Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng chiếu sáng ngày càng tăng cao, đèn LED (Light Emitting Diode) đã trở thành giải pháp chiếu sáng hiệu quả với tuổi thọ lên đến 50.000 giờ, tiết kiệm năng lượng từ 70-80% so với đèn truyền thống. Tuy nhiên, việc nâng cao hiệu suất và chất lượng ánh sáng của LED vẫn là thách thức lớn, đặc biệt trong công nghệ phủ bột huỳnh quang chế tạo trong nước lên chip LED. Luận văn tập trung nghiên cứu quy trình công nghệ phun phủ hỗn hợp phosphor/silicone lên chip blue LED nhằm chế tạo LED có quang phổ xanh đỏ phù hợp cho chiếu sáng nông nghiệp và dân dụng.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định các tham số công nghệ trong quy trình trộn, phun phủ và sấy hỗn hợp phosphor/silicone, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của nồng độ phosphor và thể tích lớp phủ đến hiệu suất phát quang và quang phổ của LED. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vật liệu bột huỳnh quang chế tạo trong nước và linh kiện LED công suất cao, thực hiện trong môi trường phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Quy Nhơn và Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ LED nội địa, góp phần nâng cao hiệu quả chiếu sáng, tiết kiệm năng lượng và thúc đẩy ứng dụng LED trong chiếu sáng chuyên dụng, đặc biệt là chiếu sáng nông nghiệp với quang phổ điều chỉnh phù hợp cho sự phát triển cây trồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Lý thuyết phát quang của LED: Mô tả quá trình tái hợp điện tử - lỗ trống trong lớp bán dẫn p-n tạo ra photon ánh sáng với bước sóng xác định, phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của vật liệu bán dẫn InGaN.
  • Mô hình chuyển đổi phosphor: Phosphor hấp thụ ánh sáng xanh từ chip LED và phát xạ ánh sáng đỏ hoặc vàng, tạo thành ánh sáng trắng khi kết hợp với ánh sáng xanh chưa bị hấp thụ. Các tham số như nồng độ, độ dày, kích thước hạt và phân bố phosphor ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển đổi và quang phổ phát ra.
  • Khái niệm hiệu suất quang (lm/W): Tỷ lệ quang thông đầu ra trên công suất điện đầu vào, là chỉ số quan trọng đánh giá hiệu quả chiếu sáng của LED.
  • Nhiệt độ màu tương quan (CCT): Đo bằng độ Kelvin, biểu thị màu sắc ánh sáng phát ra, ảnh hưởng đến cảm nhận thị giác và ứng dụng chiếu sáng.
  • Mô hình phun phủ và sấy lớp phosphor/silicone: Quy trình công nghệ gồm trộn đồng đều hỗn hợp phosphor và silicone, phun phủ lên chip LED và sấy để tạo lớp phủ ổn định, không bị lắng đọng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng bột huỳnh quang đỏ K2SiF6:Mn4+ chế tạo trong nước, chip blue LED có bước sóng đỉnh 450 nm, và hỗn hợp silicone OE-7662 của Dow Corning với độ truyền qua ánh sáng xanh trên 95%.
  • Phương pháp chế tạo: Trộn hỗn hợp phosphor/silicone/chất đóng rắn theo tỷ lệ xác định, sử dụng máy trộn chân không với áp suất 0 Kpa, tốc độ quay 1000 vòng/phút trong 180 giây để đảm bảo phân tán đồng đều. Hỗn hợp sau đó được phun phủ tự động lên chip blue LED với nhiệt độ đế 80°C, tốc độ phủ khoảng 140 LED/phút. Lớp phủ được sấy theo giản đồ 1 bước, tăng nhiệt từ môi trường lên 150°C trong 5 phút, giữ nhiệt 55 phút.
  • Phương pháp khảo sát: Đo các tham số quang của LED (quang phổ, quang thông, nhiệt độ màu, tọa độ màu) bằng hệ cầu tích phân Gamma Scientific, cấp dòng điện 120 mA, nhiệt độ ổn định 25°C. Cỡ mẫu gồm nhiều mẫu LED với các nồng độ phosphor từ 5% đến 53% và thể tích lớp phủ từ 1.5 µL đến 2.3 µL.
  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong năm 2019, bao gồm các giai đoạn chuẩn bị vật liệu, chế tạo hỗn hợp, phun phủ, sấy và đo đạc tính chất quang học.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất chuyển đổi phosphor: Mẫu bột huỳnh quang A5 có hiệu suất chuyển đổi cao nhất đạt 67.1%, vượt trội so với các mẫu khác (ví dụ A1 chỉ đạt 18.5%). Điều này cho thấy chất lượng bột phosphor chế tạo trong nước đủ điều kiện ứng dụng trong LED công suất cao.

