt.
Garner và Allard đã phát hiện ra rằng thời gian chiếu sáng ban ngày theo mùa ảnh hưởng đáng kể đến quá trình ra hoa của cây Các loài cây có phản ứng khác nhau với quang chu kỳ, được chia thành ba nhóm chính: cây ngày dài ra hoa khi ngày dài hơn đêm trong mùa hè, cây ngắn ngày chỉ nở hoa khi ngày ngắn hơn đêm vào mùa thu hoặc đông, và cây trung tính không phụ thuộc vào thời gian chiếu sáng mà dựa vào tuổi cây hoặc tác động bên ngoài để ra hoa.
Trái đất có trục nghiêng khi quay quanh Mặt Trời khiến thời gian nhận ánh sáng mặt trời trong ngày thay đổi theo từng mùa Ở các quốc gia bán cầu Bắc như Việt Nam, mùa hè mang lại ngày dài hơn đêm, trong khi mùa đông ngày ngắn hơn đêm Đối với các loại cây yêu cầu ngày dài để ra hoa và đậu quả, công tác điều chỉnh ánh sáng trong mùa thuận là cần thiết để đảm bảo quá trình sinh trưởng diễn ra đồng đều, thuận tiện cho việc thu hoạch.
Đảm bảo đồng nhất về chất lượng sản phẩm là yếu tố quan trọng thúc đẩy năng suất và giá trị nông sản Trong mùa nghịch, việc chiếu sáng giúp cây phát triển tốt hơn, ra hoa kết trái đúng vụ, tăng năng suất Các phương pháp chiếu sáng phổ biến gồm kéo dài ngày bằng cách chiếu sáng nối tiếp vào cuối ngày (day extension - DE) hoặc làm gián đoạn bóng đêm bằng cách chiếu sáng giữa đêm (night interruption - NI) để kích thích sự sinh trưởng của cây.
Hình 1 3 Ảnh hưởng của thời gian ngày tới sự ra hoa ở cây ngày dài và các phương pháp chiếu sáng kích thích sự ra hoa [2]
Phytochrome là sắc tố chịu trách nhiệm điều chỉnh quá trình ra hoa của cây, tồn tại dưới hai dạng chính là Pr và Pfr Mỗi dạng có phổ hấp thụ riêng, phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng tiếp nhận Khi ánh sáng chiếu vào cây, các sắc tố hấp thụ ánh sáng đến ngưỡng kích hoạt, khiến phytochrome dạng Pr chuyển đổi thành dạng Pfr và ngược lại, từ đó điều chỉnh quá trình sinh trưởng và ra hoa của thực vật.
Hình 1 4 Phổ hấp thụ tương đối của sắc tố phytochrom theo bước sóng
Dạng Pr có hai đỉnh hấp thụ cực đại tại vùng đỏ (660nm) và vùng UV gần (380nm), trong khi dạng Pfr hấp thụ mạnh ở vùng đỏ xa (730nm) và vùng tím (410nm), giúp xác định các bước sóng phù hợp để kích thích ra hoa Các bước sóng này nằm trong phổ ánh sáng mặt trời, đề xuất sử dụng ánh sáng có các quang phổ này để tối ưu hiệu quả kích thích ra hoa Việc chọn lựa ánh sáng phù hợp dựa trên các đỉnh hấp thụ của các dạng phytochrome sẽ tăng khả năng điều chỉnh quá trình ra hoa của cây trồng.
Nhiều nghiên cứu sinh học đã thử nghiệm để xác định tỷ lệ giữa các vùng ánh sáng khác nhau, đặc biệt là nghiên cứu của Yamada và cộng sự Họ kết luận rằng tỷ lệ ánh sáng đỏ và đỏ xa phù hợp nhất để kích thích ra hoa nằm trong khoảng từ 0.6 đến 1, với ngưỡng ra hoa khi tỷ lệ này dưới 5.3.
Các nghiên cứu gần đây dựa trên quan điểm của Yamada đã xác định tỷ lệ đỏ và đỏ xa trong nhóm Mah, nhận thấy hiệu quả trong khoảng 0.7 đến 1.1.
Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào đánh giá hiệu quả của bước sóng vùng đỏ và đỏ xa trong quá trình kích thích ra hoa của cây trồng Tuy nhiên, còn thiếu các phân tích về tác dụng của bước sóng vùng tím, điều này mở ra các hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực sử dụng quang phổ để thúc đẩy quá trình ra hoa hiệu quả hơn Việc khám phá vai trò của bước sóng vùng tím có thể giúp tối ưu hóa các phương pháp kích thích ra hoa tự nhiên hoặc nhân tạo.
