Tải bản đầy đủ

Chế tạo bột huỳnh quang phát xạ ánh sáng vàng YAG ce3+, eu3+ ứng dụng trong chế tạo đèn led phát xạ ánh sáng trắng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC


NGUYỄN VĂN LÂM

3+

CHẾ TẠO BỘT HUỲNH QUANG YAG: Ce , Eu

3+

ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO ĐÈN LED PHÁT
XẠ ÁNH SÁNG TRẮNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Vô cơ

Hà Nội - 2018



TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC


NGUYỄN VĂN LÂM

3+

CHẾ TẠO BỘT HUỲNH QUANG YAG: Ce , Eu

3+

ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO ĐÈN LED PHÁT
XẠ ÁNH SÁNG TRẮNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Vô cơ

Cán bộ hướng dẫn

PGS.TS. Phạm Thành Huy

Hà Nội - 2018


LỜI CẢM ƠN
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS.Phạm Thành Huy, TS.
Nguyễn Văn Quang, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ và tạo mọi điều
kiện cho em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành khóa luận của
mình.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa Hóa Học của
trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2 đã nhiệt tình giúp đỡ về mọi cơ sở vật chất và
chỉ bảo em trong quá trình tiến hành thí nghiệm.
Em xin chân thành cảm ơn chân thành tới Viện Tiên tiến Khoa học và Công
nghệ (AIST) - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ em trong việc đo đạc, khảo sát các tính
chất của các sản phẩm.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn sự trao đổi, đóng góp ý kiến của các bạn
sinh viên Lớp K40D – Sư phạm Hóa học trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2 đã
giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình hoàn thành khóa luận tốt nghiệp của mình và
sự động viên, khích lệ của bạn bè, người thân và đặc biệt là gia đình đã tạo niềm tin
giúp em phấn đấu học tập và hoàn thành khóa luận này.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 5 năm 2018
Sinh Viên
Nguyễn Văn Lâm


i

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐÈN LED......................................................... 4
1.1. Nguồn sáng LED..............................................................................................4
1.1.1. Cấu tạo và lịch sử phát triển của đèn LED....................................................4
1.1.2. Phân loại đèn LED ........................................................................................6
1.2. Phân loại đèn LED ...........................................................................................9
1.2.1. Các loại đèn LED sử dụng trong dân sinh, công nghiệp, trang trí................9
1.2.2. Ứng dụng đèn LED trong chiếu sáng nông nghiệp công nghệ cao ............12
3+

3+

1.2.3. Vật liệu phát quang YAG: Eu và YAG: Ce ..........................................15

Chương 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............ 18
2.1. Thực nghiệm ..................................................................................................18
3+

2.1.1. Quy trình chế tạo bột huỳnh quang YAG: Ce ..........................................18
3+

2.1.2. Quy trình chế tạo bột huỳnh quang YAG: Eu ..........................................20
2.2. Phương pháp khảo sát các tính chất của vật liệu ...........................................22
2.2.1. Phân tích hình thái bề mặt bằng thiết bị hiển vi điện tử quét phát xạ
trường ....................................................................................................................22
2.2.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X ........................................................................22
2.2.3. Phương pháp phổ hồng ngoại.....................................................................23
2.2.4. Phương pháp đo phổ huỳnh quang, phổ kích thích huỳnh quang...............24

Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 25
3+

3.1. Bột huỳnh quang YAG: Ce .........................................................................25
3.1.1. Kết quả phân tích cấu trúc của vật liệu .......................................................25
3.1.2.Kết quả phân tích hình thái bề mặt ..............................................................27
3.1.3. Tính chất quang của bột huỳnh quang YAG pha tạp Ce ...........................27
3.2. Bột huỳnh quang YAG: Eu3+........................................................................30
3.2.1. Kết quả phân tích cấu trúc của vật liệu .......................................................30


ii

3.2.2. Kết quả phân tích hình thái bề mặt của vật liệu ..........................................32
3.2.3. Phân tích phổ hồng ngoại............................................................................33
3.2.4. Phổ huỳnh quang PL ...................................................................................34

KẾT LUẬN ..................................................................................................... 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 39