  2. Ảnh hưởng của nồng độ phosphor: Khi tăng nồng độ phosphor từ 5% đến 53%, cường độ phổ đỏ tăng rõ rệt, trong khi cường độ phổ xanh giảm. Tỷ lệ phổ xanh/đỏ giảm từ khoảng 9 xuống gần 1, cho phép điều chỉnh quang phổ phát ra phù hợp với mục đích chiếu sáng. Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi giảm nhẹ và dần bão hòa khi nồng độ vượt 40%.

  3. Ảnh hưởng của thể tích lớp phủ: Khi thể tích hỗn hợp phosphor/silicone tăng từ 1.5 µL đến 2.3 µL, cường độ phổ đỏ tăng nhẹ, phổ xanh giảm nhẹ, nhưng hiệu suất chuyển đổi thay đổi không đáng kể (khoảng 65-67%). Điều này cho thấy thể tích lớp phủ ít ảnh hưởng đến hiệu suất phát quang so với nồng độ phosphor.

  4. Tính ổn định lớp phủ: Quy trình phun phủ và sấy đảm bảo lớp phosphor/silicone đồng đều, không bị lắng đọng, giúp duy trì chất lượng ánh sáng và tuổi thọ LED.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc lựa chọn bột huỳnh quang có hiệu suất cao là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu quả phát sáng của LED. Nồng độ phosphor là tham số công nghệ quan trọng nhất ảnh hưởng đến quang phổ và hiệu suất chuyển đổi, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ảnh hưởng của nồng độ và độ dày phosphor đến hiệu suất LED trắng. Thể tích lớp phủ có ảnh hưởng nhỏ hơn, cho phép linh hoạt trong thiết kế quy trình sản xuất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ quang phổ so sánh các mẫu LED với nồng độ phosphor khác nhau, biểu đồ hiệu suất chuyển đổi theo nồng độ và thể tích lớp phủ, cũng như bảng tổng hợp các tham số quang học chính. So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với xu hướng sử dụng phosphor không đất hiếm và quy trình phun phủ tự động để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của LED.

Nghiên cứu mở ra hướng phát triển LED chuyên dụng cho chiếu sáng nông nghiệp với phổ xanh đỏ điều chỉnh, góp phần tăng năng suất cây trồng và tiết kiệm năng lượng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa nồng độ phosphor: Khuyến nghị điều chỉnh nồng độ phosphor trong khoảng 40-50% để cân bằng giữa cường độ phổ đỏ và hiệu suất chuyển đổi, nhằm đạt hiệu quả chiếu sáng tối ưu trong ứng dụng nông nghiệp và dân dụng. Thời gian thực hiện: 6 tháng, chủ thể: phòng thí nghiệm vật liệu LED.

  2. Kiểm soát kích thước hạt phosphor: Đề xuất nghiên cứu và kiểm soát kích thước hạt phosphor để tăng hiệu suất phát quang và giảm hiện tượng lắng đọng trong lớp phủ. Thời gian: 1 năm, chủ thể: nhóm nghiên cứu vật lý chất rắn.

  3. Phát triển quy trình phun phủ tự động: Nâng cấp hệ thống phun phủ để đảm bảo đồng đều lớp phủ, giảm bọt khí và tăng năng suất sản xuất LED. Thời gian: 9 tháng, chủ thể: bộ phận công nghệ sản xuất.

  4. Nghiên cứu phối hợp phổ ánh sáng: Kết hợp bột phosphor phát xạ vùng 500-600 nm để bổ sung ánh sáng xanh lục, tạo phổ ánh sáng phù hợp với từng loại cây trồng và giai đoạn sinh trưởng, nâng cao hiệu quả sinh học. Thời gian: 1-2 năm, chủ thể: liên ngành vật lý và nông nghiệp.

