nghiên cứu tính toán tối ưu vật liệu huỳnh quang đỏ ứng dụng cho led trắng

Một trong những cách cải thiện chất lượng ánh sáng trắng tạo ra từ LED hiệu quả được tập trung nghiên cứu gần đây là tìm ra loại vật liệu huỳnh quang đỏ mới để sử dụng trong LED trắng ấm

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN TỐI ƯU VẬT LIỆU HUỲNH

QUANG ĐỎ ỨNG DỤNG CHO LED TRẮNG

Sinh viên: Vũ Thùy Dương

Mã số sinh viên: 19010080 Khóa: 13

Ngành: Công nghệ vật liệu Hệ: Chính quy

Giảng viên hướng dẫn: GS.TS Phạm Thành Huy

Hà Nội – Năm 2024

Copies for internal use only in Phenikaa University

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN TỐI ƯU VẬT LIỆU HUỲNH

QUANG ĐỎ ỨNG DỤNG CHO LED TRẮNG

Sinh viên: Vũ Thùy Dương

Mã số sinh viên: 19010080 Khóa: 13

Ngành: Công nghệ vật liệu Hệ: Chính quy

Giảng viên hướng dẫn: GS.TS Phạm Thành Huy

Hà Nội – Năm 2024

Copies for internal use only in Phenikaa University

Copies for internal use only in Phenikaa University

Copies for internal use only in Phenikaa University

Copies for internal use only in Phenikaa University

Copies for internal use only in Phenikaa University

Copies for internal use only in Phenikaa University

Copies for internal use only in Phenikaa University

Copies for internal use only in Phenikaa University

Copies for internal use only in Phenikaa University

Copies for internal use only in Phenikaa University

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trong lĩnh vực chiếu sáng, LED (Lighting Emitting Diode) đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng mạnh mẽ nhờ những ưu điểm vượt trội so với những loại đèn truyền thống Chính vì vậy, một số chỉ số quan trọng của đèn LED liên quan đến vai trò thị giác như là nhiệt độ màu tương quan (CCT), chỉ số hoàn màu (CRI)

và hiệu suất quang-quang LER đang nhận được nhiều sự quan tâm và chú ý gần đây nhằm nâng cao hiệu quả thị giác của ánh sáng LED và hiệu suất của LED Một trong những cách cải thiện chất lượng ánh sáng trắng tạo ra từ LED hiệu quả được tập trung nghiên cứu gần đây là tìm ra loại vật liệu huỳnh quang đỏ mới để sử dụng trong LED trắng ấm Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây mới chỉ dừng lại ở việc tổng quan những phát hiện về phosphor đỏ dải hẹp mới cùng CRI hoặc LER được cải thiện khi ứng dụng chúng vào trong LED mà chưa chú ý quan tâm xác định loại vật liệu huỳnh quang đỏ nào thì LED đạt được CRI và LER tối ưu Trong đồ

án này, chúng tôi khảo sát các loại vật liệu huỳnh quang đỏ ứng dụng cho LED trắng Tiếp theo, nghiên cứu tính toán CRI, LER của LED trắng (từ tổ hợp chip Blue + vật liệu huỳnh quang YAG + vật liệu huỳnh quang đỏ) cho tất cả các loại vật liệu huỳnh quang đỏ khác nhau Từ đó, xác định loại vật liệu huỳnh quang đỏ

để LED có LER cao và CRI cao tại mỗi bin CCT khác nhau Kết quả tính toán chỉ

ra rằng CRI max tại = 92,9 tại R = 665 nm, R = 110 nm và LER max = 367,4 tại R = 620 nm, R = 30 nm (CRI = 80)

Hà Nội, ngày tháng năm 2024

SINH VIÊN

Vũ Thùy Dương

Copies for internal use only in Phenikaa University

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Vũ Thùy Dương

Mã sinh viên: 19010080 Lớp: K13 Công nghệ vật liệu Ngành: Công nghệ vật liệu

Tôi đã thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài: Nghiên cứu tính toán tối ưu vật liệu huỳnh quang đỏ ứng dụng cho LED trắng

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn của: GS.TS Phạm Thành Huy

Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa được các tác giả khác công bố dưới bất kỳ hình thức nào Nếu phát hiện có bất kỳ hình thức gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến GS TS Phạm Thành Huy và PGS

TS Đào Xuân Việt đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm đồ

án

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại học Phenikaa nói chung, các thầy cô trong Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành

đồ án tốt nghiệp

Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của một học viên, đồ án này không thể tránh được những thiếu sót Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô để em có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức của mình, phục vụ tốt hơn công tác thực tế sau này

Hà Nội, ngày tháng năm 2024

SINH VIÊN

Vũ Thùy Dương

Copies for internal use only in Phenikaa University

MỤC LỤC

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT x

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích 1

3 Đối tượng nghiên cứu 2

4 Phạm vi nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về LED 3

1.2 LED đơn sắc 6

1.3 LED trắng 6

1.3.1 LED RGB 9

1.3.2 LED phosphor 9

1.4 Các thông số quang và hiệu suất quang quang của LED 11

1.4.1 Nhiệt độ màu tương quan (Correlated Color Temperature – CCT) 11 1.4.2 Chỉ số hoàn màu (Color Rendering Index – CRI) 13

1.4.3 Hiệu suất quang (Luminous Efficacy of Radiation – LER) 15

1.4.4 Mối liên hệ giữa CRI và LER 15

1.5 Tổng quan về vật liệu huỳnh quang đỏ 15

Copies for internal use only in Phenikaa University

1.6 Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng vật liệu huỳnh quang đỏ chế tạo

LED trắng ấm 17

1.6.1 Các nghiên cứu thực nghiệm 17

1.6.2 Các nghiên cứu tính toán 26

1.7 Mục tiêu nghiên cứu 29

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 30

2.1 Xây dựng phổ tính toán dựa trên phổ thực nghiệm 30

2.1.1 Xây dựng phổ LED đơn sắc Blue 30

2.1.2 Xây dựng phổ Yellow phosphor 32

2.1.3 Xây dựng phổ tính toán Red phosphor 33

2.2 Tính toán để được phổ tổng 34

2.3 Quy trình tính toán CCT, CRI và LER 35

2.3.1 Chỉ số hoàn màu CRI 38

2.3.2 Hiệu suất quang-quang LER 48

2.4 Kết quả tính toán 48

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 49

3.1 Phosphor đỏ (600 nm  R  695 nm, 30 nm  R  125 nm) 49

3.2 Phosphor đỏ (R = 615, 630, 660 nm, 30 nm  R  125 nm) 61

3.2.1 Phosphor đỏ (R = 615 nm, 30 nm  R  125 nm) 62

3.2.2 Phosphor đỏ (R = 630 nm, 30 nm  R  125 nm) 66

3.2.3 Phosphor đỏ (R = 660 nm, 30 nm  R  125 nm) 70

KẾT LUẬN 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO x

Copies for internal use only in Phenikaa University

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của chip LED [3] 4

Hình 1.2 Cấu tạo của LED 5

Hình 1.3 Phân vùng bước sóng ánh sáng đơn sắc 6

Hình 1.4 Ba loại LED trắng phổ biến hiện nay 7

Hình 1.5 Kết hợp chip LED đỏ, xanh lục và xanh lam để được LED trắng 9

Hình 1.6 Ví dụ LED phosphor 10

Hình 1.7 Cơ chế phát quang của LED phủ phosphor [7] 10

Hình 1.8 Minh họa nhiệt độ màu tương quan CCT 12

Hình 1.9 Hệ tọa độ màu CIE 1931 và đường cong Planck 13

Hình 1.10 Sơ đồ phát triển các loại vật liệu huỳnh quang cho pc-WLEDs [15] 17 Hình 1.11 Sơ đồ cấu trúc tinh thể và phổ phát xạ của các loại vật liệu huỳnh quang đỏ được chọn cho pc-WLEDs: (a) CaS sulfide, CaS:Eu2+ (b) Sr2Si5N8 nitride, Sr2Si5N8:Eu2+ (c) CaAlSiN3 nitride, CaAlSiN3:Eu2+ (d) K2SiF6 floride, K2SiF6:Mn4+ (e) Sr[LiAl3N4] nitridoaluminate, Sr[LiAl3N4]:Eu2+ (f) CsPbI3 [15] 18

Hình 1.12 (a) Cấu trúc tinh thể của mô hình các hợp chất MSi2O2N2:Eu2+ (M = Ca, Sr, Ba) và các đối xứng cục bộ quanh các ion Eu2+ (b) phổ PL và PLE của MSi2O2N2:Eu2+ (M = Ca, Sr, Ba) [11] 22

Hình 1.13 (a) Các mức dải Eu2+ 4f trung bình cho năm loại vật liệu huỳnh quang dải hẹp và bốn loại vật liệu huỳnh quang dải rộng (b) Mối quan hệ giữa dải năng lượng phát xạ và các mức Eu2+ 4f [27] 23

Hình 1.14 Mối liên hệ giữa CRI và LER ở CCT 3000 K [32] 27

Hình 1.15 Biên giới Pareto ở các trường hợp LED khác nhau (a, b) và phổ tương ứng các trường hợp khi ghép RGB, RGpB, RpGpB (c, d, f) [34] 28

Hình 1.16 Tổ hợp LED từ Blue chip, YAG phosphor và Red phosphor 28

Hình 2.1 Hàm số Gaussian kép (đường nét liền) của chip LED đơn sắc với bước sóng đỉnh 464 nm và phổ thực nghiệm (đường nét đứt) của chip LED Blue [37] 31

Hình 2.2 Phổ thực nghiệm (đường nét liền) và hàm số SP7 (đường nét đứt) của YAG phosphor [38] 33

Copies for internal use only in Phenikaa University

Hình 2.3 Phổ thực nghiệm (đường nét liền) và hàm số Gaussian kép (đường nét

đứt) của Red phosphor [33] 34

Hình 2.4 Phổ độ nhạy chuẩn hóa của ba tế bào hình nón 35

Hình 2.5 Ba hàm hợp màu theo chuẩn CIE 36

Hình 2.6 Tọa độ màu u, v CIE 1960 37

Hình 2.7 14 TCS (Test Color Samples) chuẩn để tính CRI của nguồn sáng [44] 44

Hình 2.8 Quy trình tính toán CRI [45] 47

Hình 3.1 Phân bố CRI, R9 theo các bin CCT khác nhau của LED 49

Hình 3.2 Phân bố LER theo các bin CCT khác nhau của LED 50

Hình 3.3 CRI phụ thuộc vào R tại các bin CCT khác nhau 51

Hình 3.4 CRI phụ thuộc vào R tại các bin CCT khác nhau 52

Hình 3.5 LER phụ thuộc vào R tại các bin CCT khác nhau 52

Hình 3.6 LER phụ thuộc vào R tại các bin CCT khác nhau 53

Hình 3.7 Phân bố LER và CRI theo các bin CCT khác nhau của LED 54

Hình 3.8 Ví dụ phổ tối ưu CRI max khi CCT = 2700 K 55

Hình 3.9 Phổ tối ưu CRI cực đại tại các bin CCT khác nhau của LED 56

Hình 3.10 CRI max phụ thuộc vào R ở CCT = 2700 K 58

Hình 3.11 Ví dụ phổ tối ưu LER max khi CCT = 2700 K 58

Hình 3.12 Phổ tối ưu LER cực đại khi CRI = 80 tại các bin CCT khác nhau của LED 59

Hình 3.13 LER max phụ thuộc vào R ở CCT = 2700 K 60

Hình 3.14 LER max phụ thuộc vào R ở CCT = 2700 K 61

Hình 3.15 Phổ tối ưu CRI cực đại tại các bin CCT khác nhau của LED khi cố định R = 615 nm 62

Hình 3.16 Phổ tối ưu LER cực đại tại các bin CCT khác nhau của LED khi cố định R = 615 nm 64

Hình 3.17 Phổ tối ưu CRI cực đại tại các bin CCT khác nhau của LED khi cố định R = 630 nm 66

Copies for internal use only in Phenikaa University

Hình 3.18 Phổ tối ưu LER cực đại tại các bin CCT khác nhau của LED khi cố định

R = 630 nm 68Hình 3.19 Phổ tối ưu CRI cực đại tại các bin CCT khác nhau của LED khi cố định

R = 660 nm 70Hình 3.20 Phổ tối ưu LER cực đại tại các bin CCT khác nhau của LED khi cố định

R = 660 nm 72

Copies for internal use only in Phenikaa University

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Nhóm chỉ số CRI phổ biến 14

Bảng 1.2 Tính chất quang học của các loại vật liệu huỳnh quang màu đỏ 19

Bảng 1.3 Hiệu suất quang học của các vật liệu huỳnh quang nitride phát xạ đỏ dải rộng thông thường trong các pc-WLEDs 20

Bảng 1.4 Tính chất quang học của vật liệu huỳnh quang nitride phát xạ hẹp cho pc-WLEDs 24

Bảng 1.5 Hiệu suất quang học của các vật liệu huỳnh quang nitride phát xạ đỏ dải hẹp trong các pc-WLEDs 25

Bảng 2.1 Các tham số giá trị của LED Blue [32] 31

Bảng 2.2 Các tham số giá trị của YAG phosphor 32

Bảng 2.3 Ba hàm hợp màu CIE 1931 [43] 39

Bảng 2.4 Các vectơ phân bố của ánh sáng ban ngày [43] 42

Bảng 2.5 Các thông số RGB của 14 TCS 45

Bảng 3.1 Đặc điểm của các LED khi CRI cực đại ở các bin CCT khác nhau từ trắng ấm đến trắng lạnh 57

Bảng 3.2 Đặc điểm của các LED khi LER cực đại (CRI = 80) ở các bin CCT khác nhau từ trắng ấm đến trắng lạnh 59

Bảng 3.3 Đặc điểm của các LED khi CRI cực đại ở các bin CCT khác nhau với R = 615 nm 62

Bảng 3.4 Đặc điểm của các LED khi LER cực đại ở các bin CCT khác nhau với R = 615 nm 64

Bảng 3.5 Đặc điểm của các LED khi CRI cực đại ở các bin CCT khác nhau với R = 630 nm 66

Bảng 3.6 Đặc điểm của các LED khi LER cực đại ở các bin CCT khác nhau với R = 630 nm 68

Bảng 3.7 Đặc điểm của các LED khi CRI cực đại ở các bin CCT khác nhau với R = 660 nm 70

Bảng 3.8 Đặc điểm của các LED khi LER cực đại ở các bin CCT khác nhau với R = 660 nm 72

Copies for internal use only in Phenikaa University

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 LED Light Emitting Diode Điốt phát quang

2 LED RGB

Light Emitting Diode Red chip Green chip Blue chip

Điốt phát quang đơn sắc màu

đỏ xanh lục xanh lam

International Commission on Illumination

Uỷ ban chiếu sáng quốc tế

Temperature Nhiệt độ màu tương quan

5 CRI Color Rendering Index Chỉ số hoàn màu

6 LER Luminous Efficacy of

Garnet Phosphor Powder

Bột phosphor phát xạ vùng màu vàng có bước sóng đỉnh

550 nm

8 ANSI American National

Standards Institute, Inc

Viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa

Kỳ

9 pc-WLEDs

Phosphor-converted white light emitting

diodes

Điốt phát quang ánh sáng trắng sử dụng vật liệu huỳnh

Trong lĩnh vực chiếu sáng, LED (Lighting Emitting Diode) đang được coi

những lợi ích vô cùng to lớn của nó mang lại so với đèn truyền thống, ví dụ như:

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

Như vậy, một số chỉ số quan trọng của đèn LED liên quan đến vai trò thị giác như: CCT, CRI và hiệu suất quang-quang LER đang nhận được nhiều sự quan tâm và chú ý gần đây nhằm cải thiện chất lượng và nâng cao hiệu quả thị giác của ánh sáng trắng tạo ra bởi đèn LED Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu

đã chỉ ra rằng việc tổ hợp LED với phosphor đỏ phát xạ hẹp phù hợp giúp tối ưu chất lượng hình ảnh CRI và hiệu quả phát sáng LER của LED, từ đó cải thiện chất lượng thị giác của ánh sáng trắng đem tới cho con người

Chính vì vậy, chúng tôi đã hướng đến đề tài “Nghiên cứu tính toán tối ưu vật liệu huỳnh quang đỏ ứng dụng cho LED trắng” nhằm xác định được loại vật

liệu huỳnh quang đỏ ứng dụng cho LED trắng có CRI và LER tối ưu tại các nhiệt

độ màu khác nhau

2 Mục đích

̶ Tổng quan tình hình nghiên cứu vật liệu huỳnh quang đỏ ứng dụng cho LED trắng

̶ Tính toán tối ưu vật liệu huỳnh quang đỏ ứng dụng cho LED trắng

Copies for internal use only in Phenikaa University

3 Đối tượng nghiên cứu

̶ Vật liệu huỳnh quang phát xạ đỏ

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Trong lĩnh vực chiếu sáng, LED (Lighting Emitting Diode) đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng mạnh mẽ nhờ những ưu điểm vượt trội so với những loại đèn truyền thống, ví dụ như: tiết kiệm điện năng, hiệu suất tốt, chất lượng ánh sáng

Do đó, một số chỉ số quan trọng của đèn LED liên quan đến vai trò thị giác như: CCT, CRI và LER đang nhận được nhiều sự quan tâm và chú ý gần đây nhằm cải thiện chất lượng và nâng cao hiệu quả thị giác của ánh sáng trắng tạo ra bởi đèn LED Một trong những cách cải thiện chất lượng ánh sáng trắng tạo ra từ LED hiệu quả được tập trung nghiên cứu gần đây là tìm ra loại phosphor đỏ mới để sử dụng trong LED trắng ấm Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây mới chỉ dừng lại ở việc tóm tắt những phát hiện gần đây về phosphor đỏ dải hẹp mới cùng CRI hoặc LER được cải thiện khi ứng dụng chúng vào chế tạo demo LED mà chưa có nghiên cứu nào tính toán xác định vật liệu huynh quang đỏ nào thì đạt được CRI cao và LER cao

Trong đồ án này, chúng tôi quan tâm đến LED phosphor với phosphor đỏ phát xạ hẹp phù hợp để thu được ánh sáng trắng có chất lượng hình ảnh và hiệu quả phát sáng tối ưu Chúng tôi tiến hành khảo sát các trường hợp khả dĩ của các loại phosphor đỏ phát xạ hẹp kết hợp cùng với chip Blue và YAG phosphor để tìm

ra trường hợp tốt nhất nhằm tìm kiếm nguồn sáng LED có LER phù hợp và CRI cao với mỗi bin CCT khác nhau nhằm đáp ứng nhu cầu thị giác của con người Từ

đó, mở ra tiềm năng cải thiện chất lượng ánh sáng cũng như tối ưu hiệu suất quang của LED giúp tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường

Copies for internal use only in Phenikaa University

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 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]

Copies for internal use only in Phenikaa University

Hình 1.1 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:

Copies for internal use only in Phenikaa University

̶ 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

Hình 1.2 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

Copies for internal use only in Phenikaa University

Hình 1.3 Phân vùng bước sóng ánh sáng đơn sắc

và phòng ngủ để tạo ra không gian ấm cúng và thân thiện

Copies for internal use only in Phenikaa University

̶ 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

Hình 1.4 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

Copies for internal use only in Phenikaa University

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

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]

Copies for internal use only in Phenikaa University

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

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

Hình 1.5 Kết hợp chip LED đỏ, xanh lục và xanh lam để được LED trắng

Copies for internal use only in Phenikaa University

Khi sử dụng phương pháp này, lớp phosphor được phủ lên chip LED xanh lam hoặc UV, sau đó khi đèn LED được bật lên, ánh sáng phát ra bao gồm ánh sáng xanh từ chip LED và ánh sáng trắng từ lớp phosphor Phương pháp này cho phép tạo ra ánh sáng trắng với phổ rộng và độ phân giải màu sắc tốt, đáp ứng được yêu cầu của các ứng dụng khác nhau Tuy nhiên, thách thức lớn nhất mà các LED trắng dựa trên cơ chế chuyển đổi phosphor này phải đối mặt là giải quyết sự thất thoát năng lượng Stokes dường như không thể tránh khỏi Điều này có thể được thực hiện bằng cách điều chỉnh thiết kế bao bì tốt hơn hoặc bằng cách thay thế một loại phosphor phù hợp hơn [2]

Hình 1.6 Ví dụ LED phosphor

Hình 1.7 Cơ chế phát quang của LED phủ phosphor [7]

Copies for internal use only in Phenikaa University

Nguyên lý cơ bản mô tả hiện tượng chuyển đổi ánh sáng qua lớp phosphor được thể hiện trong Hình 1.7 [7]:

̶ Chip LED phát xạ ánh sáng đơn sắc ở vùng bước sóng ngắn (xanh lam hoặc UV) với bán độ rộng phổ < 40 nm

̶ Các photon xanh lam bị hấp thụ bởi phân tử phosphor, sau đó kích thích phân tử phosphor phát xạ ra các photon bước sóng lớn hơn; phát xạ này có thể phát ra ngoài hoặc bị hấp thụ, triệt tiêu do các va chạm tiếp theo

̶ Các photon phát ra bởi chip LED xanh lam không va phải phân tử phosphor

sẽ được phát xạ trực tiếp ra bên ngoài bề mặt LED

̶ Tổ hợp các photon phát ra sau khi lớp phosphor được kích thích từ chip LED xanh lam và phần còn lại của chip LED xanh lam sẽ tạo thành ánh sáng của LED hoàn chỉnh sau khi đóng gói

Trong đồ án này, chúng tôi quan tâm nghiên cứu tính toán tối ưu CRI, LER cho LED trắng chế tạo từ chip Blue + vật liệu huỳnh quang YAG + vật liệu huỳnh quang đỏ khác nhau

1.4 Các thông số quang và hiệu suất quang quang của LED

Thị giác là một khả năng quan trọng, giúp con người nhìn rõ và phân tích

dữ liệu hình ảnh Khi ánh sáng đủ mạnh chiếu vào mắt, các tế bào mắt sẽ tiếp nhận ánh sáng này và gửi về não bộ để tiến hành phân tích Tuy nhiên, chất lượng của ánh sáng cũng ảnh hưởng lớn đến khả năng nhìn và phân tích của thị giác Do đó, một số chỉ số quan trọng của đèn LED liên quan đến thị giác như: nhiệt độ màu tương quan (Correlated Color Temperature – CCT), chỉ số hoàn màu (Color Rendering Index – CRI) và hiệu suất phát quang (Luminous Efficacy of Radiation – LER) đang nhận được nhiều sự quan tâm và chú ý gần đây

1.4.1 Nhiệt độ màu tương quan (Correlated Color Temperature – CCT)

Nhiệt độ màu biểu thị sắc độ của một bức xạ nhất định bằng nhiệt độ của vật đen có cùng sắc độ với nhiệt độ của bức xạ Đối với bức xạ có sắc độ không hoàn toàn bằng nhiệt độ màu của vật đen, nhiệt độ màu tương quan (Correlated Color Temperature – CCT) được định nghĩa là nhiệt độ của vật đen có sắc độ gần

Copies for internal use only in Phenikaa University

nhất với nhiệt độ của bức xạ Thang nhiệt độ tuyệt đối (tính bằng Kelvin) được sử dụng để biểu thị các nhiệt độ này [8]

Nhiệt độ màu tương quan cho biết sắc độ của bức xạ đã cho tương ứng với sắc độ của bức xạ từ vật đen có nhiệt độ tuyệt đối tương tự Tuy nhiên, nó không nhất thiết chỉ ra rằng bản thân nguồn sáng đã được làm nóng đến nhiệt độ này Ví

dụ, một số đèn huỳnh quang có CCT từ 6000 K trở lên, nhưng nhiệt độ thực tế của chúng không cao đến vậy Giá trị của CCT chỉ biểu thị rằng một đèn như vậy phát

ra ánh sáng có màu gần giống nhất với màu của vật đen được nung nóng đến nhiệt

độ tuyệt đối 6000 K CCT là một trong những yếu tố quan trọng để lựa chọn ánh sáng phù hợp với mục đích sử dụng, như trong không gian sinh hoạt, làm việc hoặc trưng bày sản phẩm [8]

Hình 1.8 Minh họa nhiệt độ màu tương quan CCT

Trên hệ tọa độ màu CIE, nhiệt độ màu được biểu diễn bằng hai vị trí x và y Đường nối các điểm màu của chuỗi nhiệt độ tuyệt đối của vật đen được gọi là quỹ tích Planck Nhiệt độ màu tương ứng với các sắc độ này có thể thu được ngay lập tức dưới dạng nhiệt độ tuyệt đối tương ứng trên quỹ tích Planck Đối với các sắc

độ không nằm trên quỹ tích Planck, nhiệt độ màu tương quan có thể thu được trên

hệ tọa độ màu CIE 1960 bằng cách vẽ một đường thẳng từ điểm sắc độ của bức xạ sao cho nó đi qua quỹ tích Planck tại một điểm vuông góc rồi xác định nhiệt độ tương ứng tại điểm giao nhau [8] Copies for internal use only in Phenikaa University

Hình 1.9 Hệ tọa độ màu CIE 1931 và đường cong Planck

1.4.2 Chỉ số hoàn màu (Color Rendering Index – CRI)

Chỉ số hoàn màu (Color Rendering Index – CRI) là thước đo định lượng về khả năng của nguồn sáng thể hiện màu sắc của các vật thể khác nhau một cách trung thực so với nguồn sáng tự nhiên hoặc nguồn sáng tiêu chuẩn CRI được đo theo thang điểm từ 0 đến 100, với 100 biểu thị khả năng hiển thị màu hoàn hảo phù hợp với quang phổ của ánh sáng mặt trời tự nhiên (đại diện cho việc tái tạo màu sắc tốt nhất) Một chỉ số CRI cao cho thấy rằng màu sắc của các vật thể dưới ánh sáng được kiểm tra sẽ được tái tạo chính xác và tự nhiên Trong khi đó, một

Copies for internal use only in Phenikaa University

chỉ số CRI thấp hơn có thể dẫn đến việc màu sắc của các vật thể xuất hiện nhạt nhòa hoặc biến đổi so với màu sắc thực tế CRI là một yếu tố quan trọng khi lựa chọn đèn chiếu sáng cho các môi trường cần chính xác màu sắc như nơi làm việc, cửa hàng bán lẻ, nhà hàng hoặc studio nghệ thuật Tuy nhiên, sự lựa chọn đèn LED với CRI phù hợp còn phụ thuộc vào mục đích sử dụng của sản phẩm

Bảng 1.1 Nhóm chỉ số CRI phổ biến

Chỉ số

CRI

Đặc điểm Chất lượng ánh sáng Ứng dụng

0 Các màu

đơn sắc

Làm thay đổi màu sắc của vật thể khi chiếu sáng theo màu đèn như:

Chiếu sáng sân vườn, đèn khu nhà vệ sinh, phòng ngủ

rõ các vật thể xung

quanh

Ứng dụng trong chiếu sáng ngoài trời: Sân vườn, khu vực sinh hoạt chung của khu

công nghiệp …

70 – 85

Ánh sáng

thông dụng nhất

Độ trả màu tương đối chính xác

Sử dụng trong chiếu sáng dân dụng, đường phố, văn phòng, nhà xưởng …

85 – 95

Ánh sáng

trung thực

Màu sắc vật thể được chiếu sáng gần như chính

xác

Ứng dụng chiếu sáng trong các không gian yêu cầu độ trung thực màu sắc vật thể cao: Phòng pha chế màu sơn, xưởng sản xuất màu vẽ, xưởng in tranh …

Copies for internal use only in Phenikaa University

100 Ánh sáng

mặt trời

Màu sắc vật thể được chiếu sáng trung thực

nhất

Ánh sáng ban ngày phục vụ cho đời sống, mọi sinh hoạt của con người và các loài

sinh vật khác

1.4.3 Hiệu suất quang (Luminous Efficacy of Radiation – LER)

Nhân tố chính thúc đẩy cho chiếu sáng rắn là tiềm năng tiết kiệm năng lượng khổng lồ trên quy mô quốc gia hoặc toàn cầu Vì vậy, khi xem xét quang phổ của nguồn sáng để chiếu sáng chung, một khía cạnh quan trọng khác cần xem xét là hiệu suất quang, hay còn gọi là hiệu quả phát sáng của bức xạ (Luminous Efficacy

of Radiation – LER), được tính bằng tỷ lệ thông lượng phát sáng (quang thông) trên tổng thông lượng bức xạ [9]

1.4.4 Mối liên hệ giữa CRI và LER

Chỉ số CRI có tỷ lệ nghịch với hiệu suất quang LER Dựa trên CRI, khả năng hiển thị màu đạt được tốt nhất nhờ phổ băng thông rộng phân bố khắp vùng khả kiến, trong khi hiệu suất phát sáng đạt được tốt nhất bằng bức xạ đơn sắc ở bước sóng 555 nm Mối quan hệ đánh đổi này thể hiện rõ ở nhiều loại đèn hiện có Bằng cách nghiên cứu CRI, một số người tin rằng quang phổ của đèn LED trắng

sẽ bắt chước quang phổ của mặt trời hoặc vật đen Mặc dù những quang phổ như vậy chắc chắn sẽ cho giá trị CRI cao nhưng chúng sẽ bị ảnh hưởng đáng kể nếu LER thấp Thách thức trong việc tạo ra đèn LED để sử dụng làm nguồn chiếu sáng

là mang lại hiệu quả sử dụng năng lượng cao nhất có thể đồng thời đạt được khả năng hiển thị màu sắc tốt nhất có thể Vì vậy, khi sản xuất đèn LED phải chú ý cân bằng giữa hai chỉ số này để có thể vừa tiết kiệm điện năng vừa phản ánh chân thực màu sắc của vật thể [9]

1.5 Tổng quan về vật liệu huỳnh quang đỏ

Sự phát triển của vật liệu huỳnh quang phát xạ hẹp trong vùng quang phổ khả kiến màu đỏ là một thách thức to lớn trong cộng đồng khoa học, do đó, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để cải thiện khả năng hiển thị màu sắc và nâng cao hiệu quả năng lượng thị giác của điốt phát quang ánh sáng trắng sử dụng vật liệu

Copies for internal use only in Phenikaa University

huỳnh quang (phosphor-converted white light emitting diodes – pc-WLEDs) bằng cách điều chỉnh quang phổ màu trắng tương ứng của chúng với đường cong độ

nhạy thị giác (V(λ)) của mắt người để ứng dụng trong chiếu sáng pc-WLED màu

trắng ấm Gần đây, vật liệu huỳnh quang phát xạ hẹp màu đỏ mới, chẳng hạn như phosphor K2SiF6:Mn4+ (KSF) [10], phosphor Sr[LiAl3N4]:Eu2+ (SLAN) [11], và tinh thể nano trong họ CsPbI3 Perovskite [12], đã được nghiên cứu kĩ lưỡng nhờ chỉ số hoàn màu (CRI) và hiệu quả phát sáng của bức xạ (LER) được cải thiện của chúng

Hầu hết các nghiên cứu trước đây đã mô tả các phương pháp sẵn có để tìm

ra các bột huỳnh quang phát xạ hẹp màu đỏ mới với chất lượng quang học cao, chẳng hạn như:

(i) năng suất lượng tử phát quang cao thu được bằng cách tối ưu hóa các biến tổng hợp, hóa học và nhiệt động;

(ii) LER cao, thu được bằng cách giảm tỷ lệ photon bị lãng phí, thu hẹp băng

thông và dịch chuyển vị trí cực đại của phổ phát xạ đỏ sang gần phía bước sóng màu xanh;

(iii) bước sóng cực đại phù hợp, thu được bằng cách điều chỉnh cấu trúc tinh thể

của vật chủ, loại ion của chất kích hoạt, môi trường cục bộ xung quanh chất kích hoạt …;

(iv) thu hẹp bán độ rộng phổ (full-width at half maximum – FWHM) phát xạ đỏ

bằng cách tối ưu hóa cấu trúc tinh thể, độ cứng của tinh thể, tính đối xứng cục bộ và số lượng vị trí sẵn có cho chất kích hoạt

Hầu hết các nhà khoa học đã thể hiện sự chú ý quan tâm đến việc thiết kế

và nghiên cứu các loại vật liệu huỳnh quang phát xạ hẹp trong vùng quang phổ khả kiến màu đỏ mới sẽ phù hợp với các ứng dụng chiếu sáng pc-WLED màu trắng

ấm Nếu vật liệu huỳnh quang phát xạ hẹp màu đỏ được kết hợp với vật liệu huỳnh quang phát xạ rộng màu vàng hoặc xanh lá cây và LED InGaN màu xanh lam, thì

nó thường có thể được áp dụng cho chiếu sáng chung nhằm mục đích cải thiện CRI và/hoặc LER của pc-WLED Vì lý do này, các nghiên cứu chuyên sâu nhằm tìm ra một loại vật liệu huỳnh quang phát xạ hẹp màu đỏ mới đã cố gắng giải quyết vấn

Copies for internal use only in Phenikaa University

đề thiếu hụt màu đỏ của vật liệu huỳnh quang màu vàng trong các pc-WLEDs dựa trên phosphor Y3Al5O12:Ce3+ (YAG) có bán trên thị trường [13] Mặt khác, nếu vật liệu huỳnh quang phát xạ hẹp màu đỏ được kết hợp với vật liệu huỳnh quang phát

xạ hẹp màu xanh lục và LED InGaN màu xanh lam, thì nó chỉ có thể được áp dụng cho hệ thống đèn nền pc-WLED trắng-xanh lam cho màn hình LCD, vì vùng gam màu của pc-WLEDs RGB được mở rộng với sự giảm của bán độ rộng phổ phát xạ màu xanh lục và đỏ [14] Hình 1.11 cho thấy sơ đồ phát triển các loại vật liệu huỳnh quang cho chiếu sáng pc-WLED từ các nghiên cứu trước đó

Hình 1.10 Sơ đồ phát triển các loại vật liệu huỳnh quang cho pc-WLEDs [15]

1.6 Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng vật liệu huỳnh quang đỏ chế tạo

LED trắng ấm

1.6.1 Các nghiên cứu thực nghiệm

Cho đến nay, để phát triển hệ thống chiếu sáng pc-WLED có hiệu quả cao

và có khả năng hiển thị màu sắc tốt, các nhà nghiên cứu đã nỗ lực rất nhiều trong việc tìm kiếm các loại vật liệu huỳnh quang phát xạ hẹp mới Mục tiêu cuối cùng của các loại vật liệu huỳnh quang phát xạ hẹp màu đỏ mới là tạo ra ánh sáng trắng

ấm chiếu sáng hiệu quả, CCT trong khoảng 2700 ~ 4000 K; CRI cao và LER được tối ưu hóa

Copies for internal use only in Phenikaa University

Để đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất phát sáng cao, độ ổn định nhiệt cao và CRI cao cho các ứng dụng pc-WLEDs, một hỗn hợp được tối ưu hóa của

Lu3Al5O12:Ce3+ (LuAG, vàng-lục) và CaAlSiN3:Eu2+ (CASN, đỏ) gần đây đã được phát triển cho LED phosphor thế hệ thứ ba Để thay thế cho phosphor CASN đỏ, nhiều loại vật liệu huỳnh quang phát xạ hẹp màu đỏ khác nhau có giá trị CRI và LER cao ở màu trắng ấm đã được đề xuất

Các loại vật liệu huỳnh quang phát xạ hẹp màu đỏ được chọn cho WLEDs được tóm tắt trong Hình 1.12, liệt kê theo sự tiến triển của các ứng cử viên màu đỏ từ họ phosphor dải rộng (CaS:Eu2+, Sr2Si5N8:Eu2+, CaAlSiN3:Eu2+) đến họ phosphor dải hẹp (K2SiF6:Mn4+, Sr[LiAl3N4]:Eu2+, CsPbI3)

pc-Hình 1.11 Sơ đồ cấu trúc tinh thể và phổ phát xạ của các loại vật liệu huỳnh quang đỏ được chọn cho pc-WLEDs: (a) CaS sulfide, CaS:Eu 2+ (b) Sr 2 Si 5 N 8

nitride, Sr 2 Si 5 N 8 :Eu 2+ (c) CaAlSiN 3 nitride, CaAlSiN 3 :Eu 2+ (d) K 2 SiF 6 floride,

K 2 SiF 6 :Mn 4+ (e) Sr[LiAl 3 N 4 ] nitridoaluminate, Sr[LiAl 3 N 4 ]:Eu 2+ (f) CsPbI 3 [15]

Cụ thể, như trong các báo cáo trước đó, thế hệ đầu tiên của vật liệu huỳnh quang màu đỏ, ví dụ như là CaS:Eu2+ hoặc (SrCa)S:Eu2+, cho thấy quang phổ phát

xạ tốt, nhưng không có sẵn trên thị trường vì đặc tính hút ẩm của chúng và khí độc hại với môi trường mà chúng tạo ra trong quá trình thủy phân

Là loại vật liệu thế hệ thứ hai và thứ ba, cả hai loại vật liệu huỳnh quang thuộc họ nitride Sr2Si5N8:Eu2+ (SSN, hoặc Ca2Si5N8:Eu, CSN) và vật liệu huỳnh quang đỏ CASN (hoặc (SrCa)AlSiN3:Eu2+, SCASN) đã được được phát triển trong vòng hai thập kỷ qua và đã được thương mại hóa đối với đèn LED trắng ấm dùng

Copies for internal use only in Phenikaa University

để chiếu sáng Bước sóng cực đại phát ra của cả hai loại vật liệu huỳnh quang (Ba,Sr)2Si5N8:Eu2+ (BSSN) và SCASN được điều chỉnh bằng cách thay đổi nồng

độ Eu và tỷ lệ Sr/Ca tương ứng Mặc dù việc bổ sung vật liệu huỳnh quang đỏ vào các pc-WLEDs dựa trên YAG làm tăng CRI, nhưng LER của các đỉnh màu đỏ và các WLEDs tương ứng của chúng cũng tăng lên khi bước sóng cực đại của vật liệu huỳnh quang màu đỏ giảm xuống (xem Bảng 1.2) Trường hợp này xảy ra do phần lớn phát xạ dải rộng (FWHM ~ 90 nm) từ các vật liệu huỳnh quang nitride đỏ nằm ngoài giới hạn độ nhạy bước sóng dài của mắt người (> ~700 nm), dẫn đến sự giảm hiệu quả phát sáng của pc-WLED Mặc dù có sự mất mát rõ rệt của các vùng quang phổ hồng ngoại và đỏ đậm của thành phần màu đỏ tồn tại ở màu trắng ấm, các loại vật liệu huỳnh quang nitride đỏ dải rộng này vẫn được sử dụng trong các pc-WLEDs cấp độ chiếu sáng do hạn chế về số lượng của các loại vật liệu huỳnh quang phát xạ hẹp màu đỏ có hiệu suất cao Tuy nhiên, vị trí đỉnh cực đại và bán

độ rộng của phổ phát xạ màu đỏ ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất năng lượng hình ảnh và màu sắc của pc-WLEDs tương ứng Do đó, để thích ứng tốt hơn với đường cong độ nhạy của mắt người, cần phải giảm tổn thất ở vùng màu đỏ năng lượng thấp và tăng hiệu suất năng lượng thị giác cũng như khả năng hiển thị màu

Bảng 1.2 Tính chất quang học của các loại vật liệu huỳnh quang màu đỏ

Hợp chất (Đỏ)

Đỉnh phát

xạ (nm)

FWHM (nm)

LER (lm/W)

Tài liệu tham khảo

SSN Sr2Si5N8:Eu2+ 617,8 94,2 237 [18]

SCASN (Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+ 659 126 117 [20]

Để so sánh hiệu suất quang-điện của pc-WLEDs với nhiều loại vật liệu huỳnh quang đỏ khác nhau, phương pháp phổ biến là thêm một loại phosphor đỏ riêng lẻ vào các pc-WLEDs dựa trên YAG thông thường Trong số các loại vật liệu

Copies for internal use only in Phenikaa University