Nghiên cứu phát triển các tổ hợp vật liệu phát quang micro nano và linh kiện quang biên dạng tự do

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - DƢƠNG THỊ GIANG 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, 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - DƢƠNG THỊ GIANG 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 Chuyên ngành: Vật liệu quang học, quang điện tử quang tử Mã sỗ: 944 01 27 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Quốc Tiến PGS.TS Phạm Hồng Dƣơng 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 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 CƠNG 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 mô 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 mô 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 Tôi 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 ln tận tình bảo, truyền dạy kiến thức, dẫn dắt, động viên vƣợt qua khó khăn, trở ngại để hồn thành luận án Tôi 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 Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến đồng nghiệp tơi phịng Cooperman, phịng 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 tơi 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, tơi xin bày tỏ lịng 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 iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Atomic force microscopy – Kính hiển vi lực nguyên tử Asymmetric Lens – Thấu kính bất đối xứng Asymmetric LED – LED bất đối xứng Blue LED – LED xanh lam Color correlated temperature – Nhiệt độ màu tƣơng quan Color Rendering Index – Hệ số hoàn trả màu Chip On Boad Contact Measurement – Đo tiếp xúc Coordinate Measurering Machine – Thiết bị đo tọa độ Computer Generated Hologram Deep Blue LED Depth of Field – Độ sâu trƣờng nhìn Remote Non-Contact Measurement – Đo từ xa, không tiếp xúc Flux – Quang thông Freeform Optics – Quang học biên dạng tự Fishing Asymmetric Lens LED Giải pháp hữu ích Human Centric Lighting Image Forming – Tạo ảnh Light Emitting Diode – Đi ốt phát quang LED remote-phosphor Luminous Efficacy – hiệu suất quang Laser Diode Luminous Power – công suất quang Metal Organic Chemical Vapor Deposition – Lắng đọng hóa học kim MM Machining Mechanism – Cơ chế gia công chế tạo MT Moulding Technology – Công nghệ ép khuôn MH Metal Halide NAL Narrow Angle Lens – Thấu kính góc chiếu hẹp NIF Non Image Forming – Không tạo ảnh OLED Organic LED – LED hữu Pc-WLED Phosphor conversion WLED PPM Point-to-point mapping – Lập đồ điểm-tới-điểm PF Power factor – hệ số công suất QD Quantum dot – Chấm lƣợng tử RP Remote Phosphor – Phosphor đặt xa SSL Solid State Lighting – Chiếu sáng rắn SMT Surface Mounted Technology – Công nghệ dán mặt SMS Simultaneous Multiple Surface – Phƣơng pháp đa diện đồng thời STM Scanning tunneling microscopy – Kính hiển vị quét xuyên hầm AFM AL ALED BLED CCT CRI COB CM CMM CGH DB LED DoF ENCM F FO FAL LED GPHI HCL IF LED LED RP LE LD LP MO-CVD iv SHTT SC SDCM Ts Tj WLED Sở hữu trí tuệ Sáng chế Standard Deviation Color Matching – Độ lệch màu chuẩn Nhiệt độ điểm hàn Nhiệt độ vùng tiếp giáp p-n White LED – LED trắng v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1 Nhiệt độ màu tương quan số nguồn sáng 23 Bảng Bảng so sánh số thuộc tính vật liệu chế tạo linh kiện FO 52 Bảng CCT CRI đèn LED theo tỉ lệ trộn bột phosphor keo EPI 73 Bảng Kết đo thông số quang – điện cho đèn SkyLED gắn tường chiếu trần 109 Bảng Kết đo thông số quang – điện cho đèn SkyLED thả trần 113 Bảng Thông số điện – quang đèn LED dụ cá 121 ... VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - DƢƠNG THỊ GIANG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC TỔ HỢP VẬT LIỆU PHÁT QUANG MICRO- NANO VÀ LINH KIỆN... 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 ... HỢP VẬT LIỆU PHÁT QUANG MICRO- NANO VÀ LINH KIỆN QUANG BIÊN DẠNG TỰ DO ỨNG DỤNG TRONG CHIẾU SÁNG RẮN Chuyên ngành: Vật liệu quang học, quang điện tử quang tử Mã sỗ: 944 01 27 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƢỜI