tiểu luận đề tài công nghệ led

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCMKHOA LÝ LUẬN CHÍNH TRỊ

- -MÔN HỌC : VẬT LÝ 3TIỂU LUẬN

ĐỀ TÀI : CÔNG NGHỆ LED

Mã lớp học : PHYS131102_23_1_06

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 6

1 Lý do chọn đề tài 6

2 Mục tiêu nghiên cứu 6

3 Phương pháp nghiên cứu 6

PHẦN NỘI DUNG 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LED 7

1.1.Khái niệm về công nghệ LED 7

1.2 Lịch sử hình thành và phát triển công nghệ LED 7

1.2.1 Những phát hiện sơ khai 7

1.2.2 Quá trình thương mại hóa 8

1.2.3 Đèn LED tạo nên công nghệ chiếu sáng mới 8

1.2.4 Đôi nét về LED ở Việt Nam 9

CHƯƠNG 2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG 9

2.1 Cấu tạo 9

2.2 Nguyên lí hoạt động 11

2.2.1.Về mặt điện tử 11

2.2.2 Chiết suất và màu sắc của LED 11

CHƯƠNG 3: ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ LED 13

3.1 Ưu điểm của LED 13

3.1.1Ưu điểm khi so với một số đèn khác 13

3.1.2 Ưu điểm trong lĩnh vực khác 15

3.2 Nhược điểm của LED 16

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG VÀ TIỀM NĂNG TRONG TƯƠNG LAI 17

4.1 Ứng dụng 17

4.1.1 Ứng dụng trong chiếu sáng và trang trí nhà ở 17

4.1.2 Ứng dụng của đèn led trong công nghiệp 17

4.1.3 Ứng dụng của đèn led trong nông nghiệp 18

4.1.4 Ứng dụng đèn Led trong y học 19

4.1.5 Ứng dụng khác 19

4.2 Tác động của LED đến môi trường 20

4.3 Tiềm năng và thách thức trong tương lai 21

HỌC KÌ I , NĂM HỌC 2022-2023 Nhóm số 10

Tên đề tài: Công nghệ LED

STTHỌ VÀ TÊN SINH VIÊNMÃ SỐ SINH VIÊN TỶ LỆ % HOÀNTHÀNH

PHẦN MỞ ĐẦU1 Lý do chọn đề tài

Trong đời sống chúng ta hiện nay thì không thể thiếu được ánh sáng,ngoài mặt trời ra thì con người chúng ta đã phát minh ra nhiều nguồn sáng khácđể phục vụ đời sống Gần gũi với chúng ta nhất là lửa, đèn sợi đốt, đèn huỳnhquang, đèn LED… Trong đó nổi trội nhất là đèn LED LED hiện nay xuất hiệnxung quanh chúng ta, từ đèn chiếu sáng, điện thoại, TV, biển hiệu,… LED đượcứng dụng rộng rãi khắp mọi nơi Từ thực tiễn cho thấy bóng đèn LED là “ánhsáng của thế giới hiện đại” Thông qua bài tiểu luận này ta sẽ cùng tìm hiểu vềCông nghệ LED

2 Mục tiêu nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính là đề tài đã được nêu ra: “ Công nghệ LED ”Mục đích nghiên cứu của đề tài là làm rõ khái niệm về LED, lịch sử hìnhthành , quá trình phát triển của LED Nắm rõ cấu tạo thành phần, hiểu rõ nguyênlí hoạt động của LED.Và từ những hiểu biết trên ta phải phân tích được ưunhược điểm của Công nghệ LED so với các công nghệ bóng đèn hiện tại trên thịtrường Ngoài ta phải nắm những ứng dụng thực tiễn của công nghệ LED.

3 Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu tài liệu, sách, nghiên cứu khoa học,…

PHẦN NỘI DUNG

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LED

1.1.Khái niệm về công nghệ LED

Công nghệ LED (Light Emitting Diode) là một công nghệ ánh sáng sửdụng các thiết bị bán dẫn để tạo ra ánh sáng, các đi-ốt có thể phát ra các bướcsóng ánh sáng khi có dòng điện đi qua, có thể là vùng hồng ngoại, tử ngoạihoặc vùng ánh sáng nhìn thấy LED đã thay thế nhiều công nghệ chiếu sángtruyền thống như đèn sợi đốt, bóng đèn huỳnh quang và đèn pha trong nhiềuứng dụng khác nhau do hiệu suất cao và tính ổn định của nó.