3

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED........................................ 4
Hình 1.2. Tái tạo lại thí nghiệm của H. J. Round năm 1907, chuyển điện
thành ánh sáng màu xanh lục bằng 1 sợi dây và tinh thể Si-líc. ....................... 5
Hình 1.3. Đèn LED đầu tiên sử dụng hợp chất GaAs phát hồng ngoại
(1961) ................................................................................................................ 5
Hình 1.4. Các hình dạng và kích thước khác nhau của LED ........................... 6
Hình 1.5. Phổ ánh sáng của các LED đơn sắc ghép lại (xanh lam, xanh
lục, đỏ)............................................................................................................... 6
Hình 1.6. Cấu tạo của LED trắng; (a)-LED đơn chip, (b)-LED đa chip.......... 7
Hình 1.7. Cấu tạo của LED phosphor (a); LED sử dụng công nghệ chiếu
sáng rắn (b)........................................................................................................ 8
Hình 1.8. Cấu tạo của LED phát xạ ánh sáng trắng sử dụng chip Blue kết
hợp với bột huỳnh quang phát xạ ánh sáng vàng và phổ ánh sáng trắng
kết hợp giữa nguồn chip blue và ánh sáng phát ra từ bột huỳnh quang
YAG:Ce............................................................................................................. 9
Hinh 1.9. Các loại LED bulb .......................................................................... 10
Hình 1.10. Các loại tube LED ........................................................................ 10
Hình 1.11. Các loại LED panel ...................................................................... 11
Hình 1.13. Phổ hấp thụ của chất điệp lục, phổ độ nhạy của mắt người......... 13
Hình 1.14. Phổ ánh sáng của một số nguồn chiếu sáng: đèn sợi đốt
(tungsten), đèn hơi thủy ngân (mercury vapor lamp), đèn LED phát xạ
ánh sáng trắng (white LED), và phổ ánh sáng của mặt trời (Noon
sunlight)........................................................................................................... 14
Hình 1.15. Ứng dụng chiếu sáng LED đơn sắc blue (hình trái) và bluered (hình phải) dùng để kích thích cây xanh sinh trưởng và phát triển .......... 15


4

Hình 1.16: Cấu trúc lập phương của vật liệu YAG. Màu đỏ, màu xám,
màu xanh đậm và màu xanh nhạt tương ứng với nguyên tố O, Y, Al
(16a) và Al (24d) ............................................................................................. 16
Hình 1.17 : Cấu trúc mức năng lượng của ion Ce.......................................... 17
Hình 2.1. Quy trình tổng hợp bột huỳnh quang YAG:Ce .............................. 19
Hình 2.2. Sơ đồ tổng hợp bột đỏ YAG: Eu theo phương pháp đồng kết
tủa. ................................................................................................................... 21
Hình 2.3. Ảnh thiết bị đo ảnh FESEM được tích hợp với đầu đo EDS và
phổ CL............................................................................................................. 22
Hình 2.4. Ảnh thiết bị phân tích nhiễu xạ tia X ............................................. 23
Hình 2.5. Hệ đo hệ đo phổ huỳnh quang, kích thích huỳnh quang
(NanoLog spectrofluorometer, HORIBA Jobin Yvon) .................................. 24
Hình 3.2. Ảnh FESEM của bột huỳnh quang YAG:Ce được nung thiêu
o

kết tại các nhiệt độ khác nhau trong thơi gian 1 giờ: (a) 600 C; (b) 1000
o

C. .................................................................................................................... 27

Hình 3.3. Phổ huỳnh quang (PL) và phổ kích thích huỳnh quang (PLE)
của bột YAG:Ce .............................................................................................. 27
3+

Hình 3.4. Phổ huỳnh quang của bột YAG: Ce khảo sát theo nhiệt độ ử
kích thích bởi bước sóng 456 nm của đèn Xenon........................................... 28
3+

Hình 3.5. Phổ huỳnh quang của bột YAG :Ce theo nồng độ được kích
thích bởi bước sóng 456 nm của đèn Xenon................................................. 29
Hình 3.6. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu (Y0,93Eu0.07)3Al5O12 nung ở
các nhiệt độ khác nhau trong thời gian 3 giờ .................................................. 31
o

Hình 3.7. Ảnh FESEM bột huỳnh quang YAG:Eu tại nhiệt độ ủ 600 C
o

(a) và 1300 C (b) trong thời gian 3 giờ.......................................................... 33
Hình 3.8. Phổ FT-IR của mẫu (Y0,93Eu0.07)3Al5O12 nung ở các nhiệt độ
khác nhau......................................................................................................... 33


