Nghiên cứu nâng cao đồng dạng màu ánh sáng trắng cho đèn led đa chíp bằng cách thêm các loại hạt tán

1

BỘ CÔNG THƯƠNG

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỒNG DẠNG MÀU ÁNH SÁNG

TRẮNG CHO ĐÈN LED ĐA CHÍP BẰNG CÁCH THÊM CÁC LOẠI HẠT

TÁN XẠ VÀO LỚP PHOSPHOR

Mã số đề tài: 21/1.3CB01

Chủ nhiệm đề tài: TS. Đặng Hữu Phúc

Đơn vị thực hiện: Khoa khoa học cơ bản

Tp. Hồ Chí Minh, 12/2021

2

LỜI CÁM ƠN

Đề tài này được thực hiện dưới sự tài trợ của Đại học Công Nghiệp Thành Phố Hồ

Chí Minh với mã số 21/1.3CB01

3

PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG

I. Thông tin tổng quát

1.1. Tên đề tài: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỒNG DẠNG MÀU ÁNH SÁNG

TRẮNG CHO ĐÈN LED ĐA CHÍP BẰNG CÁCH THÊM CÁC LOẠI HẠT TÁN XẠ

VÀO LỚP PHOSPHOR

1.2. Mã số: 21/1.3CB01

1.3. Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

TT

Họ và tên

(học hàm, học vị)

Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài

1 TS. Đặng Hữu Phúc Đại học Công Nghiệp Tp

HCM

Chủ nhiệm

2 ThS. Nguyễn Thị Mỹ Hạnh Đại học Công Nghiệp Tp

HCM

Thành viên chủ chốt

3 ThS. Lý Thanh Bình Đại học Công Nghiệp Tp

HCM

Thư ký

1.4. Đơn vị chủ trì:

1.5. Thời gian thực hiện:

1.5.1. Theo hợp đồng: từ tháng 3 năm 2021 đến tháng 3 năm 2022

1.5.2. Gia hạn (nếu có): đến tháng….. năm…..

1.5.3. Thực hiện thực tế: từ tháng 3 năm 2021 đến tháng 12 năm 2021

1.6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):

(Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứu và tổ chức thực hiện; Nguyên

nhân; Ý kiến của Cơ quan quản lý)

1.7. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 80.000.000 triệu đồng.

II. Kết quả nghiên cứu

1. Đặt vấn đề

2. Mục tiêu

a) Mục tiêu tổng quát.

4

Cải thiện được đồng dạng màu ánh sáng trắng (∆CCT phải thấp hơn 2000 K) và

quang hiệu (thấp nhất là 70 lm/W) của 02 đèn LED này nhờ sử dụng hỗn hợp phosphor￾SiO2 mới, phù hợp với 04 tiêu chuẩn: IEC/PAS 62717 Ed.1; IEC 62384:2006; IEC

61347-2-13:2006; TCVN 8781:2011.

b) Mục tiêu cụ thể.

- Tìm được tỉ lệ trọng lượng phốt pho vàng: SiO2: silicone tối ưu

- Lựa chọn một loại hạt nâng cao tán xạ trong 04 loại: SiO2, TiO2, CaCO3 và CaF2

để có đồng dạng màu và quang thông cao nhất.

- Ứng dụng hạt SiO2 và phốt pho xanh và phốt pho đỏ.

3. Phương pháp nghiên cứu

Nội dung 1: Nghiên cứu sự tán xạ của hạt SiO2, TiO2, CaCO3 và CaF2

- Cách tiếp cận: Sử dụng tài liệu nghiên cứu công bố trên các thư viện điện tử

IEEE, OSA và các tài liệu liên quan đến thiết kế TIR lens.

