CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về LED LED (Light Emitting Diode) có nghĩa là đi-ốt phát quang, là các đi-ốt có khả năng phát ra ánh sáng hoặc tia tử ngoại, hồng ngoại. Công nghệ chiếu sáng LED (chiếu sáng bằng đi-ốt phát quang), đặc biệt là đèn LED công suất cao hiện đại đã phát triển rất nhanh trong thập kỷ qua và có tác động đáng kể đến sự phát triển công nghệ trên toàn thế giới [1]. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ LED, các vật liệu mới, chuỗi giá trị công nghiệp, phương pháp sản xuất và quy trình tối ưu hóa đã được thiết lập để cải thiện hiệu quả năng lượng, ánh sáng và chất lượng màu sắc cũng như giảm lượng vật liệu, môi trường và nguồn nhân lực được sử dụng cho các ứng dụng chiếu sáng, và do đó, góp phần vào nỗ lực tiết kiệm năng lượng trên toàn thế giới hiện nay [1].
Do vậy, đèn LED đã và đang dần thay thế các loại đèn truyền thống bởi các ưu điểm như tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ cao, độ bền cơ học, ít tổn hao nhiệt, không gây nguy hại do không phát sinh tia cực tím và không có chất độc thủy ngân [2]. Đèn LED thường được sử dụng trong các thiết bị điện tử và ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong các ứng dụng năng lượng cao như đèn pin và chiếu sáng khu vực. Đèn LED cũng có thể được sử dụng như một nguồn sáng thông thường trong gia đình. Bên cạnh chiếu sáng, các ứng dụng thú vị bao gồm khử trùng nước và khử trùng thiết bị, đồ thủy tinh và dụng cụ phẫu thuật cũng được áp dụng [2].
Chip LED có cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép tiếp xúc với một khối bán dẫn loại n qua lớp tiếp xúc công nghệ. Thông thường, khối bán dẫn loại n trong cấu trúc của chip LED được pha tạp mạnh dạng n và khối bán dẫn loại p thường + mỏng [3]. Nguyên lý hoạt động của chip LED [3]. Nguyên lý hoạt động của chip LED giống với nhiều loại đi-ốt bán dẫn.
Khi một điện áp thuận được đặt vào khối bán dẫn tạo thành lớp tiếp giáp p-n, khối bán dẫn loại n chứa nhiều điện tử tự do mang điện tích âm nên khi ghép với khối bán dẫn p (chứa các lỗ trống tự do) thì các điện tử này có xu hướng chuyển động khuyếch tán sang khối p và ngược lại. Ở biên giới hai bên mặt lớp tiếp giáp p-n, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp lại với nhau. Khi điều này xảy ra, năng lượng được giải phóng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó) [4]. Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra khác nhau (tức màu sắc của chip LED sẽ khác nhau).
Mức năng lượng (và màu sắc của chip LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn [2]. Ngày nay, với việc các công nghệ làm LED phát triển nhanh chóng để tăng hiệu suất quang, cấu tạo của một gói LED (hay LED) hoàn chỉnh thông thường bao gồm chip LED và các bộ phận hỗ trợ chung cho chip LED hoạt động, cụ thể: 5 ̶ Chip LED (LED die): trung tâm của LED, đây là thành phần phát ra ánh sáng chính cho LED. ̶ Chất kết dính: hỗn hợp keo cố định chip LED trên khung kim loại. ̶ Lead-frame (khung LED kim loại dập): đóng vai trò tản nhiệt, dẫn điện cho LED; thường được làm từ các lớp kim loại mỏng để dễ dàng cho việc dẫn nhiệt và cấu tạo từ các kim loại dẫn điện tốt.
̶ Cốc phản xạ (reflector): thành phần đóng vai trò phản xạ ánh sáng, để đưa ánh sáng LED ra bên ngoài. ̶ Dây dẫn Au/Al: có vai trò kết nối nguồn cho chip LED, thường là dây vàng. ̶ Hỗn hợp phủ: bao gồm silicone hoặc có thể thêm phosphor là lớp trên của LED, cũng có thể để định hình bề mặt và bảo vệ LED. Cấu tạo của LED.