5

Hình 3.9. Phổ huỳnh quang của mẫu (Y0,93Eu0.07)3Al5O12 nung ở các
nhiệt độ khác nhau .......................................................................................... 35
Hình 3.10. Phổ huỳnh quang của mẫu (Y0,93Eu0.07)3Al5O12 ủ tại nhiệt độ
o

1300 C trong thời gian 3 giờ được kích thích bởi các bước sóng khác
nhau ................................................................................................................. 36

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Các thông số về cấu trúc của vật liệu được tính toán bằng phương
pháp Rietveld ............................................................................................................32
Bảng 3.2. Dải hấp thụ phổ FT-IR ............................................................................34


1

MỞ ĐẦU
Lịch sử phát triển của con người gắn liền với lịch sử phát triển của khoa học và
công nghệ trong đó có lịch sử phát triển của nguồn sáng. Ngày xưa, con người chỉ biết
tận dụng ánh sáng tự nhiên do mặt trời tạo ra, tuy nhiên khi xã hội con người phát triển
thì nhu cầu sử dụng ánh sáng tăng cao và con người đã phát minh ra lửa vừa sử dụng
với mục đích chiếu sáng vừa sử dụng để xua đuổi muông thú. Sau đó con người phát
minh ra điện đã tạo ra một bước đột phá mới về công nghệ và hàng loạt các phát minh
mới gắn liền với nguồn điện được ra đời trong đó phải kể đến phát minh của Joseph
Swan và Thomas Edison (1847 – 1931) [1] và bóng đèn sợi đốt vẫn tồn tại cho đến
ngày nay.
Khi xã hội phát triển, nhu cầu sử dụng nguồn sáng chất lượng cao hơn, tinh tế
hơn từ đó đòi hỏi các nhà nghiên cứu khoa học cơ bản và ứng dụng tìm kiếm các
nguồn vật liệu mới thay thế cũng như tìm ra các giải pháp nhằm cải thiện chất lượng
nguồn sáng đáp ứng mọi nhu cầu của xã hội. Quá trình phát triển của nguồn chiếu sáng
phải kể đến là sự ra đời của bóng đèn sợi đốt (1891), sau đó là các dạng bóng đèn phát
xạ hơi thủy ngân như bóng đèn huỳnh quang và bóng đèn compact (1981) và ngày nay
là sự ra đời và phát triển của nguồn chiếu sáng LED (2011) [3].
Các thiết bị chiếu sáng thông thường như đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang và
huỳnh quang compact về cơ bản cũng có thể đáp ứng được yêu cầu chiếu sáng cơ bản.
Tuy nhiên, bóng đèn sợi đốt thì hiệu suất chiếu sáng thấp, mất mát năng lượng nhiều
do nhiệt sinh ra do vậy đã cắt giảm thậm chí là cấm sản xuất, buôn bán loại đèn sợi đốt
công suất cao do tiêu thụ điện năng lớn ở Châu Âu và các nước tiên tiến; đèn huỳnh
quang và huỳnh quang compact là giải pháp tiết kiệm năng lượng cho đèn sợi đốt, tuy
nhiên loại đèn này vẫn còn nhiều khuyết điểm như hiệu suất phát quang thứ cấp (năng
lượng điện tử kích thích hơi thủy ngân phát xạ tia UV sau đó kích thích bột huỳnh
quang phát xạ) còn thấp, tuổi thọ chưa cao và vấn đề xử lý tia UV thừa do các bột
huỳnh quang hấp thụ không hết ảnh hưởng đến sức khỏe người sử dụng và môi trường.
Đèn LED hay còn gọi là Điốt phát quang được biết đến vào năm 1907 bởi nhà thí
nghiệm người Anh H.J. Round tại phòng thí nghiệm Marconi khi ông làm thí nghiệm
với tinh thể SiC (Silic và Cacbon) [2]. Sau đó, nhà khoa học Nga Oleg Vladimirovich