- Kết quả: Tỉ lệ trọng lượng phốt pho vàng: SiO2: silicone tối ưu Hệ số tán xạ của

các loại hạt Hệ số tán xạ suy giảm của các loại hạt Hàm phase tán xạ trung bình của các

loại hạt Hệ số mặt cắt tán xạ của các loại hạt

Nội dung 2:

Ứng dụng hạt SiO2 và phốt pho xanh và phốt pho đỏ

- Cách tiếp cận: Sử dụng tài liệu nghiên cứu công bố trên các thư viện điện tử

IEEE, OSA và các tài liệu liên quan đến thiết kế TIR lens.

- Kết quả: Tỉ lệ trọng lượng phốt pho SiO2: silicone tối ưu.

4. Tổng kết về kết quả nghiên cứu

Với mục đích cải thiện chất lượng chiếu sáng của cấu hình pc-WLEDs, nghiên

cứu của bài báo này tập trung vào những thay đổi mà SEPs, cụ thể là CaF2 và SiO2,

mang lại sự đồng nhất về màu sắc và quang thông. Sau khi trải qua các thí nghiệm và

được xác minh bằng lý thuyết tán xạ Mie cùng với mô phỏng Monte Carlo, kết quả xác

nhận rằng việc bổ sung các SEP là tốt cho việc tăng cường pc-WLED và mỗi loại SEP có

một lợi ích khác nhau. Bởi vì hiệu quả của mỗi SEP là khác nhau và hiệu quả phụ thuộc

vào nồng độ phosphor, một cài đặt tối ưu, liên quan đến loại SEP và nồng độ chính xác

cho từng ứng dụng, là điều cần thiết cho sự phát triển tiếp theo của pc-WLED. Trong

nghiên cứu này, chúng tôi đã phát hiện ra rằng việc thêm CaF2 và SiO2 có thể cung cấp

khả năng kiểm soát độ lệch CCT, một chỉ số ảnh hưởng đến sự biến động của CCT. Bằng

5

cách quản lý nồng độ CaF2 phosphor, độ lệch CCT có thể giảm xuống giá trị thấp nhất

trong khi tránh làm hỏng quang thông do nồng độ phosphor quá mức. SiO2 là vật liệu

phosphor có thể đảm bảo sự phát triển của quang thông bất kể nồng độ.

5. Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận

Các kết quả và sản phẩm đáp ứng các yêu cầu đã đề ra trong thuyết minh.

6. Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)

Công trình này tập trung vào việc nâng cao hiệu quả chiếu sáng của pc-WLED,

một giải pháp chiếu sáng mới và tiên tiến đã nhận được rất nhiều sự quan tâm. Để thích

ứng với nhu cầu chiếu sáng hiện đại, hiệu suất chiếu sáng của pcWLED phải được cải

thiện, đặc biệt là độ đồng nhất về màu sắc và quang thông, hai trong số những chỉ số chất

lượng quan trọng nhất của pc-WLEDs. Thông qua các thí nghiệm, công trình này đề xuất

sử dụng các hạt tăng cường tán xạ (SEP) như CaF2 và SiO2 với phosphor vàng Y3Al5O12:

Ce3+

trong cấu hình pc-WLEDs. Mô hình pc-WLEDs được tạo ra bằng cách sử dụng

chương trình LightTools và đặt ở nhiệt độ màu tương quan 8500 K, trong khi kết quả

thực nghiệm thu được từ mô phỏng này sẽ được xác minh bởi lý thuyết tán xạ Mie.

Thông tin từ bài báo này cho thấy hệ số tán xạ của SEP ở bước sóng 455 nm và 595 nm.

Hơn nữa, người ta khẳng định rằng việc sử dụng CaF2 có hiệu quả trong việc thúc đẩy

màu sắc nhưng có thể làm hỏng hiệu suất phát sáng nếu nồng độ quá cao trong khi vật

liệu SEP, SiO2, thể hiện hiệu suất phát sáng cao ở mọi nồng độ.