Với cấu tạo chung như vậy, LED có thể được chia làm hai loại chính: ̶ LED đơn sắc: là các LED cấu tạo từ chip LED, cốc phản xạ và có lớp silicone bên trên thường có độ truyền qua là 99% để tăng hiệu suất phát quang cho LED. ̶ LED trắng: là các LED cấu tạo từ chip LED, sau đó cho hỗn hợp silicone cùng phosphor lên trên bề mặt, ánh sáng phát ra là của cả chip LED và vật liệu phosphor kết hợp. LED đơn sắc LED đơn sắc được tạo ra bằng cách cho dòng điện phân cực thuận đi qua lớp bán dẫn p-n. Bằng cách lựa chọn các vật liệu bán dẫn khác nhau, LED đơn sắc có thể được tạo ra để phát ra ánh sáng trong dải bước sóng hẹp từ cận hồng ngoại đến phổ khả kiến và đến phạm vi tia cực tím.
Để tùy biến màu sắc của ánh sáng phát ra từ LED đơn sắc, người ta sử dụng các lớp bọc bảo vệ khác nhau. Lớp bọc này cũng có thể ảnh hưởng đến màu sắc của ánh sáng phát ra từ LED đơn sắc. Ngày nay, các vật liệu đóng rắn trong suốt có độ truyền qua gần như đạt tuyệt đối được sử dụng để đóng rắn bảo vệ LED đơn sắc. Phân vùng bước sóng ánh sáng đơn sắc.
LED trắng Hiện nay, có ba loại LED ánh sáng trắng chính, mỗi loại có đặc tính và ứng dụng riêng: ̶ Đầu tiên, LED trắng ấm tạo ra ánh sáng ấm áp, giống với ánh sáng của bóng đèn halogen truyền thống, với nhiệt độ màu khoảng 2700 – 3500 K. Loại này thường được sử dụng trong các không gian sinh hoạt như phòng khách và phòng ngủ để tạo ra không gian ấm cúng và thân thiện. 7 ̶ Thứ hai, LED trắng trung tính tạo ra ánh sáng trung tính với nhiệt độ màu khoảng 3500 – 4500 K, tương tự với ánh sáng ban ngày. Chúng thích hợp cho các không gian làm việc như văn phòng hoặc nhà hàng nơi cần ánh sáng tự nhiên và sáng rõ.
̶ Cuối cùng, LED trắng lạnh tạo ra ánh sáng mát mẻ với nhiệt độ màu khoảng 4500 – 6500 K, tạo ra một không gian sáng rực và tươi mới. Loại này thường được sử dụng trong các môi trường như bếp, phòng tắm hoặc các khu vực làm việc nơi cần ánh sáng sáng và năng động. Ba loại LED trắng này cung cấp lựa chọn đa dạng cho các ứng dụng chiếu sáng khác nhau, từ không gian thư giãn đến môi trường làm việc sáng rõ và chuyên nghiệp. Ba loại LED trắng phổ biến hiện nay.
Hiện nay, có hai phương pháp chế tạo LED trắng cường độ cao được sử dụng phổ biến trong công nghệ LED: ̶ Phương pháp đầu tiên là sử dụng các chip LED đơn sắc phát ra ba màu cơ bản – đỏ, xanh lục và xanh lam, sau đó trộn tất cả các màu lại với nhau để 8 tạo ra ánh sáng trắng [5]. Do đó sản phẩm được gọi là LED trắng nhiều màu (đôi khi còn gọi là LED RGB) và phương pháp thực hiện được gọi là phương pháp trộn màu. Do cơ chế của nó liên quan đến thiết kế quang điện phức tạp để kiểm soát sự pha trộn và khuếch tán của các màu khác nhau nên phương pháp này hiếm khi được sử dụng để sản xuất hàng loạt LED trắng trong ngành công nghệ LED. Tuy nhiên, phương pháp này đặc biệt được nhiều nhà nghiên cứu và nhà khoa học quan tâm vì tính linh hoạt trong việc trộn các màu khác nhau.
