THÔNG TIN TÀI LIỆU
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CAO XUÂN QUÂN NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP ĐO QUANG THÔNG HPCOBLED (HIGH POWER CHIP ON BOARD LIGHT EMITTING DIODE) VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KIỆN THỰC Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 62520401 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT Hà Nội - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CAO XUÂN QUÂN NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP ĐO QUANG THÔNG HPCOBLED (HIGH POWER CHIP ON BOARD LIGHT EMITTING DIODE) VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KIỆN THỰC Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 62520401 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS VÕ THẠCH SƠN TS NGUYỄN TUYẾT NGA Hà Nội - 2014 Mục lục Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ đồ thị 10 Mở đầu 13 Chương Tổng quan COB LED công suất cao ứng dụng công nghệ chiếu sáng 16 1.1 Lịch sử phát triển điôt phát quang (LED) 16 1.2 Cơ sở vật lý LED 17 1.2.1 Sự hình thành chuyển tiếp pn - chuyển tiếp pn điều kiện cân 17 1.2.2 Chuyển tiếp pn điều kiện không cân 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 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 nhiệt độ đến thông số LED 29 1.4.5.1 Ảnh hưởng nhiệt độ đến điện áp đặt vào 29 1.4.5.2 Ảnh hưởng 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 Nghiên cứu phương pháp đo quang thông HPCOBLED 35 2.1 Phép đo xạ phép đo trắc quang 35 2.1.1 Quan hệ phép đo trắc quang phép đo xạ 36 2.1.2 Các định nghĩa, đơn vị phép đo xạ phép đo trắc quang 36 2.2 Hệ thống màu tiêu chuẩn CIE 38 2.2.1 Phổ công suất 38 2.2.2 Hàm tổng hợp màu 38 2.2.3 Tọa độ màu 40 2.2.4 Không gian màu đồng 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 Ra) 45 2.3 Nghiên cứu phương pháp đo quang thông HPCOBLED 46 2.3.1 Phương pháp đo quang thông sử dụng quang góc kế - GPM 46 2.3.1.1 Nguyên lý phương pháp GPM 46 2.3.1.2 Sơ đồ nguyên lý phương pháp GPM 46 2.3.1.3 Ưu nhược điểm phương pháp GPM 47 2.3.2 Phương pháp ISSM 48 2.3.2.1 Nguyên lý phương pháp ISSM 48 2.3.2.2 Sơ đồ nguyên lý phương pháp ISSM 49 2.3.2.3 Ưu nhược điểm phương pháp ISSM 50 2.3.3 Phương pháp ISPM 51 2.3.3.1 Nguyên lý phương pháp ISPM 51 2.3.3.2 Sơ đồ nguyên lý phương pháp ISPM 51 2.3.3.3 Ưu nhược điểm phương pháp ISPM 53 Kết luận chương 53 Chương Nghiên cứu thiết kế, chế tạo xây dựng hệ đo quang thông HPCOBLED 54 3.1 Phương pháp đo quang thơng sử dụng hệ đo cầu tích phân kết hợp thiết bị đo phổ xạ quang kế chuẩn 54 3.1.1 Nguyên lý phương pháp ISSPM 54 3.1.2 Sơ đồ khối phương pháp ISSPM 55 3.2 Thiết kế, chế tạo xây dựng hệ đo 56 3.2.1 Thiết kế cầu tích phân 56 3.2.1.1 Các yêu cầu kỹ thuật cầu tích phân 56 3.2.1.2 Xác định phần diện tích mở Ai cầu tích phân 56 3.2.1.3 Thiết kế chắn sáng 57 3.2.2 Chọn đèn chuẩn phổ 59 3.2.3 Chọn thiết bị đo phổ xạ 60 3.2.4 Chọn quang kế chuẩn 60 3.2.5 Chọn nguồn DC 61 3.2.6 Chọn ổn định nhiệt độ (TEC) 61 3.2.7 Xác định thiết bị phụ trợ đo kiểm soát nguồn DC 61 3.3 Chế tạo cầu tích phân phận kèm 61 3.3.1 Chế tạo cầu tích phân 61 3.3.2 Chế tạo 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 khoảng cách phun 65 3.3.3.4 Ảnh hưởng áp suất phun 67 3.3.3.5 Khảo sát ảnh hưởng 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 hiệu chuẩn 73 3.5.2 Đánh giá độ ổn định hệ đo VMI-PR-001 75 3.6 Quy trình hiệu chuẩn quang thơng HPCOBLED 76 3.6.1 Xác định hệ số hiệu kabs 76 3.6.2 Quy trình đo quang thơng 76 3.7 Kết hiệu chuẩn quang thông HPCOBLED 77 3.7.1 Kết xác định hệ số kabs 77 3.7.2 Xác định quang thông HPCOBED 78 3.7.3 Ước lượng độ không đảm bảo đo 79 3.8 Nghiên cứu tính chất quang điện HPCOBLED 81 3.8.1 Khảo sát ảnh hưởng dòng If nhiệt độ đến dịch chuyển đỉnh phổ công suất 81 3.8.2 Ảnh hưởng dòng If nhiệt độ đến thông số quang 82 3.8.3 Khảo sát ảnh hưởng dịng ni nhiệt độ đến thơng số màu 86 Kết luận chương 87 Chương Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến quang thơng HPCOBLED Mơ hình HPCOBLED 88 4.1 Mơ hình quang thông phụ thuộc nhiệt độ Mark W.Hodapp 88 4.1.1 Mơ hình Mark W.Hodapp 88 4.1.2 Mơ hình Mark W.Hodapp sử dụng HPCOBLED 89 4.2 Mơ hình HPCOBLED (High Power COB LED Model) 97 4.2.1 Giả thiết mơ hình HPCOBLED 98 4.2.2 Mơ hình HPCOBLED 98 4.3 Đánh giá độ xác mơ hình HPCOBLED 99 4.4 Ứng dụng xác định quang thông HPCOBLED theo nhiệt độ hệ đo không sử dụng điều khiển nhiệt độ (TEC) 101 4.4.1 Phương pháp xác định quang thông theo mơ hình HPCOBLED Tc = 25 0C 102 4.4.2 Chuẩn bị thực nghiệm 102 4.4.3 Thực nghiệm 103 4.4.4 Kết thực nghiệm thảo luận 103 Kết luận chương 104 Kết luận 106 Danh mục cơng trình 107 Bản quyền sáng chế 107 Tài liệu tham khảo 108 Phụ lục 114 Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh mục ký hiệu Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt Diffusion electric field Điện trường khuếch tán Luminous Flux Quang thông Radiant intensity Cường độ xạ Luminous intensity Cường độ sáng 2π Geometry 2π Dạng hình học 2π 4π Geometry 4π Dạng hình học 4π e Electron Điện tử Ec Bottom of the conduction band energy Năng lượng đáy vùng dẫn Ee Electron energy Năng lượng điện tử EFn Fermi level of the semiconductor n Mức Fermi bán dẫn n EFp Fermi level of the semiconductor p Mức Fermi bán dẫn p Eg Band gap energy Độ rộng vùng cấm Eh Hole energy Năng lượng lỗ trống Ev Top of the valence band energy Năng lượng đỉnh vùng hóa trị h Planck constant Hằng số Planck Foward current Dịng ni n Electron density Nồng độ điện tử Na Impurity density acceptor Nồng độ tạp chất acceptor Nc The effective density of states of the conduction band Nồng độ trạng thái hiệu dụng vùng dẫn Nd Impurity density donor Nồng độ tạp chất donor Nv The effective density of states of the valence band Nồng độ trạng thái hiệu dụng vùng hoá trị p Hole density Nồng độ lỗ trống Φ , If Ra RAuger Rth j-a Color rendering index Hệ số hoàn màu Auger recombination rate Tốc độ tái hợp Auger Thermal resistance from junction to to Nhiệt trở từ chuyển tiếp đến môi ambient trường Ta Ambient temperature Nhiệt độ môi trường Tb Board temperature Nhiệt độ đế Tc Case temperature Nhiệt độ vỏ (hoặc điểm hàn HPCOBLED) Tj Junction temperature Nhiệt độ chuyển tiếp Tsp Solder point temperature Nhiệt độ điểm hàn V Voltage Điện áp ν Frequency Tần số Φe Radiant flux Thơng lượng xạ Ω Solid angle Góc khối ( ) Spectral sensitivity of the human eye functions Hàm phổ độ nhạy mắt người Danh mục chữ viết tắt Ký hiệu B CCT CGPM Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt Blue Màu xanh da trời Correlated Color Temperature Nhiệt độ màu tương quan General Conference on Weights Hội nghị cân đo quốc tế and Measures International Commission on Illumination (Commission Internationale de L Eclairge) Ủy ban quốc tế chiếu sáng CMFs Color matching functions Hàm tổng hợp màu CNC Computerized Controlled Điều khiển máy tính COB Chip On Board Chip tích hợp đế CRI Color Rendering Index Hệ số hoàn màu CT Color Temperature Nhiệt độ màu DC DC supply Nguồn điện DC DE Droop effect Hiệu ứng rơi EL Electroluminescence Điện huỳnh quang Electromagnetic Spectrum Phổ điện từ Green Màu xanh Goniophotometer Methhod Phương pháp đo quang thơng sử dụng quang góc kế CIE EMS G GPM HPCOBLED Numerically High Power Chip On Board COBLED công suất cao Light Emitting Diode IR Infra Red Hồng ngoại IS Integrating Sphere Quả cầu tích phân ISPM Phương pháp đo quang thông sử Integrating Sphere Photometer dụng cầu tích phân kết hợp với Method quang kế chuẩn ISSM Integrating Sphere Spectroradiometer Method Phương pháp đo quang thơng sử dụng cầu tích phân kết hợp với thiết bị đo phổ xạ ISSPM Integrating Sphere Spectroradiometer Photometer Method Phương pháp đo quang thông sử dụng cầu tích phân kết hợp với thiết bị đo phổ xạ quang kế chuẩn Kelvin Nhiệt độ Kelvin Light Emitting Diode Điôt phát quang K LED MOCVD Metal Organic Chemical Vapor Lắng đọng hóa học từ pha hợp Deposition chất kim NIST National Institute of Standards Viện tiêu chuẩn công nghệ quốc and Technology (USA) gia (USA) NMIs National Metrology Instituties Các Viện Đo lường quốc gia Solid State Lighting Nguồn sáng rắn Red Màu đỏ TEC Thermo Electric Cooler Bộ làm lạnh UV Ultra Violet Tử ngoại SSL R Có thể thấy, công suất tiêu tán HPCOBLED bị suy giảm rõ rệt nhiệt độ Tc tăng Các HPCOBLED có cơng suất cao, suy giảm gia tăng nhiệt độ Tc tăng Trong trường hợp nhiệt