CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Q-LED 1. Sự phát triển của chiếu sáng Ánh sáng là một phần không thể tách rời cuộc sống hàng ngày của loài người. Thời sơ khai khi loài người biết sử dụng được ánh sáng nhờ lửa qua củi khô, sau đó họ làm ra nến, đến khi họ biết sử dụng dầu và lửa để chiếu sáng thì đây là đèn chiếu sáng sử dụng chính. Sau khi đốt đèn dầu một thời gian thì các nhà nghiên cứu cũng chế tạo ra loại đèn khí.
Những chiếc đèn điện đầu tiên của loài người xuất hiện từ đầu những năm 40 của thế kỷ 19. Ý tưởng chiếu sáng bằng điện ra đời trên cơ sở phát hiện ra hồ quang điện của Pê trốp (người Nga), và hiện tượng nung đỏ dây dẫn bằng dòng điện của Davy (người Anh), đều vào năm 1802. Những chiếc đèn điện đầu tiên được con người sử dụng trong thực tế là đèn hồ quang, ra đời vào 1844 và do Dzan Bernar Fucô (người Pháp) sáng chế. Trong đó ông đã dùng điện cực than quay thay cho điện cực than tĩnh, và nhờ đó kéo dài được thời gian duy trì của hồ quang đến mức có ý nghĩa thực tế.
Tuy nhiên đèn hồ quang lại có quang thông lớn, thời gian duy trì ánh sáng ngắn và dễ gây hỏa hoạn vì không gian hở. Sau này sự phát minh ra đèn sợi đốt của Edison đã mở ra trang sử mới của nhân loại. Kể từ đó, con người đã phát minh ra đèn huỳnh quang, đèn huỳnh quang compact, là những sản phẩm tuyệt vời trong lĩnh vực chiếu sáng, không chỉ có chất lượng tốt hơn mà còn tiết kiệm rất nhiều chi phí trong sản xuất. Nhưng không dừng lại ở đó, tiến theo cuộc cách mạng khoa học loài người, chúng ta lại đang chuyển mình trong cuộc cách mạng, chuyển hoàn toàn từ chiếu sáng phóng khí sang chiếu sáng rắn, gọi tắt là cuộc cách mạng chiếu sáng LED.
Hình 1 là hình ảnh mô tả lịch sử chiếu sáng. LED được coi là bước nhảy vọt lớn trong công nghệ, từ analog sang kỹ thuật số. LED là ánh sáng kỹ thuật số, và những ưu điểm so với ánh sáng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 'analog' thông thường rất lớn và mang lại lợi ích lớn cho cả người sử dụng "công nghệ ánh sáng số" này cũng như cho hành tinh. Thời gian sử dụng lâu dài là lợi ích nổi bật của đèn LED.
Bóng đèn LED có tuổi thọ hoạt động xuất sắc đôi khi lên tới 100. Lịch sử đèn chiếu sáng [11] LED là cách chiếu sáng hiệu quả nhất ngày nay, với hiệu suất năng lượng ước tính khoảng 80% -90% so với ánh sáng truyền thống và bóng đèn thông thường. Điều này có nghĩa là khoảng 80% năng lượng điện được chuyển đổi thành ánh sáng, trong khi đó chỉ 20% bị mất và biến thành các dạng năng lượng khác như nhiệt. Với bóng đèn sợi đốt truyền thống thì ngược lại, chỉ 20% năng lượng chuyển đổi thành ánh sang còn 80% điện bị mất đi dưới dạng nhiệt.
Đèn LED không có hóa chất độc hại trong khi hầu hết các bóng đèn huỳnh quang thông thường đều có chứa vô số các vật liệu như thủy ngân nguy hiểm cho môi trường. Các tính năng chiếu sáng bằng đèn LED không có phát xạ tia cực tím. Đèn LED chiếu sáng tạo ra ít ánh sáng hồng ngoại và không có tia UV. Do đó, ánh sáng LED cường độ cao phù hợp không chỉ cho hàng hoá và vật liệu nhạy cảm với nhiệt (do LED phát ra nhiệt ít bức xạ), mà còn để chiếu sáng trong môi trường có các vật hoặc vật liệu nhạy cảm UV như trong viện bảo tàng, phòng trưng bày nghệ thuật, các khu LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 khảo cổ…LED có thể hoạt động tốt trong môi trường ngoài trời, cực lạnh hoặc cực nóng.
Đối với đèn huỳnh quang, nhiệt độ thấp có thể ảnh hưởng đến hoạt động và gây ra hỏng hóc nhưng đèn LED thì ngược lại. LED được thiết kế để tập trung ánh sáng của nó và có thể được hướng đến một vị trí cụ thể mà không cần sử dụng một gương phản chiếu bên ngoài, đạt được hiệu quả ứng dụng cao hơn so với ánh sáng thông thường. Các hệ thống chiếu sáng LED được thiết kế tốt có thể mang lại hiệu quả hơn vào đúng vị trí mong muốn. Đèn LED tạo ra ánh sáng theo một cách riêng biệt so với các loại đèn khác, hiệu quả chiếu sáng lớn hơn rất nhiều so với đèn huỳnh quang compact và đèn sợi đốt.