Chiếu sáng kích thích ra hoa cho cây thanh long ở Việt Nam
Cây thanh long (Hylocereus undatus và Hylocereus costaricensis), còn gọi là Pitahaya hay Dragon fruit, thuộc họ Xương rồng và có nguồn gốc từ các vùng sa mạc của Mexico và Colombia Người Pháp đã đưa cây thanh long vào trồng tại Việt Nam hơn 100 năm, nhưng chỉ bắt đầu phát triển thành hàng hóa từ thập niên 1980 Việt Nam hiện là quốc gia Đông Nam Á duy nhất có quy mô trồng thanh long thương mại lớn, với diện tích và sản lượng tăng nhanh qua các năm Từ hơn 2.200 ha và gần 23.000 tấn năm 1995, đến năm 2018 diện tích trồng thanh long đã đạt gần 54.000 ha, trong đó hơn 45.000 ha đang cho thu hoạch, sản lượng vượt 1 triệu tấn, tăng 24 lần về diện tích và hơn 46 lần về sản lượng Những tỉnh trồng thanh long lớn nhất gồm Bình Thuận (29.000 ha), Long An (11.000 ha) và Tiền Giang (8.000 ha), chiếm 93,6% diện tích và 95,5% sản lượng cả nước Ngoài ra, còn có các tỉnh miền Nam như Vĩnh Long, Trà Vinh, Tây Ninh, Bà Rịa – Vũng Tàu và các tỉnh miền Bắc như Lạng Sơn, Vĩnh Phúc, Hải Dương, Quảng Ninh, Thanh Hóa và Hà Nội cũng có diện tích trồng thanh long đáng kể.
Hiện nay, Việt Nam đã xuất khẩu thanh long đến nhiều thị trường quốc tế, góp phần nâng cao hình ảnh và giá trị của nông sản Việt Tại Bình Thuận và các tỉnh Nam bộ, mùa thanh long bắt đầu tự nhiên từ tháng 4 và kéo dài đến hết vụ, tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động xuất khẩu và thúc đẩy phát triển kinh tế địa phương.
Từ tháng 5 đến tháng 8 là thời điểm rộ nhất của hoạt động trồng trọt, khi giá cả thấp và hiệu quả kinh tế chưa cao Tuy nhiên, nhiều nhà vườn đã tích lũy kinh nghiệm và ngày càng hoàn thiện kỹ thuật thắp đèn tạo quả trái vụ để chủ động thu hoạch, qua đó nâng cao hiệu quả kinh tế cho vườn cây.
Hình 1 6 Chiếu sáng cây Thanh long ở VIệt Nam
Nhu cầu thắp đèn ban đêm cho cây thanh long ở quy mô lớn đã gây ra sự gia tăng đột biến phụ tải tiêu thụ điện vào ban đêm, đặt ra thách thức lớn cho ngành điện lực trong việc cung cấp và điều tiết hệ thống điện hiệu quả.
Theo khảo sát của Công ty Điện lực Bình Thuận (PCBT), hiện diện tích thanh long có điện đạt 23.196 ha, chiếm 96,4% tổng diện tích thanh long trong tỉnh Toàn tỉnh còn có 15.013 trạm biến áp với tổng dung lượng là 876 MVA, góp phần đảm bảo nguồn điện phục vụ phát triển nông nghiệp và kinh doanh thanh long.
Năm 2015, ngành điện đã đầu tư hơn 1.013 tỷ đồng để nâng cấp và phát triển hệ thống điện lưới 220kV, 110kV, 22kV nhằm đáp ứng nhu cầu điện cho ngành thanh long tỉnh Bình Thuận, nhưng vẫn chưa đủ để phục vụ sự tăng trưởng nóng của các vườn thanh long Mặc dù đã giảm chi phí tiết kiệm 50%, nhưng với tốc độ mở rộng diện tích trồng thanh long ngày càng nhanh, nhu cầu tiêu thụ điện tiếp tục tăng mạnh Từ mức 240 triệu kWh năm 2010, sản lượng điện tiêu thụ cho thanh long đã tăng lên 568 triệu kWh vào năm 2015, tăng gấp 2,36 lần và chiếm 32,6% tổng lượng điện tiêu thụ toàn tỉnh Trong giai đoạn này, phụ tải dành cho thanh long tăng trung bình 18,7% mỗi năm, cao hơn nhiều so với mức tăng phụ tải chung của toàn tỉnh là 7% mỗi năm, phản ánh sức bật của ngành nông nghiệp này.
Vấn đề tiết kiệm điện năng khi thắp sáng thanh long là rất quan trọng để giảm chi phí sản xuất Việc lựa chọn nguồn sáng phù hợp giúp nông dân có thể tiết kiệm tới 70% chi phí điện năng, đặc biệt khi sử dụng các công nghệ ánh sáng thế hệ mới như đèn LED Áp dụng các giải pháp tiết kiệm điện không những giảm chi phí mà còn nâng cao hiệu quả trồng trọt, góp phần phát triển bền vững ngành nông nghiệp.
