Nghiên cứu phát triển các tổ hợp vật liệu phát quang micro nano và linh kiện quang điện dạng tự do ứng dụng trong chiếu sáng rắn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG
NGHỆ
--------------------

D
Ƣ
Ơ
N
G
T
H
Ị
G
I
A
N
G


NGHIÊN CỨU PHÁT
TRIỂN CÁC TỔ HỢP VẬT
LIỆU PHÁT QUANG
MICRO-NANO VÀ LINH
KIỆN QUANG BIÊN DẠNG
TỰ DO ỨNG DỤNG TRONG
CHIẾU SÁNG RẮN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
CHUYÊN
NGHÀNH: VẬT
LIỆU QUANG
HỌC, QUANG
ĐIỆN TỬ VÀ
QUANG TỬ

HÀ
NỘI
,
202
0


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG
NGHỆ
----------------------

D
Ƣ
Ơ
N
G
T

HỊ
GI
A
N
G

NGHIÊN CỨU PHÁT
TRIỂN CÁC TỔ HỢP
VẬT LIỆU PHÁT
QUANG MICRO-NANO
VÀ LINH KIỆN
QUANG BIÊN DẠNG


T
r
ầ
n
Q
u
ố
c
T
i
ế
n

T
Ự
D

O
Ứ
N
G
D

Chuyên
ngành:
Vật liệu
quang
học,
quang
điện tử và
quang tử
Mã sỗ:
944 01 27
2.

Ụ
N
G
T
R
O

LU
ẬN
ÁN
TI
ẾN

SĨ

N
G

G

NG
ƢỜ
I
HƢ
ỚN
G
DẪ
N
KH
OA
HỌ
C:

R

1.

C
HI
Ế
U
SÁ
N

Ắ

PGS.T
S.

P
G
S
.
T
S
.
P
h
ạ
m
H
ồ
n
g
D
ƣ
ơ
n
g


HÀ NỘI, 2020

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN...........................................................................................................i
LỜI CÁM ƠN................................................................................................................ ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT.................................................iii
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH............................................................................................. vi
MỞ ĐẦU.......................................................................................................................1
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU...........................................6
1.1. Chiếu sáng rắn và nguồn sáng LED..................................................................6
1.1.1.

Nguyên lý hoạt động của LED...................................................................6

1.1.2.

Vật liệu phosphor...................................................................................... 10

1.1.3.

Gói LED trắng (WLED)........................................................................... 12

1.1.4.

Bộ đèn LED (LED Luminaire)................................................................. 14

1.1.5.

Các đặc trƣng của nguồn sáng LED......................................................... 20

1.2. Linh kiện quang học biên dạng tự do FO (Freeform Optics)...........................26
1.2.1.

Khái niệm về quang học biên dạng tự do FO............................................ 26

1.2.2.

Thiết kế, chế tạo và đo lƣờng linh kiện FO.............................................. 28

1.2.3.

Ứng dụng của linh kiện FO....................................................................... 33

1.3. Chiếu sáng....................................................................................................... 38
1.3.1.

Ô nhiễm ánh sáng..................................................................................... 39

1.3.2.

Chiếu sáng lấy con ngƣời làm trung tâm (HCL)...................................... 40

1.3.3.

Những vấn đề cần giải quyết.................................................................... 43

CHƢƠNG II. PHƢƠNG PHÁP, KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG...........45
2.1. Tính toán, thiết kế và mô phỏng sử dụng các phần mềm trợ giúp......................45
2.1.1. Phần mềm tính toán trợ giúp (Excel, Origin)............................................... 45
2.1.2. Thiết kế mẫu sử dụng phần mềm trợ giúp Solidworks.................................46

2.1.3. Mô phỏng quang học sử dụng phần mềm chuyên dụng Optgeo, Tracepro .. 47

2.2. Kỹ thuật, công nghệ sử dụng.............................................................................. 49
2.2.1. Chế tạo nguyên mẫu linh kiện FO................................................................ 49


2.2.2. Chế tạo linh kiện FO bằng công nghệ ép phun nhựa nhiệt dẻo....................51
2.2.3. Công nghệ đùn ép nhôm (Al Extrution Technology)................................... 56
2.3. Phƣơng pháp đo đạc đánh giá............................................................................ 58
2.3.1. Phƣơng pháp và thiết bị đo đặc trƣng vật liệu, linh kiện............................. 58
2.3.2. Các thiết bị đo đặc trƣng đèn LED.............................................................. 60
2.4. Xây dựng mô hình chiếu sáng............................................................................ 62
Mô phỏng môi trƣờng chiếu sáng sử dụng phần mềm Dialux Evo.......................62
CHƢƠNG III. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐÈN LED TRẮNG CẤU HÌNH REMOTEPHOSPHOR................................................................................................................. 66
3.1. Thiết kế, chế tạo bộ đèn LED trắng cấu hình Remote-phosphor.....................67
3.1.1.

Thiết kế đèn LED trắng cấu hình RP........................................................ 67

3.1.2.

Thiết kế, chế tạo tấm dẫn sáng RP............................................................ 69

3.1.3.

Chế tạo đèn LED trắng cấu hình RP......................................................... 70

3.2. Đo đạc, khảo sát các thông số quang học của bộ đèn LED trắng cấu hình RP 71
CHƢƠNG IV. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO LINH KIỆN
QUANG BIÊN DẠNG TỰ DO.................................................................................... 76

4.1. Thiết kế, mô phỏng linh kiện quang biên dạng tự do......................................... 76
4.1.1. Thiết kế thấu kính FO.................................................................................. 76
4.1.2. Xây dựng mô hình mô phỏng...................................................................... 77
4.1.3. Mô phỏng độ rọi trên trần nhà..................................................................... 78
4.1.4. Mô phỏng độ rọi dƣới sàn nhà..................................................................... 79
4.1.5. Tối ƣu hoá đa đặc trƣng.............................................................................. 80
4.2. Tính toán lý thuyết đƣa ra tiêu chí thiết kế thấu kính FO................................... 82
4.2.1. Mô hình và phân tích lý thuyết.................................................................... 82
4.2.2. Cách tiếp cận thay thế cho hệ thống chiếu sáng đồng đều...........................86
4.3. Chế tạo linh kiện quang biên dạng tự do............................................................ 92
4.3.1 Thấu kính biên dạng bất đối xứng AL........................................................... 92
4.3.2 Thấu kính góc chiếu hẹp (NAL narrow angle lens)....................................100
4.3.3. Thấu kính FO cho đèn dụ cá......................................................................102
CHƢƠNG V. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC BỘ ĐÈN SKYLED TÍCH HỢP THẤU
KÍNH FO VÀ XÂY DỰNG MỘT SỐ MÔ HÌNH THỰC TẾ...................................105