2

Losev đã tạo ra LED đầu tiên, nghiên cứu sau đó đã bị lãng quên do không có ứng
dụng nhiều trong thực tiễn. Năm 1955, Rubin Braunstein đã phát hiện ra sự phát xạ
hồng ngoại bởi hợp chất GaAs (Gallium và Arsenide) và một số hợp chất bán dẫn
khác. Năm 1961, hai nhà thí nghiệm là Bob Biard và Gary Pittman làm việc tại Texas
Instruments đã nhận thấy rằng hợp chất GaAs phát ra tia hồng ngoại khi có dòng điện
tác động và sau đó Bob và Gary được cấp bằng sáng chế ra điốt phát hồng ngoại [5].
Từ khi đèn LED ra đời cho đến nay vào năm 2014 giải Nobel về vật lý vinh danh cho
phát minh về đèn LED được trao tặng cho 3 giáo sư gốc Nhật là Ông Isamu Akasaki,
(85 tuổi), là giáo sư tại Đại học Meijo và giáo sư đặc cách tại Đại học Nagoya, Nhật
Bản; Ông Hiroshi Amano, (54 tuổi), hiện cũng là một giáo sư tại Đại học Nagoya. Ông
Shuji Nakamura, (60 tuổi) là giáo sư người Mỹ gốc Nhật tại Trường Kỹ thuật thuộc
Đại học California, Mỹ. Giải Nobel được trao cho phát minh về đèn LED điều đó đã
chứng tỏ vai trò quan trọng của nguồn chiếu sáng mới này. Đèn LED thực sự là một
sản phẩm chiếu sáng của ngày nay và của cả tương lai vì nguồn sáng LED đã khắc
phục được gần như mọi khuyết điểm của các nguốn chiếu sáng truyền thống và khả
năng tích hợp kỳ điệu của loại thiết bị chiếu sáng này trong các công nghệ mới, tiên
tiến như các thiết bị hiển thị (tivi LED, smartphone, các loại màn hình hiển thị, quảng
cáo....vv).
Hiện nay với sự phát triển như vũ bão của đèn LED về cả mặt công nghệ và ứng
dụng thì các nghiên cứu khoa học cơ bản vẫn đóng vai trò quan trọng cho các nghiên
cứu ứng dụng. LED sử dụng bột huỳnh quang có nhiều ưu điểm nổi trội hơn các loại
LED sử dụng công nghệ chiếu sáng trắng truyền thống đó là khả năng điều chỉnh nhiệt
độ màu và các tính chất quang điện linh hoạt và khả năng tản nhiệt cũng như tạo ra các
đèn LED công suất cao. Do vậy, trong nghiên cứu này chúng tôi lựa chọn các loại bột
3+

3+

huỳnh quang cho LED như YAG: Ce và YAG: Eu bằng phương pháp đồng kết tủa
đơn giản và xử lý nhiệt với mục đích tạo ra sản phẩm bột huỳnh quang cho hiệu suất
phát xạ cao và có khả năng ứng dụng trong chế tạo đèn LED phát xạ ánh sáng trắng
với các mục tiêu cụ thể như sau:


3

- Chế tạo bột huỳnh quang phát xạ ánh sáng vàng YAG:Ce

3+

sử dụng phương

pháp đồng kết tủa kết hợp với xử lý nhiệt. Sản phẩm tạo ra là bột huỳnh quang cho dải
phát xạ rộng từ 480 – 750 nm (đỉnh phát xạ ~ 540 nm).
3+

- Chế tạo bột huỳnh quang phát xạ ánh sáng đỏ YAG:Eu sử dụng phương pháp
đồng kết tủa kết hợp với xử lý nhiệt. Sản phẩm tạo ra là bột huỳnh quang cho dải phát
xạ rộng từ 580 – 750 nm (đỉnh phát xạ ~ 610 nm và 725 nm).


4

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐÈN LED
1.1. Nguồn sáng LED
1.1.1. Cấu tạo và lịch sử phát triển của đèn LED
LED, viết tắt của Light-Emitting-Diode có nghĩa là “đi-ốt phát sáng”, là một
nguồn sáng phát sáng khi có dòng điện tác động lên nó. Được biết tới từ những năm
đầu của thế kỷ 20, công nghệ LED ngày càng phát triển, từ những diode phát sáng đầu
tiên với ánh sáng yếu và đơn sắc đến những nguồn phát sáng đa sắc, công suất lớn và
cho hiệu quả chiếu sáng cao.

Hình 1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED
Hoạt động của LED dựa trên công nghệ bán dẫn [8]. Trong khối điốt bán dẫn,
electron chuyển từ trạng thái có mức năng lượng cao xuống trạng thái có mức năng
lượng thấp hơn và sự chênh lệch năng lượng này được phát xạ thành những dạng ánh
sáng khác nhau (hình 1.1). Màu sắc của LED phát ra phụ thuộc vào hợp chất bán dẫn
và đặc trưng bởi bước sóng của ánh sáng phát ra.


Hình 1.2. Tái tạo lại thí nghiệm của H. J. Round năm 1907, chuyển điện thành ánh
sáng màu xanh lục bằng 1 sợi dây và tinh thể Si-líc.

Hình 1.3. Đèn LED đầu tiên sử dụng hợp chất GaAs phát hồng ngoại (1961)
Vào năm 1907 điốt bán dẫn phát sáng đầu tiên được biết đến bởi nhà thí nghiệm
người Anh H.J. Round tại phòng thí nghiệm Marconi khi ông làm thí nghiệm với tinh
thể SiC(Silic và Cacbon) (hình 1.2) [4]. Sau đó, LED đầu tiên được nhà khoa học Nga
Oleg Vladimirovich Losev tạo ra, nghiên cứu này đã bị lãng quên do không có ứng
dụng nhiều trong thực tiễn. Năm 1955, Rubin Braunstein đã phát hiện ra sự phát xạ
hồng ngoại bởi hợp chất GaAs (Gallium và Arsenide) và một số hợp chất bán dẫn khác
[7].
Năm 1961, hai nhà thí nghiệm là Bob Biard và Gary Pittman làm việc tại Texas
Instruments đã nhận thấy rằng hợp chất GaAs phát ra tia hồng ngoại khi có dòng điện
tác động và sau đó Bob và Gary được cấp bằng sáng chế ra điốt phát hồng ngoại (hình
1.3).[6]


1.1.2. Phân loại đèn LED
* LED truyền thống dựa trên công nghệ chiếu sáng rắn (chuyển tiếp P-N)

Hình 1.4. Các hình dạng và kích thước khác nhau của LED
LED có cấu tạo đơn giản gồm 2 lớp bán dẫn loại p và loại n ghép với nhau. LED
đầu tiên chỉ phát ra ánh sáng đỏ với cường độ thấp, tuy nhiên đến nay các thế hệ LED
mới đã có thể phát xạ ánh sáng ở vùng ánh sáng nhìn thấy (LED đơn sắc), ánh sáng
hồng ngoại hoặc ánh sáng cực tím với độ sáng cao hơn rất nhiều so với các LED trước
đây. Các phần tử LED có độ bền và tính ổn định cao hơn các laser bán dẫn do LED sử
dụng dòng điện nhỏ và công suất quang thấp hơn nhiều so với giới hạn chịu đựng của
vật liệu. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, các loại LED được sản xuất với nhiều hình
dạng và kích thước khác nhau như minh họa trong (Hình 1.4) [20].

Hình 1.5. Phổ ánh sáng của các LED đơn sắc ghép lại (xanh lam, xanh lục, đỏ)
Ngày nay, ngành công nghệ vật liệu cho LED đang phát triển rất mạnh mẽ, công
suất của LED ngày càng tăng mà vẫn có hiệu suất, độ tin cậy đảm bảo yêu cầu sử
dụng. LED công suất cao ngày nay có cấu trúc bên trong rất phức tạp nhưng bề ngoài
thì vẫn như các LED thời kỳ đầu. Việc phát minh và phát triển LED chiếu sáng trắng


có độ sáng tốt hơn, công suất cao, và tuổi thọ lâu hơn được xem là công nghệ chiếu
sáng hứa hẹn trong tương lai và sẽ nhanh chóng thay thế các bóng đèn dây tóc, đèn
huỳnh quang trước đây. LED trắng được chia làm hai loại: LED đơn chip và LED đa
chip (Hình 1.6).

Hình 1.6. Cấu tạo của LED trắng; (a)-LED đơn chip, (b)-LED đa chip
- LED đơn chip có cấu tạo gồm một chip LED phát ra ánh sáng dạng đơn sắc như đỏ,
xanh lục, xanh lam, hoặc vàng…vv.
- LED đa chip có cấu tạo gồm ba LED đồng thời phát ra ánh sáng với ba màu cơ bản là
xanh nước biển, đỏ, xanh lá cây. Sự hòa trộn giữa ba màu cơ bản này tạo ra ánh sáng
trắng ở đầu ra. LED đa chip có thể phát ra nhiều ánh sáng với các màu khác nhau bằng
cách điều chỉnh tỉ lệ hòa trộn giữa các màu.
* LED sử dụng bột huỳnh quang (phosphor LED)
LED sử dụng bột huỳnh quang có cấu tạo gồm chip đơn (đóng vai trò là nguồn
kích thích) phát xạ màu xanh nước biển hoặc tử ngoại (UV) và một lớp bột phốt-pho
[9]. Khi dòng điện được cung cấp tới chip LED, ánh sáng màu xanh nước biển sẽ được
phát ra. Lớp phốt-pho khi đó bị kích thích bởi ánh sáng xanh sẽ phát ra ánh sáng
huỳnh quang vàng. Sự hòa trộn giữa ánh sáng xanh từ LED và ánh sáng vàng từ lớp
phốt-pho tạo ra ánh sáng trắng phát ra bên ngoài (hình 1.7). LED đơn chip có giá thành
rẻ, độ sáng cao, công suất cao.