Tổng quan về các loại nguồn sáng dùng cho chiếu sáng kích thích ra hoa
Đèn sợi đốt thương mại do Thomas Edison hoàn thiện vào năm 1879 đã trở thành phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày Nguyên lý hoạt động của đèn sợi đốt dựa trên quá trình nóng sáng, trong đó dòng điện đi qua dây tóc điện trở bên trong bóng đèn, làm dây tóc nhiệt đến hàng nghìn độ Kelvin để phát sáng Bầu đèn chứa khí trơ và các nguyên tố bảo vệ giúp tăng tuổi thọ cho dây tóc Đến năm 1904, dây tóc thiêu kết bằng tungsten được phát minh và phát triển, mang lại hiệu quả cao hơn Tới năm 1907, hiệu năng của bóng đèn sợi đốt đã được cải thiện đến 100%, làm tăng khả năng tiết kiệm năng lượng và độ bền.
Hình 1.1 Cấu tạo của bóng đèn sợi đốt
6 Ứng dụng trong chiếu sáng kích thích ra hoa
Kể từ khi phát hiện ra tác dụng thúc đẩy ra hoa của đèn sợi đốt, dòng sản phẩm này đã được sử dụng rộng rãi để chiếu sáng ban đêm cho cây thanh long trên toàn thế giới và tại các địa phương của Việt Nam Việc sử dụng đèn sợi đốt giúp kích thích cây ra hoa hiệu quả, mang lại năng suất cao hơn trong sản xuất thanh long Đây là phương pháp đã được nghiên cứu và áp dụng thành công trong nhiều nghiên cứu, góp phần nâng cao chất lượng và năng suất của cây trồng.
Hình 1 7 Quang phổ của đèn sợi đốt và ứng dụng trong chiếu sáng thanh long
1.4.2 Đèn huỳnh quang compact (CFL)
Sau kỷ nguyên đèn sợi đốt, đèn CFL đánh dấu bước phát triển quan trọng trong công nghệ chiếu sáng với sự tăng trưởng mạnh mẽ nhất kể từ khi đèn sợi đốt ra đời Đèn CFL thường được cấu tạo từ ống thủy tinh chứa khí trơ, chủ yếu là khí argon ở áp suất thấp, với lớp phủ vật liệu huỳnh quang bên trong thành ống, điện cực vonfram ở đầu và chấn lưu điện tử giúp hoạt động ổn định Hoạt động của đèn dựa trên quá trình ion hóa hơi thủy ngân trong ống kính sinh ra tia cực tím (UV), sau đó ánh sáng này kích thích lớp phủ huỳnh quang để phát ra ánh sáng nhìn thấy Để đảm bảo an toàn cho người dùng, lượng tia UV sinh ra trong quá trình hoạt động của đèn CFL đều được lớp phủ huỳnh quang làm giảm hoặc dập tắt hoàn toàn.
Hình 1 8 Cấu tạo của đèn CFL Ứng dụng trong chiếu sáng kích thích ra hoa ở cây Thanh long
Đèn CFL có hiệu suất tốt hơn đèn huỳnh quang tới 70%, khiến chúng trở thành lựa chọn phổ biến để thay thế đèn sợi đốt trong chiếu sáng cây thanh long Gần đây, nhiều giải pháp đã được phát triển để chế tạo bóng đèn CFL tăng cường đỏ bằng cách mở rộng quang phổ vùng đỏ và đỏ xa, giúp kích thích ra hoa hiệu quả hơn so với đèn CFL thông thường.
Hình 1 9 Quang phổ đèn CFL và ứng dụng trong chiếu sáng thanh long
1.4.3 Đèn phóng điện cường độ cao (HID) Đèn phóng điện cường độ cao (HID- high intensity discharge) hoạt động dựa trên nguyên lý chính là phóng điện khí, bao gồm đèn halogen kim loại (MH- metal halide), natri áp suất cao (HPS- high pressure sodium), natri áp suất thấp (LPS- low pressure sodium) và đèn hơi thủy ngân (mercury vapor lamps) Đèn HID được ứng dụng chiếu sáng trong không gian lớn như giao thông, quảng trường, nhà ga, sân thể thao… Đèn HID tạo ra ánh sáng bằng cách phóng điện trên các điện cực vonfram đặt trong bên trong một ống thạch anh trong suốt và được thiết kế đặc biệt với cầu chì thạch anh hoặc cầu chì hồ quang nhôm Ống này chứa đầy cả khí chuyên dụng và muối kim loại Các khí có tác dụng hỗ trợ trong đợt phóng điện ban đầu Khi sự phóng điện bắt đầu xảy ra, các muối kim loại được nung nóng và bay hơi để tạo ra ánh sáng, tạo thành môi trường plasma Giống như đèn huỳnh quang, cần một bộ chấn lưu để đèn HID khởi động và duy trì sự phóng điện [14]
Đèn Natri cao áp (HPS) là loại đèn HID phổ biến nhờ công suất phát quang và hiệu suất quang điện cao Nguồn sáng này được sử dụng rộng rãi trong chiếu sáng các không gian lớn như công viên, nhà xưởng và sân thể thao, mang lại hiệu quả chiếu sáng tối ưu cho các khu vực rộng lớn.
