5. Phƣơng pháp nghiên cứu
1.2.4. Các nghiên cứu trƣớc về phun phủ phosphor/silicone
Gần đây, nhiều nỗ lực trong việc cải thiện hiệu suất lƣợng tử, hiệu suất chuyển đổi phosphor và hiệu quả đóng gói đã làm tăng đáng kể hiệu suất phát sáng của đèn LED trắng chuyển đổi phosphor vàng. Các đèn LED trắng công suất cao đƣợc thƣơng mại hóa đạt hiệu suất phát sáng hơn 200
Không lắng đọng Lắng đọng
Hình 1.14: Phun phủ hỗn hợp phosphor/silicone [29]
lm/W, lớn hơn so với hầu hết các nguồn ánh sáng trong ánh sáng nói chung. Cho đến ngày nay, làm thế nào để đóng gói các đèn LED trắng có độ sáng cao với khuôn màu xanh và bột huỳnh quang thích hợp đã trở thành một chủ đề quan trọng, cấp bách, nhƣng không tầm thƣờng cả trong nghiên cứu học thuật và trong ngành công nghiệp thực tế.
Phosphor đóng một vai trò rất quan trọng trong các LED chuyển đổi phosphor thành hiệu quả phát sáng. Hầu hết các yếu tố quan trọng không chỉ bao gồm hình dạng hình học, kích thƣớc hạt, độ dày và vị trí, mà còn nồng độ của phosphor trong silicone. Nhƣ đã biết, nồng độ phosphor gây ra một số tác dụng rõ rệt về hiệu suất của LED trắng [5-7]. Trong số đó, ảnh hƣởng của vị trí phosphor và hình dạng phosphor đã đƣợc thảo luận rộng rãi trong những năm gần đây, chẳng hạn nhƣ các loại đóng gói của lớp phủ conformal [8], phun phủ, và remote-phosphor [9, 10]. Những báo cáo cho thấy các đóng gói remote-phosphor có đầu ra nhiều ánh sáng hơn và hiệu quả cao hơn so với các loại đóng gói khác. Vì thực tế, lƣợng ánh sáng của LED trắng phụ thuộc vào độ dày và nồng độ của cả phosphor. Ngoài ra, kích thƣớc hạt của phosphor là một yếu tố quan trọng khác [11]. Trƣớc đây, Narendran et al. [9] và Yamada et al. [12] đã nghiên cứu các tính chất kích thích của photphor dƣới các nồng độ khác nhau. Sau đó, vai trò của độ dày đóng vai trò kích thích phosphor đã đƣợc đƣa vào xem xét bởi Trần et al [13] và Liu et al [14]. Họ phát hiện ra rằng, các trƣờng hợp nồng độ thấp hơn và độ dày phosphor lớn có hiệu quả chiếu sáng cao hơn. Gần đây, các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu phosphor không đất hiếm và phát phổ vạch [30].
1.2.5. Mục đ ch nghiên cứu
Hiện nay, các nhóm nghiên cứu trong nƣớc đã chế tạo đƣợc khá nhiều loại bột huỳnh quang. Trong đề tài này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu
quy trình phun phủ bột huỳnh quang chế tạo trong nƣớc lên chip blue LED. Cụ thể là phun phủ hỗn hợp bột phosphor đỏ K2SiF6:Mn4+ và silicone lên bề mặt chip blue LED để chế tạo LED nông nghiệp có phổ xanh và phổ đỏ.
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO 2.1.1. Quy trình trộn 2.1.1. Quy trình trộn
Bƣớc 1: Xác định vật liệu đầu vào
a/ Lựa chọn bột phosphor:
Các mẫu bột phosphor phát xạ vùng đỏ chế tạo trong nƣớc đƣợc khảo sát hiệu suất để lựa chọn.
b/ Lựa chọn chất đóng rắn:
Chất đóng rắn có vai trò giống nhƣ dung môi, phân tán hạt phosphor. Hỗn hợp silicon và chất đóng rắn đƣợc sử dụng là OE-7662 hai thành phần của hãng Dow corning với độ truyền qua lớn hơn 95% cho ánh sáng xanh lam (bƣớc sóng 450nm) ở độ dày 1mm.
Hình 2.1: Silicone và chất đóng rắn
Bƣớc 2: Xác định tỷ lệ % phosphor trong hỗn hợp và tỷ lệ silicone/chất đóng rắn
Hình 2.2: Cân phân tích
-Tỷ lệ silicone/ chất đóng rắn là 10/1.
