MỞ ĐẦU. Lý do chọn đề tài. Một số nghiên cứu tiêu biểu liên quan đến nội dung nghiên cứu của đề tài. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu. TỔNG QUAN VỀ LED. Các tham số quang của LED.
Ƣu nhƣợc điểm. Ứng dụng của LED. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LED. Quy trình đóng gói LED.
Quy trình phun phủ hỗn hợp phosphor/silicone. Các nghiên cứu trƣớc về phun phủ phosphor/silicone. Mục đích nghiên cứu. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.
PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO. Quy trình trộn. Quy trình phun phủ. Quy trình sấy.
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM. THAM SỐ VẬT LIỆU ĐẦU VÀO. Chip blue LED. KHẢO SÁT CÁC THAM SỐ CÔNG NGHỆ.
Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ (tỷ lệ phosphor/silicone). Khảo sát ảnh hƣởng của độ dày (thể tích) lớp phosphor+silicone. 39 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO. 40 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) e DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Stt Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt 1 LED Light Emitting Diode Điốt phát quang 2 Kpa Kilopaxcan Đơn vị áp suất 3 lm/W Lumen/Watt Hiệu suất quang 4 UV Ultraviolet Tia cực tím 5 CCT Correlated Color Nhiệt độ tƣơng quan Temperature màu 6 CIE Commission Internationale Hệ tọa độ màu de l'Eclairage 7 IES LM80 Phƣơng pháp đo duy trì quang thông của các nguồn sáng LED 8 CRI Color Rendering Index Độ hoàn màu 9 B/R Blue/Red Xanh/đỏ e DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: So sánh tuổi thọ của LED và đèn truyền thống .1: Tham số quang của các mẫu bột huỳnh quang .2: Tham số quang của LED với nồng độ phosphor khác nhau .3: Tham số quang của LED với thể tích hỗn hợp phosphor/silicone khác nhau.
38 e DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cấu tạo của LED .2 Nguyên lý làm việc của LED .3: Cấu tạo LED trắng .4: Ba phƣơng pháp để chế tạo ánh sáng trắng từ đèn LED (a) chip LED đỏ + chip LED lục + chip LED xanh. (b) chip UV LED + bột huỳnh qunag RGB. (c) chip LED xanh + bột huỳnh quang vàng .5: Hoạt động của LED trắng .6: Quang phổ điển hình của LED trắng .7: Ví dụ về nhiệt độ màu tƣơng quan của LED .8: Đƣờng cong màu đen (Planckian) xác định phạm vi nhiệt độ màu, từ ấm (hơi đỏ) lạnh (hơi xanh), trong hệ tọa độ màu CIE 1931 .9: So sánh hiệu suất phát quang của LED với đèn truyền thống .10: Sản xuất cây rau diếp bằng ánh sáng LED nhanh gấp 2.5 so với ánh sáng tự nhiên .11: Các vùng bƣớc sóng ánh sáng phù hợp với phát triển của cây trồn .12: Quy trình công nghệ chế tạo LED .13: Hỗn hợp phosphor và silicone (đồng đều và không đồng đều) .14: Phun phủ hỗn hợp phosphor/silicone .15: Hỗn hợp phosphor/silicone sau khi sấy (phosphor không bị lắng đọng và bị lắng đọng) .1: Silicone và chất đóng rắn .2: Cân phân tích.3: Máy trộn chân không và cơ chế hoạt động .4: Hỗn hợp phosphor và silicone .5: Blue LED và khung 20×12 blue LED .6: Thiết bị phun phủ và bảng điều khiển .7: Phun phủ hỗn hợp phosphor/silicone lên chip blue LED.8: Thiết bị làm sạch siêu âm .9: Thiết bị và giản đồ sấy .10: LED sau khi sấy .11: Hệ cầu tích phân Gamma Scientific .1: Quang phổ, tọa độ màu và hệ số hoàn màu của blue LED .2: Hệ số truyền qua qua silicone [datasheet] .3: Phổ kích thích của bột phosphor .4: Quang phổ và tọa độ màu của các mẫu bột huỳnh quang .5: Hiệu suất chuyển đổi của các mẫu bột huỳnh quang .6: Quang phổ và tọa độ màu của LED với các nồng độ phosphor khác nhau .7: Quang phổ của LED với các nồng độ khác nhau .8: Mẫu và quang phổ LED với các thể tích khác nhau .9: Quang phổ của LED với thể tích khác nhau. Lý do chọn đề tài Năng lƣợng và môi trƣờng đang đƣợc xem là vấn đề cốt yếu trong tiến trình phát triển xã hội ở thế kỉ XXI này.