Tuy vậy, đèn LED chiếu sáng lại tốn ít năng lượng hơn, không chứa các chất độc hại như chì, thủy ngân. Ngoài ra, LED còn dễ dàng tích hợp được công nghệ điện tử điều khiển có thể thỏa mãn mọi yêu cầu trong quản lý vận hành hệ thống chiếu sáng. Với những ưu điểm vượt trội như vậy LED đã được tạo ra và đi vào cuộc sống. Từ việc chiếu sáng trong gia đình đến những công ty, nhà máy, chiếu sáng đường đi lại, đèn giao thông rồi đến những thiết bị hiện đại như điện thoại, TV công nghệ mới, có thể nói LED đang góp phần thay đổi thế giới và đó sẽ là nguồn ánh sáng chính của tương lai.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là các diode có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n. Diode là loại linh kiện bán dẫn chỉ cho phép dòng điện chạy qua nó mà không theo chiều ngược lại. Cách tạo ra ánh sáng của LED là sự gặp nhau của các electron trong môi trường chất bán dẫn dựa trên nguyên lý điện phát quang.
Được biết tới những năm đầu của thế kỷ XX, công nghệ LED ngày càng phát triển, từ những điốt phát sáng đầu tiên với ánh sáng yếu và đơn sắc đến những nguồn phát sáng đa sắc, công suất lớn, cho hiệu quả chiếu sáng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. LED là một lớp chuyển tiếp p - n được chế tạo trên bán dẫn có vùng cấm thẳng với cấu trúc p - n tiếp giáp đơn hay dị thể. Khi phân cực thuận LED phát ra ánh sáng. Cấu trúc thực của LED được làm từ vật liệu bán dẫn loại n thường là GaAs hoặc GaAs1-xPx, sau đó pha tạp chất tạo một lớp p trên bán dẫn loại n này sẽ thu được một lớp chuyển tiếp dị chất.
LED hoạt động từ vùng tử ngoại gần đến vùng hồng ngoại gần. Trong vùng hồng ngoại gần, nhiều chất bán dẫn 2 thành phần được sử dụng để làm LED vì có hiệu suất cao do vùng cấm thẳng, ví dụ như GaAs (αg=0,87 μm), GaSb (1,7 μm), InP (0,92 μm), InAs (3,5 μm), InSb (7,3 μm). Các hợp chất 3 hay bốn thành phần có vùng cấm thẳng cũng được sử dụng rộng rãi. Mặc dù hiệu suất lượng tử của nó còn thấp, nhưng các vật liệu này có ưu điểm là có thể điều chỉnh được bước sóng bức xạ của chúng bằng cách thay đổi thành phần, ví dụ như AlxGa1-xAs phát quang trong dải sóng từ 0,75 đến 0,87μm và In1-xGaxAs1-yPy phát từ 1,1 đến 1,6 μm.
Để hoạt động trong vùng tử ngoại và khả kiến, một số vật liệu có vùng cấm nghiêng cũng được dùng như GaN, GaP, GaAs1-x. Những vật liệu này thường được pha tạp với một số nguyên tử tạp chất thích hợp, chúng đóng vai trò là những tâm tái hợp để làm tăng tái hợp bức xạ. Hoạt động của LED dựa trên công nghệ bán dẫn. Trong khối điốt bán dẫn, electron chuyển từ trạng thái có mức năng lượng cao xuống trạng thái có mức năng lượng thấp hơn và sự chênh lệch năng lượng này được phát xạ thành những dạng ánh sáng khác nhau.
Màu sắc của đèn LED phát ra phụ thuộc vào hợp chất bán dẫn và đặc trưng bước sóng của ánh sáng được phát ra. Nguyên lý hoạt động của LED được mô tả trên hình 2. Giống như những điốt thông thường, đèn LED bao gồm hai lớp bán dẫn loại p và loại n ghép với nhau. Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do, mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn loại n chứa các điện tử tự do thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n.
Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối n chuyển sang. Kết quả là LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống). Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).
Nguyên lý hoạt động của LED [9]. Ưu điểm của LED là kết cấu gọn nhẹ, bền, tiết kiệm năng lượng, linh hoạt, tính thẩm mỹ cao, sản phẩm đa dạng, phong phú và có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau: quảng cáo, trang trí, chiếu sáng nội thất, chiếu sáng nền thiết bị hiển thị. Tuy nhiên, vật liệu làm LED thường có chiết suất cao và LED thường không bền với thế phân cực ngược và nhiệt độ cao. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của OLED.
Oled là viết tắt của “Organic Light-Emitting Diode” tức là “Diode phát quang hữu cơ”. Công nghệ Oled sử dụng các tấm vật liệu làm từ hợp chất hữu cơ, và các điểm trên tấm nền này sẽ tự động phát sáng khi có dòng điện chạy qua, mang lại khả năng tái tạo hình ảnh rõ nét với độ sáng cao. Tuy nhiên, những điểm này sẽ tự động tắt khi không cần sử dụng nên công nghệ này giúp tiết kiệm điện năng rất đáng kể. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 Vật liệu phát quang hữu cơ được bắt đầu nghiên cứu vào thập kỷ 70 khi các nhà nghiên cứu tìm ra độ dẫn của các hệ vật liệu polymer có thể thay đổi từ chất điện môi thành “kim loại” bằng cách pha tạp hoá học.
Polymer dẫn điện đầu tiên - polyacetylen - được chế tạo bởi Shirakawa. Bước đột phá trong nghiên cứu về polymer, khi các khám phá tiếp theo do Heeger và MacDiarmid chỉ ra rằng polymer tăng độ dẫn lên gấp 12 lần bằng cách pha tạp oxy hóa. Kết quả này đã khiến các nhà khoa học trên cả thế giới quan tâm đến các vật liệu này.