Nguyên lý hoạt động của đèn bắt đầu khi xung điện áp cao do chấn lưu sinh ra tạo ra hồ quang trong môi trường khí xenon Hồ quang này sau đó làm nóng thủy ngân, giúp đèn phát sáng hiệu quả Thiết kế này đảm bảo khả năng chiếu sáng mạnh mẽ và ổn định, phù hợp cho các ứng dụng cần ánh sáng chất lượng cao.
Trong quá trình sản xuất, Natri sẽ hóa hơi ở nhiệt độ trên 240℃, góp phần tạo nên nguồn sáng đặc trưng Thủy ngân được thêm vào giúp tăng cường ánh sáng xanh cho màu vàng tinh khiết của Natri, tạo ra hiệu ứng quang học hấp dẫn Ngoài ra, Natri còn được trộn với các tạp chất khác để nâng cao khả năng phát sáng trắng, đa dạng thành phần trong quang phổ, phù hợp với nhiều ứng dụng chiếu sáng và công nghiệp.
Hình 1 10 Cấu tạo của đèn HPS Ứng dụng trong chiếu sáng kích thích ra hoa thanh long
Việc sử dụng đèn HPS để chiếu sáng cho Thanh Long đã được thử nghiệm tại Trung Quốc và Việt Nam, cho thấy hiệu quả kích thích ra hoa Đèn HPS mang lại lợi ích như dễ dàng chăm sóc cây nhờ vào các trụ đèn lớn và giảm thiểu mạng lưới dây điện Tuy nhiên, cách bố trí này không tối ưu về mặt hiệu quả năng lượng do khoảng cách từ nguồn sáng đến cây trồng còn khá xa.
Hình 1 11 Quang phổ đèn HPS và ứng dụng chiếu sáng Thanh long
Nguồn sáng rắn, bao gồm Diode phát quang (LED) và Diode phát quang hữu cơ (OLED), là các công nghệ đèn hiện đại với lịch sử phát triển đáng kể LED được xem là thế hệ thứ tư của nguồn sáng nhân tạo, có hơn 60 năm phát triển kể từ đèn LED hồng ngoại đầu tiên được cấp bằng sáng chế năm 1961, và năm 1962 đã ra đời đèn LED khả kiến đầu tiên Các đèn LED công suất cao (1W) xuất hiện vào cuối thập niên 1990, góp phần thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của công nghệ này trong những năm gần đây Ban đầu, đèn LED phát ra tia hồng ngoại hoặc ánh sáng đỏ nhỏ, chủ yếu dùng làm đèn tín hiệu thay thế bóng đèn sợi đốt, nhưng ngày nay, đèn LED hiện đại có khả năng phát xạ trong dải bước sóng rộng từ tia cực tím (250 nm) tới ánh sáng khả kiến và ánh sáng đỏ, mở ra nhiều ứng dụng mới trong chiếu sáng và công nghệ.
Đèn LED ngày càng trở nên phổ biến nhờ hiệu suất cao và mật độ sáng lớn, đặc biệt trong các dải quang phổ từ UV (380 nm), ánh sáng nhìn thấy (380-760 nm) đến vùng hồng ngoại (760-1000 nm) Hiện nay, đèn LED được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như đèn báo hiệu, biển báo, màn hình LCD, ánh sáng trong nhà và ngoài trời, đèn giao thông, và ứng dụng trong nông nghiệp.
LED được cấu tạo từ chip LED, là một nguồn sáng bán dẫn nhỏ dưới 1mm², gồm chuyển tiếp p-n và các điện cực, kết hợp với các thành phần quang học như phản xạ và phốt pho để tạo ra ánh sáng có cường độ, quang phổ và phân bố riêng biệt Các màu sắc phát sáng của LED được xác định bởi vật liệu bán dẫn và tạp chất của chuyển tiếp p-n Chuyển tiếp p-n là ranh giới giữa hai lớp vật liệu bán dẫn trong cùng một tinh thể, cho phép dòng điện chạy theo một chiều (phân cực thuận) Quá trình tạo sáng diễn ra khi các điện tử tái kết hợp với lỗ trống điện tử trong chất bán dẫn, giải phóng năng lượng dưới dạng photon trong quá trình gọi là điện phát quang, với màu sắc của ánh sáng phụ thuộc vào vùng cấm năng lượng của chất bán dẫn.
Hình 1 12 Cấu trúc của đèn LED công suất cao và nguyên lý phát xạ của chuyển tiếp
Tổng chi phí của hệ thống chiếu sáng gồm giá mua ban đầu, chi phí điện và chi phí thay thế Mặc dù giá đèn LED đã giảm đáng kể trong những năm gần đây, nó vẫn còn cao hơn nhiều so với các nguồn sáng truyền thống, nhưng sự chênh lệch này có thể được bù đắp bằng thời gian sử dụng lâu hơn và hiệu quả năng lượng vượt trội Để ứng dụng nguồn sáng LED trong chiếu sáng con người và nông nghiệp, có các công nghệ từ cao đến thấp phù hợp với nhiều mục đích sử dụng khác nhau.
