CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU PHÁT QUANG
4.1. Đi-ốt phát quang (Light Emitting Điode – LED)
Trong bối cảnh đi tắt đón đầu công nghệ cao, đa số các công ty đa quốc gia trên thế giới đều chứng tỏ hiệu quả kinh tế của mình bằng những công nghệ nguồn đặc thù khác nhau. Công nghệ nguồn cơ bản là một điển hình. Một trong những công nghệ nguồn cơ bản là công nghệ bán dẫn vi mạch, đã đưa đến những cuộc cách mạng khoa học công nghệ trong lĩnh vực công nghệ thông tin, công nghệ tự động hóa và cơ khí chính xác, công nghệ sinh học. Ngày nay, vốn đầu tư công nghệ bán dẫn vi mạch vẫn còn cao. Do đó nếu phải đưa ra một đáp án cho chiến lược đầu tư phát triển công nghệ cao cho Việt Nam thì câu trả lời chính là công nghệ đèn LED nói riêng và công nghệ bán dẫn nói chung.
Sự phát triển ưu việt công nghệ bán dẫn sẽ đưa đến một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật mới trong thắp sáng, hứa hẹn một thị trường công nghệ cao mới, đó là thị trường thắp sáng trên toàn cầu bằng công nghệ LED trắng. Đây là một công nghệ không đòi hỏi nhiều vốn đầu tư nên việc chế tạo LED là bước đi quan trọng đối với sự phát triển của đất nước.
LED là viết tắt của từ Light Emitting Diode (Di-ốt phát quang). Đèn LED trắng nói riêng và đèn LED nói chung có nhiều ứng dụng rộng rãi mà đèn huỳnh quang không làm được như đèn xe, đèn đường, đèn chiếu hậu cho màn hình tinh thể lỏng (LCD), in ấn kĩ thuật số…đã mang đến sự quan tâm tầm cỡ quốc gia của nhiều nước như Mỹ, Nhật, Trung Quốc và Châu Âu…
Một đặc điểm khác của đèn LED là ít tiêu hao năng lượng và không nóng. Bóng đèn truyền thống, đèn xenon, đèn Halogen..đều cần từ 110 - 220V mới sáng được, trong khi đó LED trắng chỉ cần từ 3 - 24V để phát sáng. Do ít tiêu hao năng lượng nên đèn LED có thể sử dụng ở vùng xa mà không cần nhà máy phát điện công suất cao.
Đèn LED trắng có thể sử dụng với pin mặt trời và gần đây nhất là pin nhiên liệu chạy bằng hỗn hợp nước và rượu. Với những tính năng ưu việt, LED được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
4.1.1. LED được sử dụng trong trang trí nội thất.
Với ưu điểm về tuổi thọ, mức độ tiết kiệm năng lượng, sự đa dạng của chất liệu và màu sắc ánh sáng khiến những bóng đèn LED ngày càng được ưa chuộng. Không giống như những bóng đèn đốt nóng dây tóc làm bằng tungsten lên hơn 17000C, hay
Hình 4.2. Cấu tạo của LED Hình 4.1. Các loại LED
Hình 4.3.
Phân chia thị trường LED - 2008
kích thích khí huỳnh quang, cơ chế phát sáng của LED tiêu tốn rất ít điện năng. Thời lượng chiếu sáng của LED đạt tới 50000 giờ (10 năm, nếu dùng 12 giờ mỗi ngày), còn bóng đèn thông thường chỉ đạt tới 800 giờ sử dụng. McClear nói: “Thường thì bạn dùng đèn khoảng 2 giờ mỗi ngày, với cường độ như vậy thì một đèn LED có thể có tuổi thọ 136 năm”, ông nói thêm: "Nếu bạn lắp một đèn LED cố định và sử dụng 2 giờ mỗi ngày, nó sẽ sử dụng lâu hơn cả ngôi nhà bạn, thậm chí hơn cả tuổi thọ của bạn".
LED được các thành phố và công trình lựa chọn, vì LED có khả năng tiết kiệm năng lượng. Việc cho dòng điện chạy qua một dây dẫn để đốt nóng lên đến nhiệt độ phát sáng làm mất khoảng 95% hiệu suất. Ngược lại, LED tốt nhất hiện nay sẽ tăng hiệu suất phát sáng lên 35%. Đèn LED loại mới có thể chiếu sáng ngang với đèn sợi đốt 100 watt mà chỉ cần tiêu thụ 12 watt. LED có công suất 6W cho ánh sáng tương đương với bóng halogen (đèn sợi đốt) có công suất 20W. Chúng có thể phát sáng như một đèn huỳnh quang, nhưng tiết kiệm được 50% năng lượng và tránh được sự độc hại do thủy ngân.
4.1.2. LED dùng trong các biển báo giao thông tại các đường cao tốc.
Là sản phẩm màn hình LED hiển thị 65000 màu được lắp đặt trên các đường cao tốc và trục lộ trung tâm để hiển thị các thông tin hướng dẫn cho các phương tiện lưu thông trên đường như các thông tin về: thời tiết, tốc độ gió, nhiệt độ..v..v. LED sử dụng ở đây là LED chuyên dụng ngoài trời; tuổi thọ khoảng 100000 giờ sáng liên tục
Hình 4.4. LED dùng trong trang trí
(tức khoảng 10 năm); LED có độ sáng và độ đồng nhất quang học cao; sử dụng chóa dạng Cobweb, hai tầng phản chiếu; độ kín ẩm và kín bụi cao.
Bảng 4.1. BẢNG SO SÁNH CHỈ TIÊU KINH TẾ VÀ KĨ THUẬT GIỮA ĐÈN LED VÀ ĐÈN SỢI ĐỐT TRONG LĨNH LỰC ĐÈN GIAO THÔNG.
Các chỉ tiêu Đèn LED Đèn sợi đốt
Cường độ sáng 200-400 cd 35 cd
Công suất 8 – 12 W 40 – 1000 W
Tuổi thọ 70.000 – 150.000 h 1.000 – 4.000 h Quang thông 1.800 – 19.000 lm 250 – 40.000 lm
Hiệu suất 60 – 80 lm/W 9 – 20 lm/W
Nhiệt độ phát sáng Cực thấp Rất cao
4.1.3. LED dùng trong chiếu sáng đường phố.
LED được sử dụng là loại LED siêu sáng, có màu trắng mát, tuổi thọ LED khoảng hơn 80000 giờ, công suất tiêu thụ của đèn khoảng 28 W/h.
Hình 4.5. LED dùng trong chiếu sáng đường phố
Hình 4.6. Dùng LED trong biển báo giao thông
4.1.4. LED trong công nghệ tivi.
Tivi LED là công nghệ màn hình mới và có nhiều ưu thế. LED cho chất lượng hình ảnh tuyệt vời, màn hình siêu mỏng, tiết kiệm đáng kể năng lượng tiêu thụ.
Hình 4.7. Tivi đèn nền LED trắng
Phần lớn TV LCD có màn hình quét 50/60Hz thì hầu hết TV LED hiện nay có tần số quét 100/120 Hz. Bên cạnh đó, màn hình LED cũng tiết kiệm được điện năng hơn 20% đến 30% so với LCD truyền thống, loại tốt hơn có thể tiết kiệm lên đến 40%
so với các loại LCD (Liquid crystal display) thông thường. Trung bình, TV LED tiêu thụ khoảng 100 watt hoặc ít, trong khi TV plasma có thể tiêu thụ gấp hai hoặc 3 lần.
Chiếc màn hình LED 47-inch công suất sử dụng 95 watt, loại 42-inch chỉ tiêu thụ 78 watt. So sánh với TV plasma 42-inch tiêu thụ tới 236 watt, loại 50-inch tiêu thụ hết 272 watt.