độ Tc tăng từ 25 0C đến 100 0C, HPCOBLED có P = W, có cơng suất tiêu tán giảm lượng P ~ 0,275 W Trường hợp HPCOBLED có cơng suất P = 10 W cơng suất tiêu tán giảm lượng P ~ 0,471 W Tương tự vậy, HPCOBLED có cơng suất P = 20 W, cơng suất tiêu tán giảm lượng P ~ 0,842 W HPCOBLED có cơng suất P = 35 W cơng suất tiêu tán giảm lượng P ~ 1,412 W Sự suy giảm quang thông HPCOBLED nhiệt độ tăng theo mơ hình HPCOBLED biểu diễn hình 4.11 Có thể thấy rằng, giá trị quang thơng theo mơ hình HPCOBLED gần trùng khớp với giá trị thực nghiệm Điều chứng tỏ mơ hình (4.5) mơ tả gần hồn hảo suy giảm quang thông nhiệt độ tăng 760 1340 (a) 740 1300 730 1280 720 710 700 (b) 1320 Quang th«ng, lm Quang th«ng, lm 750 690 1260 1240 1220 1200 680 1180 Giá trị thực nghiệm Giá trị xác định theo (4.5) 670 Giá trị thực nghiệm Giá trị xác định theo (4.2) 1160 660 1140 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 20 30 40 50 NhiƯt ®é Tc, C 60 70 80 NhiƯt ®é Tc, C 90 100 110 4300 2450 (c) 2400 (d) 4200 2350 Quang th«ng, lm Quang th«ng, lm 4100 2300 2250 2200 2150 4000 3900 3800 2100 Gi¸ trị thực nghiệm Giá trị xác định theo (4.5) 3700 Giá trị thực nghiệm Giá trị xác định theo (4.5) 2050 3600 2000 20 30 40 50 60 70 80 NhiƯt ®é Tc, C 90 100 110 20 30 40 50 60 70 80 90 NhiƯt ®é Tc, C Hình 11 Đồ thị phụ thuộc quang thông vào nhiệt độ HPCOBLED so sánh giá trị thực nghiệm giá trị tính theo mơ hình HPCOBLED a) W, b) 10 W, c) 20 W d) 35 W 100 100 110 Kết thực nghiệm, kết tính theo mơ hình HPCOBLED so sánh với mơ hình Mark W.Hodapp biểu diễn hình 4.12 760 1340 (a) (b) 750 1320 740 1300 Quang th«ng, lm Quang th«ng, lm 730 720 710 700 Giá trị xác định theo (4.2) Giá trị thực nghiệm Giá trị xác định theo (4.5) 690 680 1280 1260 1240 1220 Giá trị xác định theo (4.2) Giá trị thực nghiệm Giá trị xác định theo (4.5) 1200 670 1180 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 20 30 40 NhiƯt ®é Tc, C 50 60 70 80 90 100 110 NhiƯt ®é Tc, C 2450 (c) (d) 4300 2400 4200 Quang th«ng, lm Quang thông, lm 2350 2300 2250 2200 Giá trị xác định theo (4.2) Giá trị thực nghiệm Giá trị xác định theo (4.5) 2150 4100 4000 3900 Giá trị xác định theo (4.2) Giá trị thực nghiệm Giá trị xác định theo (4.5) 3800 3700 2100 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 NhiƯt ®é Tc, C 20 30 40 50 60 70 80 90 100 NhiƯt ®é Tc, C Hình 12 Đồ thị so sánh kết thực nghiệm, kết theo mơ hình HPCOBLED so sánh với kết theo mơ hình Mark W.Hodapp a) W, b) 10 W, c) 20 W d) 35 W Như vậy, giả thiết mà chúng tơi đưa hồn tồn phù hợp mơ hình HPCOBLED biểu thức (4.5) mơ hình sử dụng để mơ tả phụ thuộc quang thông vào nhiệt độ HPCOBLED 4.4 Ứng dụng xác định quang thông HPCOBLED theo nhiệt độ hệ đo không sử dụng điều khiển nhiệt độ (TEC) Mơ hình HPCOBLED mơ hình mơ tả phụ thuộc quang thông HPCOBLED vào nhiệt độ Các kết mục 4.2 mục 4.3 cho thấy, quang thông HPCOBLED xác định theo mơ hình HPCOBLED phù hợp với kết thực nghiệm Tuy nhiên, mơ hình HPCOBLED, cịn có ưu điểm bật xác định quang thông HPCOBLED nhiệt độ Tc = 25 0C mà không cần sử dụng TEC 101 110 4.4.1 Phương pháp xác định quang thông theo mơ hình HPCOBLED Tc = 25 0C Để xác định quang thông HPCOBLEDở Tc = 25 0C mơ hình HPCOBLED, cần phải xác định quang thơng HPCOBLED hai nhiệt độ Tc khác Các bước tiến hành thực sau: 1) Lựa chọn hai đế tản nhiệt khác cho HPCOBLED, để xác định hai nhiệt độ Tc khác T1 T2 2) Xác định quang thông (Φv(T1), Φv(T2)) công suất tiêu tán P HPCOBLED hai nhiệt độ T1 T2 tương ứng 3) Thay hai giá trị quang thông Φv(T1) Φv(T2) vào biểu thức (4.5) thu biểu thức: Φ (T ) = Φ (T = 25 C)e ( ) (4.6) Φ (T ) = Φ (T = 25 C)e ( ) (4.7) : , Rc-a = 20,0 (0C/W) [79], P(Tc = 25 0C) = Vf.If (W) ∆T = P(Tc = 25 C) − P(Tc) R Chia biểu thức (4.6) cho (4.7) có: e [( Suy : ) ( k = ( )] ( = ( ( ( ) ( ) ) ) ) ) ( ) (4.8) (4.9) 4) Xác định Φ (Tc = 25 C) Thay biểu thức (4.9) vào biểu thức (4.6) thu giá trị quang thông HPCOBLED Tc = 25 0C sau: Φ (Tc = 25 C) = Φ (T )/exp (k[(T − T ) + (ΔT − ΔT )]) (4.10) Từ kết xác định quang thông HPCOBLED Tc = 25 0C theo mơ hình HPCOBLED, chúng tơi xác định quang thơng HPCOBLED nhiệt độ phạm vi giới hạn nhiệt độ Tc Đây rõ ràng ưu điểm lớn mơ hình HPCOBLED để ứng dụng mơ hình