Tiến Sĩ Nghiên cứu, phát triển phương pháp đo quang thông HPCOBLED (high power chip on board light emitting

LUẬN ÁN TIẾN SỸ
NĂM 2014
Mục lục
Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt . 4
Danh mục các bảng . 8
Danh mục các hình vẽ và đồ thị . 9
Mở đầu . 12
Chương 1 Tổng quan về COB LED công suất cao và các ứng dụng trong công
nghệ chiếu sáng . 16
1.1 Lịch sử phát triển điôt phát quang (LED) 16
1.2 Cơ sở vật lý của LED 17
1.2.1 Sự hình thành chuyển tiếp pn - chuyển tiếp pn ở điều kiện cân bằng 17
1.2.2 Chuyển tiếp pn ở điều kiện không cân bằng . 20
1.2.2.1. Chuyển tiếp pn phân cực thuận . 20
1.2.2.2 Chuyển tiếp pn phân cực ngược 22
1.3 Tái hợp phát xạ và tái hợp không phát xạ . 22
1.3.1 Tái hợp phát xạ . 22
1.3.2 Tái hợp không phát xạ 23
1.4 Điôt phát quang (LED) 25
1.4.1 Cấu trúc 25
1.4.2 Nguyên lý hoạt động . 26
1.4.3 Vật liệu chế tạo . 27
1.4.4 Phương pháp công nghệ chế tạo LED . 28
1.4.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến các thông số của LED 29
1.4.5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện áp đặt vào . 29
1.4.5.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quang thông . 30
1.4.6 Phổ phát xạ . 31
1.5 HPCOBLED (High Power Chip On Board Light Emitting Diode) . 32
1.6 Ứng dụng 33
Kết luận chương . 34
Chương 2 Nghiên cứu các phương pháp đo quang thông của HPCOBLED . 35
2.1 Phép đo bức xạ và phép đo trắc quang 35
2.1.1 Quan hệ giữa phép đo trắc quang và phép đo bức xạ 36
2.1.2 Các định nghĩa, đơn vị trong phép đo bức xạ và phép đo trắc quang 36
2.2 Hệ thống màu tiêu chuẩn CIE . 38
2.2.1 Phổ công suất . 38
2.2.2 Hàm tổng hợp màu . 38
2.2.3 Tọa độ màu . 40
2.2.4 Không gian màu đồng nhất . 41
2.2.5 Trộn màu 42
2.2.6 Nhiệt độ màu CT (Color Temperature) . 42
2.2.7 Các nguồn sáng chuẩn theo CIE 44
2.2.7.1 Nguồn sáng chuẩn A 44
2.2.7.2 Nguồn sáng chuẩn D 44
2.2.8 Hệ số hoàn màu (Color Rendering Index - CRI hay ) . 45
2.3 Nghiên cứu các phương pháp đo quang thông của HPCOBLED 46
2.3.1 Phương pháp đo quang thông sử dụng quang góc kế - GPM 46
2.3.1.1 Nguyên lý của phương pháp GPM . 46
2.3.1.2 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp GPM . 46
2.3.1.3 Ưu và nhược điểm của phương pháp GPM . 47
2.3.2 Phương pháp ISSM 48
2.3.2.1 Nguyên lý của phương pháp ISSM 48
2.3.2.2 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp ISSM 49
2.3.2.3 Ưu và nhược điểm của phương pháp ISSM 50
2.3.3 Phương pháp ISPM 51
2.3.3.1 Nguyên lý của phương pháp ISPM 51
2.3.3.2 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp ISPM 51
2.3.3.3 Ưu và nhược điểm của phương pháp ISPM 53
Kết luận chương . 53
Chương 3 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và xây dựng hệ đo quang thông
HPCOBLED 54
3.1 Phương pháp đo quang thông sử dụng hệ đo quả cầu tích phân kết hợp
thiết bị đo phổ bức xạ và quang kế chuẩn 54
3.1.1 Nguyên lý của phương pháp ISSPM 54
3.1.2 Sơ đồ khối của phương pháp ISSPM . 55
3.2 Thiết kế, chế tạo và xây dựng hệ đo . 56
3.2.1 Thiết kế quả cầu tích phân 56
3.2.1.1 Các yêu cầu kỹ thuật của quả cầu tích phân 56
3.2.1.2 Xác định phần diện tích mở A
trên quả cầu tích phân . 56
3.2.1.3 Thiết kế các tấm chắn sáng 57
3.2.4 Chọn quang kế chuẩn . 60
3.2.5 Chọn nguồn DC 61
3.2.6 Chọn bộ ổn định nhiệt độ (TEC) . 61
3.2.7 Xác định các thiết bị phụ trợ đo kiểm soát nguồn DC . 61
3.3 Chế tạo quả cầu tích phân và các bộ phận đi kèm . 61
3.3.1 Chế tạo quả cầu tích phân 61
3.3.2 Chế tạo các tấm chắn sáng 62
3.3.3 Lắng đọng lớp phủ phản xạ khuếch tán 62
3.3.3.1 Thực nghiệm 63
3.3.3.2 Xác định tỉ lệ dung dịch phun 63
3.3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách phun 65
3.3.3.4 Ảnh hưởng của áp suất phun . 67
3.3.3.5 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp phủ . 69
3.4 Lắp đặt hệ đo VMI-PR-001 . 71
3.5 Hiệu chuẩn hệ đo VMI-PR-001 . 73
3.5.1 Các bước thực hiện hiệu chuẩn . 73
3.5.2 Đánh giá độ ổn định của hệ đo VMI-PR-001 75
3.6 Quy trình hiệu chuẩn quang thông của HPCOBLED . 76
3.6.1 Xác định hệ số hiệu chính k
76
3.6.2 Quy trình đo quang thông . 76
3.7 Kết quả hiệu chuẩn quang thông của HPCOBLED . 77
3.7.1 Kết quả xác định hệ số k
. 77
3.7.2 Xác định quang thông của HPCOBED 78
3.7.3 Ước lượng độ không đảm bảo đo . 79
abs
3.8 Nghiên cứu tính chất quang điện của HPCOBLED . 81
3.8.1 Khảo sát ảnh hưởng dòng I
và nhiệt độ đến sự dịch chuyển đỉnh phổ
công suất . 81
3.8.2 Ảnh hưởng dòng I4.2.1 Giả thiết của mô hình HPCOBLED . 98
4.2.2 Mô hình HPCOBLED 98
4.3 Đánh giá độ chính xác của mô hình HPCOBLED . 99
4.4 Ứng dụng xác định quang thông của HPCOBLED theo nhiệt độ khi hệ đo
không sử dụng bộ điều khiển nhiệt độ (TEC) 101
4.4.1 Phương pháp xác định quang thông theo mô hình HPCOBLED ở Tc = 25 C
. 102
4.4.2 Chuẩn bị thực nghiệm . 102
4.4.3 Thực nghiệm . 103
4.4.4 Kết quả thực nghiệm và thảo luận 103
Kết luận chương . 104
Kết luận 106
Danh mục các công trình . 107
Bản quyền và sáng chế 107
Tài liệu tham khảo 109
Phụ lục . 114
0và nhiệt độ đến các thông số quang 82
3.8.3 Khảo sát ảnh hưởng dòng nuôi và nhiệt độ đến các thông số màu . 86
Kết luận chương . 87
Chương 4 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quang thông của
HPCOBLED. Mô hình HPCOBLED 88
4.1 Mô hình quang thông phụ thuộc nhiệt độ của Mark W.Hodapp 88
4.1.1 Mô hình Mark W.Hodapp 88
4.1.2 Mô hình Mark W.Hodapp không thể sử dụng đối với HPCOBLED . 89
4.2 Mô hình HPCOBLED (High Power COB LED Model) . 97 3.2.2 Chọn đèn chuẩn phổ . 59
3.2.3 Chọn thiết bị đo phổ bức xạ 60

Mở đầu
Hiện nay, nhân loại đang đứng trước hai thách thức to lớn, đó là sự thiếu hụt năng lượng
và quá trình biến đổi khí hậu toàn cầu. Cả hai thách thức này đều có cùng một nguyên nhân là do nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng. Theo thống kê của Cơ quan năng lượng
quốc tế (International Energy Agency-IEA), lượng điện năng tiêu thụ sử dụng trong chiếu
sáng chiếm khoảng 20% tổng công suất điện tiêu thụ toàn thế giới và tương đương với
lượng điện năng được cung cấp từ các nhà máy điện hạt nhân [41]. Đối với các nước đang
phát triển, năng lượng điện tiêu thụ sử dụng trong chiếu sáng còn lớn hơn. Ở Việt Nam
điện năng tiêu thụ trong chiếu sáng chiếm khoảng 25,3% tổng tiêu thụ điện năng và nhu
cầu sẽ tăng nhanh hơn trong thời gian tới [3]. Để giải quyết các vấn đề này, một trong các
biện pháp của các quốc gia trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng đưa ra là tìm
kiếm các nguồn năng lượng mới thân thiện với môi trường song song với các giải pháp tiết
kiệm năng lượng, đặc biệt trong công nghệ chiếu sáng.
Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, công
nghệ chế tạo nguồn sáng rắn (Solid State Lighting - SSL) ngày càng phát triển cho phép
nhận được các sản phẩm có công suất cao, quang thông lớn, hiệu suất phát quang cao và bề
mặt phát sáng rộng [4,11,28,35,36,38,39,51,65,75]. Một trong những sản phẩm này là Chip
on Board Light-Emitting Diode công suất cao (HPCOBLED) và hiện nay chúng được ứng
dụng hết sức rộng rãi trong công nghệ chiếu sáng. So với các nguồn sáng truyền thống,
HPCOBLED có hàng loạt các ưu điểm vượt trội như ánh sáng tạo ra có nhiều màu sắc, có
hiệu suất phát quang cao, thời gian sống dài và đặc biệt thân thiện với môi trường. Có thể
khẳng định rằng, trong tương lai các sản phẩm nguồn sáng rắn sẽ thay thế hoàn toàn các
nguồn sáng truyền thống [17,27,30,39,45,46,52,66,69,73,76].
Để có thể kiểm soát chất lượng của LED, vấn đề quan tâm hàng đầu là độ chính xác của
các phép đo trắc quang dùng để đánh giá các thông số của chúng. Tuy nhiên, các phép đo
trắc quang đối với LED lại phụ thuộc rất nhiều vào các đặc trưng của LED như phổ công
suất, phân bố cường độ sáng, quang thông, Các thông số này lại dễ bị ảnh hưởng bởi chế
độ làm việc của LED như dòng nuôi và nhiệt độ. Hơn nữa, HPCOBLED có tính chất
quang điện phức tạp hơn so với LED, đặc biệt quang thông của HPCOBLED có sự suy
giảm mạnh ở dòng nuôi I lớn và nhiệt độ cao [6,9,17,31,36,44,52,55,56,64,69,81,85-89].
Vì vậy, hiện nay các nhà khoa học đang tập trung phát triển các hệ đo, các phương pháp đo
mới để nâng cao độ chính xác phép đo trắc quang đối với LED nói chung và HPCOBLED
nói riêng.
Hiện nay, trên thị trường ở Việt Nam có rất nhiều LED rời rạc và HPCOBLED được
nhập khẩu từ các nhà sản xuất khác nhau. Tuy nhiên, hầu hết các sản phẩm này, đặc biệt là
các HPCOBLED đều chưa được đánh giá các thông số ban đầu. Có thể thấy, các nghiên
cứu về LED chủ yếu tập trung ở các cơ sở khoa học và công nghệ như Trường Đại học
Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, Đại học Quốc gia Hà Nội, Đại học Bách Khoa Hà
Nội,Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các công ty sản xuất đèn, Ở các
cơ sở này, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào công nghệ chế tạo ra các linh kiện LED và
các sản phẩm nguồn sáng rắn.
Một thực tế hiện nay là, để tính toán thiết kế chế tạo các sản phẩm nguồn sáng rắn từ
HPCOBLED, các dữ liệu ban đầu đều được lấy từ nhà sản suất công bố tại Tc = 25
C và
một trong các thông số đặc trưng của HPCOBLED được sử dụng để tính toán là đại lượng
quang thông. Tuy nhiên, các sản phẩm được tạo ra từ HPCOBLED có kết quả không giống
như cách tính toán đối với LED rời rạc. Điều này cho phép chúng ta nhận ra rằng có sự
khác biệt lớn giữa LED rời rạc và HPCOBLED.
Như vậy, có thể thấy rằng, một trong các vấn đề cần quan tâm nhất hiện nay trong lĩnh
vực đo lường quang là cần phải có các phương pháp đo quang thông chính xác và khả năng
xác định quang thông của COBLED ở các điều kiện thực. Đây cũng là cơ sở để chúng tôi
lựa chọn nội dung nghiên cứu của bản luận án này.
Tên đề tài luận án: Nghiên cứu, phát triển phương pháp đo quang thông HPCOBLED
(High Power Chip On Board Light Emitting Diode) và ứng dụng trong điều kiện thực.
Mục đích nghiên cứu của luận án
1. Tổng quan về HPCOBLED và các ứng dụng trong công nghệ chiếu sáng.
2. Nghiên cứu phát triển phương pháp đo quang thông của HPCOBLED có độ chính
xác cao.
3. Xây dựng hệ đo quang thông của HPCOBLED có độ chính xác cao cho mục đích
hiệu chuẩn, đo thử nghiệm (có độ không đảm bảo đo mở rộng U ≤ 3%, hệ số phủ
k = 2 với mức tin cậy P = 95%).
4. Nghiên cứu tính chất quang điện của HPCOBLED trên hệ đo đã xây dựng.
5. Nghiên cứu phát triển mô hình HPCOBLED mô tả chính xác sự phụ thuộc quang
thông của HPCOBLED vào nhiệt độ.
6. Nghiên cứu ứng dụng mô hình HPCOBLED để xác định quang thông của
HPCOBLED trong điều kiện thực.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
1. Nghiên cứu phương pháp đo quang thông của HPCOBLED và xây dựng hệ đo có
độ chính xác cao bao gồm:
 Thiết kế, chế tạo quả cầu tích phân đường kính d = 1 m có cấu hình dạng hình
học đo 2 và 4; lắng đọng lớp phủ có độ phản xạ khuếch tán cao sử dụng vật
liệu BaSO
lên trên bề mặt bên trong quả cầu tích phân.
 Lựa chọn t hi ết bị ngoại vi , t í ch hợp các t hi ết bị ngoại vi , xây dựng phần 4
mềm đo quang thông.
 Đánh giá độ chính xác và độ ổn định hệ đo đã xây dựng.
2. Khảo sát ảnh hưởng của dòng nuôi I
và nhiệt độ Tc đến tính chất quang điện của
các HPCOBLED.
f3. Nghiên cứu phát triển mô hình HPCOBLED nâng cao độ chính xác sự phụ thuộc
của quang thông vào nhiệt độ Tc.
4. Nghiên cứu ứng dụng mô hình HPCOBLED trong điều kiện thực để xác định
quang thông của HPCOBLED ở nhiệt độ Tc = 25 0C và nhiệt độ Tc bất kì.
Phương pháp nghiên cứu
Trong công trình này, chúng tôi đã sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp với
đoán nhận lí thuyết để phát triển mô hình HPCOBLED.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học
 Phát triển phương pháp đo quang thông của HPCOBLED có độ chính xác cao
(ISSPM) ở Việt Nam.
 Hoàn thiện công nghệ lắng đọng lớp phản xạ khuếch tán cho quả cầu tích phân.
 Chế tạo thành công quả cầu tích phân có đường kính d = 1 m, có lớp phản xạ
khuếch tán R ~ 98%, độ thăng giáng phản xạ ΔR ≤ 1,5% trong khoảng bước sóng
λ = (380 ư 780) nm sử dụng trong hệ đo quang thông ở Việt Nam.