Tầng đầu tiên trong quy trình sản xuất chip LED là công nghệ bán dẫn, gồm lớp chuyển tiếp P-N phát quang cùng nhiều lớp chức năng cao đòi hỏi trình độ khoa học kỹ thuật tiên tiến, thường chỉ có thể sản xuất tại các nước phát triển Sau khi hoàn thiện, chip LED cần trải qua công nghệ đóng gói để có thể sử dụng, bao gồm các bước hàn đế, hàn dây và đóng vỏ Đặc biệt, công nghệ đóng gói LED khác biệt so với các linh kiện khác bởi lớp vật liệu đóng vỏ trên bề mặt có đặc tính quang, có thể trong suốt hoặc phát huỳnh quang, góp phần nâng cao hiệu quả phát sáng và tuổi thọ của LED.
Tầng thứ ba của quá trình chế tạo đèn LED bao gồm các thành phần chính như gói LED chứa thành phần phát quang, bộ phận tản nhiệt gồm MCPCB và heatsink giúp giải nhiệt hiệu quả, bộ driver cấp điện ổn định và vỏ đèn chắc chắn Những yếu tố này nhằm đảm bảo đèn LED hoạt động ổn định, bền bỉ và hiệu quả chiếu sáng cao.
Tầng cuối cùng là ứng dụng đèn LED để thiết kế chiếu sáng cho các đối tượng cụ thể Ứng dụng trong chiếu sáng thanh long
Mục tiêu nghiên cứu
Trong nghiên cứu này, chúng tôi nhận thấy các nghiên cứu trước chỉ tập trung vào ánh sáng đỏ và đỏ xa để kích thích ra hoa, nhưng chưa quan tâm đến vai trò của ánh sáng tím Vì vậy, chúng tôi mở rộng phạm vi nghiên cứu bằng cách chế tạo LED phát đồng thời ánh sáng tím (410nm), đỏ (660nm) và đỏ xa (730nm) Tiếp theo, chúng tôi tiến hành thử nghiệm sinh học để đánh giá tác động của hệ thống chiếu sáng này trong việc kích thích ra hoa trái vụ cho cây Thanh long Các nội dung chính của nghiên cứu gồm chế tạo LED phát xạ ánh sáng tím, đỏ, đỏ xa; chế tạo đèn LED phù hợp; và thử nghiệm sinh học để xác định hiệu quả kích thích ra hoa của cây Thanh long.
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LED PHÁT XẠ ÁNH SÁNG TÍM, ĐỎ VÀ ĐỎ XA
Tổng quan công nghệ đóng gói LED
2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED
Gói LED cung cấp một bộ khung ổn định cho LED chip, cho phép dễ dàng gắp, dán, hàn và hoạt động phát quang hiệu quả Điều này giúp đảm bảo độ bền và hiệu suất cao cho các ứng dụng chiếu sáng Gói LED còn bảo vệ LED khỏi tác động môi trường, tăng tuổi thọ và độ tin cậy của thiết bị Nhờ các chức năng đa dạng như giữ cố định LED chắc chắn và hỗ trợ tản nhiệt tốt, gói LED là giải pháp tối ưu cho các dự án chiếu sáng cần độ chính xác và ổn định cao.
Hình 2 1 Cấu tạo của LED
Dẫn điện: kết nối các điện cực mặt trong với điện cực của chip LED
Dẫn quang là lớp vật liệu trong suốt hoặc mờ, có tác dụng truyền ánh sáng phát ra từ chip LED, đảm bảo hiệu quả chiếu sáng tối ưu Ngoài ra, lớp vật liệu này còn giúp bảo vệ các thành phần bên trong khỏi tác động cơ học, độ ẩm và hóa chất, nâng cao độ bền và tuổi thọ của đèn LED.
Dẫn nhiệt: cho phép nhiệt sinh ra trong quá trình hoạt động của chip LED (và phốt pho) truyền ra bên ngoài gói LED
Bên cạnh có, gói LED có thể có thêm một số chức năng:
Chuyển đổi bước sóng ánh sáng: bằng các vật liệu phốt pho được phun phủ lên phía trên chip LED
Bảo vệ tĩnh điện (ESD): bằng cách sử dụng diode Zener tích hợp vào gói LED 2.1.1 Tổng quan các nghiên cứu đóng gói LED
Nhiều nghiên cứu đã tập trung vào nâng cao hiệu suất của công đoạn đóng gói LED bên cạnh các nghiên cứu về cải thiện hiệu suất lượng tử của chip LED và chuyển đổi của vật liệu phosphor Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất đóng gói LED đã được các nhà nghiên cứu công bố, trong đó Ki Hyun Kim và đồng sự [19] phân tích ảnh hưởng của cấu tạo chip LED, còn Min-Suk Jang và cộng sự [20] tập trung nghiên cứu tác động của kích thước hạt phosphor đến hiệu quả tổng thể của quá trình đóng gói LED.