điều kiện thực Hãy xem xét thực nghiệm khả ứng dụng 4.4.2 Chuẩn bị thực nghiệm Để tiến hành thực nghiệm, thiết bị cần có là: 1) Hai HPCOBLED, có cơng suất P = 10 W P = 35 W (Nichia, Nhật bản); 2) Hai đế tản nhiệt có kích thước khác nhau; 3) Hệ đo VMI-PR-001 ; 4) Thiết bị đo nhiệt độ Tc ; 5) Thiết bị đo điện áp (3458A, Agilent); 102 6) Điện trở chuẩn, Rshunt = 0,01 Ω ± 0,01%; 7) Nguồn cấp DC (E3634A-Agilent) 4.4.3 Thực nghiệm Hình ảnh HPCOBLED gá hai đế tản nhiệt khác để tạo nhiệt độ Tc khác tương ứng T1, T2 biểu diễn hình 4.13 a) b) Hình 4.13 Ảnh HPCOBLED gắn hai đế tản nhiệt a) Đế tản nhiệt nhỏ, b) Đế tản nhiệt lớn 4.4.4 Kết thực nghiệm thảo luận Kết xác định giá trị quang thông HPCOBLED đế tản nhiệt khác tổng hợp bảng 4.5 Bảng 4.5 Quang thông HPCOBLED hai đế tản nhiệt Nhiệt độ Điện áp Dịng ni Cơng suất tiêu tán Quang thơng Φv, (lm) Đế tản nhiệt Tc, C U, (V) If, (A) Đế lớn 60 36,119 0,960 34,67 3584 Đế nhỏ 101 35,821 0,960 34,39 3290 Đế lớn 34,2 33,045 0,320 10,57 1157 Đế nhỏ 47,3 32,839 0,320 10,51 1133 103 P, (W) Từ kết thu bảng 4.5, xác định quang thơng HPCOBLED nhiệt độ Tc = 25 0C theo mô hình HPCOBLED kết tính tổng hợp bảng 4.6 kèm theo kết nhà sản xuất Bảng 4.6 Quang thông HPCOBLED nhiệt độ Tc = 25 0C theo mơ hình HPCOBLED If, (A) Theo mơ hình HPCOBLED Φv, (lm) Theo nhà sản xuất cơng bố Φv, (lm) 36,872 0,960 3743 3796 33,455 0,320 1181,5 1200 Nhiệt độ Điện áp Dịng ni Tc, (0C) (V) 25 25 Từ kết thu bảng 4.6, xác định quang thơng HPCOBLED nhiệt độ Tc = 25 0C theo mô hình HPCOBLED từ biểu thức (4.5) so sánh với kết đo thực nghiệm hệ đo VMI-PR-001, kết công bố nhà sản xuất (Nichia) Các giá trị quang thông tổng hợp bảng 4.7 Có thể thấy, giá trị quang thơng HPCOBLED với cơng suất P = 10 W tính theo mơ hình HPCOBLED có sai khác với giá trị thực nghiệm đo hệ đo VMI-PR-001 với sai số tương đối 0,63% so với nhà sản xuất công bố có sai số tương đối 1,54% Trường hợp, HPCOBLED có cơng suất P = 35 W tính theo mơ hình HPCOBLED có sai khác so với giá trị thực nghiệm đo hệ VMI-PR-001 với sai số tương đối 0,80% so với nhà sản xuất cơng bố có sai số tương đối 1,40% Như vậy, giá trị sai số xác định quang thơng HPCOBLED theo mơ hình HPCOBLED hồn tồn chấp nhận Bảng 4.7 Quang thơng HPCOBLED xác định nhiệt độ Tc = 25 0C theo mơ hình HPCOBLED, đo thực nghiệm hệ đo VMI-PR-001 theo nhà sản xuất công bố Công suất Nhiệt độ Quang thơng Φv, (lm) Điện áp Dịng ni Tc, (oC) (V) If, (A) 10 25 33,455 35 25 36,872 P, (W) Theo mơ hình HPCOBLED VMI-PR-001 Theo cơng bố nhà sản xuất 0,320 1181,5 1189 1200 0,960 3743 3773 3796 Trên hệ đo Kết luận chương 1) Chúng sử dụng hệ đo VMI-PR-001 để khảo sát phụ thuộc quang thơng HPCOBLED có công suất khác (P = W, 10 W, 20 W 35 W hãng Nichia, Nhật Bản) vào nhiệt độ Tc 2) Chúng xem xét mơ hình Mark mơ tả suy giảm quang thơng LED rời rạc nhiệt độ tăng Tuy nhiên, kết sử dụng mơ hình Mark biểu thức (4.2) khơng 104 thể mơ tả cách xác suy giảm quang thông HPCOBLED nhiệt độ gia tăng mơ hình khơng ý đến hình thành gradient nhiệt độ đường truyền dẫn nhiệt HPCOBLED 3) Để khắc phục không phù hợp việc mô tả suy giảm quang thông HPCOBLED với thực nghiệm sử dụng mơ hình Mark, chúng tơi nghiên cứu phát triển mơ hình HPCOBLED sở mơ hình Mark có ý đến hình thành gradient nhiệt độ đường truyền dẫn nhiệt Các kết kiểm chứng mơ hình HPCOBLED với kết thực nghiệm xác định hệ đo VMI-PR-001 hoàn tồn phù hợp Như vậy, kết luận rằng, mơ hình HPCOBLED biểu thức (4.5) sử dụng để mô tả phụ thuộc quang thông HPCOBLED vào nhiệt độ cách xác 4) Chúng tơi nghiên cứu ứng dụng mơ hình HPCOBLED để xác định quang thông nhiệt độ Tc = 25 0C mà không cần sử dụng đến thiết bị điều khiển nhiệt độ TEC Kết ứng dụng mô hình HPCOBLED để xác định quang thơng HPCOBLED (P = 10 W P = 35 W, hãng Nichia, Nhật Bản) nhiệt độ Tc = 25 0C cho thấy: giá trị quang thông HPCOBLED với công suất P = 10 W tính theo mơ hình HPCOBLED có sai khác với giá trị thực nghiệm đo hệ đo VMI-PR-001 với sai số tương đối 0,63% so với nhà sản xuất cơng bố có sai số tương đối 1,54% Trường hợp, HPCOBLED có cơng suất P = 35 W tính theo mơ hình HPCOBLED có sai khác so với giá trị thực nghiệm đo hệ VMI-PR-001 với sai số tương đối 0,80% so với nhà sản xuất công bố