1.2 Lịch sử hình thành và phát triển công nghệ LED1.2.1 Những phát hiện sơ khai

Hiện tượng biến điện thành ánh sáng được H J Round phát hiện đầu tiênvào năm 1907 ở phòng thí nghiệm, Ông đã dùng 1 dây dẫn và tinh thể Siliconcarbide (SiC), nhà nghiên cứu người Nga công bố lần đầu tiên đã tạo ra LEDtrên tạp chí khoa học Nga, Đức và Anh Tuy nhiên không có thực tế hóa trongmấy thập kỷ kế tiếp.

Năm 1961, các nhà thí nghiệm người Mỹ cũng phát hiện GaAs phát ra tiahồng ngoại khi có dòng điện chạy qua và đã nhận bằng phát minh LED hồngngoại.

LED đầu tiên phát ra ánh sáng có thể nhìn thấy là loại LED đỏ được pháthiện vào năm 1962 Vào 10 năm sau, năm 1972 thì LED vàng được phát hiệnvà đã cải thiện thêm độ sáng lên 10 lần cho LED đỏ cũng như LED đỏ-cam.Vào năm 1976, lần đầu tiên đã tạo ra LED công suất cao, hiệu suất cao cho cápquang nhờ vào việc sáng chế ra vật liệu bán dẫn mới có khả năng phát ra sóngđiện từ phù hợp cho cáp quang.

Và phải đến năm 1994, chiếc đèn LED xanh da trời đầu tiền được làm từInGaN là phát minh của nhà khóa học Shuji Nakamura làm việc cho công tyNichia Corporation Sau đó, người ta lấy ánh sáng vàng trộn với ánh sáng xanhda trời và phủ thêm một lớp hợp chất có tên là YAG để cho ra đời ánh sángtrắng Phải đên hơn 10 năm sau thì Nakamura mới được được trao giải thưởngcông nghệ thiên nhiên kỷ cho phát minh đèn led ánh sáng xanh này.

1.2.2 Quá trình thương mại hóa

LED đầu tiên được thương mại hóa để thay thế cho đèn chỉ thị làm bằngđèn dây tóc, neon và màn hình bảy đoạn Đầu tiên là các thiết bị mất tiền trongphòng thí nghiệm Sau đó là tivi, radio, điện thoại, máy tính và thậm chí là đồnghồ Đến năm 1968, LED cực kì đắt, cỡ 200 đôla Mỹ mà lại ít ứng dụng Đếnnăm 1970 LED thật sự đã được thương mại hóa thành công vì đã được hạ giáthành xuống còn 5 xu Mỹ cho mỗi bóng đèn.

Ngành công nghệ vật liệu cho LED đã phát triển ngày càng mạnh mẽ.Công suất ngày càng tăng nhưng hiệu suất, độ tin cậy vẫn đạt được mức có thểchấp nhận Việc phát minh và phát triển LED trắng công suất cao nhanh chóngthay thế đèn dây tóc, đèn huỳnh quang Tuy nhiên, xu hướng công suất ngàycàng lớn nên các kiểu đóng gói khác cũng được phát triển để đáp ứng yêu cầutỏa nhiệt LED công suất cao ngày nay cấu trúc bên trong rất phức tạp nhưng bềngoài thì như các LED thời ban đầu

1.2.3 Đèn LED tạo nên công nghệ chiếu sáng mới

Khi so sánh đèn LED với bóng đèn sợi đốt, đèn dây tóc sẽ thấy rằng LEDđem lại hiệu quả gấp từ 4–15 lần so với các dòng đèn kia Còn khi so sánh vớiđèn huỳnh quang thì LED tiêu thụ ít năng lượng hơn và đặc biệt là không chứathủy ngân độc hại

Đặc biệt từ khi phát minh đèn LED ánh sáng xanh dương của Nakamurara đời thì đèn LED lại càng trở nên phổ biến hơn trong cuộc sống của chúng ta.Từ đèn giao thông, biển hiệu quảng cáo đến hệ thống đèn LED dây, đèn LEDâm trần chiếu sáng trong gia đình… tất cả đều có sự góp sức của đèn LED.Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng Gia Thụy Điển đã đánh giá phát minh đèn ledđã đánh dấu sự ra đời của công nghệ có thể thay đổi thế giới và giải Nobel vậtlý cao quý năm 2014 đã được trao tặng cho người mang lại màu xanh “hi vọng”cho công nghệ LED.

1.2.4 Đôi nét về LED ở Việt Nam

Hiện tại ở Việt Nam, LED đã trở thành một trong những sản phẩm đènđược ưa chuộng nhất do tính thẩm mỹ, tiết kiệm và bền bỉ của nó Thương hiệu

điện tử gia dụng lớn trên Thế Giới về LED như Panasonic cũng đã xuất hiện ởViệt Nam với các sản phẩm như: đèn âm trần Panasonic với các thiết kế đènLED âm trần tròn, LED âm trần vuông, thích hợp cho nhiều mục đích sử dụngcủa khách hàng Ngoài các chỉ tiêu như độ sáng, thời gian chiếu sáng, côngnghệ chống chói, đèn LED âm trần Panasonic có chỉ số hoàn màu cao giúpánh sáng trung thực và tốt cho thị lực.

CHƯƠNG 2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG

2.1 Cấu tạo

Lăng kính – Ánh sáng đèn LED là ánh sáng hướng Góc phân bố ánh sángtiêu chuẩn của đèn LED là 180 độ và ánh sáng phát ra vào khoảng nửa trên củabóng đèn Đối với một số đèn LED, góc phân bố có thể điều chỉnh được, cóchùm hẹp, rộng khách nhau Góc chiếu sáng có thể được thay đổi bằng lăngkính Lăng kính Polycarbonate được ưu tiên sử dụng vì chúng ít cản ánh sángvà tương đối dễ sản xuất Chất lượng bề mặt và hình dáng của lăng kính rấtquan trọng để đảm bảo sự lan truyền của ánh sáng và để hạn chế tổn thất trong

Lớp tiếp xúc (Interface materials) – Thông thường là keo hoặc dầu mỡ.Phần này được sử dụng để tối đa tiếp xúc khi gắn lớp bề mặt vào bộ phần tảnnhiệt giúp tối đa hóa việc truyền tải nhiệt.

Bộ tản nhiệt – Bộ phận tản nhiệt có 2 loại Tản nhiệt chủ động, thường làquạt dùng để lưu thông không khí Tản nhiệt bị động sử dụng vây kim loại đểlàm tiêu tán nhiệt Tản nhiệt chủ động thường giải nhiệt tốt hơn, nhưng tronghầu hết các ứng dụng, tản nhiệt bị đồng là đủ để giúp cho bộ đèn có nhiệt độhoạt động tốt nhất.

Vỏ đèn - Được thiết kế đa dạng mẫu mã, màu sắc có vai trò bảo vệ cáclinh kiện phía trong Để đèn led có độ bền cao, vỏ đèn phải được sản xuất bằngchất liệu cao cấp, đạt các tiêu chuẩn như chống nước, chống thấm… đồng thờiđảm bảo khả năng tỏa nhiệt nhanh chóng.

Bộ nguồn: Bộ nguồn cấp điện cho đèn led phải đảm bảo cung cấp dòngđiện và điện áp ổn định phù hợp với loại đèn led đang sử dụng, bộ nguồn phảicó tuổi thọ tương đương với tuổi thọ của LED

2.2 Nguyên lí hoạt động2.2.1.Về mặt điện tử

Hoạt động của LED giống với nhiều loại diode bán dẫn Khối bán dẫn loại pchứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn n(chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếchtán sang khối n Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khốin chuyển sang Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điệntử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống).

Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khichúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành cácnguyên tử trung hòa Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánhsáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).

Hầu hết các vật liệu làm LED có chiết suất rất cao, tức là hầu hết ánh sángphát ra sẽ quay ngược vào bên trong thay vì phát ra ngoài không khí Do đó côngenghệ trích xuất ánh sáng từ LED cũng rất quan trọng, cần rất nhiều sự nghiêncứu và phát triển.

2.2.2 Chiết suất và màu sắc của LED

Các chất bán dẫn như SiO 2 có chiết suất rất cao khi chưa có lớp tráng phủ.Điều này sẽ ngăn cản photon đi ra khỏi chất bán dẫn Đặc điểm này ảnh hưởngđến hiệu suất LED và tế bào quang điện Chiết suất của SiO 2 là 3.96 (590 nm),còn không khí là 1.0002926.

Nói chung, chỉ có những photon vuông góc với mặt bán dẫn hoặc góc tới cỡvài độ thì mới có thể thoát ra ngoài Những photon này sẽ tạo thành 1 chùm sáng

dưới dạng hình nón Những photon không thể thoát ra ngoài sẽ chui ngược vàobên trong chất bán dẫn.

Những photon phản xạ toàn phần có thể thoát ra ngoài qua các mặt khác củachất bán dẫn nếu góc tới đủ nhỏ và chất bán dẫn đủ trong suốt để không hấp thụhoàn toàn các photon Tuy nhiên, với LED đều vuông góc ở tất cả các mặt thìánh sáng hoàn toàn không thể thoát ra và sẽ biến thành nhiệt làm nóng chất bándẫn.

Hình dáng lý tưởng cho phép tối đa phát sáng là dạng vi cầu, là các hình cầucó kích thước siêu nhỏ từ 1 μm đến 1000 μm Ánh sáng sẽ phát ra từ điểm trungm đến 1000 μm đến 1000 μm Ánh sáng sẽ phát ra từ điểm trungm Ánh sáng sẽ phát ra từ điểm trungtâm và điện cực cũng phải chạm điểm trung tâm Tất cả ánh sáng phát ra sẽvuông góc toàn bộ bề mặt quả cầu, do đó sẽ không có phản xạ Bán cầu cũng cóthể cho kết quả tương tự nếu mặt lưng hoàn toàn phẳng để phản xạ hoàn toàn cáctia phát về phía mặt lưng.

Mức năng lượng, màu sắc của LED phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng củacác nguyên tử chất bán dẫn Do đó, tùy theo mức năng lượng giải phóng cao haythấp mà bước sóng ánh sáng phát khác nhau, tức màu sắc của LED sẽ khác nhau.LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn điốt thông thường, trongkhoảng 1,5 đến 3V Nhưng điện thế phân cực nghịch ở LED thì không cao Dođó LED rất dễ bị hư hỏng do điện thế ngược gây ra.

Màu sắc của ánh sáng LED do chất liệu của liên kết bán dẫn PN quyết định.Khi khoảng trống giữa liên kết PN với các chất liệu khác nhau, khoảng trốngcàng lớn, năng lượng do điện tử và lỗ trống kết hợp với nhau tạo ra năng lượngánh sáng càng lớn Năng lượng dưới sạng ánh sáng cũng chính là màu của ánhsáng mà mắt thường thấy được, ánh sáng màu xanh dương, màu tím mang nănglượng nhiều nhất, màu đỏ màu cam mang năng lượng ít nhất, các nhà sản xuấtứng dụng các chất liệu cho liên kết PN khác nhau sẽ nhận được các Led có màusắc khác nhau.

LED có ba loại màu phổ biến là: màu đỏ, màu xanh lá, xanh dương, tạothành 3 màu cơ bản (RGB), thường sử dụng chip 1 màu hoặc nhiều chip có màukhác nhau để sản xuất LED

Ánh sáng màu trắng của LED được hình thành theo hai nguyên tắc sau:+ Nguyên tắc 1: ứng dụng 3 màu cơ bản RGB để hợp thành, 3 chip với 3màu RGB sẽ được tích hợp trong cùng một bóng đèn LED , màu đỏ 21%, màuxanh lá 69% và màu xanh dương 10%.