Hiện nay, nhu cầu năng lƣợng chiếu sáng của nƣớc ta rất lớn. Trong số nguồn sáng hiệu suất cao phải kể đến LED. Thắp sáng bằng đèn LED là một trong những biện pháp để tăng cƣờng hiệu quả chiếu sáng. LED là từ viết tắt của Light Emitting Diode (có nghĩa là điốt phát quang).
Nó là một loại thiết bị bán dẫn thƣờng đƣợc sử dụng trong đèn báo và bảng hiển thị. LED có khả năng biến năng lƣợng điện thành năng lƣợng ánh sáng trực tiếp với hiệu suất cao và tuổi thọ của nó có thể đạt tới hàng chục nghìn giờ đến một trăm nghìn giờ. So với bóng đèn truyền thống, đèn LED cũng mang những ƣu điểm đáng tin cậy và tiết kiệm năng lƣợng,. Ngày nay, LED đã đƣợc sản xuất và thƣơng mại rộng rãi, tuy nhiên, các nghiên cứu về chế tạo LED vẫn diễn ra sôi nổi.
Trên thế giới, ngƣời ta quan tâm nghiên cứu các quy trình mới, vật liệu mới để nâng hiệu suất cũng nhƣ độ tin cậy của LED. Tại Việt Nam, Nhóm của PGS. Đặng Mậu Chiến [1] đã nghiên cứu thử nghiệm đóng gói LED công suất thấp, một số nhóm quang điện tử [Nhóm của PGS. Phạm Thành Huy, TS.
Dƣơng Thanh Tùng, .] đã nghiên cứu chế tạo đƣợc nhiều loại bột huỳnh quang [2, 3, 4]. Tuy nhiên, các nghiên cứu đóng gói cho LED công suất cao và sử dụng bột huỳnh quang trong nƣớc vẫn còn bỏ ngỏ. Trong nghiên cứu này, tôi tiến hành thử nghiệm đóng gói LED sử dụng bột huỳnh quang trong nƣớc. Trên cơ sở đó tôi chọn đề tài “Nghiên cứu quy trình công nghệ phủ bột huỳnh quang chế tạo trong nƣớc lên chip LED”.
Tôi hi vọng kết quả đạt e 2 đƣợc của luận văn sẽ đóng góp một phần vào việc chế tạo ra các LED có thể ứng dụng trong chiếu sáng dân dụng hoặc chiếu sáng chuyên dụng. Một số nghiên cứu tiêu biểu liên quan đến nội dung nghiên cứu của đề tài Phosphor đóng một vai trò rất quan trọng trong các LED chuyển đổi phosphor thành hiệu quả phát sáng. Hầu hết các yếu tố quan trọng không chỉ bao gồm hình dạng hình học, kích thƣớc hạt, độ dày và vị trí, mà còn nồng độ của phosphor trong silicone. Nhƣ đã biết, nồng độ phosphor gây ra một số tác dụng rõ rệt về hiệu suất của LED trắng [5-7].
Trong số đó, ảnh hƣởng của vị trí phosphor và hình dạng phosphor đã đƣợc thảo luận rộng rãi trong những năm gần đây, chẳng hạn nhƣ các loại đóng gói của lớp phủ conformal [8], phun phủ, và remote-phosphor [9, 10]. Những báo cáo cho thấy các đóng gói remote-phosphor có đầu ra nhiều ánh sáng hơn và hiệu quả cao hơn so với các loại đóng gói khác. Vì thực tế, lƣợng ánh sáng của LED trắng phụ thuộc vào độ dày và nồng độ của cả phosphor. Ngoài ra, kích thƣớc hạt của phosphor là một yếu tố quan trọng khác [11].
Trƣớc đây, Narendran et al. [9] và Yamada et al. [12] đã nghiên cứu các tính chất kích thích của photphor dƣới các nồng độ khác nhau. Sau đó, vai trò của độ dày đóng vai trò kích thích phosphor đã đƣợc đƣa vào xem xét bởi Trần et al [13] và Liu et al [14].
Họ phát hiện ra rằng, các trƣờng hợp nồng độ thấp hơn và độ dày phosphor lớn có hiệu quả chiếu sáng cao hơn. Mục đ ch và nhiệm vụ nghiên cứu - Mục đích: Xác định các tham số công nghệ của quy trình đóng gói LED, cụ thể là quy trình phun phủ hỗn hợp phosphor/silicone (phosphor chế tạo trong nƣớc) lên bề mặt chip blue LED - Nhiệm vụ: e 3 i) Khảo sát các tham số trong quy trình trộn ii) Khảo sát các tham số trong quy trình phun phủ iii) Khảo sát các tham số trong quy trình sấy 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu: bột huỳnh quang chế tạo trong nƣớc và linh kiện LED. - Phạm vi nghiên cứu: Quang điện tử, linh kiện điện tử 5.
Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp chế tạo: phun phủ hỗn hợp phosphor/silicone lên trên chip blue LED (quy trình trộn, quy trình phun phủ và quy trình sấy). Phƣơng pháp khảo sát tính chất quang: đo các tham số quang của LED (quang phổ, quang thông, nhiệt độ màu, .) để xác định tính chất quang của LED. TỔNG QUAN VỀ LED 1. LED LED ra đời từ những năm 60 của thế kỷ trƣớc, đƣợc ứng dụng để hiển thị thời gian của đồng hồ báo thức hay dung lƣợng pin của máy ghi hình thông qua ánh sáng đỏ, xanh lá cây, vàng mà chƣa có màu trắng.
Năm 1993, công ty Hóa chất Nichia của Nhật Bản đã nghiên cứu hoàn chỉnh công nghệ chế tạo loại LED cho ánh sáng trắng. Kết quả nghiên cứu nói trên đã mở ra cơ hội mới để ứng dụng đèn LED vào cuộc sống. LED trong giai đoạn phát triển bùng nổ trong phòng thí nghiệm và công nghiệp tạo nên cuộc cách mạng trong kỹ thuật chiếu sáng, làm thay đổi hẳn bộ mặt kỹ thuật chiếu sáng. LED dựa trên công nghệ bán dẫn.
Hiện tại LED cho ánh sáng trắng có tuổi thọ tới 50 000 giờ sử dụng, gấp 50 lần so với bóng đèn 60W thông thƣờng. LED sẽ thay thế dần đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang bởi những ƣu điểm nhƣ tiết kiệm năng lƣợng tiêu thụ từ 70 đến 80% so với loại đèn thông thƣờng; tuổi thọ cao (nếu dùng LED mƣời giờ mỗi ngày thì 23 năm sau mới phải thay bóng); kích cỡ nhỏ; nhiệt năng sinh ra trong quá trình hoạt động không đáng kể; hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ thấp; sử dụng dòng điện một chiều với hiệu điện thế nhỏ; không gây ô nhiễm môi trƣờng vì không sinh ra tia cực tím, không có thủy ngân. Cấu tạo LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là một đi-ốt có khả năng phát quang khi cấp cho một dòng điện thuận. LED tạo bởi bán dẫn p tiếp xúc với bán dẫn n, tạo thành lớp chuyển tiếp p-n.
Khi đặt một điện áp thuận lên lớp chuyển tiếp p-n, điện tử sẽ tái hợp với lỗ e 5 trống giải phóng ra năng lƣợng dƣới dạng quang năng, các bƣớc sóng phát ra có màu khác nhau tùy thuộc vào bề rộng vùng cấm của chất bán dẫn.1 Cấu tạo của LED [15] Hình 1.2 Nguyên lý làm việc của LED [16] 1. Nguyên lý hoạt động của LED đơn sắc: Phần chủ yếu của chip LED là tinh thể bán dẫn InGaN tạo nên lớp chuyển tiếp p-n, đƣợc đóng gói với chân nối và thấu kính nhƣ hình 1.