Hình 4.8. Sự khác nhau giữa TiVi LED và TiVi truyền thống
4.1.5. LED trong y học và nông nghiệp.
Ban đầu, cho dãy LED có kích thước 100 x 100 mm2, dày 2,5 mm, in trực tiếp các mạch lên một bề mặt thủy tinh cứng, sau đó tiếp tục chuyển chúng sang một hợp chất polymer rẻ tiền (Polydimethysiloxane) nhằm tạo ra dãy LED và bộ tách sóng quang dạng lưới. Chất nền PDMS đủ dẻo để mạch điện hoạt động dễ dàng và liên tục ngay cả khi bị xoắn hoặc căng kéo đến 75%. Các nhà khoa học cho biết, hầu hết nghiên cứu tập trung vào loại đèn LED hữu cơ siêu nhạy với nước và ô-xy, nhưng các dãy mềm dẻo tạo ra được bao bọc bằng một lớp cao su silicon mỏng, khiến chúng không thấm nước, nhờ đó có thể hoạt động tốt khi cấy ghép hoặc ngâm trong dung dịch sinh học.
Những ứng dụng hóa sinh tiềm năng của loại LED này gồm những miếng băng y tế có thể cấy ghép được nhằm theo dõi quá trình làm lành vết thương, hoặc làm nhiệm vụ kiểm soát việc cung cấp các loại thuốc nhạy sáng trong liệu pháp quang động học. Ngoài ra, chúng còn có thể được sử dụng như một loại chỉ y tế phát sáng hoặc các tinh thể nguyên sinh phát sáng có thể cấy ghép được.
Hình 4.9. LED được ứng dụng trong y học
Đặc tính cây trồng là chỉ hấp thụ một dải phổ ánh sáng nhất định, không phải hấp thụ hoàn toàn dải ánh sáng trắng. Do đó lá cây sẽ có màu, vì dải ánh sáng mà lá không hấp thụ sẽ phản xạ trở lại môi trường. LED có đặc điểm là phát ra dải sáng hẹp, nên tùy theo loại cây trồng cần hấp thụ dải sáng nào chúng ta sẽ dùng loại LED có dải
sáng thích hợp để giảm chi phí năng lượng và giảm chi phí đầu tư, tăng hiệu suất canh tác, thích hợp cho việc canh tác trong nhà kính và các sản phẩm nông nghiệp cao. Với ưu thế khai thác ở điện thế thấp và không lệ thuộc vào lưới điện, tiết kiệm tối đa năng lượng đầu vào và cho năng suất cây trồng cao, đèn LED được ứng dụng nhằm cải thiện chất lượng nông sản cho xuất khẩu, gia tăng năng suất cây trồng, tạo hiệu suất chuyển hóa cao.
Thông thường người ta sử dụng hai chùm sáng màu đỏ (red) và màu xanh (blue) có đỉnh cực đại ở độ dài sóng 662 nm và 430 nm, lúc đó quang phổ đèn LED gần trùng với quang phổ hấp thụ của các diệp lục tố A và B. Nghĩa là các loại cây trồng có thể hấp thụ tối đa để chuyển năng lượng ánh sáng đèn LED thành năng lượng tế bào, trong khi hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời chỉ vào khoảng 35%. Tỉ lệ lắp đặt bình quân các bộ đèn LED là 8 diot màu xanh xen kẽ giữa 92 diot màu đỏ. Tỉ lệ diot màu xanh sẽ tăng khi cần làm cho thân cây cứng cáp hơn, hoa trổ sớm hơn và cho trái nhanh hơn.
4.1.6. Chiếu sáng đèn LED làm trẻ hóa làn da.
Đèn chiếu LED ngoài việc sử dụng đơn lẻ, khi dùng kết hợp trở thành công nghệ bổ sung trong điều trị da, lột da mặt, siêu mài da,…
Công nghệ trẻ hóa da này có ưu điểm: không gây đau, không tác dụng phụ, không cần thời gian chờ hồi phục mà trị liệu rất nhanh, với việc chiếu vào da loại ánh sáng vàng phát theo xung của khoảng 2000 LED cực nhỏ.
4.1.7. LED ứng dụng trong các bảng điện tử quảng cáo.
Hình 4.10. Bảng điện tử LED dùng trong quảng cáo.
LED được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như: LED RGB đổi màu tự động (có Remote) dành cho các loại xe máy; LED hồng ngoại dùng trong các Remote của các loại đồ dùng điện tử..v..v..