CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU GẦN ĐÂY 1. Lịch sử về ánh sáng nhân tạo Ánh sáng nhân tạo đã trải qua một quá trình phát triển dài từ thời kỳ tiền lịch sử đến ngày nay. Từ xa xưa, người tiền sử đã biết sử dụng những ngọn đèn thô sơ để chiếu sáng hang động của mình. Những loại đèn đó được làm từ những vật liệu có sẵn trong tự nhiên như: đá, vỏ cây, sừng thú vật chứa mỡ và ngọn bấc.1: Lửa được sử dụng như là nguồn ánh sáng nhân tạo thời kì đầu của con người Năm 1809, Humphrey Davy lần đầu tiên biểu diễn đèn hồ quang carbon tại Viện Hoàng Gia Anh ở London.
Năm 1877, những ngọn đèn hồ quang được treo bên ngoài Nhà hát kịch Balê Pari, Pháp. Những ngọn đèn hồ quang này có hình dạng giống như những ngọn nến, cấu tạo bên trong có hai thanh carbon đồng trục phát sáng khi được tách nhau. Đèn hồ quang xuất hiện đúng vào thời điểm lịch sử khi mà điện được đưa vào cuộc sống thường ngày của con người. Đó là thời gian của các xe ngựa treo đèn hơi đốt và cuộc nội chiến ở Mỹ vừa mới trải qua được hơn mười năm.
Đối với nhiều người, đèn hồ quang là một thiết bị điện đầu tiên mà họ nhìn thấy. Tháng 1 năm 1879, tại phòng thi nghiệm của mình tại Menlo Park, New Jersey, Mỹ, Thomas Alva Edison – một trong những nhà phát minh nổi tiếng nhất của mọi thời đại - đã chế tạo bóng đèn điện sợi đốt đầu tiên sử dụng vật liệu 6 cacrbon. Năm 1880, ngày 17 tháng giêng, bằng phát minh số 223,898 được cấp cho Edison vì bóng điện này. Mặc dù đã hơn trăm năm qua chiếc bóng đèn này vẫn giống như những chiếc bóng đèn đang chiếu sáng các ngôi nhà hiện nay.
Edison đã phát minh ra đèn sợi đốt và mở ra một kỷ nguyên của công nghệ chiếu sáng đại trà dựa trên năng lượng điện.2: Edison phát minh ra bóng đèn sợi đốt Đèn phóng điện công suất cao (HID) cũng đã được sử dụng thay cho đèn sợi đốt từ những ngày đầu của thế kỷ 20. Chiếc đèn HID là đèn hơi thủy ngân của Peter Cooper Hewitt chế tạo năm 1901. Đó là một bóng dài khoảng 1.2 mét cho ánh sáng màu xanh – xanh lá cây, sản phẩm này chỉ năm trong phòng thí nghiệm. Mãi đến năm1934 các đèn hơi thủy ngân giống như những chiếc đèn ngày nay mới được đưa vào sử dụng hàng loạt.
Những nghiên cứu về đèn hơi Natri áp suất thấp bắt đầu từ những năm 1920. Những ứng dụng thương mại đầu tiên được dùng cho chiếu sáng các đại lộ nối vùng Beek và Geleen ở phía bắc của Netherlands ngày 1 tháng 7 năm 1932. Cũng trong năm này, đường Purley Way ở London cũng được chiếu sáng bằng loại đèn này. Đèn hơi Natri áp suất thấp dễ nhận biết bởi ánh sáng màu vàng hổ phách của mình.
7 Đèn huỳnh quang được trình diễn trước công chúng tại hội chợ quốc tế tại New York vào năm 1937. Loại đèn này được thương mại hóa khoảng năm 1938. Đèn huỳnh quang thuộc loại nguồn sáng phóng điện áp suất thấp, ánh sáng được phát ra bởi bột huỳnh quang sau khi chúng được kích thích bằng các tia cực tím phát ra bởi phóng điện của hơi thủy ngân. Bóng đèn sợi đốt vonfram thường bị đen với thời gian do vonfram bay hơi khỏi dây tóc và bám lên thành của bóng đèn.
