Luận án Tiến sĩ Vật liệu quang học, Quang điện tử và quang tử: Nghiên cứu phát triển các tổ hợp vật liệu phát quang micro-nano và linh kiện quang biên dạng tự do ứng dụng trong chiếu sáng rắn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:157

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu nhằm 2 mục tiêu: Nghiên cứu nâng cao tính năng sử dụng và chất lƣợng sản phẩm chiếu sáng rắn trên cơ sở LED; phát triển thế hệ đèn LED mới hiệu suất cao, phân bố đồng đều, loại bỏ ô nhiễm ánh sáng thay thế cho các loại đèn LED hiện hành.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật liệu quang học, Quang điện tử và quang tử: Nghiên cứu phát triển các tổ hợp vật liệu phát quang micro-nano và linh kiện quang biên dạng tự do ứng dụng trong chiếu sáng rắn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- DƢƠNG THỊ GIANG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC TỔ HỢP VẬT LIỆU PHÁT QUANG MICRO-NANO VÀ LINH KIỆN QUANG BIÊN DẠNG TỰ DO ỨNG DỤNG TRONG CHIẾU SÁNG RẮN LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGHÀNH: VẬT LIỆU QUANG HỌC, QUANG ĐIỆN TỬ VÀ QUANG TỬ HÀ NỘI, 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- DƢƠNG THỊ GIANG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC TỔ HỢP VẬT LIỆU PHÁT QUANG MICRO-NANO VÀ LINH KIỆN QUANG BIÊN DẠNG TỰ DO ỨNG DỤNG TRONG CHIẾU SÁNG RẮN Chuyên ngành: Vật liệu quang học, quang điện tử và quang tử Mã sỗ: 944 01 27 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Trần Quốc Tiến 2. PGS.TS. Phạm Hồng Dƣơng HÀ NỘI, 2020
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i LỜI CÁM ƠN ..................................................................................................................ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT................................................. iii DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................... v DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................... vi MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ............................................. 6 1.1. Chiếu sáng rắn và nguồn sáng LED ................................................................... 6 1.1.1. Nguyên lý hoạt động của LED .................................................................... 6 1.1.2. Vật liệu phosphor ....................................................................................... 10 1.1.3. Gói LED trắng (WLED) ............................................................................ 12 1.1.4. Bộ đèn LED (LED Luminaire) .................................................................. 14 1.1.5. Các đặc trƣng của nguồn sáng LED. ......................................................... 20 1.2. Linh kiện quang học biên dạng tự do FO (Freeform Optics) ........................... 26 1.2.1. Khái niệm về quang học biên dạng tự do FO ............................................ 26 1.2.2. Thiết kế, chế tạo và đo lƣờng linh kiện FO ............................................... 28 1.2.3. Ứng dụng của linh kiện FO ....................................................................... 33 1.3. Chiếu sáng ........................................................................................................ 38 1.3.1. Ô nhiễm ánh sáng ...................................................................................... 39 1.3.2. Chiếu sáng lấy con ngƣời làm trung tâm (HCL) ....................................... 40 1.3.3. Những vấn đề cần giải quyết ..................................................................... 43 CHƢƠNG II. PHƢƠNG PHÁP, KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG ............ 45 2.1. Tính toán, thiết kế và mô phỏng sử dụng các phần mềm trợ giúp ...................... 45 2.1.1. Phần mềm tính toán trợ giúp (Excel, Origin) ................................................ 45 2.1.2. Thiết kế mẫu sử dụng phần mềm trợ giúp Solidworks ................................. 46 2.1.3. Mô phỏng quang học sử dụng phần mềm chuyên dụng Optgeo, Tracepro .. 47 2.2. Kỹ thuật, công nghệ sử dụng ............................................................................... 49 2.2.1. Chế tạo nguyên mẫu linh kiện FO ................................................................. 49
2.2.2. Chế tạo linh kiện FO bằng công nghệ ép phun nhựa nhiệt dẻo .................... 51 2.2.3. Công nghệ đùn ép nhôm (Al Extrution Technology) .................................... 56 2.3. Phƣơng pháp đo đạc đánh giá .............................................................................. 58 2.3.1. Phƣơng pháp và thiết bị đo đặc trƣng vật liệu, linh kiện .............................. 58 2.3.2. Các thiết bị đo đặc trƣng đèn LED. ............................................................... 60 2.4. Xây dựng mô hình chiếu sáng. ............................................................................ 62 Mô phỏng môi trƣờng chiếu sáng sử dụng phần mềm Dialux Evo. ....................... 62 CHƢƠNG III. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐÈN LED TRẮNG CẤU HÌNH REMOTE- PHOSPHOR ................................................................................................................... 66 3.1. Thiết kế, chế tạo bộ đèn LED trắng cấu hình Remote-phosphor ..................... 67 3.1.1. Thiết kế đèn LED trắng cấu hình RP ......................................................... 67 3.1.2. Thiết kế, chế tạo tấm dẫn sáng RP ............................................................. 69 3.1.3. Chế tạo đèn LED trắng cấu hình RP .......................................................... 70 3.2. Đo đạc, khảo sát các thông số quang học của bộ đèn LED trắng cấu hình RP 71 CHƢƠNG IV. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO LINH KIỆN QUANG BIÊN DẠNG TỰ DO ..................................................................................... 76 4.1. Thiết kế, mô phỏng linh kiện quang biên dạng tự do .......................................... 76 4.1.1. Thiết kế thấu kính FO.................................................................................... 76 4.1.2. Xây dựng mô hình mô phỏng ........................................................................ 77 4.1.3. Mô phỏng độ rọi trên trần nhà ....................................................................... 78 4.1.4. Mô phỏng độ rọi dƣới sàn nhà ...................................................................... 79 4.1.5. Tối ƣu hoá đa đặc trƣng................................................................................. 80 4.2. Tính toán lý thuyết đƣa ra tiêu chí thiết kế thấu kính FO .................................... 82 4.2.1. Mô hình và phân tích lý thuyết...................................................................... 82 4.2.2. Cách tiếp cận thay thế cho hệ thống chiếu sáng đồng đều ............................ 86 4.3. Chế tạo linh kiện quang biên dạng tự do ............................................................. 92 4.3.1 Thấu kính biên dạng bất đối xứng AL ........................................................... 92 4.3.2 Thấu kính góc chiếu hẹp (NAL narrow angle lens) ..................................... 100 4.3.3. Thấu kính FO cho đèn dụ cá ....................................................................... 102 CHƢƠNG V. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC BỘ ĐÈN SKYLED TÍCH HỢP THẤU KÍNH FO VÀ XÂY DỰNG MỘT SỐ MÔ HÌNH THỰC TẾ .................................... 105
5.1. Bộ đèn LED tích hợp thấu kính biên dạng bất đối xứng ................................... 106 5.1.1. Bộ đèn SkyLED tích hợp thấu kính AL gắn tƣờng chiếu trần .................... 106 5.1.2. Bộ đèn SkyLED tích hợp thấu kính AL thả trần chiếu sáng gián tiếp ........ 110 5.1.3. Bộ đèn SkyLED tích hợp thấu kính AL và NAL thả trần chiếu 3 phía ...... 114 5.1.4. Bộ đèn LED tích hợp thấu kính AL chiếu bảng .......................................... 117 5.1.5. Bộ đèn LED tích hợp thấu kính AL chiếu sáng dụ cá................................. 119 5.2. Chiếu sáng Dƣỡng sinh 5S (5S Human Centric Lighting). ............................... 122 Xác định các thông số đặc trƣng của môi trƣờng ánh sáng .................................. 123 5.3. Xây dựng một số mô hình chiếu sáng thực tế ................................................... 125 5.3.1. Chiếu sáng phòng họp, phòng học .............................................................. 125 5.3.2. Chiếu sáng căn hộ, nhà ở............................................................................. 126 5.3.3. Chiếu sáng cửa hàng, phòng khám bệnh ..................................................... 128 5.3.4. Chiếu sáng nghệ thuật, tâm linh .................................................................. 128 5.3.5. Bàn học tích hợp hộp sáng chống cận thị.................................................... 130 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 133 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ.................................................................... 136 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................ 137
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ công trình dƣới đây là của riêng tôi. Các số liệu và kết quả nêu trong luận án đều trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả
ii LỜI CÁM ƠN Trƣớc tiên, cho phép tôi đƣợc gửi lời cám ơn đặc biệt tới hai giáo viên hƣớng dẫn khoa học của tôi là PGS.TS. Phạm Hồng Dƣơng và PGS.TS. Trần Quốc Tiến. Hai Thầy đã luôn tận tình chỉ bảo, truyền dạy kiến thức, dẫn dắt, động viên tôi vƣợt qua những khó khăn, trở ngại để hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng tác giả trong các công trình công bố liên quan đến nội dung của luận án đã cho phép tôi đƣợc sử dụng một số kết quả phục vụ cho luận án. Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến Ban Lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ, Ban Lãnh đạo Viện Khoa học vật liệu, các Giáo viên trong Học viện đã luôn động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành tốt luận án. Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến các đồng nghiệp của tôi ở phòng Cooperman, phòng Laser bán dẫn, những ngƣời đã luôn ủng hộ và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Trung tâm R&D Chiếu sáng, Công ty CP Bóng đèn Phích nƣớc Rạng Đông đã giúp đỡ tôi trong việc chế tạo và khảo sát một số tính năng của các bộ đèn SkyLED, đèn LED chiếu bảng, đèn LED dụ cá. Tôi xin chân thành cảm ơn đề tài ĐTĐLCN.30/18 đã hỗ trợ cho tôi thực hiện luận án này. Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến các Thầy giáo, Cô giáo, các Nhà khoa học, các bạn bè, đồng nghiệp công tác trong và ngoài Viện Khoa học vật liệu đã luôn quan tâm, động viên, chỉ dẫn tôi trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới những ngƣời thân yêu trong gia đình, gia đình đã cho tôi động lực và là chỗ dựa vững chắc để tôi có thể tập trung sức lực hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày tháng năm 2020
iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT AFM Atomic force microscopy – Kính hiển vi lực nguyên tử AL Asymmetric Lens – Thấu kính bất đối xứng ALED Asymmetric LED – LED bất đối xứng BLED Blue LED – LED xanh lam CCT Color correlated temperature – Nhiệt độ màu tƣơng quan CRI Color Rendering Index – Hệ số hoàn trả màu COB Chip On Boad CM Contact Measurement – Đo tiếp xúc CMM Coordinate Measurering Machine – Thiết bị đo tọa độ CGH Computer Generated Hologram DB LED Deep Blue LED DoF Depth of Field – Độ sâu trƣờng nhìn ENCM Remote Non-Contact Measurement – Đo từ xa, không tiếp xúc F Flux – Quang thông FO Freeform Optics – Quang học biên dạng tự do FAL LED Fishing Asymmetric Lens LED GPHI Giải pháp hữu ích HCL Human Centric Lighting IF Image Forming – Tạo ảnh LED Light Emitting Diode – Đi ốt phát quang LED RP LED remote-phosphor LE Luminous Efficacy – hiệu suất quang LD Laser Diode LP Luminous Power – công suất quang MO-CVD Metal Organic Chemical Vapor Deposition – Lắng đọng hóa học cơ kim MM Machining Mechanism – Cơ chế gia công chế tạo MT Moulding Technology – Công nghệ ép khuôn MH Metal Halide NAL Narrow Angle Lens – Thấu kính góc chiếu hẹp NIF Non Image Forming – Không tạo ảnh OLED Organic LED – LED hữu cơ Pc-WLED Phosphor conversion WLED PPM Point-to-point mapping – Lập bản đồ điểm-tới-điểm PF Power factor – hệ số công suất QD Quantum dot – Chấm lƣợng tử RP Remote Phosphor – Phosphor đặt xa SSL Solid State Lighting – Chiếu sáng rắn SMT Surface Mounted Technology – Công nghệ dán mặt SMS Simultaneous Multiple Surface – Phƣơng pháp đa diện đồng thời STM Scanning tunneling microscopy – Kính hiển vị quét xuyên hầm
iv SHTT Sở hữu trí tuệ SC Sáng chế SDCM Standard Deviation Color Matching – Độ lệch màu chuẩn Ts Nhiệt độ tại điểm hàn Tj Nhiệt độ ở vùng tiếp giáp p-n WLED White LED – LED trắng
v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. 1. Nhiệt độ màu tương quan của một số nguồn sáng .................................................. 23 Bảng 2. 1. Bảng so sánh một số thuộc tính vật liệu chế tạo linh kiện FO 52 Bảng 3. 1. CCT và CRI của đèn LED mới theo tỉ lệ trộn bột phosphor và keo EPI. 73 Bảng 5. 1. Kết quả đo thông số quang – điện cho bộ đèn SkyLED gắn tường chiếu trần 109 Bảng 5. 2. Kết quả đo thông số quang – điện cho bộ đèn SkyLED thả trần .......................... 113 Bảng 5. 3. Thông số điện – quang của bộ đèn LED dụ cá ..................................................... 121
vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1. 1. Sơ đồ năng lượng trong không gian của chuyển tiếp p-n với bán dẫn đồng chất khi không có điện áp [3] ................................................................................................................... 8 Hình 1. 2. Sơ đồ năng lượng trong không gian của chuyển tiếp p-n với bán dẫn đồng chất khi đặt điện áp thuận [3] .................................................................................................................. 8 Hình 1. 3. Sơ đồ năng lượng trong không gian chuyển tiếp p-n với bán dẫn dị chất khi đặt điện áp thuận [3] ................................................................................................................................ 8 Hình 1. 4. Đặc trưng I-V của gói LED Samsung LM 301B [4] .................................................. 9 Hình 1. 5. Sự phụ thuộc của cường độ sáng vào dòng thuận của gói LED Samsung LM 301B [4] ............................................................................................................................................... 9 Hình 1. 6. Vật liệu phosphor dùng trong chế tạo LED trắng ................................................... 10 Hình 1.7. Phổ phát xạ, phổ kích thích của phosphor YAG: Ce, BLED và YLED [8]............... 10 Hình 1. 8. Gói LED trắng sử dụng chấm lượng tử bán dẫn [48] ............................................. 12 Hình 1. 9. Cấu trúc WLED với các cách phủ phosphor khác nhau [10] ................................. 13 Hình 1. 10. Mô đun WLED COB thương mại ........................................................................... 14 Hình 1. 11 Mô đun WLED SMT hàn trên mạch in nhôm.......................................................... 14 Hình 1. 12. Mô đun tản nhiệt nhôm cho bộ đèn WLED công suất trung bình ......................... 16 Hình 1. 13. Mô đun tản nhiệt sử dụng heat pipe cho bộ đèn WLED công suất cao ................. 16 Hình 1. 14. Sơ đồ vị trí đo nhiệt độ bóng đèn WLED A60 công suất 7W. ................................ 17 Hình 1. 15. Sơ đồ tính toán nhiệt trở sử dụng cho bóng đèn WLED A60 công suất 7W. ......... 17 Hình 1. 16. Sơ đồ khối của nguồn switching điều khiển đèn LED. .......................................... 18 Hình 1. 17. Phổ độ nhạy của mắt V(λ) – ban ngày; V’(λ) – ban đêm....................................... 20 Hình 1. 18. Đường phân bố cường độ sáng của đèn Downlight trong toạ độ cực và toạ độ 3D .................................................................................................................................................. 22 Hình 1. 19. Giản đồ màu CIE x-y 1931 .................................................................................... 22 Hình 1. 20. Bảng 8 màu chuẩn Munsell sử dụng để đánh giá hệ số trả màu CRI. .................. 24 Hình 1. 21. Màu của điểm G có thể được coi là màu trộn giữa nguồn sáng C với bước sóng 506nm........................................................................................................................................ 24 Hình 1. 22.Linh kiện FO a) phi cầu đối xứng quay có mặt cắt ngoài trục; b) FO đối xứng quay phi tiêu chuẩn; c) FO biên dạng phù hợp với hình dạng hệ thống ........................................... 27 Hình 1. 23. Sơ đồ giao thoa kế Fizeau [32]. ............................................................................ 32 Hình 1. 24. CMM với đầu đo hội tụ [35] .................................................................................. 33 Hình 1. 25. Phân bố cường độ theo góc và hình ảnh của gói LED Samsung LM301B [4] ..... 34 Hình 1. 26. Phân bố góc của gói LED Nichia NSPPW345CS với mặt cắt XX (ϕ=0o) và XY (ϕ=90o)[36]............................................................................................................................... 35 Hình 1. 27. Hệ thống thấu kính chiếu sáng LED gồm thấu kính chuẩn trực và FO vi thấu kính [37] ........................................................................................................................................... 36 Hình 1. 28. Thấu kính FO thủy tinh dùng cho đèn LED chiếu sáng đường giao thông .......... 36 Hình 1. 29. Một số loại linh kiện FO dạng thanh đã thương mại hóa ..................................... 36 Hình 1. 30. Mô phỏng chùm sáng qua thấu kính FO [99] ...................................................... 37 Hình 1. 31. Phân bố cường độ sáng của đèn Fraqtir S301 [99] .............................................. 37
vii Hình 1. 32. Ánh sáng ô nhiễm đến mức độc hại sử dụng đèn bulk trụ. .................................... 40 Hình 1. 33. Chiếu sáng mất tiện nghi do tương phản quá lớn giữa bộ đèn và tường, trần gỗ màu đen ..................................................................................................................................... 40 Hình 1. 34. Màu ánh sáng tự nhiên thay đổi theo thời gian ..................................................... 41 Hình 1. 35. Cường độ ánh sáng thay đổi theo thời gian .......................................................... 41 Hình 1. 36. Bầu trời ban ngày có góc khối chiếu sáng rộng (~2π sr) ...................................... 42 Hình 1. 37. Phòng làm việc chiếu sáng mô phỏng bầu trời tự nhiên ....................................... 42 Hình 2. 1. Kết quả mô phỏng phổ truyền qua của nguồn sáng chuẩn CIE D65 các lớp lá non. ……………………………………………………………………………………………..46 Hình 2. 2. So sánh phổ độ nhạy mắt người V(λ) với phổ truyền qua của nguồn chuẩn D65 qua ba lớp lá non ............................................................................................................................. 46 Hình 2. 3. Hình vẽ Part 3D thấu kính FO1 cho đèn chiếu bảng. ............................................. 47 Hình 2. 4. Hình vẽ Assemly 3D đèn chiếu bảng gồm 04 chi tiết: thấu kính, máng, LED và mạch in. ..................................................................................................................................... 47 Hình 2. 5. Mô phỏng các tia sáng truyền qua thấu kính FO (không vẽ tia phản xạ). .............. 48 Hình 2. 6. Biên dạng 3D của thấu kính AL thiết kế bằng phần mềm Solidworks ..................... 49 Hình 2. 7. Đường phân bố cường độ sáng trên mặt phẳng vuông góc trong toạ độ cực. ........ 49 Hình 2. 8. Hình vẽ Solidworks thấu kính bất đối xứng cho đèn chiếu sáng dụ cá. .................. 50 Hình 2. 9. Ảnh chụp nguyên mẫu thấu kính sau khi mài bóng (trái) và phủ màng bóng. ........ 50 Hình 2. 10. Cấu trúc khuôn 2 tấm: Tấm 1 là tấm cố định, tấm 2 là di động ............................ 53 Hình 2. 11. Hình vẽ cấu trúc máy ép phun nhựa cơ bản .......................................................... 54 Hình 2. 12. Quy trình ép phun nhựa ......................................................................................... 54 Hình 2. 13. Thiết bị đùn ép nhôm định hình. ............................................................................ 58 Hình 2. 14. Bố trí mẫu trên hệ đo quang HQ sử dụng phổ kế Acton Research SP-2300i và đầu thu Princeton Instrument làm lạnh. .......................................................................................... 59 Hình 2. 15. Kính hiển vi điện tử quét FE-SEM tại PTN trọng điểm. ........................................ 59 Hình 2. 16. Hình ảnh bên trong quả cầu tích phân .................................................................. 60 Hình 2. 17. Hệ đo quả cầu tích phân nối quang kế phổ kế và các thiết bị phụ trợ của Viện Khoa học Vật liệu ..................................................................................................................... 60 Hình 2. 18. Sơ đồ cấu tạo của Goniophotometer ..................................................................... 62 Hình 2. 19. Biểu đồ cường độ sáng của đèn SkyLED chiếu trần trên 2 mặt phẳng ................. 63 Hình 2. 20. Biểu đồ cường độ sáng của đèn SkyLED chiếu trần trong mô phỏng 3D. ............ 63 Hình 3. 1. Sơ đồ thiết kế đèn RP phẳng. ……………………………………………………67 Hình 3. 2. Phổ kích thích huỳnh quang của NYAG 4355 ghi tại bước sóng 570 nm. ............... 68 Hình 3. 3. Phổ phát xạ huỳnh quang của NYAG 4355 kích thích bằng vạch 442 nm. ............. 68 Hình 3. 4. Ma trận các chấm chiết – phát sáng ....................................................................... 69 Hình 3. 5. Đèn LED remote – phosphor ................................................................................... 71 Hình 3. 6. Ảnh chụp huỳnh quang (a) và truyền qua (b) của một chấm phát sáng .................. 72 Hình 3. 7. Phổ phát xạ của đèn LED trắng RP chế tạo theo tỉ lệ pha trộn phosphor:EPI là 1:1 .................................................................................................................................................. 72 Hình 3. 8. Sự phụ thuộc nhiệt độ màu CCT vào khối lượng phosphor trộn trong hỗn hợp. .... 73
viii Hình 3. 9. Hình vẽ phối cảnh đèn LED RP với tấm dẫn sáng gồm bộ huỳnh quang vàng (4) và bột huỳnh quang đỏ (5) ............................................................................................................. 75 Hình 4. 1. Thiết kế biên dạng thấu kính bất đối xứng với độ cong thay đổi……………………76 Hình 4. 2 (a) Phân bố cường độ sáng của gói LED; (b) tia sáng từ LED qua thấu kính; (c) tia sáng chiếu lên trần và (d) các tia phản xạ trên trần và sàn. .................................................... 77 Hình 4. 3. Phân bố ánh sáng trên trần với bố trí (a) ở khoảng cách 0,4 m với các trường hợp (b) không thấu kính; (c) B1; (d) B2; (e) B3 và (f) B4. .............................................................. 78 Hình 4. 4. Phân bố ánh sáng dưới sàn với bố trí (a) ở khoảng cách 0,4 m với các trường hợp (b) không thấu kính; (c) B1; (d) B2; (e) B3 và (f) B4. .............................................................. 79 Hình 4. 5. Phân bố ánh sáng dưới sàn sử dụng thấu kính B4 ở khoảng cách (a) 0,2 m; (b) 0,3 m; (c) 0,4 m; (d) 0,5m. .............................................................................................................. 80 Hình 4. 6. Phân bố ánh sáng dưới sàn sử dụng thấu kính B4 ở khoảng cách 0,4 m với các góc chiếu (b) 45O; (c) 50O; (d) 55O (e) 60O. .................................................................................... 81 Hình 4. 7 (a) Sơ đồ lắp đặt hai bộ đèn chiếu lên trần với hình ảnh chùm sáng đi từ hai đèn dài gắn hai bên tường; (b) Mặt cắt ngang hệ thống chiếu sáng sử dụng đèn phía bên trái. ......... 82 Hình 4. 8. Đường phân bố độ rọi theo vị trí trên trần sử dụng 2 dãy đèn tuýp HQ với h= 0,3 m và L= 4 m. ................................................................................................................................. 83 Hình 4. 9. Đường phân bố độ rọi theo vị trí trên trần sử dụng 2 dãy đèn tuýp LED với h= 0,3 m và L= 4 m. (a) Hướng chiếu LED ngang và (b) Hướng chiếu LED vào giữa trần. ............. 84 Hình 4. 10. Đường phân bố độ rọi theo vị trí trên trần sử dụng 2 dãy đèn LED dài với (a) h= 0,3 m, L= 4m; (b) h= 0,3m, L= 8m; (c) h= 0,8m, L= 4m và (d) độ rọi giữa trần phụ thuộc và h và L. ....................................................................................................................................... 85 Hình 4. 11 (a) Đường phân bố độ rọi theo vị trí trên trần chiếu từ 2 dãy đèn LED kết hợp thấu kính FO lý tưởng và (b) biểu đồ phân bố cường độ sáng theo góc vẽ trong toạ độ cực. ......... 86 Hình 4. 12. Hệ số tái phân bố độ rọi qua thấu kính FO bên trái (đen) và bên phải (đỏ)......... 88 Hình 4. 13. Các hàm phân bố Logistic f(x) với giá trị k=1, k=2, k=4 và tốc độ biến đổi của hàm df(x)/dx theo khoảng cách x. ............................................................................................. 89 Hình 4. 14. Phân bố độ rọi theo vị trí trên trần chiếu từ 2 nguồn sáng có dạng hàm Logistic với tốc độ k=3; (b ) tốc độ k khác nhau từ 1 đến 5; (c) phân bố cường độ sáng theo góc trong toạ độ vuông góc và (d) phân bố cường độ sáng theo góc trong toạ độ cực. .......................... 90 Hình 4. 15. Hệ số tái phân bố độ rọi qua thấu kính FO tính toán cho một số thông số: a) h= 0.3 m, L= 4 m; (b) h= 0.8 m, L= 4 m; (c) h= 0.3 m, L= 8 m; and (d) h= 0.8 m, L= 8 m. ....... 91 Hình 4. 16. a/ Mô phỏng quang trình của tia sáng truyền qua thấu kính biên dạng bất đối xứng bằng phần mềm Optgeo; b/ Kết cấu đèn chiếu bảng tích hợp thấu kính AL [GPHI15]. 93 Hình 4. 17. Mẫu hình chiếu sáng thanh LED tích hợp nguyên mẫu thấu kính AL ................... 94 Hình 4. 18. (trái) Biểu đồ cường độ sáng ALED trên hai mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng; (phải) Biểu đồ cường độ sáng 3D của đèn ALED trong toạ độ cực. ............................. 95 Hình 4. 19. a/ (trái) Biên dạng thấu kính AL phiên bản V1; b/ (phải) Ảnh chụp thấu kính phiên bản V1 chế tạo bằng phương pháp ép phun nhựa GP-PS. ....................................................... 95 Hình 4. 20. (trái) Biểu đồ cường độ sáng của đèn SkyLED trên hai mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng; (phải) Biểu đồ cường độ sáng 3D của đèn SkyLED trong toạ độ cực. ............... 96
ix Hình 4. 21. Biên dạng thấu kính AL với kích thước mặt cong phía bên trái thay đổi có hệ thống và các biểu đồ phân bố cường độ sáng mô phỏng tương ứng. ....................................... 97 Hình 4. 22. So sánh biểu đồ phân bố cường độ sáng mô phỏng cho đèn SkyLED tích hợp thấu kính N0 với bộ đèn lý tưởng do CT2 đề xuất:(trái) trong toạ độ vuông góc và (phải) trong toạ độ cực ........................................................................................................................................ 98 Hình 4. 23. Biên dạng thấu kính AL với mặt cong phía trong khác nhau có hệ thống và các biểu đồ phân bố cường độ sáng mô phỏng tương ứng. ............................................................ 99 Hình 4. 24. So sánh biểu đồ phân bố cường độ sáng mô phỏng cho đèn SkyLED tích hợp thấu kính N0 và N8 với bộ đèn do [CT 2] đề xuất:(trái) trong toạ độ vuông góc và (phải) trong toạ độ cực ........................................................................................................................................ 99 Hình 4. 25. Biên dạng 3D thấu kính góc chiếu hẹp NAL và hình ảnh mô phỏng tia sử dụng phần mềm Tracepro, gói LED 3828. ...................................................................................... 100 Hình 4. 26. Biểu đồ phân bố cường độ sáng mô phỏng cho đèn LED tích hợp thấu kính NAL:(trái) trong toạ độ cực và (phải) trong toạ độ . ............................................................. 101 Hình 4. 27. Biểu đồ phân bố cường độ sáng mô phỏng cho đèn LED tích hợp thấu kính NAL:(trái) trong toạ độ cực và (phải) trong toạ độ . ............................................................. 101 Hình 4. 28. Thấu kính bất đối xứng cho đèn dẫn dụ cá, a-hình vẽ 3D; b-mặt cắt ngang. ..... 102 Hình 4. 29. Mẫu thấu kính FO cho đèn tàu cá sau khi chế tạo .............................................. 103 Hình 5. 1. Cấu trúc 3D của bộ đèn SkyLED gắn tường chiếu trần …………………………107 Hình 5. 2. Mặt cắt ngang bộ đèn SkyLED gắn tường chiếu trần ........................................... 107 Hình 5. 3. Ảnh chụp bộ đèn SkyLED một màu gắn tường chiếu trần, CCT= 6500 K (trái) và CCT= 4300 K (phải) kết hợp hai gói LED 6500 K với 3000 K. ............................................. 108 Hình 5. 4. Kết quả đo phân bố cường độ sáng của bộ đèn SkyLED gắn tường biểu diễn trên toạ độ cực (trái) và toạ độ vuông góc. .................................................................................... 110 Hình 5. 5. Cấu trúc 3D của bộ đèn LED thả trần chiếu gián tiếp. ......................................... 111 Hình 5. 6. Mặt cắt ngang bộ đèn LED thả trần chiếu gián tiếp. ............................................ 111 Hình 5. 7. Ảnh chụp bộ đèn SkyLED thả trần chiếu gián tiếp một màu CCT= 6500 K (trái) và ba màu CCT= 6500 K, 4300 K và 3000K (phải). ................................................................... 112 Hình 5. 8. Biểu đồ phân bố cường độ sáng bộ đèn SkyLED thả trần và ảnh chụp 04 bộ đèn thả trần ghép thành hình vuông. ................................................................................................... 112 Hình 5. 9. Kết cấu 3D của bộ đèn LED thả trần chiếu sáng góc hẹp và biểu đồ phân bố cường độ sáng [GPHI 6]. .................................................................................................................. 114 Hình 5. 10. Kết cấu 3D của bộ đèn P3D-SkyLED thả trần chiếu sáng 3 phía. ...................... 115 Hình 5. 11. Mô phỏng biểu đồ phân bố cường độ sáng bộ đèn P3D-SkyLED thả trần chiếu sáng ba phía trong toạ độ cực và không gian 3D. .................................................................. 116 Hình 5. 12. Thiết kế đèn LED chiếu bảng tích hợp thấu kính AL cho Công ty Rạng Đông. .. 117 Hình 5. 13. Phân bố cường độ sáng đèn LED chiếu bảng trên mô phỏng ba chiều bằng Dialux Evo. ......................................................................................................................................... 117 Hình 5. 14. Kết quả mô phỏng phân bố độ rọi trên mặt bảng đen bằng phần mềm Dialux Evo. ................................................................................................................................................ 118 Hình 5. 15. Hình ảnh mô phỏng chiếu sáng trên mặt bảng đen bằng phần mềm Dialux Evo. ................................................................................................................................................ 118
x Hình 5. 16. Hình ảnh thiết kế bộ đèn FAL LED tích hợp thấu kính bất đối xứng dẫn dụ cá . 120 Hình 5. 17. So sánh phân bố cường độ sáng theo góc của đèn FAL LED với đèn LED thông thường. .................................................................................................................................... 122 Hình 5. 18. Mô phỏng tàu cá chiếu sáng bởi 6 đèn LED 250W (trái) và 6 đèn MH 1270W (phải). ...................................................................................................................................... 122 Hình 5. 19. Kịch bản HCL cho công sở, CCT cao nhất lúc 10 giờ; cường độ cao nhất lúc 12 giờ. .......................................................................................................................................... 125 Hình 5. 20. Ảnh chụp phòng làm việc chiếu sáng Dưỡng sinh 5S. ......................................... 125 Hình 5. 21. Mô phỏng chiếu sáng phòng họp Viện Khoa học vật liệu. .................................. 126 Hình 5. 22. Ảnh chụp phòng họp Viện Khoa học Vật liệu chiếu sáng bằng đèn SkyLED ...... 126 Hình 5. 23. Mô phỏng chiếu sáng một căn hộ tiêu biểu, bao gồm phòng khách, bếp và các phòng ngủ. .............................................................................................................................. 127 Hình 5. 24. Ảnh chụp phòng ngủ sử dụng đèn SkyLED CCT 3000 K mắc đầu giường và CCT 6500 K chiếu sáng chung. ....................................................................................................... 127 Hình 5. 25. Ảnh chụp phòng khách sử dụng đèn SkyLED gắn tường đổi màu và bầu trời nhân tạo ........................................................................................................................................... 127 Hình 5. 26. Ảnh chụp phòng bếp sử dụng đèn SkyLED thả trần CCT 5000 K ....................... 127 Hình 5. 27. Ảnh chụp phía bên ngoài phòng chữa răng 45 Tô Hiệu Hà nội, chiếu sáng bằng bộ đèn SkyLED............................................................................................................................. 128 Hình 5. 28. Trần nhà phòng chữa răng chiếu sáng bằng 4 đèn SkyLED ............................... 128 Hình 5. 29. Ảnh chụp Hội trường chùa Quế lâm rộng 700 m2 chiếu sáng bằng đèn SkyLED ................................................................................................................................................ 129 Hình 5. 30. Ảnh chụp nhóm tượng Quán Thế âm chiếu sáng bằng đèn SkyLED ................... 129 Hình 5. 31. Ảnh chụp các bộ đèn Bánh Trưng, Bánh dày trong Đền Hùng Phú Thọ ............ 129 Hình 5. 32. Hình vẽ Bàn chống cận thị thông minh với hàng rào hồng ngoại. ...................... 131 Hình 5. 33. Ảnh chụp nguyên mẫu Bàn học chống cận thị với mô hình bầu trời thu nhỏ. ..... 131
1 MỞ ĐẦU Ánh sáng có vai trò rất quan trọng đối với sự sống trên trái đất nói chung và con ngƣời nói riêng. Những nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng ánh sáng không chỉ các tác dụng giúp chúng ta có thể nhìn rõ mọi vật, mà còn có nhiều điều khiển toàn bộ hệ thống sinh học nhƣ nhịp ngày đêm, đáp ứng của đồng tử, sự tỉnh táo, giấc ngủ và tâm trạng [40-42, 45-46]. Ánh sáng còn đƣợc chứng minh là có tác dụng tích cực trong việc điều trị cho một số loại bệnh ví dụ nhƣ trầm cảm theo mùa hay bị mất trí [47]. Quá trình đô thị hóa diễn ra nhanh chóng, con ngƣời sống và làm việc chủ yếu ở trong nhà dƣới môi trƣờng chiếu sáng nhân tạo. Môi trƣờng chiếu sáng nhân tạo khác hẳn với ánh sáng tự nhiên về độ dài, cấu trúc phổ, chu kỳ ngày đêm, nhịp sinh học của cƣ dân sẽ bị đảo lộn và gây nên rất nhiều hậu quả về sức khỏe thể chất, sinh lý và tâm lý nhƣ mất ngủ, béo phì, sinh lý kém, hiếm muộn, mệt mỏi, thậm chí ung thƣ [39]. Chính vì vậy việc tạo ra một môi trƣờng ánh sáng vì con ngƣời để bảo vệ thị lực mắt và sức khỏe là rất cần thiết. Chiếu sáng rắn với trọng tâm là nguồn sáng LED ra đời đã mở ra một cuộc cách mạng trong chiếu sáng mà những ngƣời đóng góp quan trọng đã đƣợc nhận giải Nobel về Vật lý năm 2014, và năm 2015 đƣợc Liên hiệp quốc tế tuyên bố là năm ánh sáng. Với các ƣu thế vƣợt trội nhƣ tiết kiệm năng lƣợng, hiệu suất cao, có khả năng thay đổi cấu trúc phổ phát xạ, an toàn với môi trƣờng và ngƣời sử dụng, nguồn sáng LED đã trở thành nguồn sáng chủ đạo thay thế hầu hết các nguồn sáng truyền thống khác. Theo báo cáo của Bộ Năng lƣợng Mỹ năm 2016, thị trƣờng chiếu sáng LED có thể đạt tới 40% vào năm 2020 và đến 60% vào năm 2022 [93]. Các gói LED trắng thƣơng mại hiện nay có hiệu suất quang lên đến đến 185lm/W [94], tuy nhiên, theo một số kết quả phân tích cho thấy hiệu suất của các gói LED có thể đạt đến 255lm/W. Để đạt đƣợc mục tiêu này có rất nhiều vấn đề và thách thức đặt ra cho các nhà khoa học cũng nhƣ sản xuất LED, bao gồm: - Lấy sáng và nâng cao hiệu suất trộn/tán xạ và hấp thụ; - Giảm độ rộng dải phổ phát xạ của các vật liệu chuyển đổi hoặc tìm ra loại vật liệu thay thế mới;
2 Các gói LED trắng hiện nay đƣợc sản xuất chủ yếu theo cấu hình pc-LED (phosphor-converted LED), tức là phủ phosphor trực tiếp lên chip LED xanh. Với cấu hình này một phần ánh sáng đi ra từ chip LED xanh sẽ bị phản xạ quay trở lại và mất mát tại các mối hàn. Để nâng cao hiệu suất lấy sáng nhiều tác giả đã đƣa ra cấu hình remote-phosphor, đƣa phosphor ra xa chip LED, đã nâng hiệu suất lấy sáng của gói LED trắng lên đến 70% [10, 12, 95], thậm chí lên tới 95% với một cấu hình phức tạp hơn [96]. Vật liệu phát quang là thành phần rất quan trọng ảnh hƣởng trực tiếp đến chất lƣợng và hiệu suất của nguồn sáng LED. Các hệ vật liệu phát quang thƣơng mại sử dụng cho LED trắng hiện nay gồm có: Garnet, Alluminat, Silicate và Nitride. Thách thức đặt ra cho các nhà khoa học và sản xuất vật liệu là giảm độ rộng phổ phát xạ của các loại phosphor này hoặc là tìm ra loại vật liệu mới để thay thế. Boosin và nhóm tác giả đã sử dụng vật liệu phát quang hữu cơ nhằm thay thế cho các loại phosphor truyền thống trong chế tạo gói LED trắng đạt hiệu suất khoảng 26lm/W [97], thấp hơn nhiều so với các gói LED trắng thƣơng mại. Một hƣớng phát triển vật liệu phát quang khác cũng thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu là các chấm lƣợng tử bán dẫn. Nhóm tác giả Sandra đã sử dụng chấm lƣợng tử thay thế cho phosphor truyền thống chế tạo thành công LED trắng có hiệu suất đạt đến 64lm/W [48]. Ở nƣớc ta nhiều nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công các chấm lƣợng tử có hiệu suất lƣợng tử khá cao (85%-90%) [98] có khả năng ứng dụng thay thế cho các loại phosphor truyền thống. Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở vật liệu có tiềm năng ứng dụng trong chiếu sáng rắn. Để nâng cao hơn nữa hiệu quả chiếu sáng, đồng thời giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trƣờng, các linh kiện quang học đƣợc tích hợp vào các nguồn sáng. Một thế hệ linh kiện quang học mới đang đƣợc nghiên cứu và phát triển đƣợc gọi là Quang học biên dạng tự do FO (Freeform Optics), đƣợc coi là một cuộc cách mạng về quang học. Ngày nay, rất nhiều loại đèn LED đã đƣợc tích hợp các loại linh kiện FO nhƣ đèn LED chiếu sáng đƣờng phố, nông nghiệp, ngƣ nghiệp, đem lại các tính năng vƣợt trội hơn các loại đèn truyền thống [55-56, 74-75, 79]. Trong chiếu sáng nội thất, nhu cầu tạo nên môi trƣờng chiếu sáng đồng đều với góc chiếu rộng và không chói lóa là rất cần thiết. Để
3 giải quyết vấn đề trên, một số tác giả trên thế giới đã đề xuất các mô hình tích hợp nguồn sáng LED với thấu kính biên dạng tự do [67-73, 80-93, 99]. Hiện nay, ở nƣớc ta hiện trạng sử dụng các loại đèn LED không đƣợc che chắn, chiếu thẳng vào mắt gây rất nhiều hậu quả về sức khỏe thị giác cho ngƣời tiêu dùng. Một số giải pháp chiếu sáng giảm chói lóa, tăng tiện nghi nhƣ chiếu sáng gián tiếp lên trần nhà hoặc chiếu xuyên qua các vật liệu tán xạ đƣợc sử dụng rất ít do giá thành cao, hiệu suất thấp và không đảm bảo độ đồng đều. Từ những phân tích trên, chúng tôi đã lựa chọn đề tài ―Nghiên cứu phát triển các tổ hợp vật liệu phát quang micro-nano và linh kiện quang biên dạng tự do ứng dụng trong chiếu sáng rắn‖ nhằm mục đích nghiên cứu, thiết kế và chế tạo nguồn sáng mới trên cơ sở LED, đảm bảo giải quyết các vấn đề chói lóa, mất tiện nghi bảo vệ thị lực và sức khỏe ngƣời sử dụng. Mục tiêu của luận án - Nghiên cứu nâng cao tính năng sử dụng và chất lƣợng sản phẩm chiếu sáng rắn trên cơ sở LED; - Phát triển thế hệ đèn LED mới hiệu suất cao, phân bố đồng đều, loại bỏ ô nhiễm ánh sáng thay thế cho các loại đèn LED hiện hành. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án là sự kết hợp giữa tính toán, mô phỏng lý thuyết với thực nghiệm. Chúng tôi đã sử dụng phƣơng pháp phân tích, tính toán lý thuyết để đƣa ra tiêu chí thiết kế bộ đèn LED tích hợp linh kiện quang biên dạng tự do có đƣờng cong phân bố cƣờng độ sáng lý tƣởng. Thấu kính quang biên dạng tự do đƣợc thiết kế và mô phỏng sử dụng các phần mềm trợ giúp thông dụng nhƣ Excel, Origin, Optgeo, Tracepro, Zeemax... Nguyên mẫu thấu kính đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp cắt CNC và in 3D. Thấu kính FO đƣợc sản xuất bằng công nghệ ép phun nhựa dẻo sử dụng vật liệu PS và PC. Máng nhôm tản nhiệt cho bộ đèn LED đƣợc sản xuất bằng công nghệ đùn nhôm. Tính chất quang của bột huỳnh quang và các tấm remote-phosphor đƣợc khảo sát trên hệ đo huỳnh quang phân giải cao và kính hiển vi huỳnh quang tại Viện Khoa
4 học vật liệu và Đại học Bách khoa Hà Nội. Các thông số quang điện của bộ đèn đƣợc tiến hành đo đạc, khảo sát trên hệ đo quả cầu tích phân Everfine tại Viện Khoa học vật liệu. Phổ phân bố cƣờng độ sáng của bộ đèn đƣợc khảo sát tại hệ đo PhotoGoniometer tại Công ty Rạng Đông và Trung tâm đo lƣờng tiêu chuẩn (Quatest I). Các kết quả chính, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Các kết quả chính đã thu đƣợc của luận án gồm có: + Đã đƣa ra đƣợc mô hình lý thuyết là tiêu chí để thiết kế, mô phỏng các nguồn chiếu sáng rắn có phân bố đồng đều trên cơ sở bộ đèn LED và linh kiện FO; + Đã thiết kế, mô phỏng, chế tạo 03 loại thấu kính (thấu kính bất đối xứng AL, thấu kính thu hẹp góc chiếu sáng NAL, thấu kính cho đèn LED dụ cá AL), tạo ra các tính năng phân bố cƣờng độ sáng ƣu việt. Các loại thấu kính FO này đã tái phân bố cƣờng độ sáng, tạo ra các tính năng ƣu việt và khác biệt cho các nguồn sáng LED; + Đã thiết kế, mô phỏng, chế tạo và đo đạc, đánh giá 06 loại nguồn sáng SkyLED và đèn LED dụ cá, chiếu sảng với các tính năng quang điện khác nhau. Các loại đèn SkyLED đƣợc sử dụng để chiếu sáng đồng đều trần, trƣờng loại bỏ chói lóa, nâng cao hiệu quả và tiện nghi chiếu sáng Luận án có ý nghĩa khoa học công nghệ cao, các sản phẩm của đề tài đã đƣợc đƣa vào ứng dụng thực tế và nhận đƣợc phản hồi rất tốt từ phía ngƣời sử dụng. Tính mới và tính thời sự của luận án Chiếu sáng lấy con ngƣời làm trung tâm (HCL) đang trở thành xu hƣớng nghiên cứu và ứng dụng thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm trên thế giới. Việc đƣa ra đƣợc giải pháp chiếu sáng tổng thể thân thiện với con ngƣời trên cơ sở nguồn sáng LED tích hợp với thấu kính FO là điểm mới có tính đột phá của luận án. Luận án đã đƣa ra đƣợc tiêu chí thiết kế các nguồn sáng có tính năng phân bố đồng đều, làm cơ sở để thiết kế và chế tạo các bộ đèn SkyLED có nhiều tính năng ƣu việt giải quyết các vấn đề về chói lóa và mất tiện nghi trong chiếu sáng chung hiện nay. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án đƣợc chia thành 5 chƣơng với nội dung nhƣ sau:
5 Chƣơng 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu và các vấn đề liên quan đến chiếu sáng rắn trên cơ sở LED. Chƣơng 2: Giới thiệu về các phƣơng pháp, kỹ thuật và công nghệ sử dụng Chƣơng 3: Thiết kế, chế tạo bộ đèn LED trắng cấu hình Remote-phosphor Chƣơng 4: Tính toán, thiết kế, mô phỏng và chế tạo linh kiện quang biên dạng tự do ứng dụng trong chiếu sáng rắn Chƣơng 5: Thiết kế, chế tạo các bộ đèn SkyLED tích hợp thấu kính FO và ứng dụng xây dựng một số mô hình chiếu sáng thực tế.