5.1. Bộ đèn LED tích hợp thấu kính biên dạng bất đối xứng..................................106
5.1.1. Bộ đèn SkyLED tích hợp thấu kính AL gắn tƣờng chiếu trần...................106
5.1.2. Bộ đèn SkyLED tích hợp thấu kính AL thả trần chiếu sáng gián tiếp........110
5.1.3. Bộ đèn SkyLED tích hợp thấu kính AL và NAL thả trần chiếu 3 phía......114
5.1.4. Bộ đèn LED tích hợp thấu kính AL chiếu bảng.........................................117
5.1.5. Bộ đèn LED tích hợp thấu kính AL chiếu sáng dụ cá................................119
5.2. Chiếu sáng Dƣỡng sinh 5S (5S Human Centric Lighting)...............................122
Xác định các thông số đặc trƣng của môi trƣờng ánh sáng.................................123
5.3. Xây dựng một số mô hình chiếu sáng thực tế..................................................125
5.3.1. Chiếu sáng phòng họp, phòng học.............................................................125
5.3.2. Chiếu sáng căn hộ, nhà ở...........................................................................126
5.3.3. Chiếu sáng cửa hàng, phòng khám bệnh....................................................128
5.3.4. Chiếu sáng nghệ thuật, tâm linh.................................................................128

5.3.5. Bàn học tích hợp hộp sáng chống cận thị...................................................130
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................................133
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ..................................................................136
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................137


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ công trình dƣới đây là của riêng tôi.
Các số liệu và kết quả nêu trong luận án đều trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày tháng năm 2020
Tác giả


ii

LỜI CÁM ƠN
Trƣớc tiên, cho phép tôi đƣợc gửi lời cám ơn đặc biệt tới hai giáo viên hƣớng
dẫn khoa học của tôi là PGS.TS. Phạm Hồng Dƣơng và PGS.TS. Trần Quốc Tiến. Hai
Thầy đã luôn tận tình chỉ bảo, truyền dạy kiến thức, dẫn dắt, động viên tôi vƣợt qua
những khó khăn, trở ngại để hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng tác giả trong các công trình công bố liên
quan đến nội dung của luận án đã cho phép tôi đƣợc sử dụng một số kết quả phục vụ
cho luận án.
Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến Ban Lãnh đạo Học viện Khoa học và Công
nghệ, Ban Lãnh đạo Viện Khoa học vật liệu, các Giáo viên trong Học viện đã luôn
động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành tốt luận án.
Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến các đồng nghiệp của tôi ở phòng

Cooperman, phòng Laser bán dẫn, những ngƣời đã luôn ủng hộ và giúp đỡ tôi trong
quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Trung tâm R&D Chiếu sáng, Công ty
CP Bóng đèn Phích nƣớc Rạng Đông đã giúp đỡ tôi trong việc chế tạo và khảo sát một
số tính năng của các bộ đèn SkyLED, đèn LED chiếu bảng, đèn LED dụ cá.
Tôi xin chân thành cảm ơn đề tài ĐTĐLCN.30/18 đã hỗ trợ cho tôi thực hiện
luận án này.
Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến các Thầy giáo, Cô giáo, các Nhà khoa
học, các bạn bè, đồng nghiệp công tác trong và ngoài Viện Khoa học vật liệu đã luôn
quan tâm, động viên, chỉ dẫn tôi trong quá trình thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới những ngƣời thân yêu trong
gia đình, gia đình đã cho tôi động lực và là chỗ dựa vững chắc để tôi có thể tập trung
sức lực hoàn thành luận án này.
Hà Nội, ngày tháng năm 2020

AFM

A


AL
ALED
BLED
CCT
CRI
COB
CM
CMM
CGH
DB LED

DoF
ENCM
F
FO
FAL LED
GPHI
HCL
IF
LED
LED RP
LE
LD
LP
MO-CVD
MM
MT
MH
NAL
NIF
OLED
Pc-WLED
PPM
PF
QD
RP
SSL
SMT
SMS
STM

A
A
B
C
C
C
C
C
C
D
D
R
F
F
F
G
H
Im
L
L
L
L
L
M
ki
M
M
M
N
N

O
P
P
P
Q
R
S
S
S
S


SHTT
SC
SDCM
Ts
Tj
WLED

S
S
S
N
N
W


v

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1. 1.
Bảng 2. 1.
Bảng 3.
Bảng 5.
Bảng 5.
Bảng 5.

Nhiệt độ màu tương quan của m
Bảng so sánh một số thuộc tính
1. CCT và CRI của đèn LED mới
1. Kết quả đo thông số quang – đ
2. Kết quả đo thông số quang – đ
3. Thông số điện – quang của bộ


vi

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1. 1. Sơ đồ năng lượng trong không gian của chuyển tiếp p-n với bán dẫn đồng chất khi
không có điện áp [3] ...................................................................................................................
Hình 1. 2. Sơ đồ năng lượng trong không gian của chuyển tiếp p-n với bán dẫn đồng chất khi
đặt điện áp thuận [3] ..................................................................................................................
Hình 1. 3. Sơ đồ năng lượng trong không gian chuyển tiếp p-n với bán dẫn dị chất khi đặt điện
áp thuận [3] ................................................................................................................................
Hình 1. 4. Đặc trưng I-V của gói LED Samsung LM 301B [4] ..................................................
Hình 1. 5. Sự phụ thuộc của cường độ sáng vào dòng thuận của gói LED Samsung LM 301B
[4] ...............................................................................................................................................

Hình 1. 6.
Vật liệu phosphor dùng trong ch

Hình 1.7. Phổ phát xạ, phổ kích thích của phosphor YAG: Ce, BLED và YLED [8]...............
Hình 1. 8.
Gói LED trắng sử dụng chấm lượ
Hình 1. 9.
Cấu trúc WLED với các cách ph
Hình 1. 10. Mô đun WLED COB thương mại ...........................................................................
Hình 1. 11 Mô đun WLED SMT hàn trên mạch in nhôm..........................................................
Hình 1. 12. Mô đun tản nhiệt nhôm cho bộ đèn WLED công suất trung bình .........................
Hình 1. 13. Mô đun tản nhiệt sử dụng heat pipe cho bộ đèn WLED công suất cao .................
Hình 1. 14.
Sơ đồ vị trí đo nhiệt độ
Hình 1.
15. Sơ đồ tính toán nhiệt trở sử dụng cho bóng đè
Hình 1.
16.Sơ đồ khối của nguồn s
Hình 1.
17.Phổ độ nhạy của mắt V
Hình 1. 18.
Đường phân bố cường
..................................................................................................................................................

Hình 1.
Hình 1.
Hình 1.

19. Giản đồ màu CIE x-y 1
20. Bảng 8 màu chuẩn Mun
21. Màu của điểm G có thể
506nm........................................................................................................................................

Hình 1. 22.Linh kiện FO a) phi cầu đối xứng quay có mặt cắt ngoài trục; b) FO đối xứng quay
phi tiêu chuẩn; c) FO biên dạng phù hợp với hình dạng hệ thống ...........................................
Hình 1. 23.
Sơ đồ giao thoa kế Fize
Hình 1. 24.
CMM với đầu đo hội tụ
Hình 1. 25.
Phân bố cường độ theo
Phân bố góc của gói LE
Hình 1. 26.
o
(ϕ=90 )[36]...............................................................................................................................
Hình 1. 27.
Hệ thống thấu kính chi
[37] ...........................................................................................................................................

Hình 1. 28.
Hình 1.
Hình 1.
Hình 1.

Thấu kính FO thủy tinh
29. Một số loại linh kiện F
30. Mô phỏng chùm sáng q
31. Phân bố cường độ sáng


vii

Hình 1. 32. Ánh sáng ô nhiễm đến mức độc hại sử dụng đèn bulk trụ......................................40

Hình 1. 33. Chiếu sáng mất tiện nghi do tương phản quá lớn giữa bộ đèn và tường, trần gỗ
màu đen......................................................................................................................................40
Hình 1. 34. Màu ánh sáng tự nhiên thay đổi theo thời gian......................................................41
Hình 1. 35. Cường độ ánh sáng thay đổi theo thời gian........................................................... 41
Hình 1. 36. Bầu trời ban ngày có góc khối chiếu sáng rộng (~2π sr).......................................42
Hình 1. 37. Phòng làm việc chiếu sáng mô phỏng bầu trời tự nhiên........................................42
Hình 2. 1. Kết quả mô phỏng phổ truyền qua của nguồn sáng chuẩn CIE D65 các lớp lá non.
……………………………………………………………………………………………..46
Hình 2. 2. So sánh phổ độ nhạy mắt người V(λ) với phổ truyền qua của nguồn chuẩn D65 qua
ba lớp lá non..............................................................................................................................46
Hình 2. 3. Hình vẽ Part 3D thấu kính FO1 cho đèn chiếu bảng............................................... 47
Hình 2. 4. Hình vẽ Assemly 3D đèn chiếu bảng gồm 04 chi tiết: thấu kính, máng, LED và
mạch in...................................................................................................................................... 47
Hình 2. 5. Mô phỏng các tia sáng truyền qua thấu kính FO (không vẽ tia phản xạ)................48
Hình 2. 6. Biên dạng 3D của thấu kính AL thiết kế bằng phần mềm Solidworks......................49
Hình 2. 7. Đường phân bố cường độ sáng trên mặt phẳng vuông góc trong toạ độ cực..........49
Hình 2. 8. Hình vẽ Solidworks thấu kính bất đối xứng cho đèn chiếu sáng dụ cá....................50
Hình 2. 9. Ảnh chụp nguyên mẫu thấu kính sau khi mài bóng (trái) và phủ màng bóng..........50
Hình 2. 10. Cấu trúc khuôn 2 tấm: Tấm 1 là tấm cố định, tấm 2 là di động.............................53
Hình 2. 11. Hình vẽ cấu trúc máy ép phun nhựa cơ bản........................................................... 54
Hình 2. 12. Quy trình ép phun nhựa..........................................................................................54
Hình 2. 13. Thiết bị đùn ép nhôm định hình..............................................................................58
Hình 2. 14. Bố trí mẫu trên hệ đo quang HQ sử dụng phổ kế Acton Research SP-2300i và đầu
thu Princeton Instrument làm lạnh............................................................................................59
Hình 2. 15. Kính hiển vi điện tử quét FE-SEM tại PTN trọng điểm..........................................59
Hình 2. 16. Hình ảnh bên trong quả cầu tích phân................................................................... 60
Hình 2. 17. Hệ đo quả cầu tích phân nối quang kế phổ kế và các thiết bị phụ trợ của Viện
Khoa học Vật liệu...................................................................................................................... 60
Hình 2. 18. Sơ đồ cấu tạo của Goniophotometer......................................................................62
Hình 2. 19. Biểu đồ cường độ sáng của đèn SkyLED chiếu trần trên 2 mặt phẳng..................63

Hình 2. 20. Biểu đồ cường độ sáng của đèn SkyLED chiếu trần trong mô phỏng 3D..............63
Hình 3. 1. Sơ đồ thiết kế đèn RP phẳng. ……………………………………………………67
Hình 3. 2. Phổ kích thích huỳnh quang của NYAG 4355 ghi tại bước sóng 570 nm.................68
Hình 3. 3. Phổ phát xạ huỳnh quang của NYAG 4355 kích thích bằng vạch 442 nm...............68
Hình 3. 4. Ma trận các chấm chiết – phát sáng.........................................................................69
Hình 3. 5. Đèn LED remote – phosphor....................................................................................71
Hình 3. 6. Ảnh chụp huỳnh quang (a) và truyền qua (b) của một chấm phát sáng...................72
Hình 3. 7. Phổ phát xạ của đèn LED trắng RP chế tạo theo tỉ lệ pha trộn phosphor:EPI là 1:1
72
Hình 3. 8. Sự phụ thuộc nhiệt độ màu CCT vào khối lượng phosphor trộn trong hỗn hợp......73


viii

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)..............................................................................................................75
Hình 4. 1. Thiết kế biên dạng thấu kính bất đối xứng với độ cong thay đổi……………………76
Hình 4. 2 (a) Phân bố cường 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......................................................77
Hình 4. 3. Phân bố ánh sáng trên trần với bố trí (a) ở khoảng cách 0,4 m với các trường hợp
(b) không thấu kính; (c) B1; (d) B2; (e) B3 và (f) B4................................................................78
Hình 4. 4. Phân bố ánh sáng dưới sàn với bố trí (a) ở khoảng cách 0,4 m với các trường hợp
(b) không thấu kính; (c) B1; (d) B2; (e) B3 và (f) B4................................................................79
Hình 4. 5. Phân bố ánh sáng dưới sàn sử dụng thấu kính B4 ở khoảng cách (a) 0,2 m; (b) 0,3
m; (c) 0,4 m; (d) 0,5m................................................................................................................80
Hình 4. 6. Phân bố ánh sáng dưới sàn sử dụng thấu kính B4 ở khoảng cách 0,4 m với các góc
O

O

O

O

chiếu (b) 45 ; (c) 50 ; (d) 55 (e) 60 .....................................................................................81
Hình 4. 7 (a) Sơ đồ lắp đặt hai bộ đèn chiếu lên trần với hình ảnh chùm sáng đi từ hai đèn dài
gắn hai bên tường; (b) Mặt cắt ngang hệ thống chiếu sáng sử dụng đèn phía bên trái...........82
Hình 4. 8. Đường phân bố độ rọi theo vị trí trên trần sử dụng 2 dãy đèn tuýp HQ với h= 0,3 m
và L= 4 m...................................................................................................................................83
Hình 4. 9. Đường phân bố độ rọi theo vị trí trên trần sử dụng 2 dãy đèn tuýp LED với h= 0,3
m và L= 4 m. (a) Hướng chiếu LED ngang và (b) Hướng chiếu LED vào giữa trần...............84
Hình 4. 10. Đường phân bố độ rọi theo vị trí trên trần sử dụng 2 dãy đèn LED dài với (a) h=
0,3 m, L= 4m; (b) h= 0,3m, L= 8m; (c) h= 0,8m, L= 4m và (d) độ rọi giữa trần phụ thuộc và
h và L......................................................................................................................................... 85
Hình 4. 11 (a) Đường phân bố độ rọi theo vị trí trên trần chiếu từ 2 dãy đèn LED kết hợp thấu
kính FO lý tưởng và (b) biểu đồ phân bố cường độ sáng theo góc vẽ trong toạ độ cực...........86
Hình 4. 12. Hệ số tái phân bố độ rọi qua thấu kính FO bên trái (đen) và bên phải (đỏ).........88
Hình 4. 13. Các hàm phân bố Logistic f(x) với giá trị k=1, k=2, k=4 và tốc độ biến đổi của
hàm df(x)/dx theo khoảng cách x...............................................................................................89
Hình 4. 14. Phân bố độ rọi theo vị trí trên trần chiếu từ 2 nguồn sáng có dạng hàm Logistic
với tốc độ k=3; (b ) tốc độ k khác nhau từ 1 đến 5; (c) phân bố cường độ sáng theo góc trong
toạ độ vuông góc và (d) phân bố cường độ sáng theo góc trong toạ độ cực............................ 90
Hình 4. 15. Hệ số tái phân bố độ rọi qua thấu kính FO tính toán cho một số thông số: a) h=
0.3 m, L= 4 m; (b) h= 0.8 m, L= 4 m; (c) h= 0.3 m, L= 8 m; and (d) h= 0.8 m, L= 8 m........91
Hình 4. 16. a/ Mô phỏng quang trình của tia sáng truyền qua thấu kính biên dạng bất đối
xứng bằng phần mềm Optgeo; b/ Kết cấu đèn chiếu bảng tích hợp thấu kính AL [GPHI15]. 93
Hình 4. 17. Mẫu hình chiếu sáng thanh LED tích hợp nguyên mẫu thấu kính AL....................94
Hình 4. 18. (trái) Biểu đồ cường độ sáng ALED trên hai mặt phẳng ngang và mặt phẳng
đứng; (phải) Biểu đồ cường độ sáng 3D của đèn ALED trong toạ độ cực............................... 95
Hình 4. 19. a/ (trái) Biên dạng thấu kính AL phiên bản V1; b/ (phải) Ảnh chụp thấu kính phiên

bản V1 chế tạo bằng phương pháp ép phun nhựa GP-PS.........................................................95
Hình 4. 20. (trái) Biểu đồ cường độ sáng của đèn SkyLED trên hai mặt phẳng ngang và mặt
phẳng đứng; (phải) Biểu đồ cường độ sáng 3D của đèn SkyLED trong toạ độ cực.................96


ix

Hình 4. 21. Biên dạng thấu kính AL với kích thước mặt cong phía bên trái thay đổi có hệ
thống và các biểu đồ phân bố cường độ sáng mô phỏng tương ứng.........................................97
Hình 4. 22. So sánh biểu đồ phân bố cường độ sáng mô phỏng cho đèn SkyLED tích hợp thấu
kính N0 với bộ đèn lý tưởng do CT2 đề xuất:(trái) trong toạ độ vuông góc và (phải) trong toạ
độ cực........................................................................................................................................ 98
Hình 4. 23. Biên dạng thấu kính AL với mặt cong phía trong khác nhau có hệ thống và các
biểu đồ phân bố cường độ sáng mô phỏng tương ứng.............................................................. 99
Hình 4. 24. So sánh biểu đồ phân bố cường độ sáng mô phỏng cho đèn SkyLED tích hợp thấu
kính N0 và N8 với bộ đèn do [CT 2] đề xuất:(trái) trong toạ độ vuông góc và (phải) trong toạ
độ cực........................................................................................................................................ 99
Hình 4. 25. Biên dạng 3D thấu kính góc chiếu hẹp NAL và hình ảnh mô phỏng tia sử dụng
phần mềm Tracepro, gói LED 3828........................................................................................ 100
Hình 4. 26. Biểu đồ phân bố cường độ sáng mô phỏng cho đèn LED tích hợp thấu kính
NAL:(trái) trong toạ độ cực và (phải) trong toạ độ ................................................................101
Hình 4. 27. Biểu đồ phân bố cường độ sáng mô phỏng cho đèn LED tích hợp thấu kính
NAL:(trái) trong toạ độ cực và (phải) trong toạ độ ................................................................101
Hình 4. 28. Thấu kính bất đối xứng cho đèn dẫn dụ cá, a-hình vẽ 3D; b-mặt cắt ngang.......102
Hình 4. 29. Mẫu thấu kính FO cho đèn tàu cá sau khi chế tạo...............................................103
Hình 5. 1. Cấu trúc 3D của bộ đèn SkyLED gắn tường chiếu trần …………………………107
Hình 5. 2. Mặt cắt ngang bộ đèn SkyLED gắn tường chiếu trần............................................ 107
Hình 5. 3. Ảnh chụp bộ đèn SkyLED một màu gắn tường chiếu trần, CCT= 6500 K (trái) và
CCT= 4300 K (phải) kết hợp hai gói LED 6500 K với 3000 K...............................................108
Hình 5. 4. Kết quả đo phân bố cường độ sáng của bộ đèn SkyLED gắn tường biểu diễn trên

toạ độ cực (trái) và toạ độ vuông góc..................................................................................... 110
Hình 5. 5. Cấu trúc 3D của bộ đèn LED thả trần chiếu gián tiếp...........................................111
Hình 5. 6. Mặt cắt ngang bộ đèn LED thả trần chiếu gián tiếp..............................................111
Hình 5. 7. Ảnh chụp bộ đèn SkyLED thả trần chiếu gián tiếp một màu CCT= 6500 K (trái) và
ba màu CCT= 6500 K, 4300 K và 3000K (phải).................................................................... 112
Hình 5. 8. Biểu đồ phân bố cường độ sáng bộ đèn SkyLED thả trần và ảnh chụp 04 bộ đèn thả
trần ghép thành hình vuông.....................................................................................................112
Hình 5. 9. Kết cấu 3D của bộ đèn LED thả trần chiếu sáng góc hẹp và biểu đồ phân bố cường
độ sáng [GPHI 6]....................................................................................................................114
Hình 5. 10. Kết cấu 3D của bộ đèn P3D-SkyLED thả trần chiếu sáng 3 phía........................115
Hình 5. 11. Mô phỏng biểu đồ phân bố cường độ sáng bộ đèn P3D-SkyLED thả trần chiếu
sáng ba phía trong toạ độ cực và không gian 3D....................................................................116
Hình 5. 12. Thiết kế đèn LED chiếu bảng tích hợp thấu kính AL cho Công ty Rạng Đông. .. 117
Hình 5. 13. Phân bố cường độ sáng đèn LED chiếu bảng trên mô phỏng ba chiều bằng Dialux
Evo...........................................................................................................................................117
Hình 5. 14. Kết quả mô phỏng phân bố độ rọi trên mặt bảng đen bằng phần mềm Dialux Evo.
118
Hình 5. 15. Hình ảnh mô phỏng chiếu sáng trên mặt bảng đen bằng phần mềm Dialux Evo.
118


x

Hình 5. 16. Hình ảnh thiết kế bộ đèn FAL LED tích hợp thấu kính bất đối xứng dẫn dụ cá . 120
Hình 5. 17. So sánh phân bố cường độ sáng theo góc của đèn FAL LED với đèn LED thông
thường......................................................................................................................................122
Hình 5. 18. Mô phỏng tàu cá chiếu sáng bởi 6 đèn LED 250W (trái) và 6 đèn MH 1270W
(phải)....................................................................................................................................... 122
Hình 5. 19. Kịch bản HCL cho công sở, CCT cao nhất lúc 10 giờ; cường độ cao nhất lúc 12
giờ............................................................................................................................................125

Hình 5. 20. Ảnh chụp phòng làm việc chiếu sáng Dưỡng sinh 5S.......................................... 125
Hình 5. 21. Mô phỏng chiếu sáng phòng họp Viện Khoa học vật liệu.................................... 126
Hình 5. 22. Ảnh chụp phòng họp Viện Khoa học Vật liệu chiếu sáng bằng đèn SkyLED.......126
Hình 5. 23. Mô phỏng chiếu sáng một căn hộ tiêu biểu, bao gồm phòng khách, bếp và các
phòng ngủ................................................................................................................................ 127
Hình 5. 24. Ảnh chụp phòng ngủ sử dụng đèn SkyLED CCT 3000 K mắc đầu giường và CCT
6500 K chiếu sáng chung.........................................................................................................127
Hình 5. 25. Ảnh chụp phòng khách sử dụng đèn SkyLED gắn tường đổi màu và bầu trời nhân
tạo............................................................................................................................................127
Hình 5. 26. Ảnh chụp phòng bếp sử dụng đèn SkyLED thả trần CCT 5000 K........................127
Hình 5. 27. Ảnh chụp phía bên ngoài phòng chữa răng 45 Tô Hiệu Hà nội, chiếu sáng bằng
bộ
đèn SkyLED............................................................................................................................. 128
Hình 5. 28. Trần nhà phòng chữa răng chiếu sáng bằng 4 đèn SkyLED................................128
Hình 5. 29. Ảnh chụp Hội trường chùa Quế lâm rộng 700 m2 chiếu sáng bằng đèn SkyLED
129
Hình 5. 30. Ảnh chụp nhóm tượng Quán Thế âm chiếu sáng bằng đèn SkyLED....................129
Hình 5. 31. Ảnh chụp các bộ đèn Bánh Trưng, Bánh dày trong Đền Hùng Phú Thọ.............129
Hình 5. 32. Hình vẽ Bàn chống cận thị thông minh với hàng rào hồng ngoại........................131
Hình 5. 33. Ảnh chụp nguyên mẫu Bàn học chống cận thị với mô hình bầu trời thu nhỏ......131


1

MỞ ĐẦU
Ánh sáng có vai trò rất quan trọng đối với sự sống trên trái đất nói chung và con
ngƣời nói riêng. Những nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng ánh sáng không chỉ các tác
dụng giúp chúng ta có thể nhìn rõ mọi vật, mà còn có nhiều điều khiển toàn bộ hệ
thống sinh học nhƣ nhịp ngày đêm, đáp ứng của đồng tử, sự tỉnh táo, giấc ngủ và tâm
trạng [40-42, 45-46]. Ánh sáng còn đƣợc chứng minh là có tác dụng tích cực trong

việc điều trị cho một số loại bệnh ví dụ nhƣ trầm cảm theo mùa hay bị mất trí [47].
Quá trình đô thị hóa diễn ra nhanh chóng, con ngƣời sống và làm việc chủ yếu ở
trong nhà dƣới môi trƣờng chiếu sáng nhân tạo. Môi trƣờng chiếu sáng nhân tạo khác
hẳn với ánh sáng tự nhiên về độ dài, cấu trúc phổ, chu kỳ ngày đêm, nhịp sinh học của
cƣ dân sẽ bị đảo lộn và gây nên rất nhiều hậu quả về sức khỏe thể chất, sinh lý và tâm
lý nhƣ mất ngủ, béo phì, sinh lý kém, hiếm muộn, mệt mỏi, thậm chí ung thƣ [39].
Chính vì vậy việc tạo ra một môi trƣờng ánh sáng vì con ngƣời để bảo vệ thị lực mắt
và sức khỏe là rất cần thiết.
Chiếu sáng rắn với trọng tâm là nguồn sáng LED ra đời đã mở ra một cuộc cách
mạng trong chiếu sáng mà những ngƣời đóng góp quan trọng đã đƣợc nhận giải Nobel
về Vật lý năm 2014, và năm 2015 đƣợc Liên hiệp quốc tế tuyên bố là năm ánh sáng.
Với các ƣu thế vƣợt trội nhƣ tiết kiệm năng lƣợng, hiệu suất cao, có khả năng thay
đổi cấu trúc phổ phát xạ, an toàn với môi trƣờng và ngƣời sử dụng, nguồn sáng LED
đã trở thành nguồn sáng chủ đạo thay thế hầu hết các nguồn sáng truyền thống khác.
Theo báo cáo của Bộ Năng lƣợng Mỹ năm 2016, thị trƣờng chiếu sáng LED có thể đạt
tới 40% vào năm 2020 và đến 60% vào năm 2022 [93].
Các gói LED trắng thƣơng mại hiện nay có hiệu suất quang lên đến đến
185lm/W [94], tuy nhiên, theo một số kết quả phân tích cho thấy hiệu suất của các gói
LED có thể đạt đến 255lm/W. Để đạt đƣợc mục tiêu này có rất nhiều vấn đề và thách
thức đặt ra cho các nhà khoa học cũng nhƣ sản xuất LED, bao gồm:
-

Lấy sáng và nâng cao hiệu suất trộn/tán xạ và hấp thụ;

-

Giảm độ rộng dải phổ phát xạ của các vật liệu chuyển đổi hoặc tìm ra loại
vật liệu thay thế mới;

2

Các gói LED trắng hiện nay đƣợc sản xuất chủ yếu theo cấu hình pc-LED
(phosphor-converted LED), tức là phủ phosphor trực tiếp lên chip LED xanh. Với cấu
hình này một phần ánh sáng đi ra từ chip LED xanh sẽ bị phản xạ quay trở lại và mất
mát tại các mối hàn. Để nâng cao hiệu suất lấy sáng nhiều tác giả đã đƣa ra cấu hình
remote-phosphor, đƣa phosphor ra xa chip LED, đã nâng hiệu suất lấy sáng của gói
LED trắng lên đến 70% [10, 12, 95], thậm chí lên tới 95% với một cấu hình phức tạp
hơn [96].
Vật liệu phát quang là thành phần rất quan trọng ảnh hƣởng trực tiếp đến chất
lƣợng và hiệu suất của nguồn sáng LED. Các hệ vật liệu phát quang thƣơng mại sử
dụng cho LED trắng hiện nay gồm có: Garnet, Alluminat, Silicate và Nitride. Thách
thức đặt ra cho các nhà khoa học và sản xuất vật liệu là giảm độ rộng phổ phát xạ của
các loại phosphor này hoặc là tìm ra loại vật liệu mới để thay thế. Boosin và nhóm tác
giả đã sử dụng vật liệu phát quang hữu cơ nhằm thay thế cho các loại phosphor truyền
thống trong chế tạo gói LED trắng đạt hiệu suất khoảng 26lm/W [97], thấp hơn nhiều
so với các gói LED trắng thƣơng mại. Một hƣớng phát triển vật liệu phát quang khác
cũng thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu là các chấm lƣợng tử
bán dẫn. Nhóm tác giả Sandra đã sử dụng chấm lƣợng tử thay thế cho phosphor truyền
thống chế tạo thành công LED trắng có hiệu suất đạt đến 64lm/W [48]. Ở nƣớc ta
nhiều nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công các chấm lƣợng tử có hiệu suất lƣợng
tử khá cao (85%-90%) [98] có khả năng ứng dụng thay thế cho các loại phosphor
truyền thống. Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở vật liệu có tiềm
năng ứng dụng trong chiếu sáng rắn.
Để nâng cao hơn nữa hiệu quả chiếu sáng, đồng thời giải quyết vấn đề ô nhiễm môi
trƣờng, các linh kiện quang học đƣợc tích hợp vào các nguồn sáng. Một thế hệ linh kiện
quang học mới đang đƣợc nghiên cứu và phát triển đƣợc gọi là Quang học biên dạng tự do
FO (Freeform Optics), đƣợc coi là một cuộc cách mạng về quang học. Ngày nay, rất nhiều
loại đèn LED đã đƣợc tích hợp các loại linh kiện FO nhƣ đèn LED chiếu sáng đƣờng phố,
nông nghiệp, ngƣ nghiệp, đem lại các tính năng vƣợt trội hơn các loại đèn truyền thống

[55-56, 74-75, 79]. Trong chiếu sáng nội thất, nhu cầu tạo nên môi trƣờng chiếu sáng đồng
đều với góc chiếu rộng và không chói lóa là rất cần thiết. Để


3

giải quyết vấn đề trên, một số tác giả trên thế giới đã đề xuất các mô hình tích hợp
nguồn sáng LED với thấu kính biên dạng tự do [67-73, 80-93, 99].
Hiện nay, ở nƣớc ta hiện trạng sử dụng các loại đèn LED không đƣợc che chắn,
chiếu thẳng vào mắt gây rất nhiều hậu quả về sức khỏe thị giác cho ngƣời tiêu dùng.
Một số giải pháp chiếu sáng giảm chói lóa, tăng tiện nghi nhƣ chiếu sáng gián tiếp lên
trần nhà hoặc chiếu xuyên qua các vật liệu tán xạ đƣợc sử dụng rất ít do giá thành cao,
hiệu suất thấp và không đảm bảo độ đồng đều.
Từ những phân tích trên, chúng tôi đã lựa chọn đề tài ―Nghiên cứu phát triển
các tổ hợp vật liệu phát quang micro-nano và linh kiện quang biên dạng tự do ứng
dụng trong chiếu sáng rắn‖ nhằm mục đích nghiên cứu, thiết kế và chế tạo nguồn sáng
mới trên cơ sở LED, đảm bảo giải quyết các vấn đề chói lóa, mất tiện nghi bảo vệ thị
lực và sức khỏe ngƣời sử dụng.
Mục tiêu của luận án
-

Nghiên cứu nâng cao tính năng sử dụng và chất lƣợng sản phẩm chiếu sáng
rắn trên cơ sở LED;

-

Phát triển thế hệ đèn LED mới hiệu suất cao, phân bố đồng đều, loại bỏ ô
nhiễm ánh sáng thay thế cho các loại đèn LED hiện hành.

Phƣơng pháp nghiên cứu

Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án là sự kết hợp giữa tính toán, mô phỏng lý
thuyết với thực nghiệm.
Chúng tôi đã sử dụng phƣơng pháp phân tích, tính toán lý thuyết để đƣa ra tiêu
chí thiết kế bộ đèn LED tích hợp linh kiện quang biên dạng tự do có đƣờng cong phân
bố cƣờng độ sáng lý tƣởng. Thấu kính quang biên dạng tự do đƣợc thiết kế và mô
phỏng sử dụng các phần mềm trợ giúp thông dụng nhƣ Excel, Origin, Optgeo,
Tracepro, Zeemax...
Nguyên mẫu thấu kính đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp cắt CNC và in 3D.
Thấu kính FO đƣợc sản xuất bằng công nghệ ép phun nhựa dẻo sử dụng vật liệu PS và
PC. Máng nhôm tản nhiệt cho bộ đèn LED đƣợc sản xuất bằng công nghệ đùn nhôm.
Tính chất quang của bột huỳnh quang và các tấm remote-phosphor đƣợc khảo
sát trên hệ đo huỳnh quang phân giải cao và kính hiển vi huỳnh quang tại Viện Khoa


4

học vật liệu và Đại học Bách khoa Hà Nội. Các thông số quang điện của bộ đèn đƣợc
tiến hành đo đạc, khảo sát trên hệ đo quả cầu tích phân Everfine tại Viện Khoa học vật
liệu. Phổ phân bố cƣờng độ sáng của bộ đèn đƣợc khảo sát tại hệ đo PhotoGoniometer
tại Công ty Rạng Đông và Trung tâm đo lƣờng tiêu chuẩn (Quatest I).
Các kết quả chính, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Các kết quả chính đã thu đƣợc của luận án gồm có:
+ Đã đƣa ra đƣợc mô hình lý thuyết là tiêu chí để thiết kế, mô phỏng các nguồn

chiếu sáng rắn có phân bố đồng đều trên cơ sở bộ đèn LED và linh kiện FO;
+ Đã thiết kế, mô phỏng, chế tạo 03 loại thấu kính (thấu kính bất đối xứng AL,

thấu kính thu hẹp góc chiếu sáng NAL, thấu kính cho đèn LED dụ cá AL), tạo ra các
tính năng phân bố cƣờng độ sáng ƣu việt. Các loại thấu kính FO này đã tái phân bố
cƣờng độ sáng, tạo ra các tính năng ƣu việt và khác biệt cho các nguồn sáng LED;

+ Đã thiết kế, mô phỏng, chế tạo và đo đạc, đánh giá 06 loại nguồn sáng

SkyLED và đèn LED dụ cá, chiếu sảng với các tính năng quang điện khác nhau. Các
loại đèn SkyLED đƣợc sử dụng để chiếu sáng đồng đều trần, trƣờng loại bỏ chói lóa,
nâng cao hiệu quả và tiện nghi chiếu sáng
Luận án có ý nghĩa khoa học công nghệ cao, các sản phẩm của đề tài đã đƣợc
đƣa vào ứng dụng thực tế và nhận đƣợc phản hồi rất tốt từ phía ngƣời sử dụng.
Tính mới và tính thời sự của luận án
Chiếu sáng lấy con ngƣời làm trung tâm (HCL) đang trở thành xu hƣớng
nghiên cứu và ứng dụng thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm trên thế giới. Việc đƣa ra
đƣợc giải pháp chiếu sáng tổng thể thân thiện với con ngƣời trên cơ sở nguồn sáng
LED tích hợp với thấu kính FO là điểm mới có tính đột phá của luận án. Luận án đã
đƣa ra đƣợc tiêu chí thiết kế các nguồn sáng có tính năng phân bố đồng đều, làm cơ sở
để thiết kế và chế tạo các bộ đèn SkyLED có nhiều tính năng ƣu việt giải quyết các
vấn đề về chói lóa và mất tiện nghi trong chiếu sáng chung hiện nay.
Bố cục của luận án
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án đƣợc chia thành 5 chƣơng với nội dung
nhƣ sau:


5

Chƣơng 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu và các vấn đề liên quan đến
chiếu sáng rắn trên cơ sở LED.
Chƣơng 2: Giới thiệu về các phƣơng pháp, kỹ thuật và công nghệ sử dụng
Chƣơng 3: Thiết kế, chế tạo bộ đèn LED trắng cấu hình Remote-phosphor
Chƣơng 4: Tính toán, thiết kế, mô phỏng và chế tạo linh kiện quang biên dạng
tự do ứng dụng trong chiếu sáng rắn
Chƣơng 5: Thiết kế, chế tạo các bộ đèn SkyLED tích hợp thấu kính FO và ứng
dụng xây dựng một số mô hình chiếu sáng thực tế.

6

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.1.

Chiếu sáng rắn và nguồn sáng LED

Chiếu sáng nói chung và chiếu sáng rắn SSL nói riêng là một lĩnh vực rất rộng
và khó phân loại. Trong chiếu sáng dân dụng, ngƣời ta phải phối hợp chiếu sáng tự
nhiên và chiếu sáng nhân tạo, sử dụng nguồn sáng truyền thống và/hoặc nguồn sáng
rắn. Tƣơng tự nhƣ vậy, lĩnh vực chiếu sáng rắn SSL cũng phải đƣợc phân loại theo
mục đích ứng dụng (chiếu sáng nhà ở, chiếu sáng đƣờng phố, chiếu sáng ô tô, chiếu
sáng màn hình, chiếu sáng chữa bệnh, chiếu sáng nông nghiệp...) hay phân loại theo
công nghệ chế tạo nguồn sáng nhƣ LED, OLED (Organic LED) hay laser bán dẫn.
Trong công trình này, chúng tôi chỉ đề cập đến công nghệ chế tạo LED trắng,
ứng dụng trong chiếu sáng dân dụng và chiếu sáng nông nghiệp.
Một bộ đèn LED trắng công suất cao tích hợp nhiều cấu phần khác nhau, bao
gồm các gói LED trắng, nguồn nuôi và điều khiển, linh kiện quang học, tản nhiệt và
kết cấu cơ khí. Mỗi cấu phần tạo nên sản phẩm tích hợp lại đòi hỏi một cấu trúc và
công nghệ chế tạo khác nhau, phù hợp với nhau để đạt đƣợc các tính năng và chất
lƣợng mong muốn. Chúng tôi sẽ chỉ tập trung vào phân tích hai công nghệ cốt lõi tạo
nên giá trị cho sản phẩm của chúng tôi, đó là công nghệ LED và công nghệ FO.
1.1.1. Nguyên lý hoạt động của LED
LED là tên viết tắt của từ tiếng Anh Light Emitting Diode (đi-ốt phát quang).
LED đƣợc chế tạo từ chất bán dẫn, tức là một loại vật liệu mà tính chất điện của nó
thay đổi theo nhiệt độ và nồng độ pha tạp. Ở nhiệt độ thấp, chất bán dẫn hầu nhƣ cách
điện do vùng dẫn của nó không có hạt tải. Khi nhiệt độ tăng, các hạt tải đƣợc tạo ra do
điện tử nhảy từ vùng dẫn lên vùng hóa trị, để lại lỗ trống trong vùng hóa trị. Cả điện tử

lẫn lỗ trống đều tham gia vào quá trình dẫn điện khi đặt một điện thế phân cực vào
phiến bán dẫn.
Vật liệu dùng để chế tạo điôt phát quang thƣờng có đỉnh của vùng hóa trị trùng
với đáy của vùng dẫn (trong không gian vectơ sóng k) cho nên đƣợc gọi là bán dẫn
vùng cấm thẳng. Hạt tải không cân bằng trong bán dẫn vùng cấm thẳng có thời gian


7

sống phát quang rất ngắn (cỡ nano giây, do trong quá trình tái hợp, định luật bảo toàn
động lƣợng đƣợc tự động thỏa mãn) nên rất thích hợp với việc sử dụng để chế tạo
LED. Bán dẫn nhóm III-V nhƣ GaAs, GaP là những bán dẫn truyền thống trong công
nghệ chế tạo LED hồng ngoại và LED đỏ. Các bán dẫn vùng cấm rộng nhƣ SiC, ZnO,
ZnS, GaN có thể phát ra ánh sáng xanh hoặc tử ngoại, đủ để kích thích huỳnh quang
các màu lục, vàng, đỏ, tạo ra nguồn sáng trắng. GaN là vật liệu thích hợp nhất để chế
tạo LED sử dụng cho chiếu sáng vì có độ rộng vùng cấm vào khoảng 3,4 eV tại nhiệt
độ phòng [1] với khả năng phát ra ánh sáng có bƣớc sóng khoảng 400 nm, tuỳ thuộc
vào mức năng lƣợng của hai loại tạp chất (donor và acceptor). Tuy nhiên, khó khăn lớn
nhất của việc tạo ra điốt phát quang là tạo ra đƣợc chuyển tiếp p-n, vì vậy chỉ từ sau
phát minh của Nakamura liên quan đến phƣơng pháp pha tạp loại p cho GaN [2], công
nghệ chế tạo LED trên cơ sở GaN mới phát triển thành quy mô công nghiệp. Mặc dù
LED phát quang bƣớc sóng ~400 nm có một số ứng dụng nhất định, nhƣng trong công
nghiệp chiếu sáng, ngƣời ta quan tâm hơn đến các loại LED phát ánh sáng xanh BLED
(Blue LED) vì BLED nằm trong dải độ nhạy của mắt ngƣời. Để tạo ra BLED, ngƣời ta
pha thêm In vào GaN, tạo thành bán dẫn 3 thành phần GaInN, có độ rộng vùng cấm
nhỏ hơn so với GaN. Thông thƣờng ngƣời ta chế tạo hai loại BLED gọi là BLED
(460-470 nm) và DB (Deep Blue) LED (440 nm). Để chế tạo LED trắng, BLED đƣợc
sử dụng nhiều hơn, vì hiệu suất sáng của BLED cao hơn so với hiệu suất của DB LED
(độ nhạy sáng của mắt ngƣời ở bƣớc sóng 470 nm cao hơn ở 440 nm).
Để tạo nên linh kiện phát quang, ngƣời ta sử dụng bán dẫn pha hai loại tạp chất là

donor (loại n) và acceptor (loại p), tạo nên một vùng tiếp giáp gọi là chuyển tiếp p-n, còn
linh kiện này đƣợc gọi là điôt (Hình 1.1). Trong trạng thái cân bằng, mật độ điện tử trong
18

bán dẫn loại n tƣơng đối cao (10 - 10

19

-3

cm ) và phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ nồng độ

donor, nhiệt độ, ánh sáng, còn mật độ lỗ trống hầu nhƣ không đáng kể. Ngƣợc lại trong
bán dẫn loại p, chỉ có lỗ trống, còn điện tử hầu nhƣ không tồn tại. Khi bán dẫn loại n và
loại p tiếp xúc với nhau, do hiệu ứng khuếch tán điện tử và lỗ trống sang phía đối diện,
vùng tiếp giáp với một hàng rào thế năng đƣợc hình thành. Trong điều kiện cân bằng,
hàng rào thế năng này sẽ ngăn cản quá trình tiếp tục khuếch tán và tạo thành một vùng nơi
mà cả điện tử lẫn lỗ trống đều có mật độ rất thấp gọi là vùng nghèo.