COB LED công suất cao và các ứng dụng trong công nghệ chiếu sáng

1 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 2.2.2 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 i trên quả cầu tích phân 56 3.2.1.3 Thiết kế các tấm chắn sáng 57 3.2.2 Chọn đèn chuẩn phổ 59 3.2.3 Chọn thiết bị đo phổ bức xạ 60 3 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 abs 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 abs 77 3.7.2 Xác định quang thông của HPCOBED 78 3.7.3 Ước lượng độ không đảm bảo đo 79 3.8 Nghiên cứu tính chất quang điện của HPCOBLED 81 3.8.1 Khảo sát ảnh hưởng dòng I f và nhiệt độ đến sự dịch chuyển đỉnh phổ công suất 81 3.8.2 Ảnh hưởng dòng I f và 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 4 4.2.1 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 0 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 Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt 5  Diffusion electric field ing khuch tán   Luminous Flux Quang thông   Radiant intensity ng  bc x   Luminous intensity  sáng   Dng hình hc    Dng hình hc  e Electron n t E c Bottom of the conduction band energy n E e Electron energy Nng cn t E Fn Fermi level of the semiconductor n Mc Fermi ca bán dn n E Fp Fermi level of the semiconductor p Mc Fermi ca bán dn p E g Band gap energy  rng vùng cm E h Hole energy Nng ca l trng E v Top of the valence band energy nh vùng hóa tr h Planck constant Hng s Planck I f Foward current Dòng nuôi n Electron density Nng  n t N a Impurity density acceptor N tp cht acceptor N c The effective density of states of the conduction band N trng thái hiu dng trong vùng dn N d Impurity density donor N tp cht donor N v The effective density of states of the valence band N trng thái hiu dng trong vùng hoá tr p Hole density Nng  l trng R a Color rendering index H s hoàn màu R Auger Auger recombination rate T tái hp Auger R th j-a Thermal resistance from junction to to ambient Nhit tr t chuyn ti n môi ng 6 Danh mục các chữ viết tắt Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt T a Ambient temperature Nhi ng T b Board temperature Nhi  Tc Case temperature Nhi v (hoi vi HPCOBLED) T j Junction temperature Nhi chuyn tip T sp Solder point temperature Nhi m hàn V Voltage n áp  Frequency Tn s  e Radiant flux ng bc x  Solid angle Góc khi     Spectral sensitivity of the human eye functions H 7 B Blue Màu xanh da tri CCT Correlated Color Temperature  CGPM General Conference on Weights and Measures  CIE International Commission on Illumination (Commission   sáng CMFs Color matching functions  CNC Computerized Numerically Controlled u khin bng máy tính COB Chip On Board Chip tích h CRI Color Rendering Index H s hoàn màu CT Color Temperature Nhi màu DC DC supply Ngun DC DE Droop effect Hiu  EL Electroluminescence n hunh quang EMS Electromagnetic Spectrum  G Green Màu xanh lá cây GPM Goniophotometer Methhod        HPCOBLED High Power Chip On Board Light Emitting Diode COBLED công sut cao IR Infra Red  IS Integrating Sphere  ISPM Integrating Sphere Photometer Method             ISSM Integrating Sphere Spectroradiometer Method             ISSPM Integrating Sphere Spectroradiometer Photometer            8 Method       và    K Kelvin Nhi Kelvin LED Light Emitting Diode  MOCVD Metal Organic Chemical Vapor Deposition L ng hóa hc t   p ch NIST National Institute of Standards and Technology (USA)  gia (USA) NMIs National Metrology Instituties Các Ving quc gia SSL Solid State Lighting Ngun sáng rn R Red  TEC Thermo Electric Cooler B làm lnh UV Ultra Violet  Danh mục các bảng Bng 1.1 Tóm tc ca LED t các vt liu bán dn [49] 28 9 Bng 2.1  c x c quang [16]. 37 Bng 3.1 Các hóa cht s dng trong quy trình lng lp phn x khuch tán 63 Bng 3.2 T l hp phn dung dch phun dùng lng lp phn x khuch tán. 64 Bng 3.3 Các thông s công ngh s d kho sát ng ca khong cách phun.65 Bng 3.4 Các thông s công ngh s d kho sát ng ca áp sut phun. 67 Bng 3.5 Các thông s công ngh ca lp ph phn x khuch tán có chiu dày khác nhau.69 Bng 3.6 Quang thông cn ph nh trên h VMI-PR-001. 74 Bng 3.7 Giá tr quang thông cn ph  các th 76 Bng 3.8 Kt qu i vn ph (SCL-1400-E120). 78 Bng 3.9 Kt qu a HPCOBLED (216A, S/N: 033). 78 Bng 3.10 Kt qu nh quang thông ca HPCOBLED (216A, S/N: 033). 79 Bng 3.11  m bu chun HPCOBLED. 79 Bng 4.1 Kt qu kho sát s ph thuc quang thông vào nhi i vi HPCOBLED 90 Bng 4.2 Giá tr quang thông ca các HPCOBLED tính theo mô hình Mark (4.2). 92 B chênh lch nhi a các HPCOBLED. 97 Bng 4.4 S suy gim công sut ca các HPCOBLED theo nhi Tc. 99 Bng 4.5 Quang thông c tn nhit. 103 Bng 4.6 Quang thông ca các HPCOBLED ti nhi Tc=25 0C theo mô hình HPCOBLED. 104 Danh mục các hình vẽ và đồ thị 10 Hình 1.1 Quá trình phát trin LED [78]. 16 Hình 1.2 S hình thành chuyn tip pn. 17 Hình 1.3 Gi ng ca chuyn tip pn  u kin cân bng nhit [25]. 18 Hình 1. 4 Gi ng ca chuyn tip pn phân cc thun. 20 c tuyn I-V ca chuyn tic làm t các vt liu bán dn khác nhau. 21 Hình 1. 6 Gi ng chuyn tip pn phân cc. 22 Hình 1.7 Tái hn t - l trng [28]. 23 Hình 1.8 Các quá trình tái hp cn t và l trng 24 Hình 1.9 Quá trình tái hp cn t - l trng trong mng tinh th [28] 25 Hình 1.10 Cu trúc   25 Hình 1.11 Quá trình tái hp cn t - l trng phát x photon 26 Hình 1.12 Gi biu dic sóng ca ánh sáng phát x trong khoc sóng  m ca các hp cht A III B V [70]. 27 Hình 1.13  mô t nguyên lý c [61]. 29  th s ph thung bc x vào dòng I f [9]. 31  th biu din phân b n t và l trng trong 32 Hình 1.16 Cu trúc ca mn hình 33 Hình 1.17 Hình nh các sn phc to ra t HPCOBLED [39,45,46]. 34 Hình 2.1 Ph bc x n t vùng kh kin [42]. 35  nhy ca mi V() 35 Hình 2.3 ,,) [16]. 39 Hình 2.4  40 Hình 2.5 Gi t màu CIE 1931 [16]. 40 Hình 2.6   [16]. 43 Hình 2.7   [7,16]. 44 Hình 2.8  45 Hình 2.9  nguyên lý c 47   49 Hình 2. 11 Dng hình h 50  nguyên lý c ISPM. 52 Hình 2.13 Dng hình h 52 Hình 3.  khi h  55 Hình 3.2 V c tm chn sáng 1 57 [...]... 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... quang thông của HPCOBLED Chương 4 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quang thông của HPCOBLED Mô hình HPCOBLED 15 Chương 1 Tổng quan về COB LED công suất cao và các ứng dụng trong công nghệ chiếu sáng 1.1 Lịch sử phát triển điôt phát quang (LED) Bức tranh về sự phát triển công nghệ LED so sánh với các nguồn sáng truyền thống được biểu diễn trên hình 1.1 dưới đây 100 Đèn huỳnh quang Hiệu suất phát quang... các ứng dụng trong chiếu sáng như chiếu sáng trong nhà, chiếu sáng 33 công cộng, sân thể thao, nhà xưởng,… Một số hình ảnh ứng dụng của LED được minh họa trên hình 1.17 Hình 1.17 Hình ảnh các sản phẩm đèn chiếu sáng được tạo ra từ HPCOBLED [39,45,46] Kết luận chương Trong chương này, chúng tôi đã tổng quát và hệ thống hóa các vấn đề sau đây: 1) Các thông tin và các kiến thức cơ bản liên quan đến LED. .. quan đến LED nói chung và HPCOBLED nói riêng 2) Nguyên lý hoạt động cấu trúc và ứng dụng của HPCOBLED 3) Vật liệu và công nghệ chế tạo LED và HPCOBLED 4) Ảnh hưởng nhiệt độ đến các thông số của LED và HPCOBLED Có thể thấy rằng, vì tính chất quang điện của HPCOBLED phức tạp nên rất khó có thể xác định chính xác được các thông số quang của chúng bằng các phương pháp đo đang sử dụng Đây cũng là lý do... danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt, danh mục các bảng, danh mục các hình vẽ, danh mục các công trình đã công bố của luận án, phụ lục và tài liệu tham khảo, nội dung luận án được trình bày trong bốn chương như sau: Chương 1 Tổng quan về HPCOBLED và các ứng dụng trong công nghệ chiếu sáng Chương 2 Nghiên cứu các phương pháp đo quang thông của HPCOBLED Chương 3 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và xây dựng... Diode) HPCOBLED có nhiều ưu điểm vượt trội so với các LED rời rạc như: có quang thông lớn, hiệu suất phát quang cao, diện tích phát quang rộng, khả năng thoát nhiệt cao và có thể định vị trực tiếp lên đế tản nhiệt, có ánh sáng phát ra được xem như là một bề mặt phát sáng [35, 46, 63] Các HPCOBLED được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghệ chiếu sáng, đặc biệt trong môi trường đòi hỏi mức sáng cao như chiếu. .. Các đường dẫn điện nối các LED chip 6) Các điện cực (vàng) LED chip Lớp vỏ Silicon Lớp phủ huỳnh quang Dây vàng Đế gốm a) Cực dương Cực âm Điểm đo Tc b) Rs c) Hình 1.16 Cấu trúc của một HPCOBLED điển hình a) Cấu trúc HPCOBLED đã đóng gói b) Ảnh điển hình một HPCOBLED c) Sơ đồ tương đương 1.6 Ứng dụng Tùy theo mỗi ứng dụng cụ thể, các HPCOBLED có cấu trúc khác nhau Chúng có công suất khác nhau cho các. .. 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... 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... chiếu sáng trong nhà, chiếu sáng đường phố, nhà xưởng, sân thể thao,…Thông thường các HPCOBLED có công suất từ 5 W trở lên Hiện nay, người ta có thể chế tạo ra HPCOBLED có công suất đạt tới P ~ 180 W [39, 45, 48] Tuy nhiên, khi làm việc, HPCOBLED thường sinh ra nhiệt lượng rất cao so với các LED rời rạc và đây cũng là nguyên nhân gây ra nhiều khó khăn trong việc đánh giá tính chất, nghiên cứu khảo sát và