có sai số tương đối 1,40% Như vậy, kết xác định quang thông HPCOBLED theo mô hình HPCOBLED có sai số tương đối so với kết thực nghiệm nhà sản xuất công bố hồn tồn chấp nhận 105 Kết luận 1) Trong luận án này, nghiên cứu, phát triển thành công phương pháp ISSPM xây dựng hệ đo VMI-PR-001 có độ xác cao dùng để hiệu chuẩn, đo thử nghiệm quang thông LED HPCOBLED Trong trình xây dựng hệ đo VMI-PR-001, nghiên cứu thành công: i Xác định quy trình thực nghiệm lắng đọng tạo lớp phủ phản xạ khuếch tán lên bề mặt bên cầu tích phân sử dụng vật liệu BaSO4 với thơng số công nghệ sau: Tỉ lệ hợp phần dung dịch (BaSO4) : (H2O) : (C2H4O)n= 60 : 40 : 0,5 Khoảng cách phun: d = 20 cm Áp suất phun: P = 4,5 kg/cm2 Chiều dày lớp phủ: ~ 0,67 mm ii Thiết kế, chế tạo thành cơng cầu tích phân: Đường kính d = m Bề mặt phản xạ khuếch tán có: R ~ 98% độ thăng giáng độ phản xạ ΔR ≤ 1,5% khoảng bước sóng λ = (380 ÷ 780) nm có dạng hình học đo 2π 4π iii Xây dựng phần mềm đo quang thông VMI_PRLab cho hệ đo VMI-PR-001 iv Xây dựng hệ đo VMI-PR-001 sử dụng để hiệu chuẩn, đo thử nghiệm quang thơng khảo sát tính chất quang điện HPCOBLED với độ không đảm bảo đo mở rộng phép hiệu chuẩn quang thông HPCOBLED: U = 1,22% , hệ số phủ k = 2) Nghiên cứu ảnh hưởng dịng ni If nhiệt độ Tc đến tính chất quang HPCOBLED 3) Đã nghiên cứu phát triển mơ hình HPCOBLED mơ tả xác phụ thuộc quang thông HPCOBLED vào nhiệt độ 4) Đã nghiên cứu đưa mơ hình HPCOBLED ứng dụng điều kiện thực để xác định quang thông HPCOBLED nhiệt độ Tc = 25 0C nhiệt độ Tc hệ đo sử dụng cầu tích phân khơng có thiết bị TEC có sử dụng TEC cơng suất thấp 5) Kết ứng dụng mơ hình HPCOBLED để xác định quang thơng HPCOBLED có cơng suất P = 10 W P = 35 W (hãng Nichia, Nhật Bản) nhiệt độ Tc = 25 0C không sử dụng thiết bị TEC cho thấy: Giá trị quang thơng HPCOBLED có cơng suất P = 10 W tính theo mơ hình HPCOBLED có sai khác với giá trị thực nghiệm đo hệ đo VMI-PR-001 với sai số tương đối 0,63% so với nhà sản xuất cơng bố có sai số tương đối 1,54% Giá trị quang thông HPCOBLED có cơng suất P = 35 W tính theo mơ hình HPCOBLED có sai khác so với giá trị thực nghiệm đo hệ VMI-PR-001 với sai số tương đối 0,80% so với nhà sản xuất công bố có sai số tương đối 1,40% Như vậy, kết xác định quang thông HPCOBLED theo mô hình HPCOBLED có sai số tương đối so với kết thực nghiệm nhà sản xuất công bố hồn tồn chấp nhận 106 Danh mục cơng trình cơng bố luận án [1] Quan.C.X, Xuan.V.K, Nga.N.T, Mien.V.D and Son.V.T, “Evaluation of temperature and current effects on the optical properties of high power light emitting diodes in street lighting application”, Những tiến Vật lý Kỹ thuật Ứng dụng, 2013, pp.469 - 473 [2] Cao Xuân Quân, Vũ Khánh Xuân, Nguyễn Tuyết Nga Võ Thạch Sơn, “Nghiên cứu tạo lớp phủ phản xạ khuếch tán cao từ vật liệu BaSO4 lên bề mặt cầu tích phân ứng dụng đo quang thơng LEDs”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân sự, số 31, 2014, pp.150 - 155 [3] Quan Cao Xuan, Xuan.V.K, Nga.N.T and Son Vo Thach, “Study on luminous flux measurement system of light-emitting diode in Vietnam metrology institute”, Tạp chí khoa học cơng nghệ, số 101/2014, pp.188 - 191 [4] Cao Xuan Quan, Vu Khanh Xuan, Luu Thi Lan Anh and Vo Thach Son, “Study of Temperature Effect on luminous Flux of High Power Chip on Board Light Emitting Diode”, Comm.Phys.Vol.24, No 3(2014), pp.267 - 273 [5] Quan.C.X, Xuan.V.K, Trung.NN, and Sơn.V.T, “Study on luminous flux measurement of high power chip on board light emitting diodes”, Hội nghị Quang học Quang phổ lần thứ VIII, Đà Nẵng, 12-16 tháng năm 2014 [6] Cao Xuan Quan, Nguyen Ngoc Trung, Vu Khanh Xuan, Nguyen Tuyet Nga and Vo Thach Son“Tối ưu hóa hình thành lớp phủ phản xạ khuếch tán bề mặt cầu tích phân sử dụng BaSO4”, Hội nghị Quang học Quang phổ lần thứ VIII, Đà Nẵng, 12-16 tháng năm 2014 [7] Cao Xuân Quân, Vũ Khánh Xuân Võ Thạch Sơn, “Phương pháp xác định quang thông COBLED công suất cao không sử dụng thiết bị ổn định nhiệt độ TEC”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân sự, số 33 tháng 10/2014, pp.116 - 119 [8] Đề tài cấp năm 2012-2013 nghiệm thu ngày 12 tháng năm 2014, Tên đề tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ thống chuẩn