Nghiên cứu chế tạo hệ thấu kính Fresnel có cấu trúc micro-nano cho phát triển nguồn sáng LED độ đồng đều chiếu sáng cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ HỒNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THẤU KÍNH FRESNEL CÓ CẤU TRÚC MICRO-NANO CHO PHÁT TRIỂN NGUỒN SÁNG LED ĐỘ ĐỒNG ĐỀU CHIẾU SÁNG CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO HÀ NỘI - 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ VŨ HỒNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THẤU KÍNH FRESNEL CĨ CẤU TRÚC MICRO-NANO CHO PHÁT TRIỂN NGUỒN SÁNG LED ĐỘ ĐỒNG ĐỀU CHIẾU SÁNG CAO Chuyên ngành: Vật liệu Linh kiện nano Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRẦN QUỐC TIẾN HÀ NỘI - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu hướng dẫn TS Trần Quốc Tiến hỗ trợ nhóm nghiên cứu Các kết đưa luận văn thực Các thông tin, tài liệu tham khảo từ nguồn sách, tạp chí, báo sử dụng luận văn liệt kê danh mục tài liệu tham khảo Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước Nhà trường lời cam đoan Học viên thực Vũ Hoàng LỜI CẢM ƠN Để hồn thành khóa luận này, tơi nhận quan tâm, hỗ trợ giúp đỡ từ nhiều cá nhân đơn vị Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Trần Quốc Tiến, người trực tiếp hướng dẫn, đóng góp ý kiến tạo điều kiện thuận lợi cho hồn thành khóa luận Tơi muốn gửi lời cảm ơn đến TS Tống Quang Công, KTV Phạm Văn Trường anh chị phòng Laser bán dẫn- Viện Khoa học Vật liệu động viên giúp đỡ tạo điều kiện cho tơi thực khóa luận Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến thầy cô giáo giảng dạy năm qua, người truyền đạt kiến thức cần thiết cho thời gian học tập trường Đại Học Công Nghệ- ĐH Quốc Gia Hà Nội Cuối xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè người thân hỗ trợ giúp đỡ suốt trình học tập thời gian thực khóa luận Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2019 Học viên Vũ Hoàng NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THẤU KÍNH FRESNEL CĨ CẤU TRÚC MICRO-NANO CHO PHÁT TRIỂN NGUỒN SÁNG LED ĐỘ ĐỒNG ĐỀU CHIẾU SÁNG CAO Vũ Hồng Khóa 24, ngành Vật liệu cơng nghệ nano Tóm tắt luận văn tốt nghiệp LED năm gần sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác Với lợi ích vượt trội tiết kiệm lượng, tuổi thọ cao, an toàn với người sử dụng, LED dần thay loại đèn truyền thống khác Tuy nhiên, LED có nhược điểm có phân bố lambertian không đồng nên muốn sử dụng LED yêu cầu khác đòi hỏi cần phải phân bố lại chùm tia phát xạ Linh kiện quang hình tự (freeform optics device) phương pháp quang học không tạo ảnh (non imaging optics) phương pháp sử dụng chủ yếu để thiết kế thành phần quang học thứ cấp cho đèn LED đặc trưng phân bố loại đèn Luận án giải khía cạnh cụ thể thiết kế chế tạo hệ thống quang học nhằm tái phân bố lại xạ LED Tạo mật độ chiếu sáng đồng bề mặt chiếu sáng Từ khóa: phân bố chiếu sáng LED, quang học khơng tạo ảnh, thấu kính LED MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Nguyên lý hoạt động LED 1.1.1 Các vùng lượng 1.1.2 Chuyển tiếp p-n 1.1.3 Cấu trúc LED 1.2 Các đặc trưng LED 1.2.1 Đặc trưng quang điện 1.2.2 Đặc trưng phổ LED 1.2.3 Phân bố quang theo góc LED 1.2.4 Ảnh hưởng nhiệt độ lên đặc tính LED 10 1.3 Các linh kiện quang học 12 1.3.1 Thấu kính quang học 12 1.3.2 Quang học khơng tạo ảnh linh kiện quang hình tự 14 1.3.3 Thấu kính Fresnel 15 1.4 LED chiếu sáng nông nghiệp 17 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ THỰC NGHIỆM 20 2.1 Các hệ đo đặc trưng LED 20 2.1.1 Hệ đo đặc trưng quang điện LED công suất cao 20 2.1.2 Hệ đo phổ LED công suất cao 22 2.2 Xây dựng hệ đo phân bố quang 23 2.3 Chế tạo linh kiện nguyên mẫu thiết bị CNC 24 2.3.1 Nguyên lý hoạt động máy CNC 25 2.3.2 Các thông số máy CNC micro-nano 25 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THẤU KÍNH 28 3.1 Thiết kế mô thấu kính 28 3.1.1 Thiết kế tổng thể hệ thống phân bố đồng cho đèn LED 29 3.1.2 LED luxeon 3W 29 3.1.3 Thấu kính chuẩn trực 30 3.1.4 Thiết kế hệ thấu kính Fresnel tuyến tính 32 3.2 Chế tạo hệ thấu kính fresnel phương pháp CNC 35 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39 4.1 Các đặc trưng LED công suất cao 39 4.1.1 Đặc trưng cơng suất phụ thuộc vào dịng bơm P-I LED 630nm 39 4.1.2 Đặc trưng dòng I-V LED 630nm 39 4.1.3 Đặc trưng phổ LED 630nm 40 4.2 Kết đo phân bố quang hệ thấu kính Fresnel 41 4.2.1 Hình thái thấu kính 42 4.2.2 Kết đo phân bố quang LED chưa có thấu kính 43 4.2.3 Kết đo phân bố quang đèn LED qua thấu kính hội tụ 44 4.2.4 Kết đo phân bố quang đèn LED qua hệ thấu kính Fresnel 44 4.3 So sánh kết độ đồng với thấu kính thương mại 46 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, việc sử dụng điốt phát sáng (LED) để chiếu sáng trở nên phổ biến tiết kiệm lượng, tuổi thọ cao, kích thước khối lượng nhỏ, số hồn màu cao thân thiện với mơi trường Mặc dù nhà sản xuất nghiên cứu LED ưu điểm LED nghiên cứu catalog họ nhiên LED tồn nhược điểm Do tính chất xạ bán cầu nên chúng sử dụng trực tiếp mục đích chiếu sáng địi hỏi thống cao Để giải vấn đề này, số thành phần quang học thứ cấp bổ sung vào mơ hình chiếu sáng để phân bố lại ánh sáng từ nguồn LED đến vị trí mục tiêu cách hiệu thống Đèn LED bắt đầu sử dụng nông nghệp chiếu sáng phá đêm, kích thích tăng trưởng, ni cấy mơ nhiều ứng dụng khác Nhóm nghiên cứu chúng tơi có nghiên cứu việc sử dụng LED vào chiếu sáng phá đêm điều khiển hoa hoa cúc, bước đầu đạt số kết khả quan Tuy nhiên chiếu sáng cho hoa cúc, gặp vấn đề liên quan tới phân bố quang đèn LED Do phân bố quang đèn LED không đều, lượng quang tập trung chủ yếu diện tích chiếu giảm dần xa Chính thế, điều khiển hoa khơng đồng Phần diện tích chiếu sáng mạnh gây ức chế hoa tốt hơn, phần rìa luống hoa nhận ánh sáng nên bị hoa sớm, không tốt cho việc tăng sản lượng chất lượng hoa Dựa vấn đề cịn tồn thúc đẩy nhóm nghiên cứu chúng tơi phải tìm giải pháp để nâng cao tính đồng chiếu sáng đèn LED giúp nâng cao hiệu việc ứng dụng đèn LED nông nghiệp Phương án nghĩ đến sử dụng thấu kính có sẵn thị trường để phân bố lại ánh sáng Giúp việc chiếu sáng luống đồng Chúng tơi thử nghiệm số thấu kính thấu kính cầu, thấu kính củ lạc hay chụp tán xạ Mặc dù kết có khả quan việc lắp ráp loại thấu kính với cấu hình đèn chúng tơi khó, cách xếp đèn để tạo phân bố phức tạp, không phù hợp để ứng dụng hàng loạt Chính tiến hành nghiên cứu loại thấu kính cho phép phân bố lại ánh sáng phát từ đèn LED cho phân bố đồng diện tích chiếu, dễ dàng lắp đặt chi phí thấp Nắm bắt tiến khí chế tạo, công cụ mô ánh sáng thông tin internet Chúng định nghiên cứu chế tạo thấu kính cho LED cơng suất cao phương pháp CNC micro-nano Với cấu trúc dựa quang học không tạo ảnh để tạo sản phẩm gọn nhẹ, thời gian tạo mẫu nhanh, chi phí thấp dễ dàng để ứng dụng quy mô rộng CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Nguyên lý hoạt động LED 1.1.1 Các vùng lượng Chất bán dẫn (Semiconductor) vật liệu có đặc điểm trung gian chất dẫn điện chất cách điện, có nghĩa dẫn điện điều kiện đó, điều kiện khác khơng dẫn điện Như ta biết tính dẫn điện vật liệu rắn giải thích nhờ lý thuyết vùng lượng điện tử tồn nguyên tử mức lượng gián đoạn khác nhau( trạng thái kích thich, trạng thái hay trạng thái dừng) Nhưng vật rắn nguyên tử hay phân tử xếp với trở thành tinh thể mức lượng phủ lên trở thành vùng lượng: Vùng hóa trị (Valence band): Là vùng có lượng thấp theo thang lượng, vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử không linh động Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức lượng cao nhất, vùng mà điện tử linh động (như điện tử tự do) điện tử vùng điện tử dẫn, có nghĩa chất có khả dẫn điện có điện tử tồn vùng dẫn Tính dẫn điện tăng mật độ điện tử vùng dẫn tăng Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm vùng hóa trị vùng dẫn, khơng có mức lượng điện tử khơng thể tồn vùng cấm Nếu bán dẫn pha tạp, xuất mức lượng vùng cấm (mức pha tạp) Khoảng cách đáy vùng dẫn đỉnh vùng hóa trị gọi độ rộng vùng cấm, hay lượng vùng cấm (Band Gap) Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất dẫn điện khơng dẫn điện Như tính chất dẫn điện chất rắn giải thích sau: Kim loại: chất tồn điện tử tự vùng dẫn Điện mơi: chất có vùng dẫn trống hồn tồn hay khơng có điện tử vùng dẫn, vùng hóa trị lấp đầy hồn toàn độ rộng vùng cấm lớn 3eV Chất bán dẫn: chất có cấu trúc tương tự điện môi độ rộng vùng cấm nhỏ 3eV điều kiện thường, chất bán dẫn không dẫn điện Khi chất bán dẫn bị kích Hình 3.7 Thấu Kính Fresnel sau xử lý phần mềm Auto Cad Sử dụng phần mềm autocad chuyển vẽ từ phần mềm lighttool dạng 2D sang dạng 3D Cấu trúc gồm rãnh Fresnel tuyến tính có kích thước rãnh 10mm thấu kính Fresnel dạng hình vng có 10 rãnh dài 100mm Kích thước thấu kính 100mm x100mm Sau vẽ chuyển sang định dạng bitmaps để xử lý số liệu sang code máy CNC micro-nano Để xử lý số liệu vẽ sử dụng phần mềm aspire chuyển số liệu sang code để dùng máy CNC Code dùng cho máy CNC gồm có phần tương ứng với giai đoạn chế tạo khác - Phần giai đoạn chạy thô với step 1mm nhằm khắc hình dạng tổng quát thấu kính - Phần thứ chúng tơi tiến hành chạy tinh với step 100µm để tạo nên cấu trúc vịng cung thấu kính - Phần thứ chúng tơi tiến hành chạy tinh với step µm đề đánh bóng cấu trúc thấu kính 36 Hình 3.8 Thấu Kính phần mềm aspire để tạo code chạy máy CNC Sau có code để chạy máy CNC Chúng tơi tiến hành chế tạo thử nghiệm thấu kính mơ Thấu kính chế tạo vật liệu khối acrylic Kích thước tổng thể 10 x 10 x 0,5 cm Được khắc rãnh Fresnel tuyến tính Thiết bị CNC sử dụng để chế tạo máy CNC PROXXON Đức, có kích thước làm việc 200 x 100 x50 mm Máy vận hành step motor có bước chia nhỏ 5µm/step Cấu trúc thấu kính sau chế tạo máy cnc có độ gồ ghề xấp xỉ bước chia máy cnc 5µm Hình 3.9 Tấm acrylic sử dụng để chế tạo thấu kính Fresnel Lựa chọn acrylic để chế tạo thấu kính có đặc điểm vượt trội so với vật liệu khác thủy tinh hay thạch anh điểm acrylic có giá thành rẻ, dễ dàng mua nơi Tính chất quang học tốt, gia cơng đơn giản Đối với thủy tinh hay 37 thạch anh độ bền tốt hơn, tính chất quang học tốt gia cơng cần cơng nghệ đúc hay tạo hình khó khăn Khối lượng thấu kính thủy tinh cao giá thành để chế tạo mẫu cao Không phù hợp với nghiên cứu chúng tơi Bên cạnh đó, acrylic gia cơng phương pháp khắc, thời gian chế tạo mẫu nhanh, chế tạo mẫu có cấu trúc khác cần thay đổi code chạy máy, không cần chế tạo khuôn đúc Điều quan trọng việc chế tạo mẫu thử cần thay đổi thiết kế nhiều lần Hình 3.10 Thiết bị CNC micro-nano chế tạo thấu kính Thiết bị CNC micro-nao Proxxon MF70 thiết bị CNC ba trục làm việc với phần mềm Mach3 Cho phép chế tạo cấu trúc nhỏ với độ xác cao Động trục cơng suất 100W đễ dàng sử dụng với loại vật liệu mềm nhứ gỗ, acrylic, hợp kim nhôm số vật liệu khác Kích thước làm việc thiết bị 15x20x7cm Hồn tồn phù hợp cho chế tạo thử nghiệm thấu kính Fresnel vật liệu acrylic Do độ gồ ghề thấu kính sau khắc máy CNC lớn, để thấu kính sử dụng cần phải làm mịn bề mặt đánh bóng bề mặt khắc thấu kính Để làm mịn đánh bóng bề mặt thấu kính thử nghiệm nhiều phương pháp khác nhau, từ xử lý nhiệt, mài Dùng hóa chất ăn mịn phủ bóng Kết sử dụng phương pháp mài bột kim cương có độ mịn cao sau đánh bóng dung mơi hịa tan cho kết xử lý bề mặt tốt mà không gây thay đổi cấu trúc 38 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Các đặc trưng LED công suất cao 4.1.1 Đặc trưng cơng suất phụ thuộc vào dịng bơm P-I LED 630nm Đèn LED khác với LASER ko có ngưỡng phát Khi tăng dịng điện cường độ quang thay đổi theo Sau kết đo cơng suất phụ thuộc vào dịng bơm LED 630nm sử dụng thí nghiệm 700 600 P(mW) 500 400 300 P(mW) 200 100 0 200 400 600 800 1000 I(mA) Hình 4.1 Đồ thị P-I LED 630nm LED 630nm công suất quang 1000mA 600 mW led đạt 2.32V Hiệu suất quang 30,6% Công suất nhiệt khoảng 1700mW 4.1.2 Đặc trưng dòng I-V LED 630nm Đặc trưng dòng cho ta biết phụ thuộc điện đặt lớp chuyển tiếp LED vào dịng bơm chạy qua Hình thể đặc trưng I-V chất bán dẫn khác Đặc trưng I-V chất bán dẫn có dạng thơng qua ta xác định tương đối áp phân cực thuận đặt chuyển tiếp p-n 39 2,5 2,0 U(V) 1,5 U(V) 1,0 0,5 0,0 200 400 600 800 1000 I(mA) Hình 4.2 Đồ thị đặc trưng I-V LED 630nm Từ đồ thị đặc trưng I-V ta thấy với dịng bơm nhỏ LED tăng nhanh đến đạt điện phân cực thuận lớp tiếp giáp p-n tốc độ tăng theo dòng bơm giảm Điều chứng tỏ điện trở LED phi tuyến phụ thuộc vào điện phân cực thuận đặt vào LED Khi đặt điện áp vào LED nhỏ điện áp phân cực thuận điện trở Led lớn đoạn tốc đọ tăng điện áp lớn nhiều tốc độ tăng dòng bơm Còn điện áp lớn điện áp phân cực thuận LED điện trở LED giảm xuống nhỏ Tốc độ tăng dòng lớn tốc độ tăng Đối với LED 630nm phân cực thuận xấp xỉ 1,7 V 4.1.3 Đặc trưng phổ LED 630nm Như nói phổ LED ảnh hưởng nhiều vào q trình thiết kế quang học Do cần khảo sát kỹ phổ LED 630nm để sử dụng hiệu Năng lượng vùng cấm chất bán dẫn có xu hướng giảm nhiệt độ tăng lên Điều hiểu tốt ta xem xét khoảng cách nguyên tử tăng biên độ dao động nguyên tử tăng lượng nhiệt tăng lên Hiệu ứng định lượng hệ số mở rộng tuyến tính vật liệu Một khoảng cách 40 nguyên tử tăng làm giảm khả nhìn thấy electron vật liệu, làm giảm kích thước lượng Một điều chế trực tiếp khoảng cách nguyên tử, chẳng hạn cách áp dụng nén cao (kéo) căng thẳng, làm tăng (giảm) vùng cấm Vì LED tăng nhiệt độ làm độ rộng vùng cấm thay đổi dẫn đến bước sóng thay đổi theo Nên tiến hành đo phổ LED 630nm nhiệt độ khác để xem xét sai lệch phổ nhiệt độ thay đổi Từ đưa đánh giá ảnh hưởng tới q trình mơ phỏng, thiết kế quang học 15000 o 25 C o 35 C o 45 C o 50 C c-êng ®é 12000 9000 6000 3000 600 610 620 630 640 650 660 670 680 b-íc sãng (nm) Hình 4.3 Đặc trưng phổ LED 630nm nhiệt độ thay đổi Đối với đặc trưng phổ LED 630nm, thay đổi nhiệt độ độ dịch đỉnh phổ không nhiều khoảng 1nm/5oC Không gây ảnh hưởng nhiều vào trình thiết kế Độ xê dịch làm tia bị lệch hướng so với mơ Tuy nhiên theo tính tốn, thấu kính chuẩn trực đáp ứng ánh sáng có bước sóng 620-650nm 4.2 Kết đo phân bố quang hệ thấu kính Fresnel Thấu kính Fresnel sau gia cơng gồm thấu kính giống kích thước 10x10x0,5cm Trên thấu kính bao gồm rãnh Fresnel tuyến tính xếp dọc song song với Để khảo sát hệ thấu kính Chúng tơi tiến hành qua bước: khảo sát 41 hình thái, khảo sát độ gồ ghề sau lần chế tạo khảo sát phân bố quang LED sau chuẩn trực qua hệ thấu kính Fresnel 4.2.1 Hình thái thấu kính Thấu kính sau chế tạo đánh bóng có độ suốt cao Thử nghiệm laser 650nm cho thấy độ truyền qua thấu kính đạt 93% Mất mát tán xạ hấp thụ 90% - Hệ thấu kính chế tạo có cấu trúc bề mặt khơng bị nứt vỡ, đánh bóng xử lý bề mặt đạt yêu cầu sử dụng làm linh kiện quang học Chế tạo hoàn thiện LED ghép với hệ thống quang học thứ cấp phân bố lại ánh sáng tạo độ đồng diện tích chiếu sáng - Đo phân bố ánh sáng LED trường hợp có thấu kính, khơng có thấu kính qua tồn hệ thống quang học điều kiện chế tạo khác - So sánh với thấu kính thương mại, thấu kính chúng tơi chế tạo có tính đồng cao Khảo sát số thông số đèn LED bước sóng 630nm, định hướng chiếu sáng nơng nghiệp Hướng nghiên cứu - Hồn thiện đèn LED chiếu sáng đồng với bước sóng 630nm ứng dụng cho chiếu sáng nơng nghiệp - Đánh giá kết thử nghiệm chiếu sáng hoa cúc 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Global, B Bp statistical review of world energy 2017 https://www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review-ofworldenergy.html [2] Hai, V.N; Tuan, P.T; Shin.S; LED Uniform Illumination Using Double Linear Fresnel Lenses for Energy Saving, Energies 2017, 10, 2091; doi:10.3390/en10122091 [3] Sawin, J.L.; Sverrisson, F.; Seyboth, K.; Adib, R.; Murdock, H.E.; Lins, C.; Edwards, I.; Hullin, M.; Nguyen, L.H.; Prillianto, S.S Renewables 2017 global status report 2013 [4] Kalogirou, S.A Solar energy engineering: Processes and systems Academic Press: 2013 [5] Horowitz, K.A.; Woodhouse, M.; Lee, H.; Smestad, G.P In A bottom-up cost analysis of a high concentration pv module, AIP Conference Proceedings, 2015; AIP Publishing: p 100001 [6] Fraunhofer, I New world record for solar cell efficiency at 46% french-german cooperation confirms competitive advantage of european photovoltaic industry Press release 2014, 26 [7] Yamada, N.; Hirai, D Maximization of conversion efficiency based on global normal irradiance using hybrid concentrator photovoltaic architecture Progress in Photovoltaics: Research and Applications 2016, 24, 846-854 [8] instruments, N Photovoltaic cell overview http://www.ni.com/whitepaper/7229/en/ [9] Energy, C.G Solar optic module http://crystalgreenenergy.com/how- itworks/#prettyPhoto [10] Tien, N.X.; Shin, S A novel concentrator photovoltaic (cpv) system with the improvement of irradiance uniformity and the capturing of diffuse solar radiation Applied Sciences 2016, 6, 251 164 49 [11] Kost, C.; Mayer, J.N.; Thomsen, J.; Hartmann, N.; Senkpiel, C.; Philipps, S.P.; Nold, S.; Lude, S.; Saad, N.; Schmid, J Levelized cost of electricity: Pv and cpv in comparison to other technologies Fraunhofer ISE 2013 [12] Buljan, M.; Mendes-Lopes, J.; Benítez, P.; Miđano, J.C Recent trends in concentrated photovoltaics concentrators’ architecture Journal of Photonics for Energy 2014, 4, 040995 [13] Consortium, C Listing projects http://cpvconsortium.org/projects [14] Sayigh, A Solar energy engineering Elsevier: 2012 50