Về nguyên tắc, cơ chế này cũng có hiệu suất lượng tử cao hơn trong việc tạo ra ánh sáng trắng [2]. Tuy nhiên, ánh sáng trắng được tạo ra không đạt được độ sáng cao và không thể tạo ra màu trắng thuần khiết. ̶ Phương pháp thứ hai liên quan đến việc phủ LED đơn sắc bằng bột phosphor để chuyển đổi ánh sáng đơn sắc màu xanh lam hoặc tia cực tím (UV) thành ánh sáng trắng phổ rộng. Tùy thuộc vào màu sắc của LED ban đầu, bột phosphor có màu sắc khác nhau cũng có thể được sử dụng.
Bằng cách áp dụng một số bột phosphor có màu riêng biệt, có thể tăng giá trị chỉ số hoàn màu (Color rendering index – CRI) của một đèn LED nhất định một cách hiệu quả. Bởi vì phương pháp này sử dụng nhiều bột phosphor nên LED thu được được gọi là LED trắng dựa trên chuyển đổi phosphor và phương pháp thực hiện được gọi là phương pháp chuyển đổi phổ. Khi LED đơn sắc phát ra ánh sáng màu xanh lam hoặc UV, bột phosphor sẽ hấp thụ ánh sáng này và phát ra ánh sáng trắng phổ rộng. Phương pháp này cho phép tạo ra ánh sáng trắng có độ sáng cao và màu trắng thuần khiết, nhưng nó cũng có một số hạn chế.
Ví dụ, mặc dù dễ sản xuất hơn LED trắng nhiều màu nhưng LED trắng dựa trên chuyển đổi phosphor có hiệu suất lượng tử thấp hơn. Tuy nhiên, đây vẫn là kỹ thuật phổ biến nhất để sản xuất LED trắng cường độ cao cũng như LED cường độ cao có màu khác vì nó yêu cầu xử lý vật liệu dễ dàng hơn nhiều và do đó phù hợp với các ứng dụng ngày nay. Nhiều nỗ lực đã được thực hiện nhằm tối ưu hóa môi trường hoạt động, cụ thể là nhiệt độ và dòng điện, dành cho loại LED này [2]. 9 Cả hai phương pháp này đều có những ưu điểm và hạn chế riêng.
Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, các nhà sản xuất đang tìm cách kết hợp hai phương pháp này để tạo ra LED trắng có độ sáng cao và phổ ánh sáng đồng nhất. LED RGB Khi các chip LED đơn sắc kết hợp lại với nhau, chúng có thể tạo ra một loại ánh sáng trắng với độ sáng và màu sắc tùy chỉnh. Giải thích cho điều này là do tất cả các màu trong quang phổ khả kiến có thể được tạo ra bằng cách trộn ba màu cơ bản với số lượng khác nhau và điều này cũng giúp tạo ra khả năng kiểm soát màu động chính xác [2]. Khi LED trắng này được sử dụng để chiếu lên các vật thể khác, sự hoàn trả màu sắc kém và có thể được đánh giá bằng chỉ số CRI thấp.
Điều này có nguy cơ gây hại cho võng mạc của con người vì độ rộng quang phổ của các LED đơn sắc khá nhỏ. Ngoài ra, công suất phát xạ của loại LED trắng này giảm theo cấp số nhân khi tăng nhiệt độ [6], dẫn đến sự thay đổi đáng kể về độ ổn định màu sắc. Vấn đề như vậy không được chấp nhận trong ứng dụng công nghiệp. Kết hợp chip LED đỏ, xanh lục và xanh lam để được LED trắng.