Hơi halogen dùng để tự làm sạch theo nguyên lý: Khi các nguyên tử vonfram bay hơi khỏi dây tóc chúng sẽ kết hợp với các nguyên tử halogen và lắng đọng trở lại chính trên dây tóc. Đèn metal halide được phát triển vào khoảng năm 1960. Đèn metal halide thuộc loại đèn phóng điện trong môi trường hơi thủy ngân áp suất cao có pha thêm hơi của các nguyên tố halogen. Đèn hơi Natri áp suất cao được sử dụng rộng rãi ngay từ khi chúng ra đời vào năm 1966.
Đèn này cho độ rọi lớn hơn đèn thủy ngân, huỳnh quang hoặc sợi đốt và có màu tự nhiên hơn so với đèn Natri áp suất thấp. Sự ra đời của đèn LED đưa đến sự cáo chung của đèn bóng Edison. LED (Light Emitting Diode) được phát hiện vào những năm 1920, nhưng cho đến những năm 1960, các nhà nghiên cứu chỉ có thể tạo ra các LED phát sáng màu đỏ và màu xanh lá cây. Các đèn LED sớm chỉ phát ra ánh sáng yếu và không đủ sáng để có thể sử dụng trong các ứng dụng chiếu sáng chính thống.
Sự phát triển của WLED như một bước đột phá đến vào những năm 1990 khi các nhà khoa học đã phát triển được LED phát sáng màu trắng bằng cách kết hợp nhiều loại vật liệu khác nhau. Điều này đã mở ra cánh cửa cho việc sử dụng LED trong các ứng dụng chiếu sáng chính thống. Đèn LED có thể làm nhỏ, tiêu hao ít năng lượng, hiệu suất phát quang lớn và tuổi thọ dài. Đèn LED có hiệu suất 10 lần lớn hơn đèn bóng và có tuổi thọ kéo dài khoảng 100.000 giờ so với đèn bóng là 1000 giờ.
Hiện nay, đèn LED được áp dụng ở khắp mọi nơi, từ chiếc đèn pin, đèn nhấp nháy xe đạp, đèn ô tô đến những màn hình tivi khổng lồ treo ở các tòa nhà trong thành phố. Tổng quan về vật liệu huỳnh quang cho điốt phát quang ánh sáng trắng (WLED) Hình 1.3: Sơ lược lịch sử phát triển của nguồn sáng nhân tạo Trong lịch sử phát triển của các dụng cụ thắp sáng, sơ khai từ chiếc đèn dầu, phát triển đến đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang và đèn LED, hiệu suất của các dụng cụ thắp sáng ngày càng được cải thiện và nâng cao. Đứng trước cuộc khủng hoảng thiếu nguồn năng lượng hiện nay của thế giới thì việc tạo ra những bóng đèn hiệu suất năng lượng cao vừa là mục tiêu cũng là thách thức đối với các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước. Điốt phát quang là ứng cử viên tuyệt vời cho lĩnh vực chiếu sáng nói chung vì độ bền, hiệu quả sử dụng, độ tin cậy, khả năng sử dụng trong các sản phẩm với các kích cỡ khác nhau và thân thiện với môi trường [1].
Thiết bị chiếu sáng hiệu quả có thể được thực hiện bằng cách kết hợp một hoặc nhiều vật liệu huỳnh quang (phosphor) với các chip phát quang đơn sắc hoặc tử ngoại. Theo đó, hoạt động nghiên cứu chế tạo cũng như nghiên cứu tính chất của các vật liệu huỳnh quang để đưa chúng vào ứng dụng đã, đang và sẽ phát triển. Mặc dù rất nhiều vật liệu huỳnh quang đã được nghiên cứu trong vài năm qua nhưng phạm vi ứng dụng chúng cho LED còn rất giới hạn. Điốt phát quang và Điốt phát quang ánh sáng trắng WLED có nhiều kiểu cấu trúc khác nhau, nhưng phổ biến nhất là cấu trúc gồm hai phần chính: Một chip LED phát bức xạ tử ngoại hoặc bức xạ màu xanh lam và lớp vật liệu phát quang bao phủ chip LED.