Hình 2 2 Ảnh hưởng của hàm lượng, kích thước hạt phosphor tới quang thông
Trong quá trình phun phủ, có ba phương pháp chính dựa trên cách phân bố các hạt vật liệu phosphor: phun phủ đồng đều để đảm bảo lớp phủ đều trên bề mặt, phun phủ lớp phosphor tập trung gần để tăng cường hiệu quả phát quang, và phun phủ lớp phosphor tập trung xa giúp tối ưu hóa khả năng khuếch tán ánh sáng.
Hình 2 3 (a) Phân bố đồng đều, (b) Phân bố tập trung gần, (c) phân bố tập trung xa
Phương pháp phân bố tập đồng đều được giới thiệu bởi tập đoàn Nichia năm 1996 nhằm tối ưu hóa hiệu suất phát quang của đèn LED Các hạt phosphor được phân tán trong vật liệu đóng gói và phun phủ vào trong cốc phản xạ, tạo thành lớp đồng đều giúp cải thiện hiệu suất chuyển đổi ánh sáng Tuy nhiên, dưới tác động của trọng lực, lực Archimedes và lực ma sát, các hạt phosphor có xu hướng chìm xuống phía gần bề mặt chip LED và gây ra hiện tượng lắng phosphor Khi mật độ hạt phosphor lớn, hiện tượng tái hấp thụ photon sinh ra bởi các hạt phosphor khác xảy ra, làm giảm hiệu suất chuyển đổi huỳnh quang do quá trình hấp thụ và phát xạ không đạt 100% Do đó, cần thiết áp dụng các giải pháp công nghệ phù hợp để hạn chế tình trạng này, đảm bảo hiệu suất LED luôn tối ưu.
Một phương pháp phân bố gần tập trung giúp giảm chi phí sản xuất, vì quá trình này được thực hiện ở cấp độ phiến phosphor thay vì cấp độ đèn, làm cho giá thành thấp hơn Phương pháp này tạo ra vùng phát xạ nhỏ với công suất lớn, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu nguồn sáng dạng điểm như đèn pha ô tô, thường cần thêm hệ thống thấu kính để tập trung ánh sáng hiệu quả.
Một thách thức chính trong các phương pháp phân bố phosphor là sự tự tái hấp thụ huỳnh quang bởi chip bán dẫn, đặc biệt khi huỳnh quang phát xạ về phía mặt chip dễ bị hấp thụ bởi lớp điện cực kim loại trên bề mặt Đặc biệt, độ phản xạ của chip bán dẫn và điện cực kim loại thường thấp hơn 100%, giới hạn khả năng phát xạ và hiệu quả của hệ thống phát quang.
Một trong những điểm hạn chế của công nghệ phosphor có thể được giảm thiểu bằng phương pháp phân bố phosphor xa, nơi các hạt phosphor được đặt cách xa khỏi chip LED để giảm khả năng tái hấp thụ ánh sáng Khi khoảng cách giữa vật liệu phosphor và chip LED lớn hơn bề dày của chip, xác suất tái hấp thụ ánh sáng bởi chip LED sẽ giảm đáng kể, cải thiện hiệu suất phát sáng của hệ thống Phương pháp này đã được đề cập trong các nghiên cứu của Kim (2005), Luo (2005) và Narendran (2005) nhằm tối ưu hóa quá trình truyền tải ánh sáng và nâng cao tuổi thọ của LED.
Cher Ming Tan cùng các đồng nghiệp đã nghiên cứu về tác động của độ dày và nồng độ trên hiệu suất LED, trong khi Tsung-Hsun Yang và nhóm của ông tập trung vào các đặc tính quang phổ liên quan đến nồng độ Kang Du và cộng sự đã khảo sát ảnh hưởng của độ dày và nồng độ lớp phosphor theo phương pháp quang phổ, đặc biệt đối với các LED sử dụng phosphor dạng màng mỏng để tối ưu hóa hiệu suất phát sáng.
Hình 2 4 Cấu trúc của LED và sự thay đổi của quang phổ LED theo nồng độ, độ dày màng phosphor
Horatio Quinones và đồng sự [25] đã khảo sát với LED công suất cao, cho thấy ảnh hưởng của nồng độ phosphor tới quang phổ của LED
Hình 2 5 Cấu trúc LED và sự dịch chuyển tọa độ trên không gian màu của LED theo nồng độ phosphor
Hình dạng của lớp phủ đã được nghiên cứu bởi Huai Zheng và đồng sự, giúp hiểu rõ cấu trúc và đặc tính của lớp phủ Vị trí của lớp phủ đã được thảo luận bởi Sheng Liu và Xiaobing Luo, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xác định vị trí optimal để nâng cao hiệu quả Ngoài ra, Shu Weicheng và đồng sự đã khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đế đối với quá trình hình thành và tính chất của lớp phủ Min-Jae Song cùng các cộng sự cũng đã thực hiện nghiên cứu về tác động của các yếu tố nhiệt độ đến độ bền và khả năng chịu lực của lớp phủ, góp phần cải thiện công nghệ coating.