quang thơng có độ xác 1,5% dùng để hiệu chuẩn đo thử nghiệm quang thông đèn LED”, chủ nhiệm đề tài: Cao Xuân Quân Bản quyền sáng chế Sáng chế 1) Cao Xuân Quân Võ Thạch Sơn, “Phương pháp chế tạo lớp phản xạ khuếch tán cao vật liệu BaSO4” (đã có chấp nhận đơn hợp lệ) 2) Cao Xuân Quân, Võ Thạch Sơn, Vũ Khánh Xn, “Hệ đo quang thơng” (đã có chấp nhận đơn hợp lệ) 3) Cao Xuân Quân Võ Thạch Sơn, “Phương pháp xác định quang thông LED công suất cao tích hợp đế” (đã có chấp nhận đơn hợp lệ) Bản quyền 1) Cao Xuân Quân, “Bài viết cầu tích phân đường kính d = 1m có lớp phủ phản xạ khuếch tán R = 98%, độ thăng giáng R < 1,5% vùng dải bước sóng = 380 nm 780 nm” 2) Cao Xuân Quân, Võ Thạch Sơn Vũ Khánh Xuân, “Bài viết sử dụng cầu tích phân có đường kính d = m để đo quang thông nguồn sáng LED” 107 3) Cao Xuân Quân Võ Thạch Sơn, “Bài viết thực nghiệm chế tạo lớp phủ phản xạ khuếch tán từ vật liệu BaSO4” 4) Cao Xuân Quân Vũ Khánh Xuân, “Phần mềm hệ đo quang thông VMI_PRLab” 108 Tài liệu tham khảo TIẾNG VIỆT [1] Cao Xuan Quan, “Luminous flux-calibration procedure”, VMI-CP07, 2013 [2] Cao Xuân Quân, Vũ Khánh Xuân, Nguyễn Tuyết Nga Võ Thạch Sơn, " Nghiên cứu tạo lớp phủ phản xạ khuếch tán cao từ vật liệu BaSO4 lên bề mặt cầu tích phân ứng dụng đo quang thơng LEDs”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân sự, số 31, 2014, pp150-155 [3] http://ecchanoi.gov.vn/ [4] http://vi.wikipedia.org/wiki/Điốt_phát_quang [5] Phùng Hồ, Phan Quốc Phô, Giáo trình vật liệu bán dẫn, NXB Khoa học kỹ thuật, 2008 [6] Quan.C.X, Xuan.V.K, Nga.N.T, Mien.V.D and Son.V.T, “Evaluation of temperature and current effects on the optical properties of high power light emitting diodes in street lighting application”, Kỷ yếu hội nghị: Những tiến Vật lý Kỹ thuật Ứng dụng, Huế, 2014, pp469 - 473 [7] TS Ngô Anh Tuấn, “Màu sắc: Lý thuyết ứng dụng”, NXB Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM, 2010 [8] Võ Thạch Sơn, Linh kiện bán dẫn vi điện tử, NXB Khoa học kỹ thuật, 2004 TIẾNG ANH [9] Anders Thorseth, “Characterization, Modeling, and Optimization of Light - Emitting Diode Systems”, Dissertation, 2011 [10] ANSI_ANSLG C78.377-2011: Specifications for the chromaticity of solid state lighting products, 2011, pp1 - 21 [11] B.M Song, B Han, and J.H Lee, “Optimum design domain of LED-based solid state lighting considering cost, energy consumption and reliability,” Microelectron Reliab., vol 53, no 3, 2013, pp435 - 442 [12] Budde, W “Standards of reflectance”,Journal of the Optical Society of America”, Vol 50, No 3, 1960, pp217-220 [13] Bureau International des Poidset Mesures, “The International System of Units (SI)”, Organisation Intergouvernementale de la Convention du Mètre, edition, 2006 [14] C C Miller and Y Ohno, “Luminous Flux Calibration of LEDs at NIST”, Proc 2nd CIE Expert Symposium on LED Measurement, Gaithersburg, MD, 2001, pp45 [15] C Cameron Miller and Yoshi Ohno, “Luminous Flux Calibration of LEDs at NIST”, the 2nd CIE Expert Symposium on LED Measurement, 2001 [16] CasimerDeCusatis, “Handbook of Applied photometry”, Spinger, 1998 [17] CIE 127-2007, “Measurement of LEDs, Commission Internationale de I’Eclairage”, Viena, Austria, 2007 [18] CIE, “CIE 13.3 Method of measuring and specifying colour rendering properties of light sources, 1995 109 [19] CIE, “CIE S 014-5/E:2009 CIE 1976 L*u*v* Colour Space and u’, v’ Uniform Chromaticity Scale Diagram”, Commission Internationale de L’Eclairage, 2009 [20] CIE, “The Measurement of Luminous Flux CIE Publ No 84”, International Commission on Illumination, Vienna, 1989 [21] CIE,“CIE 1931 Cambridge University Press”, Cambridge., 1932 [22] CIE Colorimetry, official recommendations of the international commission on illumination, publication cie no 15 (e-1 1).Bureau Central de la CIE, Av du Recteur Poincare, 75 Paris 16e, France, 1971 [23] D.B.Judd, “A Maxwell triangle yielding uniform chromaticity scales”, J.Opt.Soc.Am, 1935, pp24-35 [24] Dong-Hoon Lee, Seongchong Park, and Seung-Nam Park “APMP Supplementary Comparisons of LED Measurements,” Rep Division of Physical Metrology, Korea Research Institute of Standards and Science ( KRISS), no July, 2012, pp141 [25] Donal A Neamen, “Semiconductor physics and devices: basic principles third edition”, McGraw-Hill, New York, 2003 [26] E F Schubert, “Doping in III-V Semiconductors”, Cambridge University Press,2005 [27] E F Schubert, “Light Emitting Diodes and Solid-State Lighting Solid-state lighting Quantification of solid-state lighting benefits,” vol 12180 [28] E Schubert, “Light-Emitting Diodes”, Cambridge University Press, 2006 [29] E.B.Rosa and A.H.Taylor, “Theory, construction, and use of the photometric intergrating sphere”,Washington Government printing office, 1922 [30] Energy Efficiency and Renewable Energy, “Solid-State Lighting Research and Development”, Multi-Year Program, 2014 [31] Farhad Samedov, Murat Durak, “Realization of luminous flux unit lumen at National Metrology Institute of Turkey (UME)”, Optica Applicata, Vol.XXXIV, No.2, 2004, pp266-274 [32] G Brida, M L Rastello, F Saccomandi, and F Viarengo, “A combined method for measuring total flux and luminous intensity of LED”, Proc CIE Expert Symposium on Advances in Photometry and Advances in Photometry and Colorimetry, Turin, Italy, 2008, pp128 [33] G.B.Stringfellow, M.George, “High brightness light emitting diodes”, Academics press limited, 1997 [34] G.Wyszecki and W.Stiles, “Color Science: Concepts and Methods, Quantitative Data and Formulae”, Wiley New York, 1982 [35] H Wu, K Lin, and S Lin, “A study on the heat dissipation of high power multi-chip COB LEDs,” Microelectronics J., vol 43, no 4,2012, pp280–287 [36] H Wu, K Lin, and S Lin, “A study on the heat dissipation of high power multi-chip COB LEDs,” Microelectronics J., vol 43, no 4, 2012, pp280–287 [37] http://vi.wikipedia.org/wiki/Photon/ [38] http://www.cob-led.com [39] http://www.cree.com/ 110 [40] http://www.cree.com/Led-components-and-modules/tools-and-support/tools [41] http://www.iea.org/topics/energyefficiency/lighting/ [42] http://www.jaloxa.eu/resources/presentations/msc2012/docs/DEEAL4_Jacobs-Colour20121212.pdf [43] http://www.labsphere.com [44] http://www.Lextar.com/COB thermal management, Mar.2014 [45] http://www.lighting.philips.com/main/ [46] http://www.nichia.com [47] http://www.Noribachi.com/ LED juntion temperature and lifetime, Nov.14, 2011 [48] http://www.osram.com/osram_com/ [49] http://www.en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode [50] http://www.www lmt.de [51] I.Akasaki, H.Amano, K.Itoh, N.Koide and K.Manabe, "GaN based UV/blue lightemitting devices, GaAs and Related Compounds conference", Inst Phys Conf Ser, 1992, 127:851 [52] IESNA Testing Procedures Committee, “IES LM-79-80 Approved Method: Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products”, Illuminating Engineering Society, New York, 2008 [53] J Guild, “The colorimetric properties of the spectrum”, Philos Trans Roy Soc.London, Ser.A, 230, 1931, pp149-187 [54] J Hovila, P Toivanen, and E Ikonen, “Realization of the unit of luminous flux at the HUT using the absolute integrating-sphere method”, Metrologia 41, 2004, pp407-413 [55] K Lahti, J Hovila, P Toivanen, E Vahala, I Tittonen, and E Ikonen, “Realiazation of the luminous-flux unit using an LED scanner for the absolute integrating-sphere method”, Metrologia 37, 2000, pp595-598 [56] KRISS, Report of measurement capabilities in photometry and radiometry, 2010 [57] Labsphere Inc., “A guide to integrating sphere theory and applications”,Labsphere North Sutton, NH, 1998 [58] Labsphere, Inc “Calibration spectral and luminous flux standards”,NIST-traceable Standards for Light Measurement System Calibration [59] Labsphere, Inc., Optical Calibration Laboratory, “Total spectral flux calibration certificate: SCL-1400-E120”, 2013 [60] Lasphere, “Technical guide Reflectance Materials and Coatings” [61] Lisa Megan McGill, “MOCVD Growth of InGaP-based Heterostructures for Light Emitting Devices”, dissertation,Massachusetts Institute of Technology, 2003 [62] LMT Lichtmesstechnik GmbHBerlin, “Calibration Certificate of Photometry head: P 30 SCT, 12B324”, 2014 [63] M Ha and S Graham, “Microelectronics Reliability Development of a thermal resistance model for chip-on-board packaging of high power LED arrays”,Microelectron Reliab., vol 52, no 