-Tỷ lệ % phosphor trong hỗn hợp đƣợc định lƣợng chính xác bằng cân phân tích.
-Thay đổi tỷ lệ % phosphor sẽ thay đổi phổ của LED phát ra và hiệu suất chuyển đổi.
Bƣớc 3: Trộn hỗn hợp phosphor, silicone và chất đóng rắn
Biểu đồ thời gian Trạng
thái hoạt động
Thời gian hoạt động
Chân không Trạng thái chân không Bắt đầu Kết thúc
Hình 2.3: Máy trộn chân không và cơ chế hoạt động
- Hỗn hợp phosphor, silicone và chất đóng rắn đƣợc khuấy trộn bằng máy trộn chân không cơ cấu hành tinh.
- Hỗn hợp đƣợc trộn đều trong buồng kín có thể điều chỉnh áp suất.
- Trong nghiên cứu này, hỗn hợp đƣợc trộn trong thời gian 180s, tốc độ quay ~1000 vòng/phút, áp suất chân không 0 Kpa. Áp suất chân không đƣợc duy trì trong suốt quá trình trộn.
Bƣớc 4: Vật liệu đầu ra
Sau khi khuấy trộn, bột phosphor đƣợc phân tán đều trong hỗn hợp của silicone và chất đóng rắn. Hỗn hợp đƣợc chuyển sang hệ máy phủ.
2.1.2. Quy trình phun phủ
Bƣớc 1: Xác định đầu vào
Hỗn hợp phosphor silicone đã chế tạo đƣợc từ quy trình trƣớc cùng với khung LED chứa các chíp blue LED.
Hình 2.5: Blue LED và khung 20×12 blue LED
Bƣớc 2: Phun phủ hỗn hợp phosphor/silicone lên bề mặt blue LED
Hình 2.6: Thiết bị phun phủ và bảng điều khiển
-Sau khi nạp hỗn hợp vào xy lanh và thiết lập các thông số, hệ thống sẽ phun phủ tự động lên các chip LED.
~140 LED/ phút và tiến hành khảo sát:
+ Ảnh hƣởng của nồng độ phosphor tới phổ LED chế tạo
+ Tại nồng độ 43.1% khảo sát thay đổi thể tích hỗn hợp (phosphor+ silicone+ chất đóng rắn) từ 1.8 l đến 2.6l.
Bƣớc 3: Đầu ra
Hỗn hợp ƣớt phosphor/silicone/chất đóng rắn đã đƣợc phủ lên bề mặt của blue LED
Hình 2.7: Phun phủ hỗn hợp phosphor/silicone lên chip blue LED
Bƣớc phụ: Sau khi phun phủ xong -> làm sạch hệ thống kim phun, xy lanh.
2.1.3. Quy trình sấy
Bƣớc 1: Đầu vào là LED đã phủ hỗn hợp phosphor/silicone ƣớt
Bƣớc 2: Sấy LED ƣớt
Hình 2.9: Thiết bị và giản đồ sấy [31]
Trong nghiên cứu này, giản đồ sấy 1 bƣớc, nâng từ nhiệt độ môi trƣờng lên 1500C trong thời gian 5 phút, sau đó giữ ở 1500C trong thời gian 55 phút.
Bƣớc 3: Đầu ra là LED hoàn chỉnh
2.2. PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG
Bƣớc 1: Đƣa LED vào cầu tích phân, gắn lên đế tản nhiệt (vị trí 2π hoặc vị trí 4π)
Bƣớc 2: Cấp dòng điện 1 chiều I= 120mA cho LED
Bƣớc 3: Thiết lập nhiệt độ cho bộ ổn nhiệt T= 25o
C
Bƣớc 4: Đợi nhiệt độ ổn định đạt giá trị thiết lập, tiến hành đo các tham số quang
Hình 2.11: Hệ cầu t ch phân Gamma Scientific
Bƣớc 5: Thu đƣợc các tham số quang của LED nhƣ là: quang phổ, tọa độ màu, nhiệt độ màu (nhƣ đã định nghĩa trong phần tổng quan)
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
3.1. THAM SỐ VẬT LIỆU ĐẦU VÀO 3.1.1. Chip blue LED 3.1.1. Chip blue LED
Quang phổ và tọa độ màu của chip blue LED đƣợc đo bằng hệ cầu tích phân (hình 3.1). Chip blue LED có bƣớc sóng đỉnh tại 450 nm
Hình 3.1: Quang phổ, tọa độ màu và hệ số hoàn màu của blue LED 3.1.2. Silicone
Hỗn hợp silicone và chất đóng rắn đƣợc sử dụng là OE-7662 hai thành phần của hãng Dow corning. Hình 3.2 trình bày độ truyền qua phụ thuộc bƣớc sóng của silicone
3.1.3. Phosphor
Hình 3.3 trình bày phổ kích thích của bột huỳnh quang chế tạo trong nƣớc. Trục x là bƣớc sóng phát xạ, trục y là bƣớc sóng kích thích. Nhƣ chúng ta thấy, bột huỳnh quang phát xạ vùng đỏ 630 nm và đƣợc kích thích tại hai vùng bƣớc sóng 350 nm và 450 nm. Bột huỳnh quang này phù hợp với chip blue LED.
Hình 3.3: Phổ k ch th ch của bột phosphor [4]
Hình 3.4 trình bày quang phổ và tọa độ màu của các loại bột huỳnh quang khác nhau. LED chế tạo đƣợc đều phát xạ đồng thời phổ xanh (chip LED) và phổ đỏ (bột huỳnh quang). Tuy nhiên, để đánh giá chất lƣợng của các bột huỳnh quang, chúng tôi quan tâm đến đại lƣợng hiệu suất chuyển đổi.
Mẫu Quang phổ Tọa độ màu
A2
A3
A4
A5
Hiệu suất chuyển đổi của bột phosphor là đại lƣợng đƣợc tính dựa trên khả năng phát xạ ánh sáng thứ cấp (vùng đỏ) khi nhận đƣợc ánh sáng kích thích là ánh sáng sơ cấp vùng xanh lam từ chíp LED chiếu tới:
o 1 R H(%) x100% B B Trong đó:
H: Hiệu suất chuyển đổi của bột phosphor
R: Công suất phát xạ vùng đỏ của LED sau khi phủ bột.
Bo: Công suất phát xạ của chíp blue LED ban đầu.
B1: Công suất phát xạ vùng xanh lam của LED sau khi phủ bột.
Phổ xanh, phổ đỏ và hiệu suất chuyển đổi đƣợc trình bày chi tiết trong bảng 3.1 và hình 3.4. Từ các kết quả này, có thể nhận thấy mẫu A5 có hiệu suất chuyển đổi tốt nhất 67.6%.
Bảng 3.1: Tham số quang của các mẫu bột huỳnh quang
400-500nm 600-700nm Bo = 195.0 mW
Mẫu Blue (B1) Red (R) Tổng (mW) H%
A1 18.0 8.4 26.3 4.7%
A2 43.1 19.8 62.8 13.0%
A3 84.1 47.5 131.6 42.8%
A4 63.4 60.4 123.7 45.9%
4.7% 13.0% 42.8% 45.9% 67.6%
Hình 3.5: Hiệu suất chuyển đổi của các mẫu bột huỳnh quang
Nhƣ vây, mẫu A5 có hiệu suất phát xạ cao nhất đƣợc lựa chọn để sử dụng cho các khảo sát tiếp theo.
3.2. KHẢO SÁT CÁC THAM SỐ CÔNG NGHỆ
3.2.1. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ (tỷ lệ phosphor/silicone)
Hình 3.5 trình bày quang phổ và tọa độ màu của LED chế tạo đƣợc với nồng độ bột huỳnh quang lần lƣợt là 5% (a), 10% (b), 20% (c), 30% (d), 40% (e), 50% (f), 53% (g). Khi nồng độ bột huỳnh quang tăng thì cƣờng độ phổ xanh giảm và cƣờng độ phổ đỏ tăng. Tọa độ màu của LED dịch chuyển từ góc xanh về góc đỏ.
Mẫu Quang phổ Tọa độ màu
S2
S3
S4
S5
S7
Hình 3.6: Quang phổ và tọa độ màu của LED với các nồng độ phosphor khác nhau
Hình 3.7 trình bày so sánh quang phổ của LED phụ thuộc vào nồng độ bột huỳnh quang. Với nồng độ bột huỳnh quang khoảng 50% thì độ cao đỉnh đỏ bằng độ cao đỉnh xanh.
Hình 3.7: Quang phổ của LED với các nồng độ khác nhau
Hiệu suất chuyển đổi và tỷ lệ phổ xanh/đỏ đƣợc tính toán chi tiết và trình bày đầy đủ trong Bảng 3.2. Khi nồng độ tăng thì hiệu suất chuyển đổi giảm và dần đạt trạng thái bão hòa. Khi nồng độ tăng từ 5%-53% thì tỷ lệ phổ xanh/đỏ giảm từ 9.6 về 1.9. Do đó, chúng ta có thể điều khiển và lựa chọn tỷ lệ phổ xanh/đỏ thông qua điều chỉnh nồng độ phosphor.
Bảng 3.2: Tham số quang của LED với nồng độ phosphor khác nhau
400-500 nm 500-600nm Bo =154.0mW
Mẫu Nồng độ Blue (B1) Red (R)
Tổng (mW) Blue/Red H% S1 5% 135.3 14.1 149.4 9.6 75.5% S2 10% 131.4 16.1 147.5 8.2 71.2% S3 20% 122.5 21.3 143.8 5.7 67.8% S4 30% 109.6 28.5 138.1 3.8 64.3% S5 40% 102.4 32.2 134.6 3.2 62.4% S6 50% 94.8 37.6 132.4 2.5 63.6% S7 53% 85.5 44.0 129.5 1.9 64.2%
3.2.2. Khảo sát ảnh hƣởng của độ dày (thể t ch) lớp phosphor+silicone
Trong mục này, cố định nồng độ bột huỳnh quang là 43% và khảo sát sự ảnh hƣởng của thể tích
Hình 3.7 trình bày mẫu LED và quang phổ của LED với các thể tích lớp phosphor/silicone lần lƣợt là 1.8 uL (a), 2.0 uL (b), 2.2 uL (c), 2.4 uL (d), 2.6 uL (e) Mẫu Quang phổ M1 M2 M3 M4 M5
Hình 3.9 trình bày quang phổ của LED với các thể tích hỗn hợp phosphor/silicone khác nhau. Khi thể tích tăng thì đỉnh xanh giảm nhẹ và đỉnh đỏ tăng nhẹ.
Hình 3.9: Quang phổ của LED với thể t ch khác nhau
Hiệu suất chuyển đổi đƣợc tính toán chi tiết và trình bày trong bảng 3.3, mặc dù thể tích tăng thêm gấp 1.5 lần nhƣng hiệu suất chuyển đổi thay đổi ít. Tỷ lệ phổ xanh/đỏ có thay đổi ít, không nhiều nhƣ thay đổi nồng độ.
Bảng 3.3: Tham số quang của LED với thể t ch hỗn hợp phosphor/silicone khác nhau 400-500nm 600-700nm Bo =176.5mW Mẫu Thể tích Blue (B1) Red (R) Tổng (mW) Blue/Red H% M1 1.8 uL 110.6 40.1 150.7 2.76 60.8% M2 2.0 uL 106.8 43.9 150.7 2.43 63.0% M3 2.2 uL 100.8 46.4 147.3 2.17 61.4% M4 2.4 uL 100.5 47.1 147.6 2.14 61.9% M5 2.6 uL 97.4 50.2 147.7 1.94 63.5%
KẾT LUẬN
Trong đề tài này, chúng tôi đã nghiên cứu đóng gói thành công LED nông nghiệp sử dụng bột huỳnh quang chế tạo trong nƣớc. LED chế tạo đƣợc có quang phổ xanh đỏ và hiệu suất chuyển đổi cao. Hơn nữa, khi khảo sát các điều kiện chế tạo, chúng tôi cũng đƣa ra thêm các nhận định sau:
- Nồng độ bột huỳnh quang ảnh hƣởng mạnh đến cƣờng độ phổ đỏ. - Thể tích hỗn hợp phosphor/silicone ít ảnh hƣởng đến cƣờng độ phổ đỏ.
* Thảo luận
Kết quả phủ bột trên LED tìm ra loại bột có hiệu suất cao nhất giúp lựa chọn tham số của quy trình chế tạo bột tạo ra bột phosphor có hiệu suất tối ƣu.
Cần thử nghiệm sinh học trên cây để tìm ra tỷ lệ thông lƣợng bức xạ xanh/ đỏ phù hợp với từng loại cây và giai đoạn sinh trƣởng
* Hƣớng phát triển:
Đề xuất nhóm chế tạo bột tối ƣu quy trình, kiểm soát kích thƣớc hạt, tăng hiệu suất bột.
Nghiên cứu kết hợp với bột phát xạ vùng 500- 600 nm để bổ sung ánh sáng xanh lục với tỷ lệ thích hợp tạo ra phổ phù hợp nâng cao hiệu quả sinh học.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Đặng Mậu Chiến (2010), Báo cáo tổng hợp đề tài độc lập cấp nhà nƣớc, Nghiên cứu chế tạo điốt phát sáng (LED) dùng trong công
nghiệp chiếu sáng, ĐTĐL.2007G/42.
[2]. Tong Thi Hao Tam, Nguyen Duy Hung, Nguyen Thi Kim Lien, Nguyen Duc Trung Kien, Pham Thanh Huy (2016), Synthesis and
optical properties of red/blue-emitting Sr2MgSi2O7: Eu3+/Eu2+
phosphors for white LED, Journal of Science: Advanced Materials
and Devices 1, 204
[3]. Le Tien Ha, Nguyen Duc Trung Kien, Phan Huy Hoang, Thanh Tung Duong, Pham Thanh Huy (2016), Synthesis and Optical
Properties of Eu2+ and Eu3+ Doped SrBP Phosphors Prepared by
Using a Co-precipitation Method for White Light-Emitting
Devices, Journal of Electronic Materials 45, 3356.
[4]. Tat-Dat Tran, Duy-Hung Nguyen, Thanh-Huy Pham, Duy-Cuong Nguyen, Thanh-Tung Duong (2018), Achieving High Luminescent
Performance K2SiF6:Mn4+ Phosphor by Co-precipitation Process
with Controlling the Reaction Temperature, Journal of Electronic
Materials 47, 4634
[5]. Z. Liu, S. Liu, K. Wang, and X. Luo (2010)., Measurement and numerical studies of optical properties of YAG:Ce phosphor for
white light-emitting diode packaging, Appl. Opt., vol. 49, no. 2,
pp. 247–257
[6]. Z. Liu, S. Liu, K. Wang, and X. Luo (2008), Optical analysis of color
distribution in white leds with various packaging methods, IEEE
Photon. Technol. Lett., vol. 20, no. 24, pp. 2027–2029.
and F. P. Wenzl (2010), The impact of inhomogeneities in the phosphor distribution on the device performance of phosphor-
converted high-power white led light sources, J. Lightw. Technol.,
vol. 28, no. 22, pp. 3226–3232.
[8]. D. A. Steigerwald, J. C. Bhat, D. Collins, R. M. Fletcher, M. O. Holcomb, M. J. Ludowise, P. S. Martin, and S. L. Rudaz (2002),
Illumination with solid state lighting technology, IEEE J. Sel. Top.
Quantum Electron., vol. 8, no. 2, pp. 310–320.
[9]. N. Narendran, Y. Gu, J. Freyssinier-Nova, and Y. Zhu (2005),
Extracting phosphor-scattered photons to improve white led
efficiency, Phys. Status Solidi (A), vol. 202, no. 6, pp. R60–R62.
[10]. H. Luo, J. K. Kim, E. F. Schubert, J. Cho, C. Sone, and Y. Park (2005), Analysis of high-power packages for phosphor-based
white-light-emitting diodes, Appl. Phys. Lett., vol. 86, no. 24, p.
243 505.
[11]. N. T. Tran, J. P. You, and F. Shi (2009), Effect of phosphor particle
size on luminous efficacy of phosphor-converted white led, J.
Lightw. Technol., vol. 27, no. 22, pp. 5145–5150.
[12]. K. Yamada, Y. Imai, and K. Ishii (2003), Optical simulation of light
source devices composed of blue leds and yag phosphor, J. Light
Vis. Environ., vol. 27, no. 2, pp. 70–74.
[13]. N. T. Tran and F. G. Shi (2008), Studies of phosphor concentration
and thickness for phosphor-based white light-emittingdiodes, J.
Lightw. Technol., vol. 26, no. 21, pp. 3556–3559.
[14]. Z.-Y. Liu, S. Liu, K. Wang, and X.-B. Luo (2010), Studies on optical consistency of white leds affected by phosphor thickness and
Packag. Technol., vol. 33, no. 4, pp. 680–687. [15]. https://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode
[16]. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:PnJunction-LED-E.svg [17]. Lin YC., Zhou Y., Tran N.T., Shi F.G. (2009), LED and Optical
Device Packaging and Materials. In: Lu D., Wong C. (eds)
Materials for Advanced Packaging. Springer, Boston, MA (DOI: https://doi.org/10.1007/978-0-387-78219-5_18).
[18]. E.F.Schubertetal., „„Solid-state lighting–a benevolent technology‟‟, Reports on Progress in Physics, Vol. 69, No. 12, pp. 3069–3099,