Hình 1.7. Cấu tạo của LED phosphor (a); LED sử dụng công nghệ chiếu sáng rắn (b)
Với LED sử dụng công nghệ chiếu sáng rắn để tạo ra ánh sáng trắng cần phải kết
hợp 3 chip đơn phát xạ ra ba màu xanh lam (blue), đỏ (red) và xanh lục (green). Việc
kết hợp 3 chip LED trong 1 là rất phức tạp, khó điều chỉnh nhiệt độ màu và các thông
số quang học khác và một vấn đề quan trọng là tản nhiệt cho các chip LED. Khi công
nghệ phát triển, các bột huỳnh quang pha tạp ion kim loại chuyển tiếp hoặc đất hiếm
có thể hấp thụ năng lượng kích thích của nguồn UV hoặc xanh lam (Blue) từ các chip
đơn để phát xạ thứ cấp ra ánh sáng trắng hoặc ánh sáng màu tùy thuộc vào mục đích
sử dụng. Với LED sử dụng bột huỳnh quang có thể dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ màu
bằng cách pha trộn các loại bột huỳnh quang khác nhau. Với LED phát xạ ánh sáng
trắng thường được sử dụng 1 chip Blue và bột phát xạ ánh sáng màu vàng phổ biến
nhất là YAG: Ce (hình 1.8).


Hình 1.8. Cấu tạo của LED phát xạ ánh sáng trắng sử dụng chip Blue kết hợp với bột
huỳnh quang phát xạ ánh sáng vàng và phổ ánh sáng trắng kết hợp giữa nguồn chip
blue và ánh sáng phát ra từ bột huỳnh quang YAG:Ce
1.2. Phân loại đèn LED
1.2.1. Các loại đèn LED sử dụng trong dân sinh, công nghiệp, trang trí
* Các loại LED chuyên dụng sử dụng trong chiếu sáng dân sinh, nghệ thuật…
LED Bulb (LED tròn)
LED Bulb hay gọi là đèn LED tròn, các loại đèn LED này ngày nay rất phổ biến
và được sử dụng để thay thế bóng đèn tròn truyền thống. Mỗi hàng sản xuất cho các
hình dạng và kích thước khác nhau. Do LED Bulb được tích hợp trong một không gian
khá nhỏ nên vấn đề tản nhiệt là bài toán lan giải đối với các nhà sản xuất và rất khó có
thể đưa công suất đèn LED lên cao. Trong LED Bulb người ta cũng có thể trộn hoặc
phủ lớp bột huỳnh quang lên trên thành bóng đèn và sử dụng các chip blue LED để tạo
ra ánh sáng trắng và loại LED này được gọi là remote LED.


Hinh 1.9. Các loại LED bulb
Tube LED (Đèn LED ống)

Hình 1.10. Các loại tube LED
Tube LED thường được sử dụng để thay thế các đèn ống huỳnh quang truyền
thống. Với Tube LED cho ánh sáng phân bố tốt hơn ánh sáng nguồn điểm của đèn
LED tròn. Tube LED có thể sử dụng lớp vỏ ống trắng hoặc phủ lớp tán xạ cho ánh
sáng phân bố đều hơn.


LED Panel (LED tấm)

Hình 1.11. Các loại LED panel

LED panel có nhiều hình dạng khác nhau nhưng cơ bản là dạng hình tròn, vuông
hoặc chữ nhật. Về mặt công nghệ chiếu sáng thì chia làm 2 loại: i) chiếu thẳng là các
LED chiếu trực tiếp xuống không gian sử dụng và ánh sáng được định hướng từ các
LED đơn. Với loại LED chiếu thẳng này thì về mặt thẩm mỹ còn thấp và hiệu suất
chiếu không cao, phân bố ánh sáng không đồng đều; ii) chiếu cạnh, đây là loại đèn
LED panel thế hệ mới. Các chip LED được bố trí ở góc của các tấm dẫn sáng và nhờ
quá trình phản xạ ở mặt trên với các ma trận điểm phản xạ tạo cho LED chiếu cạnh có
sự phân bố ánh sáng đều hơn và cho chất lượng ánh sáng tốt, đảm bảo tính thẩm mỹ.
LED trang trí nghệ thuật
Các loại LED dùng để trang trí hay làm biển quảng cáo thường đa dạng về chủng
loại và có mầu sắc sặc sỡ, dễ điều chỉnh hình dạng như mong muốn.


Hình 1.12. Các loại đèn LED dùng trang trí, quảng cáo
1.2.2. Ứng dụng đèn LED trong chiếu sáng nông nghiệp công nghệ cao
Ánh sáng là nguồn năng lượng vô cùng quan trọng trong quá trình quang hợp
của cây trồng. Nhưng không phải chỉ cần chiếu sáng cây trồng có thể sinh trưởng và
phát triển tốt được mà còn phụ thuộc vào chất lượng nguồn sáng, cường độ chiếu sáng,
thời gian…vv.
Năng lượng chứa trong nguồn sáng được hấp thụ trong chất diệp lục (chlorophyll
of plants) của cây xanh. Tuy nhiên, không phải tất cả các dải bước sóng của ánh sáng
cây xanh đều hấp thụ qua chất diệp lục để tổng hợp thành chất dinh dưỡng cho cây
sinh trưởng và phát triển mà chỉ có dải bước sóng xanh lam, đỏ hoặc đỏ xa là được hấp
thụ nhiều. Đây cũng là lý do vì sao cây có mầu xanh lục (xanh lá cây) do chúng phản
xạ ánh sáng trong dải bước sóng này. Hình 1.13 là phổ hấp thụ của chất diệp lục
(chlorophyll a, b).


Hình 1.13. Phổ hấp thụ của chất điệp lục, phổ độ nhạy của mắt người
Với các nguồn sáng nhân tạo, bước sóng (màu sắc) được sử dụng để phân biệt
một số loại đèn ví dụ như:
+ Đèn sợi đốt khi phát xạ cho dải bước sóng ánh sáng rộng từ đỏ xa tới cực tím
và tỏa nhiệt rất cao. Hiệu suất phát xạ ánh sáng của đèn sợi đốt thấp.
+ Các nguồn sáng khác cho các dải phát xạ đặc trưng riêng. Đèn hơi kim loại
(metallic vapor lamps) có cường độ phát xạ mạnh và phổ rộng. Đèn ống huỳnh quang
hoặc huỳnh quang compact có nhiều ưu thế như tiết kiệm năng lượng, tỏa nhiệt ít và
có thể tạo ra các vùng phát xạ đặc trưng (đỏ, đỏ xa, vàng, xanh lam, xanh lục…) phụ
thuộc vào loại bột huỳnh quang sử dụng. Tuy nhiên, đèn huỳnh quang ống hoặc huỳnh
quang compact cũng còn một số hạn chế như sử dụng nguồn kích thích hơi thủy ngân
nên khó khống chế được nguồn UV (185, 254 nm) [10] dư gây kích thích không mong
muốn cho cây trồng. Ngoài ra khi sử dụng các loại đèn này khó có thể phối hợp màu
để tạo ra dải màu mong muốn, tuổi thọ đèn không cao, không thay đổi được cường độ
chiếu sáng (do dùng ballast), kích thước lớn, cồng kềnh và hiệu suất phát xạ chưa cao.


Hình 1.14. Phổ ánh sáng của một số nguồn chiếu sáng: đèn sợi đốt (tungsten), đèn hơi
thủy ngân (mercury vapor lamp), đèn LED phát xạ ánh sáng trắng (white LED), và
phổ ánh sáng của mặt trời (Noon sunlight).
Với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngày nay đèn LED đang là ứng cử
viên sáng giá nhất cho chiếu sáng kích thích cây trồng không chỉ ở chỗ tiết kiệm năng
lượng, tuổi thọ cao, nhỏ gọn mà còn có khả năng điều chỉnh dải bước sóng kích thích
phù hợp, điều chỉnh cường độ chiếu sáng và khả năng phối trộn màu trong LED đơn lẻ
hoặc phối trộn màu giữa các LED đơn sắc….vv.
Hình 1.15 là sản phẩm đèn LED chiếu sáng kích thích cây trồng sử dụng LED
đơn sắc blue và LED blue-red. Với đèn LED sử dụng 2 màu blue và red thì người sử
dụng hoàn toàn có thể lựa chọn màu sắc ánh sáng kích thích bằng việc điều khiển loại
LED phát sáng như ánh sáng đơn sắc blue, red riêng biệt hoặc phối trộn 2 màu trên.
Tuy nhiên để chiếu sáng hiệu quả cho các loại cây trồng khác nhau thì cần phải có sự
nghiên cứu sâu và kỹ lưỡng về các loài cây trồng như đặc điểm của cây có thể dựa vào
các phân loại như: cây lấy quả, cây lấy hoa hoặc dựa vào nhu cầu về ánh sáng kích
thích cho từng mùa vụ…vv.


Hình 1.15. Ứng dụng chiếu sáng LED đơn sắc blue (hình trái) và blue-red (hình phải)
dùng để kích thích cây xanh sinh trưởng và phát triển
Tại Việt Nam, chiếu sáng cho nông nghiệp công nghệ cao đã và đang được
nghiên cứu ứng dụng trong chiếu sáng nuôi cấy mô, nuôi tảo, kích thích cây hoa cúc
và cây thanh long là chủ yếu. Do vậy việc nghiên cứu ứng dụng trong chiếu sáng kích
thích cây trồng, vật nuôi vẫn đang là chủ đề nóng cần được nhà quản lý và các nhà
nghiên cứu khoa học quan tâm nhằm tạo ra các sản phẩm có chất lượng cao đáp ứng
được nhu cầu ngày càng phát triển của xã hội.
3+

1.2.3. Vật liệu phát quang YAG: Eu và YAG: Ce

3+

Yttri alumium garnet, Y3Al5O12 (YAG) là một loại vật liệu nhân tạo thuộc họ
garnet, có dạng bột, màu trắng, có tỉ số khúc xạ và tỉ trọng tương đối cao và nếu chứa
các kim loại chuyển tiếp hoặc các nguyên tố đất hiếm thì chúng có khả năng tạo màu
trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Về mặt cấu trúc, họ garnet có cấu trúc dạng lập phương
với nhóm không gian Ia3d trong đó các cation ở vị trí đặc trưng còn các anion oxy ở


các vị trí tâm. Cấu trúc lập phương của vật liệu YAG được mô phỏng (Hình 2).

Hình 1.16: Cấu trúc lập phương của vật liệu YAG. Màu đỏ, màu xám, màu xanh đậm
và màu xanh nhạt tương ứng với nguyên tố O, Y, Al (16a) và Al (24d)
a, Vật liệu phát quang YAG: Eu
Vật liệu YAG: Eu

3+

3+

với khả năng chịu nhiệt tốt và độ dẫn nhiệt cao được chọn làm

vật liệu nền trong các vật liệu phát quang dùng cho công nghiệp chiếu sáng, công nghệ
màn hình plasma...
3+

Một phát hiện mới của I. E. Kolesnikov khi nghiên cứu vật liệu YAG: Eu là vật liệu
bên cạnh phát xạ sáng đỏ với cường độ đỉnh tại 593 nm còn có khả năng phát xạ ánh
sáng đỏ xa với cường độ đỉnh tại bước sóng 709 nm [11]. Phát hiện này đã góp phần
tạo nên cho vật liệu huỳnh quang YAG: Eu

3+

nhiều ứng dụng trong chế tạo đèn nền

nông nghiệp, đánh bắt cá...
b, Vật liệu phát quang YAG: Ce

3+

Vật liệu YAG pha tạp Cerium có khả năng hấp thụ mạnh vùng ánh sáng xanh
dương 460 nm và phát xạ ra vùng ánh sáng từ 500 nm đến 650 nm là do sự dịch
chuyển điện tử từ mức 5d xuống 4f trong nguyên tử Ce [12]. ( Hình 1.17)


Hình 1.17 : Cấu trúc mức năng lượng của ion Ce
Có thể nói vật liệu YAG vẫn còn là vật liệu khá mới ở nước ta. Với mục tiêu bột
huỳnh quang được tổng hợp được có khả năng sản xuất quy mô lớn, sử dụng các trang
thiết bị đơn giản, sẵn có, chúng tôi đã lựa chọn phương pháp đồng kết tủa để tổng hợp
3+

vật liệu YAG: Eu


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×