Nghiên cứu phát triển các tổ hợp vật liệu phát quang micro nano và linh kiện quang điện dạng tự do ứng dụng trong chiếu sáng rắn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ D Ƣ Ơ N G T H Ị G I A N G NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC TỔ HỢP VẬT LIỆU PHÁT QUANG MICRO-NANO VÀ LINH KIỆN QUANG BIÊN DẠNG TỰ DO ỨNG DỤNG TRONG CHIẾU SÁNG RẮN LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGHÀNH: VẬT LIỆU QUANG HỌC, QUANG ĐIỆN TỬ VÀ QUANG TỬ HÀ NỘI , 202 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ D Ƣ Ơ N G T HỊ GI A N G NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC TỔ HỢP VẬT LIỆU PHÁT QUANG MICRO-NANO VÀ LINH KIỆN QUANG BIÊN DẠNG T r ầ n Q u ố c T i ế n T Ự D O Ứ N G D Chuyên ngành: Vật liệu quang học, quang điện tử quang tử Mã sỗ: 944 01 27 Ụ N G T R O LU ẬN ÁN TI ẾN SĨ N G G NG ƢỜ I HƢ ỚN G DẪ N KH OA HỌ C: R C HI Ế U SÁ N Ắ PGS.T S P G S T S P h m H n g D ƣ n g HÀ NỘI, 2020 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .iii DANH MỤC CÁC BẢNG v DANH MỤC CÁC HÌNH vi MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG I TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Chiếu sáng rắn nguồn sáng LED 1.1.1 Nguyên lý hoạt động LED 1.1.2 Vật liệu phosphor 10 1.1.3 Gói LED trắng (WLED) 12 1.1.4 Bộ đèn LED (LED Luminaire) 14 1.1.5 Các đặc trƣng nguồn sáng LED 20 1.2 Linh kiện quang học biên dạng tự FO (Freeform Optics) 26 1.2.1 Khái niệm quang học biên dạng tự FO 26 1.2.2 Thiết kế, chế tạo đo lƣờng linh kiện FO 28 1.2.3 Ứng dụng linh kiện FO 33 1.3 Chiếu sáng 38 1.3.1 Ô nhiễm ánh sáng 39 1.3.2 Chiếu sáng lấy ngƣời làm trung tâm (HCL) 40 1.3.3 Những vấn đề cần giải 43 CHƢƠNG II PHƢƠNG PHÁP, KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG 45 2.1 Tính tốn, thiết kế mơ sử dụng phần mềm trợ giúp 45 2.1.1 Phần mềm tính tốn trợ giúp (Excel, Origin) 45 2.1.2 Thiết kế mẫu sử dụng phần mềm trợ giúp Solidworks .46 2.1.3 Mô quang học sử dụng phần mềm chuyên dụng Optgeo, Tracepro 47 2.2 Kỹ thuật, công nghệ sử dụng 49 2.2.1 Chế tạo nguyên mẫu linh kiện FO 49 2.2.2 Chế tạo linh kiện FO công nghệ ép phun nhựa nhiệt dẻo 51 2.2.3 Công nghệ đùn ép nhôm (Al Extrution Technology) 56 2.3 Phƣơng pháp đo đạc đánh giá 58 2.3.1 Phƣơng pháp thiết bị đo đặc trƣng vật liệu, linh kiện 58 2.3.2 Các thiết bị đo đặc trƣng đèn LED 60 2.4 Xây dựng mơ hình chiếu sáng 62 Mô môi trƣờng chiếu sáng sử dụng phần mềm Dialux Evo .62 CHƢƠNG III THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐÈN LED TRẮNG CẤU HÌNH REMOTEPHOSPHOR 66 3.1 Thiết kế, chế tạo đèn LED trắng cấu hình Remote-phosphor 67 3.1.1 Thiết kế đèn LED trắng cấu hình RP 67 3.1.2 Thiết kế, chế tạo dẫn sáng RP 69 3.1.3 Chế tạo đèn LED trắng cấu hình RP 70 3.2 Đo đạc, khảo sát thông số quang học đèn LED trắng cấu hình RP 71 CHƢƠNG IV TÍNH TỐN, THIẾT KẾ, MƠ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO LINH KIỆN QUANG BIÊN DẠNG TỰ DO 76 4.1 Thiết kế, mô linh kiện quang biên dạng tự 76 4.1.1 Thiết kế thấu kính FO 76 4.1.2 Xây dựng mơ hình mơ 77 4.1.3 Mô độ rọi trần nhà 78 4.1.4 Mô độ rọi dƣới sàn nhà 79 4.1.5 Tối ƣu hoá đa đặc trƣng 80 4.2 Tính tốn lý thuyết đƣa tiêu chí thiết kế thấu kính FO 82 4.2.1 Mơ hình phân tích lý thuyết 82 4.2.2 Cách tiếp cận thay cho hệ thống chiếu sáng đồng 86 4.3 Chế tạo linh kiện quang biên dạng tự 92 4.3.1 Thấu kính biên dạng bất đối xứng AL 92 4.3.2 Thấu kính góc chiếu hẹp (NAL narrow angle lens) 100 4.3.3 Thấu kính FO cho đèn dụ cá 102 CHƢƠNG V THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC BỘ ĐÈN SKYLED TÍCH HỢP THẤU KÍNH FO VÀ XÂY DỰNG MỘT SỐ MƠ HÌNH THỰC TẾ 105 5.1 Bộ đèn LED tích hợp thấu kính biên dạng bất đối xứng 106 5.1.1 Bộ đèn SkyLED tích hợp thấu kính AL gắn tƣờng chiếu trần 106 5.1.2 Bộ đèn SkyLED tích hợp thấu kính AL thả trần chiếu sáng gián tiếp 110 5.1.3 Bộ đèn SkyLED tích hợp thấu kính AL NAL thả trần chiếu phía 114 5.1.4 Bộ đèn LED tích hợp thấu kính AL chiếu bảng .117 5.1.5 Bộ đèn LED tích hợp thấu kính AL chiếu sáng dụ cá 119 5.2 Chiếu sáng Dƣỡng sinh 5S (5S Human Centric Lighting) .122 Xác định thông số đặc trƣng môi trƣờng ánh sáng .123 5.3 Xây dựng số mơ hình chiếu sáng thực tế 125 5.3.1 Chiếu sáng phòng họp, phòng học 125 5.3.2 Chiếu sáng hộ, nhà 126 5.3.3 Chiếu sáng cửa hàng, phòng khám bệnh 128 5.3.4 Chiếu sáng nghệ thuật, tâm linh .128 5.3.5 Bàn học tích hợp hộp sáng chống cận thị 130 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 133 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ 136 TÀI LIỆU THAM KHẢO 137 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan tồn cơng trình dƣới riêng Các số liệu kết nêu luận án trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả ii LỜI CÁM ƠN Trƣớc tiên, cho phép đƣợc gửi lời cám ơn đặc biệt tới hai giáo viên hƣớng dẫn khoa học PGS.TS Phạm Hồng Dƣơng PGS.TS Trần Quốc Tiến Hai Thầy tận tình bảo, truyền dạy kiến thức, dẫn dắt, động viên tơi vƣợt qua khó khăn, trở ngại để hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn đồng tác giả cơng trình cơng bố liên quan đến nội dung luận án cho phép đƣợc sử dụng số kết phục vụ cho luận án Tôi xin gửi lời cám ơn đến Ban Lãnh đạo Học viện Khoa học Công nghệ, Ban Lãnh đạo Viện Khoa học vật liệu, Giáo viên Học viện động viên tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành tốt luận án Tơi xin gửi lời cám ơn chân thành đến đồng nghiệp phòng Cooperman, phòng Laser bán dẫn, ngƣời ln ủng hộ giúp đỡ tơi q trình thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ Trung tâm R&D Chiếu sáng, Công ty CP Bóng đèn Phích nƣớc Rạng Đơng giúp đỡ việc chế tạo khảo sát số tính đèn SkyLED, đèn LED chiếu bảng, đèn LED dụ cá Tôi xin chân thành cảm ơn đề tài ĐTĐLCN.30/18 hỗ trợ cho thực luận án Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến Thầy giáo, Cô giáo, Nhà khoa học, bạn bè, đồng nghiệp công tác ngồi Viện Khoa học vật liệu ln quan tâm, động viên, dẫn tơi q trình thực luận án Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ngƣời thân yêu gia đình, gia đình cho tơi động lực chỗ dựa vững để tơi tập trung sức lực hoàn thành luận án Hà Nội, ngày tháng năm 2020 AFM A 128 tận trần bê tông (3 m tới 3,2 m) Các thiết bị treo trần nhƣ quạt trần, điều hoà, đèn chùm khơng tạo bóng dƣới ánh sáng giải pháp Chiếu sáng 5S 5.3.3 Chiếu sáng cửa hàng, phòng khám bệnh Khi đƣợc chiếu lƣớt đèn SkyLED, mặt tiền cửa hàng phịng khám có mảng sáng rộng, đồng hồn tồn khơng chói mắt nhƣ ảnh chụp Hình 5.27 Giải pháp khơng làm bật chức cửa hàng, mà cịn góp phần giảm tai nạn giao thông ánh sáng trực tiếp chiếu vào mắt ngƣời đƣờng Phía phịng khám răng, phịng xoa bóp hay spa, trần nhà có ánh sáng dịu đều, tạo cảm giác thƣ giãn giảm đau cho bệnh nhân Hình 27 Ảnh chụp phía bên ngồi phịng chữa 45 Tô Hiệu Hà nội, chiếu sáng đèn SkyLED 5.3.4 Chiếu sáng nghệ thuật, tâm linh Hai giải pháp chiếu sáng khác đƣợc áp dụng để chiếu sáng Đền Chùa, nơi thờ cúng Đối với cơng trình có tác phẩm nghệ thuật vẽ trần, tƣờng…chúng sử dụng đèn SkyLED gắn tƣờng để chiếu lƣớt trần, nhƣ cơng trình chiếu sáng chùa Quế lâm, Việt trì Phú thọ (Hình 5.29) u cầu giải pháp chiếu sáng khơng nhìn thấy đèn ánh sáng trực tiếp Độ rọi mặt sàn đạt 250 lux bật tất đèn Nhóm tƣợng Quán Thế âm đƣợc chiếu sáng sáng dịu mắt, thể đƣợc tiêu chí nghệ thuật tâm linh Thầy 129 Hình 29 Ảnh chụp Hội trƣờng chùa Quế lâm rộng 700 m2 chiếu sáng đèn SkyLED Hình 30 Ảnh chụp nhóm tƣợng Quán Thế âm chiếu sáng đèn SkyLED Đền Hùng có phong cách kiến trúc theo kiểu mái đình truyền thống với khung bao làm từ vật liệu gỗ q sẫm màu, cần phải tạo đèn có diện tích chiếu sáng rộng Chúng thiết kế lắp đặt đèn Bánh chƣng tƣợng trƣng cho đất có hình vng đèn Bánh dày tƣợng trƣng cho trời có hình lục giác, lắp đèn chiếu hắt từ cạnh dƣới lên (Hình 5.31) Hình 31 Ảnh chụp đèn Bánh Trƣng, Bánh dày Đền Hùng Phú Thọ 130 Điểm đặc biệt đèn Bánh chƣng, Bánh dày ba khía cạnh quan trọng Về khía cạnh chiếu sáng, góc chiếu đèn rộng, chiếu sáng Đền Giếng làm rõ kết cấu cổ truyền nhƣ hoạ tiết chạm khắc, sơn son thếp vàng; chiếu sáng ngang vào ban thờ đồ thờ cúng, chiếu xuống dƣới sàn phục vụ ngƣời quan sát Về khía cạnh tiện nghi, tổng diện tích mặt phát sáng đèn khoảng 5m2 cho tổng quang thông 5000 lm ánh sáng phát từ mặt phát sáng thứ cấp có độ chói dịu, vào khoảng 1500cd/m2, gấp lần độ chói TV thơng thƣờng, lại không thấy ánh sáng trực tiếp từ LED nên tƣợng chói lố đƣợc loại bỏ hồn tồn Về khía cạnh trang trí, mặt mặt bên đèn đƣợc căng hình ảnh in hoạ tiết lên màng polimer co giãn nhiệt, tạo linh hoạt muốn thay đổi nội dung sửa chữa Về nội dung hoạ tiết, phƣơng án ƣu tiên đƣợc lựa chọn thử nghiệm, khắc hoạ lại nét sinh hoạt nhân dân quan niệm trời đất thời đại Vua Hùng Trời Trịn Đất Vng quan niệm cổ đại thông qua câu chuyện đƣợc kể lại với nét sinh hoạt chuyển từ săn bắt hái lƣợm sang chăn nuôi trồng trọt Với hoạ tiết lấy cảm hứng từ hoa văn trống đồng Ngọc lũ, muốn ôn lại thời kỳ văn minh sớm đất nƣớc từ cảnh chăn nuôi, trồng trọt, xay lúa giã gạo đến việc tìm hiểu hình thái trời đất Đây thông điệp mà Bác Hồ dặn trƣớc Ngƣời xa:‖ Các Vua Hùng có cơng dựng nƣớc, bác cháu ta phải giữ lấy nƣớc‖ 5.3.5 Bàn học tích hợp hộp sáng chống cận thị Vấn đề cận thị, nhƣợc thị trở nên nghiêm trọng năm gần với nguyên nhân chủ yếu môi trƣờng lối sống đại không phù hợp với gien nguyên thuỷ ngƣời Cho đến nay, có nhiều đồng thuận nguyên nhân quan trọng gây nên tật cận thị, học sinh nhìn gần lâu môi trƣờng chiếu sáng không hợp lý Chúng tập trung giải nguyên nhân 131 gây nên loại tật, bệnh nói thơng qua Bàn học thơng minh tích hợp hộp sáng chống cận thị mô bầu trời tự nhiên (gọi tắt Bàn học chống cận thị) Thiết kế Bàn học chống cần thị đƣợc mơ tả Hình 5.32, theo thông số quang điện hộp sáng phải đảm bảo: - Độ rọi cực đại mặt ngang mặt bàn EMH> 900 lux độ rọi mặt đứng EMV> 400 lux đủ cao để nâng cao hƣng phấn sáng tạo - Độ đồng (U uniformity) UMH > 80%, UMV > 30%, cao tiêu chuẩn quốc tế - Độ chói mặt bàn (luminance): 20 cd/m2