69
3.1.2. Thiết kế, chế tạo tấm dẫn sáng RP
Tính mới của giải pháp do chúng tôi đề xuất trong giải pháp này là cấu trúc chuyển đổi và phân phối lại ánh sáng cho phép tạo thành nguồn sáng mới có hiệu suất cao, khơng chói lóa. Tấm dẫn sáng đƣợc lựa chọn làm từ vật liệu PMMA có dáng hình chữ nhật, với góc tới hạn là 42o nên chùm sáng đi từ dãy LED xanh (có góc mở vào khoảng 120o) vào sẽ bị phản xạ tồn phần bên trong tấm và khơng đi ra ngồi. Để lấy sáng ra bề mặt của tấm dẫn sáng, một ma trận các chấm chiết – phát sáng đƣợc in lên bề mặt của tấm bằng phƣơng pháp in lƣới. Hình dạng, thành phần và kích thƣớc vật liệu của các chấm phát sáng sẽ quyết định tỉ lệ thành phần các ánh sáng đi ra khỏi bề mặt tấm dẫn sáng.
Một ma trận các chấm chiết – phát sáng đƣợc thiết kế sao cho lƣợng ánh sáng lấy ra là nhiều và đồng đều nhất. Các chấm sẽ có kích thƣớc tăng dần từ cạnh đƣợc chiếu sáng sang cạnh đối diện, trong khi vị trí tâm của các chấm cách đều nhau. Hình 3. 4 mơ tả hình dạng của tấm dẫn sáng do chúng tơi thiết kế.
Vị trí 1 Vị trí 5 Vị trí 2 Vị trí 4 Vị trí 3 Hình 3. 4. Ma trận các chấm chiết – phát sáng
Nguyên lý hoạt động của các chấm phát sáng dựa trên hai hiệu ứng khác nhau. Hiệu ứng phát xạ ánh sáng huỳnh quang xảy ra trong thể tích các hạt bột phosphor sau khi đƣợc kích thích bằng LED xanh lam. Ánh sáng huỳnh quang phát ra theo mọi
70
hƣớng do trong q trình hồi phục của điện tử nóng sau khi hấp thụ, hƣớng phát quang khơng cịn đƣợc xác định bởi hƣớng của tia sáng xanh lam kích thích mà thay đổi một cách ngẫu nhiên. Hiệu ứng thứ hai xảy trên các chấm phát sáng là hiệu ứng tán xạ của chùm sáng màu xanh lam khi lan truyền trong tấm dẫn sáng. Các chấm phát sáng sẽ làm thay đổi hƣớng truyền của các tia sáng do bị khúc xạ và khi góc giữa tia sáng và pháp tuyến của mặt sáng nhỏ hơn góc tới hạn, tia sáng sẽ truyền ra ngồi. Hình dạng, kích thƣớc và thành phần của các chấm phát sáng sẽ quyết định tỷ lệ cƣờng độ của ánh sáng tán xạ màu xanh lam và ánh sáng phát xạ huỳnh quang, tạo ra đèn LED có nhiệt độ màu CCT và chỉ số hồn màu CRI khác nhau.
Ma trận các chấm chiết sáng đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp in lƣới hỗn hợp vật liệu YAG:Ce3+ và keo EPI (một loại dung môi dùng trong công nghệ in lƣới). Chúng tôi đã tiến hành trộn bột phosphor NYAG4355 với keo EPI theo nhiều tỉ lệ khác nhau, sau đó khuấy đều trong vịng 10 phút sử dụng máy khuấy có tốc độ quay trung bình 100 -110 vịng/phút. Hỗn hợp keo - phosphor đƣợc trải phủ lên tấm dẫn sáng PMMA bằng phƣơng pháp in lƣới rồi đem sấy khơ.
3.1.3. Chế tạo đèn LED trắng cấu hình RP
Loại LED xanh lam lựa chọn trong thiết kế là loại Deep – Blue của Osram có đỉnh phát xạ tại 440nm, đây là loại LED xanh có hiệu suất cao 56%. Chuỗi LED gồm
10 chip LED đƣợc hàn dán nối tiếp với nhau lên một mạch in nhôm thẳng và đƣợc ni bằng nguồn dịng khoảng 200mA. Để giải quyết vấn đề tản nhiệt cho LED, một ống tản nhiệt hình trịn bằng nhơm, trên có các khe để gài tấm dẫn sáng, đƣợc chế tạo bằng cơng nghệ đùn nhơm. Vừa có tác dụng tản nhiệt, vừa có tác dụng làm trục quay cho
đèn đa năng, tùy vào mục đích ngƣời sử dụng.