+ Nguyên tắc 2: sử dụng bột huỳnh quang (phốt pho) để tạo màu trắng choánh sáng Bạn có thể phủ lên bề mặt chip màu xanh dương lớp Phốt PhoNdYAG (màu vàng) để tạo thành màu trắng hoặc dùng phốt pho YAN phủ lêntinh thể màu xanh dương inGaN có bước sóng 460nm, lớp phốt pho cùng vớiánh sáng xanh dương phát ra kết hợp tạo ra ánh sáng vàng này và ánh sáng xanhdương tạo ra ánh sáng trắng mà mắt thường thấy được, đây là kỹ thuật hiện nayđược ứng dụng nhiều nhất để tạo ra ánh sáng màu trắng của LED.

CHƯƠNG 3: ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ LED

3.1 Ưu điểm của LED

3.1.1Ưu điểm khi so với một số đèn khác.

Đèn led là một loại đèn chiếu sáng được sử dụng phổ biến hiện nay Nó cónhiều ưu điểm so với các loại đèn khác như sau:

Tuổi thọ cao: đèn LED có tuổi thọ trung bình từ 30.000 dến 50.000 giờ

chiếu sáng liên tục, gấp 3-4 lần so với số giờ hoạt động liên tục của đèn huỳnhquang, halogen, thậm chí là đèn hơi natri So với bóng đèn sợi đốt và đèncompact, đèn LED có tuổi thọ hơn 40 lần.

Hiệu suất phát quang cao: hiệu suất phát quang của đèn LED cao hơnnhiều so với các đèn truyền thống như đèn sợi đốt, huỳnh quang, đèn compact.Điều này giúp giảm chi phí điện năng tiêu thụ và giúp bảo vệ môi trường hơn.

Chỉ số hoàn màu tuyệt vời: chỉ sổ CRI của đèn LED phản ánh độ trungthực của màu sắc vật thể khi được nguồn ánh sáng chiếu tới Giá trị CRI càngcao thì vật thể được chiếu sáng trông càng chân thực, tự nhiên hơn Các sảnphẩm của đèn LED trên thị trường ngày nay có chỉ số CRI ôn định từ 80 trở lên,bảo đảm chất lượng ánh sáng phù hợp với như cầu thiết yếu của người sử dụng.

Thân thiện với môi trường: Đèn LED không chứa khí độc hại hoặc hóachất độc hại nên thân thiện với môi trường.

Không chứa tia UV: đèn LED không chứa tia UV và có thể hoạt động trênmức điện áp rất thấp.

Thiết kế linh hoạt: đèn LED có thiết kế linh hoạt, dễ ứng dụng và khảnăng điều chỉnh độ sáng.

Hạn chế tỏa nhiệt: Đèn huỳnh quang có độ toả nhiệt lên tới 40%, đèn LEDchỉ toả nhiệt 10%, thấp hơn rất nhiều so với đèn huỳnh quang Chính vì thếkhông gian sử dụng đèn LED cũng sẽ có phần an toàn hơn, giảm thiểu khả năngcháy nổ do đèn Bên cạnh đó, vỏ đèn LED làm bằng nhựa dẫn nhiệt kém hơnthuỷ tinh Nếu người dùng vô tình chạm vào bóng cũng không có vấn đề gì

Bảng so sánh giữa đèn LED và đèn Huỳnh quang :

nhiều điện năng.

Hoạt động

Với nguyên lý hoạt động hiện đại, đèn LED tiết kiệm điện tốt hơn gấp 3 lần sovới bóng đèn huỳnh quang truyền thống Bạn có thể tham khảo bảng dưới đây đểthấy rõ sự khác biệt về hiệu suất sáng giữa đèn huỳnh quang và đèn LED.

3.1.2 Ưu điểm trong lĩnh vực khác.

Trang trí nội thất: đèn LED có thiết kế linh hoạt, dễ ứng dụng và khả năngđiều chỉnh độ sáng Nó có thể được sử dụng để tạo ra các hiệu ứng ánh sáng độcđáo trong các không gian nội thất, giúp tăng cường tính thẩm mĩ và tạo ra khônggian sống thoải mái hơn.

Chiếu sáng đường phố: đèn LED có khả năng chiếu sáng cà rộng hơn sovới các loại đèn khác, giúp giảm thiểu chi phí lắp đặt và tiết kiệm điện năng Nócũng có tuổi thọ cao và ít bị hư hỏng do va chạm hoặc dung động.