Dưới tác dụng kích thích của bức xạ phát ra từ chip LED quá trình quang phát quang của vật liệu bao phủ xảy ra, sự phối trộn các bức xạ của chip LED và vật liệu phát quang sẽ thu được ánh sáng trắng. Loại cấu trúc này của WLED được đánh giá là 9 ưu việt, do ánh sáng thu được gần giống ánh sáng trắng mặt trời nhất và có độ chói cao, đáp ứng tốt yêu cầu của kỹ thuật chiếu sáng. Vì vậy, việc tìm kiếm các vật liệu phát quang để chế tạo WLED đang có tính thời sự và đã thu được việc nghiên cứu nhiều loại vật liệu phát quang dựa trên các loại vật liệu nền và chất kích hoạt khác nhau. Trong số đó, các loại vật liệu nền silicate pha tạp các nguyên tố đất hiếm (Rare Earth - RE) hoặc kim loại chuyển tiếp được quang tâm.
Khái niệm và đơn vị đo lường chỉ số hoàn màu 1. Khái niệm Chỉ số hoàn màu được ký hiệu là CRI (Color Rendering Index), cho biết mức độ tái tạo màu sắc chính xác của một nguồn sáng khi chiếu lên vật thể. Nói một cách đơn giản, chỉ số hoàn màu (CRI) đo khả năng của nguồn sáng trong việc tái tạo chính xác màu sắc của vật thể mà nó chiếu sáng. Chỉ số này không có đơn vị đo mà biểu thị giá trị bằng các con số từ 1 - 100, giá trị này càng cao thì nguồn sáng càng hiển thị màu sắc chân thực hơn và ngược lại [3].
Ánh sáng tự nhiên như ánh sáng mặt trời là sự kết hợp của tất cả các màu sắc của quang phổ khả kiến. Bản thân màu của ánh sáng mặt trời là một dải màu, nhưng màu sắc của một vật thể dưới ánh mặt trời được xác định bởi màu sắc mà nó phản xạ. Ví dụ, một quả táo màu đỏ có màu đỏ vì nó hấp thụ tất cả các màu của quang phổ ngoại trừ màu đỏ mà nó phản xạ. Khi sử dụng nguồn sáng nhân tạo như đèn LED, các nhà nghiên cứu đang cố gắng "tái tạo" màu sắc của ánh sáng ban ngày tự nhiên sao cho các vật thể trông giống như dưới ánh sáng ban ngày tự nhiên.
Đôi khi, màu sắc được tái tạo sẽ trông khá giống nhau, đôi khi lại khá khác [3].4: Ảnh minh họa về chỉ số hoàn màu với hai nguồn ánh sáng có chất lượng khác nhau, kết quả con người sẽ nhìn cùng một vật với hai màu sắc khác nhau Hình 1.4 minh họa về chỉ số hoàn trả màu với hai nguồn sáng có chất lượng khác nhau, kết quả con người sẽ nhìn cùng một vật với màu sắc khác nhau. Như có thể thấy trong ví dụ trên nguồn sáng nhân tạo (đèn LED có 5000K CCT) không tạo ra màu đỏ ở quả táo đỏ giống như ánh sáng ban ngày tự nhiên (cũng là 5000K CCT). Nhưng lưu ý rằng đèn LED và ánh sáng ban ngày tự nhiên có cùng màu 5000K. Điều này có nghĩa là màu sắc của ánh sáng giống nhau nhưng các vật thể vẫn trông khác nhau.
Làm sao chuyện này có thể? Nếu nhìn vào hình ảnh bên trên, bạn sẽ thấy đèn LED có thành phần quang phổ khác so với ánh sáng ban ngày tự nhiên, mặc dù nó có cùng màu trắng 5000K. Đặc biệt, đèn LED thiếu màu đỏ. Khi ánh sáng này bật ra khỏi quả táo đỏ thì không có ánh sáng đỏ nào phản chiếu. Kết quả là quả táo đỏ không còn có vẻ ngoài màu đỏ rực rỡ như dưới ánh sáng ban ngày tự nhiên.
CRI cố gắng mô tả hiện tượng này bằng cách đo độ chính xác chung của nhiều loại màu sắc của vật thể khi được chiếu sáng dưới nguồn sáng.