Ngoài ra, lớp phosphor đỏ Ca5B2SiO10:Eu3+ để đặt bên trên lớp phosphor màu

vàng và cả hai lớp đều có thiết kế lồi. Sau đó, các thí nghiệm và phép đo được thực hiện

để tìm ra ảnh hưởng của phốt pho đỏ này cũng như thiết kế phốt pho từ xa hai lớp lồi lên

màn trình diễn của đèn LED. Kết quả đo được cho thấy hiệu suất ánh sáng được tăng

cường đáng kể khi sử dụng cấu trúc hai lớp lồi thay vì thiết kế đơn. Ngoài ra, nồng độ

Ca5B2SiO10:Eu3+

có lợi cho CRI và CQS ở khoảng 6600 K và 7700 K nhiệt độ màu tương

quan (CCT). Tuy nhiên, sản lượng lumen cho thấy sự suy giảm nhẹ khi nồng độ

phosphor đỏ này vượt qua 26% trọng lượng. Qua các thí nghiệm, người ta thấy rằng một

lớp chip kép và phốt pho kép là cấu trúc tốt nhất có thể hỗ trợ chất lượng của CRI và

quang thông.

This article focuses on enhancing the lighting efficiency of pc-WLEDs, a new and

advanced lighting solution that has received lots of attention. To adapt to the demand of

modern lighting, the lighting performance of pcWLEDs must be improved, especially the

6

color homogeneity and luminous flux, two of the most important quality indicators of pc￾WLEDs. Through experiments, this article proposes using the scattering enhancement

particles (SEPs) such as CaF2 and SiO2 with yellow phosphor Y3Al5O12:Ce3+ in

pcWLEDs configuration. The pc-WLEDs model is created by using the LightTools

program and set at 8500 K correlated color temperature, while the experimental results

yielded from this simulation will be verified by Miescattering theory. The information

from this article reveals the scattering coefficients of SEPs at 455 nm and 595 nm

wavelengths. Moreover, it is confirmed that the employment of CaF2 is effective in

promoting the color but may damage the luminous efficiency if the concentration is too

high while the SEP material, SiO2, exhibits high luminous efficiency at all concentration.

We use red phosphor Ca5B2SiO10:Eu3+ layer to place above the yellow phosphor

one, and both of them have a convex design. Then, the experiments and measurements

are carried out to figure out the effects of this red phosphor as well as the convex-double￾layer remote phosphor design on the LED’s performances. The measured results reveal

that the light output is enhanced significantly when using convex-dual-layer structure

instead of the singlelayer design. Additionally, the Ca5B2SiO10:Eu3+ concentration

benefits CRI and CQS at around 6600 K and 7700 K correlated color temperature (CCT).

Yet, the lumen output shows a slight decline as this red phosphor concentration surpass

26% wt. Through the experiments, it is found that a double layer of chip and double

phosphorus is the best structure which could support the quality of CRI and luminous

flux.

III. Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo

3.1. Kết quả nghiên cứu ( sản phẩm dạng 1,2,3)

TT Tên sản phẩm

Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu

kinh tế - kỹ thuật

Đăng ký Đạt được

7

1 The study of convex-dual￾layer remote phosphor

geometry in upgrading

WLEDs color rendering

index, International Journal

of Electrical and Computer

Engineering (IJECE)

SCOPUS Q2 SCOPUS Q2

2 Applying calcium fluoride

and silica particles: A

solution to improve color

homogeneity of pc￾WLEDS, International

Journal of Electrical and

Computer Engineering

(IJECE)

SCOPUS Q2 SCOPUS Q2

Ghi chú:

- Các ấn phẩm khoa học (bài báo, báo cáo KH, sách chuyên khảo…) chỉ được chấp

nhận nếu có ghi nhận địa chỉ và cảm ơn trường ĐH Công Nghiệp Tp. HCM đã cấp kính

phí thực hiện nghiên cứu theo đúng quy định.

- Các ấn phẩm (bản photo) đính kèm trong phần phụ lục minh chứng ở cuối báo

cáo. (đối với ấn phẩm là sách, giáo trình cần có bản photo trang bìa, trang chính và trang

cuối kèm thông tin quyết định và số hiệu xuất bản)

3.2. Kết quả đào tạo

TT Họ và tên

Thời gian

thực hiện đề tài

Tên đề tài

Tên chuyên đề nếu là NCS

Tên luận văn nếu là Cao học

Đã bảo vệ

Nghiên cứu sinh

Học viên cao học

Sinh viên Đại học

8

Ghi chú:

- Kèm bản photo trang bìa chuyên đề nghiên cứu sinh/ luận văn/ khóa luận và

bằng/giấy chứng nhận nghiên cứu sinh/thạc sỹ nếu học viên đã bảo vệ thành công

luận án/ luận văn;( thể hiện tại phần cuối trong báo cáo khoa học)

IV. Tình hình sử dụng kinh phí

T

T

Nội dung chi

Kinh phí

được duyệt

(triệu đồng)

Kinh phí

thực hiện

(triệu đồng)

Ghi

chú

A Chi phí trực tiếp

1 Thuê khoán chuyên môn 76,288,000 76,288,000

2 Nguyên, nhiên vật liệu, cây con..

3 Thiết bị, dụng cụ

4 Công tác phí

5 Dịch vụ thuê ngoài

6 Hội nghị, hội thảo,thù lao nghiệm thu giữa kỳ

7 In ấn, Văn phòng phẩm 3,712,000 3,712,000

8 Chi phí khác

B Chi phí gián tiếp

1 Quản lý phí

2 Chi phí điện, nước

Tổng số 80.000.000 80.000.000

V. Kiến nghị (về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài)

VI. Phụ lục sản phẩm ( liệt kê minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)

02 công bố scopus Q2

Tp. HCM, ngày ........ tháng........ năm .......

Chủ nhiệm đề tài Phòng QLKH&HTQT Trưởng (đơn vị)

(Họ tên, chữ ký)

9

PHẦN II. BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

(báo cáo tổng kết sau khi nghiệm thu, đã bao gồm nội dung góp ý của hội đồng nghiệm

thu)

10

MỤC LỤC

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT................................................................................12

DANH SÁCH HÌNH ẢNH.....................................................................................13

DANH SÁCH BẢNG..............................................................................................15

LỜI GIỚI THIỆU...................................................................................................16

Chương 1: TỔNG QUAN.......................................................................................17

1.1. Hiệu quả của việc chiếu sáng dùng đèn LED.................................................17

1.2. Tính cấp thiết của đề tài..................................................................................18

1.3. Các nghiên cứu liên quan ...............................................................................20

1.3.1. Ảnh hưởng của hạt nâng cao tán xạ CaCO3 lên tính đồng dạng màu của

đèn LED [7].................................................................................................20

1.3.2. Ảnh hưởng của hạt nâng cao tán xạ TiO2 lên đồng dạng màu của đèn

LED [8]........................................................................................................21

1.3.3. Ảnh hưởng của hạt nâng cao tán xạ SiO2 lên đồng dạng màu của đèn

LED [6]........................................................................................................24

1.3.4. Cải thiện chất lượng màu và quang thông của đèn LED bằng cách thêm

phốt pho đỏ hoặc phốt pho xanh với phốt pho vàng [9-26] ......................26

1.3.5. Ưu điểm và nhược điểm của nghiên cứu liên quan và ý tưởng đề tài .......34

1.3.6. Mục tiêu đề tài..............................................................................................35

Chương 2: THỰC NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG...................................................36

2.1. Đo lường vật liệu................................................................................................................... 36

2.2. Mô phỏng .............................................................................................................................. 37

2.3. Lý thuyết tán xạ Mie ............................................................................................................. 38

2.4. Các mô hình LED đa chip ..................................................................................................... 41

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................................44

3.1. Kết quả cải thiện đồng dạng màu ứng dụng hạt SiO2 và CaF2 .............................................. 44

HIỆU QUẢ KINH TẾ VÀ XÃ HỘI KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU MANG LẠI .50

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................................51

11

4.1. Kết luận ................................................................................................................................. 51

4.2. Kiến nghị............................................................................................................................... 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................53