Chương 1: TỔNG QUAN 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. 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) 17 mà hiệu suất phát sáng của đèn LED vẫn không đổi là mục tiêu cấp thiết cho ứng dụng đèn LED. 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.tw/), Đài Loan.2 (a) là đèn LED đa chíp bên trên phủ lớp silicone dạng phẳng, và được phủ lớp silicone dạng vòm như Hình 1. 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 1.3 (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. (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. Các nghiên cứu liên quan 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.4 mô tả hình chụp lớp phốt pho có chứa CaCO3 và không có CaCO3.
Hình chụp mô tả hỗn hợp không có CaCO3 (a) và có CaCO3 (b) Hình 1. Phân bố nhiệt độ màu tương quan trong trường hợp không có CaCO3 và có CaCO3 20 Rõ 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.
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. 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+.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.
Quá trình thêm hạt nâng cao tán xạ TiO2 vào lớp silicon (a) và trong lớp phốt pho (b) Hình 1. 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.
Kết quả thực nghiệm phân bố màu trong cách trường hợp sử dụng hạt TiO2 Hình 1. Sự suy giảm chênh lệch nhiệt độ màu và hiệu suất phát sáng trong trường hợp sử dụng TiO2 Dễ dàng nhận thấy khi thêm TiO2 trong lớp phốt pho hoặc lớp silicon lens, phân bố màu thay đổi đáng kể, đỉnh màu từ 5000 K giảm xuống 4600 K. Kết quả Hình 1.5 cho thấy chênh lệch màu giảm từ 500 K xuống khoảng 50 K, giảm hơn 10 lần. Điều này đồng nghĩa với việc đồng dạng màu tốt hơn gấp mười lần khi có TiO2.
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 23 màu, 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.
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% TiO2, sự sụt giảm hiệu suất sáng không đáng kể.