[29] đã khảo sát ảnh hưởng của chu trình sấy tới sự lắng của phosphor
Nghiên cứu về LED dùng kích thích ra hoa
Nhiều nghiên cứu đã tập trung vào chế tạo gói LED phosphor nhằm kích thích ra hoa cho các ứng dụng chiếu sáng, trong đó phần lớn sử dụng chip LED xanh lam cùng với lớp phủ hỗn hợp bột phosphor phát quang đỏ, đỏ xa Phổ phát ra của đèn LED bao gồm ánh sáng xanh lam của chip LED và ánh sáng phát xạ thứ cấp từ bột phosphor, tạo ra bước sóng đa dạng phù hợp cho mục đích kích thích sinh trưởng và ra hoa Ví dụ, sáng chế [29] đã sử dụng chip LED xanh lam với bước sóng đỉnh 440 nm để tối ưu hóa hiệu quả phát quang và kích thích sinh học.
The article discusses the use of red-emitting phosphor powders, such as those emitting at 630-720 nm, in LED technology A patented invention (US 2015/0357532 A1) utilizes blue LED chips combined with red-emitting phosphor powders to enhance red light emission Additionally, another innovation (WO 2010/053341 Al) introduces phosphor conversion light-emitting diodes that incorporate phosphor powders to achieve improved color conversion These advancements demonstrate the integration of specific phosphor materials to optimize the performance of LED lighting devices.
Các nghiên cứu về photomorphogenetic cần thiết cho cây trồng đã sử dụng chip LED UV gần, tím hoặc xanh lam cùng với các loại phốt pho để tạo ra các LED có tỷ lệ vùng phổ khác nhau như đỏ xa, xanh lam, và đỏ, nhằm thúc đẩy sự phát triển của cây Tuy nhiên, một số sáng chế này chưa xác định rõ bước sóng và tỷ lệ ánh sáng tím phù hợp để tối ưu hóa hiệu quả Một nghiên cứu khác đã khảo sát tỷ lệ pha trộn giữa các loại phosphor đỏ và đỏ xa trên chip LED xanh lam (450nm), tạo ra gói LED phát ra ánh sáng đỏ và đỏ xa với tỷ lệ tím/đỏ/đỏ xa là 0/1.4/1 nhằm nâng cao năng suất cây trồng Ngoài ra, một sáng chế sử dụng chip LED xanh lam (450-460 nm) phủ bột phosphor vàng (530-540 nm) và phosphor đỏ (630 nm) để chế tạo LED nông nghiệp, giúp thúc đẩy ra hoa và tăng năng suất cây trồng.
Hình 2 6 Các nghiên cứu về LED sử dụng chip LED xanh lam và phosphor đỏ, đỏ xa
Nghiên cứu dụng chip LED đỏ (630nm) và phosphor đỏ xa để chế tạo gói LED có tỷ lệ tím/đỏ/đỏ xa là 0/2.79/1 [32]
Hình 2 7 LED phát xạ dựa trên chip LED đỏ và phosphor đỏ xa
Các nghiên cứu trước đây chưa đề cập đến chip LED tím (410nm), điều này quan trọng để mở rộng khả năng ứng dụng của công nghệ LED Ngoài ra, vật liệu phosphor phát xạ đỉnh đỏ xa hiện đang được sử dụng có hiệu suất rất thấp, dẫn đến hiệu suất tổng thể của gói LED giảm rõ rệt Việc nâng cao hiệu suất của vật liệu phosphor là yếu tố then chốt để cải thiện hiệu quả chiếu sáng của các thiết bị LED hiện tại.
Chế tạo LED gồm chip phát quang 410 nm kết hợp với vật liệu huỳnh quang đỏ 660 nm, giúp phát ra ánh sáng tím, đỏ và đỏ xa với hiệu suất phát quang cao Công nghệ này tối ưu hóa khả năng phát sáng của LED, đáp ứng nhu cầu trong các ứng dụng chiếu sáng và hiển thị công nghệ cao Sản phẩm LED này có hiệu quả cao trong việc chuyển đổi năng lượng thành ánh sáng, nâng cao độ bền và chất lượng ánh sáng phát ra.
Phương pháp chế tạo LED
Quy trình đóng gói LED bao gồm các công đoạn:
Hình 2 8 Sơ đồ khối quy trình đóng gói LED
Quy trình đóng gói LED được xây dựng dựa trên nguyên tắc chung và tham khảo các tiêu chuẩn quốc tế để đảm bảo chất lượng Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành khảo sát các thông số quan trọng như quá trình khuấy trộn, định lượng, và phun phủ nhằm xác định quy trình tối ưu cho đóng gói LED chuyên dụng Việc lựa chọn và điều chỉnh các bước này giúp nâng cao độ chính xác và độ bền của sản phẩm LED sau khi đóng gói, phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật cao và tiêu chuẩn quốc tế.
Chíp LED đơn sắc được hàn vào tâm cốc phản xạ của khung lead-frame bằng hợp chất silicone, giúp đảm bảo kết nối chắc chắn và ổn định Sau quá trình sấy, hợp chất silicone đóng rắn, có tác dụng dẫn nhiệt hiệu quả từ chíp LED xuống lead-frame, giúp làm mát hệ thống và nâng cao tuổi thọ của đèn Đồng thời, hợp chất này còn giữ cho chíp LED ở vị trí chính xác, đảm bảo hiệu suất phát sáng tối ưu.
Dây dẫn micro được nối từ điện cực thứ hai của chíp LED với lead-frame
Hình 2 9 Chíp LED được hàn vào cốc và hàn dây để kết nối điện cực
Hình 2 10 Khung lead-frame chứa các LED đã hàn đế, hàn dây
Hình 2 11 Hệ hàn dây siêu âm nhiệt TPT HB16 cùng kính hiển vi Leica S6D
2.2.3 Công đoạn định lượng hỗn hợp phủ Để tạo ra được LED có quang phổ mong muốn, cần lựa chọn các loại vật liệu và định lượng thành phần lớp phủ
Lựa chọn bột phosphor phù hợp là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả chiếu sáng cho cây trồng Đối với cây ngày dài yêu cầu thúc đẩy ra hoa, LED cần có phổ tia cực tím, vùng đỏ và đỏ xa, cùng với tỷ lệ thông lượng bức xạ phù hợp để kích thích quá trình sinh trưởng và phát triển của cây Do đó, nghiên cứu này tập trung vào việc lựa chọn và sử dụng phosphor phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả của hệ thống chiếu sáng LED cho cây trồng.
Khi sử dụng chip LED tím, cần sử dụng bột phosphor phát xạ vùng đỏ để tạo ra ánh sáng phù hợp Các loại bột phosphor đỏ phù hợp bao gồm R625, R629 và R660, đều có thông số kỹ thuật phù hợp để tối ưu hóa hiệu suất và độ sáng của đèn LED Việc lựa chọn loại bột phosphor phù hợp giúp đảm bảo màu sắc ánh sáng đạt chuẩn, nâng cao chất lượng ánh sáng phát ra từ hệ thống LED của bạn.
Bảng 2 1 Thông số của các loại bột phosphor đỏ
Loại bột Kích thước D50 Bước sóng đỉnh Cường độ tương đối
Trong nghiên cứu này, tôi lựa chọn loại R660 để tiến hành các khảo sát tiếp theo
Hình 2 12 Bột phosphor đỏ được sử dụng
Lựa chọn chất đóng rắn:
Chất đóng rắn đóng vai trò quan trọng trong việc phân tán đều hạt phosphor trong hỗn hợp và tạo lớp che phủ bảo vệ bề mặt chip LED Trong các loại vật liệu hiện nay, chất đóng rắn silicon thường được sử dụng phổ biến nhờ tính năng giúp bảo vệ và nâng cao hiệu quả hoạt động của LED Silicon là loại polyme tổng hợp bao gồm các hợp chất siloxan, được cấu thành từ các đơn vị lặp lại gồm silic, oxy, cùng với cacbon và hydro, mang lại đặc điểm đặc trưng cho vật liệu này.
Hình 2 13 Cấu trúc mạch silicon
R là methyl, phenyl (các bon vòng thơm), 1,1,1-trifluoropropyl, ethyl [35]
Vật liệu silicon có các ưu điểm vượt trội như:
1 Có thể tùy chọn tính dẫn/ cách điện
2 Có khả năng dẫn nhiệt
3 Tính chất quang trong suốt, cho ánh sáng truyền qua
4 Tính bám dính, mềm dẻo và tính đàn hồi
5 Bền với cả nhiệt độ cao và thấp, sốc nhiệt, oxi hóa, độ ẩm, hóa chất, và bức xạ cực tím (UV), ổn định dưới điều kiện khắc nghiệt
6 Bền hơn nhiều vật liệu hữu cơ khác
7 Các tính chất lưu: dòng chảy, sự thấm ướt, bám dính và tính chất đóng rắn nhanh và đơn giản
Vật liệu silicon có khả năng hấp thụ ứng suất phát sinh và truyền nhiệt trong quá trình hoạt động của LED, giúp bảo vệ chip và các dây kết nối Nhờ đặc tính bền vững về nhiệt, silicon giữ được độ ổn định sau thời gian dài chịu nhiệt từ chip LED, đồng thời duy trì hiệu quả quang học của vật liệu.
Hình 2 14 Biến đổi của một số loại vật liệu dưới tác động nhiệt
Tính chất của silicon và một số vật liệu được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 2 2 So sánh tính chất của một số vật liệu [30]
Thuộc tính Silicone PC PMMA Thủy tinh Độ truyền quang 94% 88-90% 93% 95%
Kháng UV Tốt Kém Trung bình
Kháng hóa chất Tốt Trung bình
Nhiệt độ tối đa chịu được ( o C) >150 120 90 >200
Tính bám bụi Cao trung bình
Biến màu vàng* Ít Nhiều Nhiều Ít
Khả năng chế tạo các chi tiết nhỏ
Khả năng chế tạo các chi tiết lớn và dày
Tốt Kém Kém Tốt Độ dày tối thiểu**