Phosphor Garnet của Intermatix đƣợc trộn lẫn keo EPI thành hỗn hợp mực in lƣới theo nhiều tỉ lệ khác nhau. Hỗn hợp này đƣợc in phủ lên bề mặt của tấm dẫn sáng bằng công nghệ in lƣới.
Một tấm dẫn sáng bằng vật liệu PMMA có kích thƣớc 160x270x5 mm3 phía trên có in các chấm phát sáng đƣợc gài vào khe cài của ống tản nhiệt, phía dƣới có dán
71
mạch in LED. Chúng tôi đã tiến hành chế tạo thành công các bộ đèn LED trắng cấu hình RP có màu sắc khác nhau (Hình 3.5).
Hình 3. 5. Đèn LED remote – phosphor
3.2. Đo đạc, khảo sát các thông số quang học của bộ đèn LED trắng cấu hìnhRP RP
Để đánh giá mức độ phân tán đồng đều bột phosphor trong nền keo EPI khi tiến hành in lƣới lên các tấm dẫn sáng, chúng tôi đã tiến hành chụp ảnh các chấm chiết sáng sử dụng kính hiển vi huỳnh quang Olympus IX71. Hình 3.6a là ảnh phát quang của một chấm chiết sáng khi kích thích bằng đèn thủy ngân. Hình 3.6b là ảnh truyền qua cũng của chấm phát sáng đó khi chiếu sáng bằng đèn halogen.
Trên hình 3.6 chúng ta dễ dàng nhận thấy sự sắp xếp của các hạt phosphor và kích thƣớc của chúng bên trong một chấm phát sáng. Các hạt phosphor tự sắp xếp và co cụm lại thành từng đám với nhau, tạo thành cấu trúc đa lớp tại một số vị trí. Ngƣợc lại, tại một số vị trí khác số lƣợng hạt lại rất thƣa thớt, thậm chí khơng có (phần ảnh màu đen trong ảnh huỳnh quang và màu trắng trong ảnh truyền qua). Chúng tôi giả thiết rằng, do bột phosphor có tỉ trọng lớn hơn nhiều so với keo EPI nên khi trộn lẫn hai thành phần này với nhau, bột phosphor có xu hƣớng lắng đọng xuống dƣới đáy, vì vậy khi tiến hành in lƣới lƣợng phosphor và keo qua một mắt lƣới là không đồng đều nhau. Nhằm hạn chế hiện tƣợng phosphor bị lắng đọng khi in, thao tác phải tiến hành nhanh từ khi trộn hỗn hợp keo – phosphor đến khi in trực tiếp lên trên tấm dẫn sáng. Các hạt phosphor có kích thƣớc khá đồng đều, dao động trong khoảng từ 5 – 17 µm.
72
a) b)
Hình 3. 6. Ảnh chụp huỳnh quang (a) và truyền qua (b) của một chấm phát sáng
Các thông số điện quang và phổ phát xạ của đèn LED RP sau khi chế tạo đƣợc tiến hành đo đạc, khảo sát tại hệ đo phổ sử dụng quả cầu tích phân Everfine tại Viện Khoa học vật liệu. Hình 3.7 là phổ phát xạ của đèn LED trắng sử dụng tấm dẫn sáng RP có tỉ lệ pha trộn keo EPI và bột phosphor là 1:1. Nhiệt độ màu tƣơng quan (CCT) của đèn đạt 24500K, chỉ số hoàn trả màu (CRI) là 69, hiệu suất điện quang đạt 54lm/W và quang thơng 460 lm.
Hình 3. 7. Phổ phát xạ của đèn LED trắng RP chế tạo theo tỉ lệ pha trộn
phosphor:EPI là 1:1
Từ phổ phát xạ của đèn LED trắng mới (Hình 3.7), chúng tơi nhận thấy thành phần ánh sáng màu xanh lam khá lớn so với lƣợng ánh sáng màu vàng phát xạ từ bột huỳnh quang. Nguyên nhân có thể do lƣợng bột huỳnh quang sử dụng ít nên khi phủ
73
lên tấm dẫn sáng sẽ tạo thành lớp màng phopshor mỏng, dẫn đến lƣợng chỉ một phần nhỏ ánh sáng màu xanh lam bị hấp thụ và chuyển đổi thành ánh sáng màu vàng. Nhằm mục đích giảm lƣợng ánh sáng màu xanh lam của LED xanh và tăng lƣợng ánh sáng màu vàng phát xạ của phosphor, chúng tôi đã tiến hành thử nghiệm tăng dần thành phần bột huỳnh quang trong hỗn hợp in tạo màng remote – phosphor theo các công tỉ lệ khác nhau.
Bảng 3. 1. CCT và CRI của đèn LED mới theo tỉ lệ trộn bột phosphor và keo EPI.
STT Tỉ lệ keo EPI - CCT (K) CRI
phosphor
1 1:1 24500 69
2 1:2 14785 69
3 1:3 12062 71
4 1:4 9536 68
Bảng 3.1 liệt kê sự thay đổi CCT và CRI của đèn LED remote - phosphor khi thay đổi tỉ lệ hỗn hợp keo/phosphor. Từ bảng số liệu, chúng ta nhận ra rằng mặc dù CCT của LED trắng giảm xuống khi thành phần phosphor trong hỗn hợp keo – phosphor tăng lên, nhƣng hệ số hoàn trả màu (CRI) của đèn lại hầu nhƣ không thay đổi. Khi phân tích thành phần phổ phát xạ của đèn LED mới (Hình 3.7), chúng tơi nhận thấy thành phần ánh sáng màu đỏ và ánh sáng màu xanh lục không đủ. Khi tăng nồng độ bột NYAG trong hỗn hợp tạo màng phosphor thì tỉ lệ giữa ánh sáng màu xanh lam và ánh sáng màu vàng sẽ thay đổi, nhƣng các thành phần ánh sáng tạo thành ánh sáng trắng tổng hợp lại không thay đổi nên CRI của đèn hầu nhƣ khơng thay đổi.
Hình 3. 8. Sự phụ thuộc nhiệt độ màu CCT vào khối lƣợng phosphor trộn trong hỗn
74
Hình 3.8 thể hiện sự phụ thuộc nhiệt độ màu tƣơng quan (CCT) của đèn LED trắng vào khối lƣợng bột phosphor trong hỗn hợp keo – phosphor sử dụng khi chế tạo màng phosphor. Chúng ta nhận thấy CCT của đèn giảm xuống khi tăng dần tỉ lệ của bột huỳnh quang trong hỗn hợp keo - phosphor. Nhƣ đã giả thiết ở trên, khi tăng tỉ lệ bột phosphor trong hỗn hợp thì lƣợng ánh sáng màu xanh lam bị phosphor hấp thụ và chuyển đổi thành ánh sáng màu vàng phát xạ sẽ tăng lên, đồng thời giảm thành phần ánh sáng màu xanh lam cịn lại bị tán xạ và đi ra ngồi.
Đèn LED trắng với tấm remote – phosphor có tỉ lệ keo - phosphor là 1:4 do chúng tơi chế tạo có CCT đạt 9536 K, khá cao so với các loại LED thƣơng mại (<6500K) và CRI là 68, thấp hơn so với LED thƣơng mại (~80). Có một số giả thiết giải thích hiện tƣợng CCT của đèn LED mới cao trong khi CRI thấp.
- Một là loại LED xanh lựa chọn có bƣớc sóng phát xạ tại 440 nm tuy có hiệu suất cao, nhƣng khi sử dụng để chế tạo LED trắng thì khoảng cách giữa hai dải phổ phát xạ của chip LED xanh lam và bột phosphor bị nới rộng do thiếu thành phần màu xanh lục.
- Giả thiết thứ hai đặt ra là bột phosphor lựa chọn có kích thƣớc nhỏ dao động từ 5- 17 µm. Kích thƣớc hạt nhỏ thì lƣợng ánh sáng xanh lam bị tán xạ sẽ tăng lên, thành phần bị hấp thụ và chuyển đổi thành ánh sáng màu vàng giảm xuống, dẫn đến nhiệt độ màu tƣơng quan cao.
- Khi phân tích thành phần phổ phát xạ của đèn LED trắng chúng ta nhận thấy thiếu hẳn thành phần ánh sáng đỏ. Đây chính là một trong các nguyên nhân làm cho chỉ số hoàn màu của bộ đèn thấp. Giải pháp nâng cao CRI cho bộ đèn đƣợc đề xuất là pha trộn thêm thành phần phosphor đỏ vào hỗn hợp keo/phosphor. Hình 3.9 là phƣơng án nâng cao CRI của bộ đèn bằng cách bổ sung thành phần phosphor đỏ Nitride có bƣớc sóng đỉnh tại 615nm. Kết quả chúng tơi đã thu đƣợc bộ đèn LED trắng mới có nhiệt độ màu CCT là 5000K và hệ số trả màu CRI đạt 80.
75
Hình 3. 9. Hình vẽ phối cảnh đèn LED RP với tấm dẫn sáng gồm bộ huỳnh quang vàng
(4) và bột huỳnh quang đỏ (5)
Kết luận chƣơng III
Chúng tôi đã thiết kế và chế tạo thành cơng đèn LED trắng cấu hình remote – phosphor sử dụng tấm dẫn sáng phẳng. Đèn LED mới chế tạo sử dụng chuỗi LED xanh lam làm nguồn kích thích bột phosphor vàng tạo thành ánh sáng trắng. Cấu hình remote – phosphor đƣa bột huỳnh quang cách xa chip LED khơng chỉ làm tăng hiệu suất lấy sáng mà cịn làm giảm nhiệt độ tác động lên bột phosphor và lên chip LED. Tấm dẫn sáng khi đó khơng chỉ đóng vai trị là mặt phát sáng, mà đồng thời đóng vai trị làm tản nhiệt cho phosphor.
Do cấu hình sử dụng LED xanh lam kích thích bột huỳnh quang tạo thành đèn LED mới là cấu hình mở, ngồi mục đích chế tạo LED trắng chiếu sáng chúng ta có thể thay đổi thành phần cũng nhƣ hình dạng của màng phosphor chế tạo các đèn trang trí kết hợp chiếu sáng. Đây cũng là hƣớng đi mới có nhiều tiềm năng trong thời gian tới.
Mặc dù đèn LED trắng cấu hình RP có những ƣu điểm vƣợt trội về hiệu suất lấy sáng và tuổi thọ nhƣng gặp phải rào cản chi phí khi đƣa vào thƣơng mại hóa. Ngun nhân do số lƣợng sản xuất khơng nhiều nên chi phí mua vật tƣ đầu vào (gói LED Blue) cao hơn nhiều so với việc mua gói LED trắng thơng thƣờng.
76
CHƢƠNG IV. TÍNH TỐN, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO LINH KIỆN QUANG BIÊN DẠNG TỰ DO
4.1. Thiết kế, mô phỏng linh kiện quang biên dạng tự do
Bằng phƣơng pháp vẽ tia, chúng tôi đã mô phỏng rồi lựa chọn biên dạng thấu kính bất đối xứng (AL) và các điều kiện lắp đặt tối ƣu của bộ đèn LED chiếu hắt trần nhà để tạo ra một nguồn sáng thứ cấp (trần nhà) có cƣờng độ sáng đồng đều nhất trong một căn phịng có kích thƣớc cố định. Các thông số cần tối ƣu là biên dạng thấu kính, góc chiếu và khoảng cách treo từ đèn LED tới trần nhà.
4.1.1. Thiết kế thấu kính FO
Hình 4. 1. Thiết kế biên dạng thấu kính bất đối xứng với độ cong thay đổi Chúng
tôi bắt đầu bằng 04 biên dạng thấu kính AL hình trụ có mặt cắt ngang thể
hiện trên Hình 4.1, theo đó mặt ngồi của thấu kính có biên dạng hình bán trụ, hay là nửa hình trịn trên mặt cắt ngang. Mặt trong của thấu kính AL có biên dạng bất đối xứng, với năng lực khúc xạ tăng dần từ phía bên trái sang phía bên phải. Các thấu kính này có thể dễ dàng sản xuất hàng loạt bởi công nghệ ép phun nhiệt khi mà biên dạng của nó khơng q phức tạp địi hỏi độ chính xác cao [57, 58].
77
Thấu kính AL sẽ làm thay đổi quang trình của các tia sáng phát ra từ gói LED nhƣ đã mơ tả trong trƣờng hợp sử dụng phần mềm Tracepro để tạo ra dữ liệu IES.
4.1.2. Xây dựng mơ hình mơ phỏng
Hình 4. 2 (a) Phân bố cƣờng độ sáng của gói LED; (b) tia sáng từ LED
qua thấu kính; (c) tia sáng chiếu lên trần và (d) các tia phản xạ trên trần và sàn
Để phân tích hiệu quả của thấu kính FO trong mơ hình chiếu sáng, chúng tôi đã xem xét các yếu tố mơ phỏng bao gồm: (1) góc chiếu θ giữa trục ngang và thấu kính và (2) khoảng cách từ hệ thống đến trần nhà. Mặt gói LED và chân đế thấu kính ln đƣợc giữ song song với nhau. Để tiện theo dõi, chúng tơi chỉ sử dụng 30 tia sáng nhƣ trên Hình 4.2 để vẽ quang trình; (b) từ gói LED qua thấu kính; (c) chiếu lên trần và (d) từ trần phản xạ lên tƣờng và xuống sàn. Nhƣng để mô phỏng độ rọi, chúng tôi đã sử dụng 107 tia xuất phát từ mỗi gói LED và đo độ rọi bằng cách đặt đầu thu quang trên mặt trần hoặc dƣới mặt sàn. Do mặt trần sẽ đóng vai trị nguồn sáng thứ cấp, chúng tơi sẽ tối ƣu hoá độ rọi trên mặt trần trƣớc, sau đó xem xét hiệu quả phân bố độ rọi trên mặt sàn sau.
78
4.1.3. Mô phỏng độ rọi trên trần nhà
Chúng tơi đã lựa chọn biên dạng thấu kính AL phù hợp nhất bằng cách tính tốn mơ phỏng phân bố cƣờng độ sáng trên mặt trần. Điều kiện sử dụng để tính tốn lần lƣợt là:
- Kích thƣớc của phịng: 4*4 m2, chiều cao 3 m; - Khoảng cách từ LED tới trần: 0,4 m;
- Góc chiếu lựa chọn ban đầu so với mặt ngang: 60o; - Vị trí đặt đầu thu quang: trên trần hoặc dƣới mặt sàn.
Hình 4. 3. Phân bố ánh sáng trên trần với bố trí (a) ở khoảng cách 0,4 m với các
trƣờng hợp (b) khơng thấu kính; (c) B1; (d) B2; (e) B3 và (f) B4
Hình 4.3 là kết quả tính tốn phân bố cƣờng độ sáng trên trần trong 5 trƣờng hợp: khơng thấu kính và có thấu kính AL với biên dạng từ B1 đến B4. Trong trƣờng
79
hợp khơng sử dụng thấu kính (Hình 4.2b), gói LED với mặt sáng phân bố Lambert sẽ tạo ra một mẫu chiếu sáng lên mặt trần có dạng hình trịn đồng tâm có cƣờng độ sáng giảm dần từ tâm ra. Cƣờng độ sáng tại đỉnh khi khơng thấu kính tƣơng đối lớn so với mẫu chiếu sáng sử dụng thấu kính AL, nhƣng diện tích chiếu sáng nhỏ hơn.
4.1.4. Mơ phỏng độ rọi dưới sàn nhà
Hình 4. 4. Phân bố ánh sáng dƣới sàn với bố trí (a) ở khoảng cách
0,4 m với các trƣờng hợp (b) khơng thấu kính; (c) B1; (d) B2; (e) B3 và (f) B4
Đặt đầu thu quang dƣới sàn, chúng tôi thu đƣợc mẫu hình độ rọi nhƣ trên Hình 4.4 cũng áp dụng cho 5 trƣờng hợp: khơng thấu kính và có thấu kính AL với biên dạng từ