Nghiên cứu tạo lớp phủ phản xạ khuếch tán cao từ vật liệu BaSO4 lên trên bề mặt trong quả cầu tích phân ứng dụng đo quang thông LEDs

VËt lý<br /> <br /> <br /> nghi£n cøu t¹o líp phñ ph¶n x¹ khuÕch t¸n cao<br /> tõ vËt liÖu BaSO4 lªn trªn bÒ mÆt trong qu¶ cÇu<br /> tÝch ph©n øng dông ®o quang th«ng leds<br /> cao xu©n qu©n*, Vò KH¸NH XU¢N*,<br /> nguyÔn tuyÕt nga**, vâ th¹ch s¬n**<br /> <br /> Tãm t¾t: Trong c¸c ph­¬ng ph¸p ®o l­êng nãi chung vµ ®o l­êng quang nãi riªng, ®é<br /> chÝnh x¸c cña phÐp ®o lµ mét trong nh÷ng th«ng sè quan träng. §Ó t¨ng ®é chÝnh x¸c phÐp ®o<br /> th«ng l­îng ¸nh s¸ng cña ®Ìn LEDs b»ng qu¶ cÇu tÝch ph©n th× viÖc h×nh thµnh líp phñ ph¶n<br /> x¹ khuÕch t¸n mÆt trong qu¶ cÇu trong qu¸ tr×nh chÕ t¹o qu¶ cÇu tÝch ph©n rÊt quan träng.<br /> Trong c«ng tr×nh nµy, chóng t«i ®· nghiªn cøu ¶nh h­ëng cña chiÒu dµy líp phñ ph¶n x¹<br /> khuÕch t¸n BaSO4 b»ng ph­¬ng ph¸p phun phñ ®Õn ®é ph¶n x¹ cña líp phñ mÆt trong qu¶<br /> cÇu tÝch ph©n cã ®­êng kÝnh trong d = 1m. KÕt qu¶ ph©n tÝch cho thÊy, ®é ph¶n x¹ khuÕch<br /> t¸n trung b×nh R  80% trong vïng ¸nh s¸ng nh×n thÊy víi hçn hîp phun gåm 60g BaSO4,<br /> 40ml n­íc tinh khiÕt vµ 0,5gpolyvinyl ancohol. §é ph¶n x¹ khuÕch t¸n t¨ng dÇn khi chiÒu<br /> dµy líp phñ t¨ng. ChiÒu dµy líp phñ tèi ­u  0,67mm t­¬ng øng víi R  98% vµ hÖ sè nh©n<br /> M  21,5.<br /> <br /> Tõ khãa: §o l­êng quang, Th«ng l­îng ¸nh s¸ng, Qu¶ cÇu tÝch ph©n, Ph¶n x¹ khuÕch t¸n, BaSO4.<br /> <br /> 1. giíi thiÖu<br /> Cïng víi sù ph¸t triÓn cña khoa häc kü thuËt, ®Ìn LEDs ngµy cµng ®­îc sö dông réng r·i<br /> trong chiÕu s¸ng v× LEDs cã nhiÒu ­u ®iÓm h¬n so víi c¸c lo¹i ®Ìn kh¸c nh­ tiªu thô ®iÖn n¨ng<br /> thÊp, ph¸t x¹ ¸nh s¸ng ®Þnh h­íng cao, thêi gian ®¸p øng nhanh, thêi gian sèng dµi vµ th©n<br /> thiÖn m«i tr­êng [1,2 ].<br /> Do ®Ìn LEDs cã tÝnh chÊt quang phøc t¹p nªn viÖc thiÕt kÕ chÕ t¹o qu¶ cÇu tÝch ph©n øng<br /> dông ®Ó ®o quang th«ng ®Ìn LEDs lµ rÊt quan träng. Mét trong nh÷ng c«ng ®o¹n quan träng<br /> trong chÕ t¹o qu¶ cÇu tÝch ph©n lµ phñ líp phñ ph¶n x¹ khuÕch t¸n mÆt trong qu¶ cÇu bëi v× líp<br /> phñ mÆt trong qu¶ cÇu tÝch ph©n sÏ cung cÊp mét nguån ¸nh s¸ng ®ång ®Òu vµ ®©y chÝnh lµ<br /> mét trong nh÷ng yÕu tè quan träng liªn quan ®Õn ®é chÝnh x¸c cña phÐp ®o quang th«ng [3].<br /> VËt liÖu ph¶n x¹ khuÕch t¸n ®­îc ®Æc tr­ng bëi ph¶n x¹ kh«ng phæ, cã nghÜa lµ ¸nh s¸ng ph¶n<br /> x¹ ®ång nhÊt theo tÊt c¶ c¸c h­íng. BÒ mÆt ph¶n x¹ khuÕch t¸n lý t­ëng lµ bÒ mÆt Lambertian,<br /> bÒ mÆt nµy ph¶n x¹ hoµn toµn (cã ®é ph¶n x¹ R=100%)[6]. Thùc tÕ kh«ng cã bÒ mÆt<br /> Lambertian tån t¹i, c¸c nhµ khoa häc mong muèn t¹o ra vËt liÖu ph¶n x¹ khuÕch t¸n gÇn víi lý<br /> t­ëng. HiÖn nay, cã rÊt nhiÒu vËt liÖu cã thÓ sö dông lµm vËt liÖu ph¶n x¹ khuÕch t¸n, ch¼ng<br /> h¹n nh­ PTFE (polytetraflouroethylene)[5], PVAl(polyvinyl alcohol)[5], TiO2( s¬n tr¾ng)[4],<br /> BaSO4( bari sunfat) [3],… Tïy thuéc vµo môc ®Ých øng dông ng­êi ta nªn sö dông vËt liÖu<br /> ph¶n x¹ khuÕch t¸n nµo. BaSO4 lµ vËt liÖu th«ng dông nhÊt sö dông lµm líp phñ ph¶n x¹<br /> khuÕch t¸n bëi v× vËt liÖu nµy cã thÓ phñ trªn c¸c bÒ mÆt kh¸c nhau (thñy tinh, nhùa, kim lo¹i,<br /> gç,…), c¸c h×nh d¸ng kh¸c nhau (mÆt ph¼ng, h×nh cÇu,…). §é ph¶n x¹ khuÕch t¸n R98%<br /> trong vïng b­íc sãng = 2502500nm vµ cã gi¸ trÞ ®é ph¶n x¹ gÇn b»ng víi bÒ mÆt ph¶n x¹<br /> khuÕch t¸n hoµn h¶o Lambertian (R=100%). ChÊt l­îng cña líp phñ phô thuéc nhiÒu vµo c«ng<br /> nghÖ chÕ t¹o.<br /> Trong c«ng tr×nh nµy, chóng t«i nghiªn cøu ¶nh h­ëng cña c¸c th«ng sè c«ng nghÖ chÕ t¹o<br /> líp phñ nh­ chiÒu dµy líp phñ BaSO4 ®Õn ®é ph¶n x¹ khuÕch t¸n cña bÒ mÆt bªn trong qu¶ cÇu<br /> tÝch ph©n.<br /> <br /> <br /> <br /> 142 C.X.Qu©n, V. K.Xu©n, N.T.Nga, V.T.S¬n, "Nghiªn cøu t¹o líp… quang th«ng LEDs."<br /> Nghiªn cøu khoa häc c«ng nghÖ<br /> <br /> 2. thùc nghiÖm<br /> BÒ mÆt ph¶n x¹ khuÕch t¸n bªn trong qu¶ cÇu tÝch ph©n ®­îc t¹o bëi vËt liÖu BaSO4<br /> b»ng ph­¬ng ph¸p phun phñ sö dông sóng phun, ¸p suÊt phun cã thÓ ®­îc ®iÒu chØnh.<br /> Trong c«ng tr×nh nµy, chóng t«i sö dông bét BaSO4, polyvinyl alcohol vµ n­íc tinh khiÕt theo<br /> tØ lÖ thÝch hîp nh­ dung dÞch phun.ViÖc lùa vËt liÖu pha trén ®Çu vµo rÊt quan trängbëi v× nã<br /> ¶nh®Õn ®é ph¶n x¹, ®é th¨ng gi¸ng cña bÒ mÆt ®­îc t¹o. Kho¶ng c¸ch tõ ®Çu phun tíi bÒ mÆt<br /> phun d = 15  25 cm. NhiÖt ®é phun T = 230C  300C vµ ¸p suÊt phun p = 4,85,8 kg/cm2. BÒ<br /> mÆt ph¶n x¹ khuÕch t¸n ®­îc l¾ng ®äng lªn trªn mÆt trong qu¶ cÇu tÝch ph©n.<br /> Sau mçi lÇn phun líp phñ ®­îc ®Ó kh« tù nhiªn trong kho¶ng 2h. Sau ®ã dïng chæi<br /> mÒm, dßng khÝ nÐn thæi ®Ó lo¹i bá c¸c h¹t BaSO4 kh«ng b¸m dÝnh hoÆc b¸n dÝnh kÐm trªn<br /> bÒ mÆt. Sè lÇn phun phô thuéc vµo chiÒu dµy còng nh­ ®é ph¶n x¹ khuÕch t¸n, th¨ng gi¸ng<br /> ®é ph¶n x¹ mong muèn. ChiÒu dµy cña c¸c líp phñ ®­îc x¸c ®Þnh b»ng thiÕt bÞ ®o chiÒu<br /> dµy cã ph¹m vi ®o (025)mm, ®é ph©n gi¶i lµ 0,001mm. §é ph¶n x¹ cña c¸c líp phñ ®­îc<br /> ph©n tÝch b»ng ph­¬ng ph¸p phæ hÊp thô UV-Vis- NIR trong kho¶ng b­íc sãng<br />  = 380  780 nm trªn hÖ thiÕt bÞ UV-Vis- NIR cña Perkin elmer 1050.<br /> <br /> 3. kÕt qu¶ vµ th¶o luËn<br /> Theo th«ng b¸o cña CIE (International Commission on Illumination)[8], bÒ mÆt ph¶n x¹<br /> khuÕch t¸n bªn trong qu¶ cÇu tÝch ph©n dïng ®Ó ®o quang th«ng th­êng cã hÖ sè ph¶n x¹<br />  0,8 trong vïng ¸nh s¸ng nh×n thÊy ( = 380  780 nm). Nh­ vËy, trong qu¸ tr×nh chÕ<br /> t¹o qu¶ cÇu tÝch ph©n th× c«ng ®o¹n t¹o bÒ mÆt ph¶n x¹ bªn trong qu¶ cÇu tÝch ph©n lµ rÊt<br /> quan träng. Líp phñ h×nh thµnh ph¶i cã mét chiÒu dµy nhÊt ®Þnh nh­ng còng ph¶i tháa<br /> m·n ®iÒu kiÖn cã  0,8, ®é th¨ng gi¸ng ®é ph¶n x¹ ®¹t gi¸ trÞ sao cho sù ph©n bè ¸nh<br /> s¸ng ®ång ®Òu ®­îc ®¸nh gi¸ th«ng qua hÖ sè nh©n M cña qu¶ cÇu tÝch ph©n trong kho¶ng<br /> b­íc sãng  = 380  780 nm.<br /> H×nh 1 d­íi ®©y lµ ®å thÞ phô thuéc cña ®é ph¶n x¹ khuÕch t¸n vµo chiÒu dµy líp phñ.<br /> DÔ thÊy r»ng, khi chiÒu dµy líp phñ t¨ng th× ®é ph¶n x¹ khuÕch t¸n cña bÒ mÆt qu¶ cÇu<br /> tÝch ph©n còng t¨ng. Gi¸ trÞ ®é ph¶n x¹ trung b×nh cña líp phñ cã chiÒu dµy 0,67mm lµ<br /> kho¶ng 98,5%. §é th¨ng gi¸ng cña ®é ph¶n x¹ khuÕch t¸n lµ th«ng sè quang träng v× gi¸<br /> trÞ ®é th¨ng gi¸ng cho biÕt kh¶ n¨ng t¹o ra sù ph©n bè ¸nh s¸ng trong qu¶ cÇu tÝch ph©n.<br /> §é th¨ng gi¸ng cña líp phñ nµy ®­îc x¸c ®Þnh b»ng gi¸ trÞ ®é ph¶n x¹ lín nhÊt trõ gi¸ trÞ<br /> ®é ph¶n x¹ nhá nhÊt trong d¶i phæ  = (380  780) nm, cã gi¸ trÞ kho¶ng 1,4%. KÕt qu¶<br /> nµy phï hîp víi c«ng bè cña Labsphere [7], LMT [9], Optronik[10].<br /> 100<br /> <br /> <br /> 98<br /> <br /> <br /> 96<br /> <br /> <br /> 94<br /> R, %<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 92<br /> <br /> <br /> 90<br /> <br /> <br /> 88<br /> <br /> <br /> 86<br /> <br /> <br /> 84<br /> 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7<br /> d, mm<br /> <br /> H×nh 1. Sù phô thuéc cña ®é ph¶n x¹ khuÕch t¸n theo chiÒu dµy líp phñ.<br /> Sù phô thuéc cña phæph¶n x¹ khuÕch t¸n víi sè líp phñ BaSO4kh¸c nhau ®­îc biÓu<br /> diÔn trong h×nh 2. Tõ ®å thÞ h×nh 2, thÊy r»ng, ®é ph¶n x¹ khuÕch t¸n cña tÊt c¶ c¸c líp phñ<br /> víi sè lÇn phñ kh¸c nhau ®Òu lín h¬n 80% vµ t¨ng dÇn theo sè lÇn phñ phñ BaSO4.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> T¹p chÝ Nghiªn cøu KH&CN qu©n sù, Sè 31, 06 - 2014 143<br />  VËt lý<br /> <br /> 100.0<br /> <br /> 97.5<br /> <br /> 95.0<br /> (d)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> §é ph¶n x¹ R, %<br /> (c) (e)<br /> 92.5<br /> <br /> 90.0<br /> (b)<br /> 87.5<br /> <br /> 85.0<br /> (a)<br /> 82.5<br /> <br /> 80.0<br /> 400 450 500 550 600 650 700 750<br /> B­íc sãng nm<br /> <br /> H×nh 2. Phæ ph¶n x¹ khuÕch t¸n cña líp phñ víi sè lÇn phñ (chiÒu dµy) kh¸c nhau<br /> (a) 1 líp (b) 2 líp (c) 3 líp (d) 4 líp vµ (e)5 líp.<br /> §é ph¶n x¹ khuÕch t¸n thÊp nhÊt víi líp BaSO4 phñ thø nhÊt vµ cao nhÊt víi tr­êng hîp<br /> líp phñ thø 5. Sù chªnh lÖch ®é ph¶n x¹ khuÕch t¸n trung b×nh gi÷a líp phñ thø nhÊt vµ líp<br /> phñ thø 2 lµ kho¶ng 6%, líp phñ thø 2 vµ líp phñ thø 3 lµ kho¶ng 5,6%. §é ph¶n x¹ khuÕch<br /> t¸n trung b×nh t¨ng kh«ng ®¸ng kÓ gi÷a líp phñ thø 3, líp phñ thø 4 vµ líp phñ thø 5. H¬n<br /> n÷a, sù th¨ng gi¸ng vÒ ®é ph¶n x¹ khuÕch t¸n lín nhÊt trong tr­êng hîp phñ mét líp vµ cã<br /> gi¸ trÞ kho¶ng 6,7%. Sù th¨ng gi¸ng nµy gi¶m dÇn khi sè líp phñ t¨ng lªn hay chiÒu dµy líp<br /> phñ t¨ng lªn vµ ®¹t gi¸ trÞ nhá nhÊt lµ 1,4% t­¬ng øng víi tr­êng hîp líp phñ thø 5. HÖ sè<br /> nh©n M (Sphere multiplier) cña qu¶ cÇu tÝch ph©n ®Æc tr­ng cho sù t¨ng bøc x¹ do ph¶n x¹<br /> nhiÒu lÇn bªn trong qu¶ cÇu tÝch ph©n vµ ®­îc x¸c ®Þnh b»ng biÓu thøc sau [10]:<br /> <br /> =<br /> 1 − (1 − )<br /> trong ®ã,  lµ hÖ sè ph¶n x¹ khuÕch t¸n, f lµ hÖ sè phô thuéc vµo diÖn tÝch më trªn qu¶ cÇu<br /> tÝch ph©n mµ ë ®ã ph¶n x¹ ®­îc xem nh­ b»ng kh«ng. Theo th«ng b¸o cña Optronik [10],<br /> qu¶ cÇu tÝch ph©n dïng trong c¸c phÐp ®o tr¾c quang vµ ®o bøc x¹ th­êng cã hÖ sè ph¶n x¹<br /> khuÕch t¸n trong kho¶ng 0,94