  5. Thử nghiệm sinh học trên cây trồng: Thực hiện các thử nghiệm thực tế để xác định tỷ lệ phổ xanh/đỏ tối ưu cho từng loại cây, từ đó điều chỉnh tham số công nghệ phù hợp. Thời gian: 1 năm, chủ thể: viện nghiên cứu nông nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và kỹ sư vật liệu LED: Có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các loại bột huỳnh quang nội địa, tối ưu quy trình phun phủ và nâng cao hiệu suất LED công suất cao.

  2. Doanh nghiệp sản xuất LED và thiết bị chiếu sáng: Áp dụng quy trình công nghệ phủ phosphor/silicone để sản xuất LED chất lượng cao, tiết kiệm chi phí nhập khẩu vật liệu ngoại và nâng cao năng lực cạnh tranh.

  3. Chuyên gia nông nghiệp công nghệ cao: Sử dụng LED có phổ ánh sáng điều chỉnh để cải thiện năng suất và chất lượng cây trồng trong nhà kính và mô hình trồng rau sạch.

  4. Sinh viên và giảng viên ngành Vật lý chất rắn, Quang học và Kỹ thuật điện tử: Tham khảo luận văn để hiểu rõ quy trình chế tạo LED, các tham số ảnh hưởng đến hiệu suất và ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phun phủ phosphor/silicone có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
    Phun phủ giúp phân bố phosphor đồng đều, giảm bọt khí và lắng đọng, tạo lớp phủ ổn định, nâng cao hiệu suất phát quang và độ bền của LED. Ví dụ, quy trình tự động phun phủ đạt tốc độ ~140 LED/phút với chất lượng đồng đều.

  2. Nồng độ phosphor ảnh hưởng thế nào đến quang phổ LED?
    Tăng nồng độ phosphor làm tăng cường độ phổ đỏ, giảm phổ xanh, giúp điều chỉnh nhiệt độ màu và màu sắc ánh sáng phù hợp với ứng dụng. Tuy nhiên, nồng độ quá cao có thể làm giảm hiệu suất chuyển đổi do hiện tượng bão hòa.

  3. Tại sao cần sấy lớp phủ sau khi phun?
    Sấy giúp loại bỏ dung môi, làm đông đặc lớp phủ phosphor/silicone, ngăn ngừa lắng đọng và tăng độ bền cơ học, đảm bảo tính ổn định quang học của LED trong quá trình sử dụng.

  4. Hiệu suất chuyển đổi phosphor là gì và tại sao quan trọng?
    Hiệu suất chuyển đổi là tỷ lệ ánh sáng phát ra vùng đỏ so với ánh sáng xanh kích thích, phản ánh khả năng chuyển đổi năng lượng của phosphor. Hiệu suất cao giúp LED phát sáng hiệu quả, tiết kiệm điện năng.

  5. Có thể ứng dụng LED phủ phosphor trong nông nghiệp như thế nào?
    LED với phổ xanh đỏ điều chỉnh phù hợp giúp kích thích quang hợp và sinh trưởng cây trồng, tăng năng suất và chất lượng. Ví dụ, chiếu sáng rau diếp bằng LED tăng tốc độ sinh trưởng gấp 2.5 lần so với ánh sáng tự nhiên.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc chế tạo LED nông nghiệp sử dụng bột huỳnh quang chế tạo trong nước với hiệu suất chuyển đổi cao (đạt 67.1%).
  • Nồng độ phosphor là yếu tố quyết định ảnh hưởng mạnh đến cường độ phổ đỏ và quang phổ tổng thể của LED.
  • Thể tích lớp phủ phosphor/silicone ít ảnh hưởng đến hiệu suất phát quang, cho phép linh hoạt trong thiết kế quy trình.
  • Quy trình phun phủ và sấy đảm bảo lớp phủ đồng đều, không bị lắng đọng, nâng cao độ bền và chất lượng LED.
  • Hướng phát triển tiếp theo là tối ưu kích thước hạt phosphor, phối hợp phổ ánh sáng và thử nghiệm sinh học trên cây trồng để ứng dụng hiệu quả trong chiếu sáng nông nghiệp.

Khuyến nghị: Các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp nên tiếp tục phát triển quy trình công nghệ phủ phosphor, đồng thời phối hợp với ngành nông nghiệp để ứng dụng LED hiệu quả, góp phần phát triển bền vững công nghệ chiếu sáng trong nước.