5, 2012, pp836 – 844 111 [64] Mark W.Hodapp, “Applications for High-Brightness Light-emitting Diodes”, Semiconductor and semimetals, vol 48, 1997, pp227-356 [65] N.Holonyak Jr and S.Bevacqua, "Coherent (visible) light emission from Ga(AsP) junctions", Applied Physics Letters,vol.1 , 1962, pp1-82 [66] Nakamura, M.Seoh, N.Iwasa and S.Nagahama, "High-brightness In-GaN blue, green and yellow light-emitting diodes with quantum well structures, Japanese Journal of Applied Physics part letter, 1995, pp 34:797-797 [67] NJ.Schanda, “Colorimetry: Understanding the CIE system”, Wiley-Interscience, 2007 [68] Peter D.Hiscocks,"Integrating Sphere for Luminance Calibration", Syscomp Electronic Design Limited, 2012 [69] Peter Hanselaer, Arno Keppens, “A new integrating sphere design for spectral radiant flux determination of LEDs”, Catholic University College Sint-Lieven Gent (B), 2009 [70] S Kasap, “PN juction devices and light emitting diodes”, pn Junction Devices, vol 7, no.6, 2001 [71] S Park, D H Lee, Y W Kim, and S N Park, “Absolute Integrating Sphere Method for Total Luminous Flux of LEDs”, Proc NEWRAD 2008, 2008, pp215 [72] S Park, Y.W Kim, D.H Lee, and S.N Park, “Preparation of a standard light-emitting diode (LED) for photometric measurements by functional seasoning”, Metrologia 43, 2006, pp299-305 [73] S S Edition and E F Schubert, "Light-Emitting Diodes", Cambridge University Press, vol 1904, 1992, pp1–10 [74] S.D.Noble, A.Boeré, T.Kondratowicz, T.G.Crowe, R.B.Brown and D.A.Naylor, “Characterization of a low-cost diffuse reflectance coating”, Can.J.Remote Sensing, Vol.43, No.2, 2008, pp68-76 [75] S.Nakamura and G.Fasol, “The blue laser diode: GaN Based Light Emitters and Lasers”, Springer, Berlin, 1997 [76] Susu Yan, "Thermal management and characterization of diodes",Dissertation,Mount Holyoke College, 2010 light - emitting [77] S.Nakamura, T.Mukai and M.Senoh, “Candela-class high-brightness InGaN/AlGaN double-heterostructure blue –light-emitting diodes”, Appl Phys Lett,vol 64(13) 1994, pp1215-1687 [78] Shuji Nakamura, “Blue, Green & White LEDs and Blue Laser Diodes”, www.ssldc.ucsb.edu [79] Steven Keeping, “Calculating LED Junction Temperature in Lighting Applications”, Hearst Electronic Products, 2011 [80] T.Kuklaoprakam, “Calibration procedure for integrating sphere photometer system”, NIMT, 2007 [81] TuomasPoikonen, “Characterization of Light Emitting Diodes and Photometer Quality Factors”, Dissertations, Aalto University, 2012 [82] Vurgaftman, J R Meyer, and L R Ram-Mohan, “Band parameters for III-V compound semiconductors and their alloys”, Journal of Applied Physics, 89(11), 2001, pp5815-5875 112 [83] Wang Jia-Xing, Wang Lai, HaoZhi-Biao, and Luo Yi, “Efficiency Droop Effect Mechanism in InGaN/GaN Blue MQW LED”, Chin Phys LETT, vol 28, 2011 [84] Y P Varshni, “Temperature dependence of the energy gap in semiconductors”, Physical, 34, 1967, pp149-154 [85] Y.W Kim, D.H Lee, S.N Park, M.Y Jeon, and S Park, “Realization and validation of the detector-based absolute integrating sphere method for luminous-flux measurement at KRISS”, Metrologia 49, 2012, pp273-282 [86] Yuqin Zong, “Luminous flux and color measurement of high-power LEDs, Workshop on Solid State Lighting Measurements and standards,USA, 2009 [87] YuqinZong and Yoshi Ohno, “New practical method for measurement of high -power LEDs”, NIST, 2008 [88] ZONG Y and OHNO Y., “Realization of total spectral radiant flux scale and calibration service at NIST”, Proc CIE, CIE 178, 2007, pp179-182 113 Phụ lục 114 ... 64 Bảng 3.3 Các thông số công nghệ sử dụng để khảo sát ảnh hưởng khoảng cách phun.65 Bảng 3.4 Các thông số công nghệ sử dụng để khảo sát ảnh hưởng áp suất phun 67 Bảng 3.5 Các thông số công nghệ... đương 1.6 Ứng dụng Tùy theo ứng dụng cụ thể, HPCOBLED có cấu trúc khác Chúng có công suất khác cho ứng dụng chiếu sáng chiếu sáng nhà, chiếu sáng 33 công cộng, sân thể thao, nhà xưởng,… Một số hình... da trời/UV kết hợp với lớp phủ cho màu vàng 1.4.4 Phương pháp công nghệ chế tạo LED Có nhiều phương pháp chế tạo LED Hiện phương pháp sử dụng phổ biến phương pháp lắng đọng pha hóa học từ hợp
Ngày đăng: 27/02/2021, 10:58
Xem thêm: