Nghiên cứu xây dựng quy trình đánh giá và đánh giá nhanh chất lượng led trắng dùng trong các thiết bị chiếu sáng

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

PHẠM VŨ LỘC
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ
VÀ ĐÁNH GIÁ NHANH CHẤT LƯỢNG LED TRẮNG
DÙNG TRONG CÁC THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật
Chương trình: Khoa học và cơng nghệ nano
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Nguyễn Đức Dũng

Hà Nội – Năm 2017


Lời cảm ơn

Lời cảm ơn
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến tập thể lãnh đạo, giảng viên, nghiên
cứu viên và nghiên cứu sinh Viện tiên tiến khoa học và công nghệ và Viện đào tạo
quốc tế về khoa học vật liệu - Đại học Bách Khoa Hà Nội, trong đó có TS. Đào Xn
Việt, TS. Ngơ Ngọc Hà, TS. Đỗ Quang Trung, vì đã ln quan tâm động viên và nhất
là đã truyền thụ, hướng dẫn chu đáo các kiến thức, kỹ năng cho việc học tập, nghiên
cứu của tơi.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS. TS. Phạm Thành Huy, Viện trưởng
Viện tiên tiến khoa học và công nghệ - Đại học Bách Khoa Hà Nội, vì đã ln sát sao,
tạo điều kiện và những cơ hội quý báu trong quá trình học tập, nghiên cứu của tôi

những năm qua.
Đặc biệt, tôi xin dành lời tri ân chân thành nhất tới giáo viên hướng dẫn là TS.
Nguyễn Đức Dũng, Trưởng phịng thí nghiệm hiển vi điện tử và vi phân tích - Viện
tiên tiến khoa học và công nghệ - Đại học Bách Khoa Hà Nội, là người luôn đồng hành,
quan tâm tận tình, chỉ dạy tận tâm cho tơi trong suốt 5 năm qua.
Luận văn này nằm trong khuôn khổ đề tài khoa học công nghệ cấp bộ: “Nghiên
cứu xây dựng quy trình đánh giá nhanh chất lượng điốt phát quang (LED)”, mã số
B2013.01.61.

1


Lời cảm ơn

Mục lục
Lời cảm ơn ................................................................................................................................1
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt .................................................................................3
Danh mục các bảng ..................................................................................................................3
Danh mục các hình vẽ, đồ thị .................................................................................................3
Lời mở đầu ................................................................................................................................5
Chương I.

Tổng quan............................................................................................................7

I.1

Sơ lược về chiếu sáng rắn .........................................................................................7

I.2

Các đặc trưng quang học của LED dùng trong chiếu sáng ............................... 10

I.3

Đặc trưng về thời gian sống và độ tin cậy của LED .......................................... 19

I.3.1

Dẫn nhập về thời gian sống và độ tin cậy .................................................... 19

I.3.2

Hàm phân bố Weibull ..................................................................................... 22

Chương II.

Phương pháp thực nghiệm.......................................................................... 26

II.1

Phương pháp đánh giá............................................................................................ 26

II.2

Phương pháp đánh giá nhanh ................................................................................ 29

Chương III.
III.1

Kết quả & thảo luận .................................................................................... 31

Bộ tiêu chí và quy trình đánh giá chất lượng WLED ..................................... 31

III.1.1

Hiệu suất năng lượng ...................................................................................... 32

III.1.2

Nhiệt độ tương quan màu CCT ..................................................................... 35

III.1.3

Hệ số trả màu CRI ........................................................................................... 36

III.1.4

Tọa độ màu....................................................................................................... 36

III.2

Hệ già hóa tăng cường ........................................................................................ 38

III.3

Mơ hình suy giảm quang thơng ......................................................................... 42

III.3.1

Mơ hình lý thuyết ............................................................................................ 42

III.3.2

Kết quả thực nghiệm ....................................................................................... 46

III.3.3

Quy trình đánh giá........................................................................................... 49

Kết luận................................................................................................................................... 51
Phụ lục 1 ................................................................................................................................. 52
Phụ lục 2 ................................................................................................................................. 55
Tài liệu tham khảo................................................................................................................. 58
Công bố khoa học.................................................................................................................. 61

2


Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
LED
WLED
CIE
ANSI
IESNA
UL
ISO
MTBF
MTTF

CCT
CRI

Điốt phát quang
Điốt phát ánh sáng trắng
Ủy ban quốc tế về chiếu sáng
Viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ
Hội kỹ thuật chiếu sáng Bắc Mỹ
Tập đồn Underwriters Laboratories
Tổ chức quốc tế về chuẩn hóa
Thời gian hư hỏng trung bình
Thời gian hư hoại trung bình
Nhiệt độ tương quan màu
Hệ số trả màu

Danh mục các bảng
Bảng 1. Các thông số hoạt động của đèn LED trong cơng nghệ chiếu sáng rắn từ 2002
dự đốn đến 2020 và so sánh với các công nghệ chiếu sáng khác [4]. Giá được tính
theo giá thị trường, khoảng gần hai lần giá thành. ............................................................ 32
Bảng 2. Quy chuẩn quốc gia QCVN 09:2013/BXD về hiệu suất phát sáng tối thiểu của
bóng đèn huỳnh quang. [32] ................................................................................................ 34
Bảng 3. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 8249-2013 về hiệu suất năng lượng cho bóng đèn
huỳnh quang ống thẳng. [35] ............................................................................................... 34
Bảng 4. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7896-2015 về hiệu suất năng lượng cho bóng đèn
huỳnh quang compact. [36].................................................................................................. 34
Bảng 5. Tiêu chuẩn về nhiệt độ tương quan màu và kho ảng cách tới đường cong
Planck theo [1] ....................................................................................................................... 35
Bảng 6. Tọa độ màu chuẩn (tâm) và tứ giác sai số theo [1]............................................. 36

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1. Cấu tạo WLED và cơ chế phát ánh sáng trắng [17]...............................................8
Hình 2. Phổ phát quang của WLED sử dụng chip LED xanh GaN hoặc InGaN (có đỉnh
tại 465nm) và bột huỳnh quang Ce:YAG (trong khoảng 500-700nm) [20] .....................9
Hình 3. Cấu tạo trong của mắt người và cấu tạo chi tiết của võng mạc với các tế bào
cảm quang [21] ...................................................................................................................... 10
Hình 4. Các chế độ nhìn của mắt người và các tế bào điều tiết chính tương ứng [5]... 10
Hình 5. Độ nhạy các tế bào que và nón theo bước sóng ánh sáng [22].......................... 11
Hình 6. Hàm nhạy sáng mắt người 𝑉𝜆 theo chuẩn CIE [5] ............................................. 12
Hình 7. Hàm pha màu 𝑥𝜆, 𝑦𝜆, 𝑧𝜆 CIE 1931 và 1978 [5] .................................................. 13
Hình 8. Phân bố các màu trên biểu đồ màu CIE 1931...................................................... 13

3


Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 9. Các elip MacAdam trên biểu đồ màu ................................................................... 14
Hình 10. Biểu đồ màu CIE 1976 với các elip MacAdam................................................. 15
Hình 11. Phổ ánh sáng của các vật đen tuyệt đối phát sáng với nhiệt độ khác nhau.... 16
Hình 12. Đường cong Planck và các điểm chuẩn hóa. ..................................................... 17
Hình 13. Các đường đẳng nhiệt trong biểu đồ màu x, y................................................... 17
Hình 14. Suất phản xạ của 8 màu chuẩn CIE để tính CRI [5] ......................................... 18
Hình 15. Giá trị L70 được cơng nhận rộng rãi là thời gian sống của LED [23] ............. 19
Hình 16. Dự đốn thời gian sống của LED [23] ............................................................... 20
Hình 17. Đường lịng máng của tốc độ hư hỏng theo thời gian ...................................... 21
Hình 18. Mơ hình Lịng máng (trên) mang tính thống kê hiện tượng, và mơ hình PoF
(dưới) đi sâu vào các ngun nhân mang tính bản chất vật lý gây ra hư hỏng [25] ..... 21
Hình 19. Hàm phân phối tích lũy Weibull ......................................................................... 23
Hình 20. Hàm mật độ xác suất Weibull ............................................................................. 24
Hình 21. Hàm độ tin cậy Weibull ....................................................................................... 25

Hình 22. Hàm tốc độ hư hỏng Weibull .............................................................................. 25
Hình 23. Sơ đồ hệ đo quả cầu tích phân, gồm 3 khối chính là khối nguồn cấp dịng cho
LED, quả cầu tích phân cùng cảm biến đo quang phổ và khối xử lý thu thập tín hiệu.26
Hình 24. Sơ đồ ngun lý của quả cầu tích phân. ............................................................. 27
Hình 25. Quả cầu tích phân GS-IS4 tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. ............... 27
Hình 26. Cấu hình hệ đo đánh giá và đánh giá nhanh WLED......................................... 30
Hình 27. Sơ đồ hệ đo trực tiếp quang thơng WLED sử dụng photodiode ..................... 30
Hình 28. Hiệu suất năng lượng của các loại thiết bị chiếu sáng [33] ............................. 32
Hình 29. Hiệu suất năng lượng của các chip LED Samsung ........................................... 34
Hình 30. Tứ giác sai số tại CCT = 3000 K......................................................................... 37
Hình 31. Các tứ giác sai số của mỗi nhiệt độ tương quan màu theo [1] ........................ 38
Hình 32. Nguồn dịng được sử dụng để cấp điện cho WLED trong buồng nhiệt. ........ 39
Hình 33. Thiết kế tổng thể hệ đo già hóa LED .................................................................. 39
Hình 34. Hệ đánh giá nhanh LED sau khi được lắp đặt ................................................... 40
Hình 35. Đo thử nghiệm quang thơng của WLED bằng đầu đo photodiode ................. 41
Hình 36. Photodiode BPX 61 với sơ đồ mạch khuếch đại tín hiệu đo được ................. 41
Hình 37. Thiết bị Keithley 2602A....................................................................................... 41
Hình 38. Suy giảm quang thơng theo thời gian ở các dòng cấp khác nhau của LED
Philips Luxeon K2 [40] ........................................................................................................ 42
Hình 39. Suy giảm quang thơng theo thời gian ở các nhiệt độ khác nhau của LED
Philips Luxeon K2 [40] ........................................................................................................ 42
Hình 40. Minh họa quá trình ngoại suy thời gian sống của LED tại nhiệt độ phòng ... 45
Hình 41. Khớp hàm tuyến tính theo dữ liệu ở Hình 39 [40]............................................ 46
Hình 42. Suy giảm quang thơng theo thời gian đo được tại nhiệt độ 100 o C (373 K)... 48
Hình 43. Độ thay đổi quang thơng theo nhiệt độ .............................................................. 48

4


Lời mở đầu

Lời mở đầu
Công nghệ chiếu sáng rắn (Solid State Lighting) là công nghệ hiện đại, đang thu
hút được sự quan tâm trên tồn cầu. Có thể nói đây là công nghệ của hiện tại và tương
lai trong lĩnh vực chiếu sáng, khi nó có thể thay thế cơng nghệ chiếu sáng truyền thống
với hiệu suất vượt trội. Trọng tâm của công nghệ chiếu sáng rắn là nghiên cứu và phát
triển điốt phát quang (Light Emitting Diode – LED), nhất là điốt phát ánh sáng trắng
(WLED). Được phát minh bất ngờ từ năm 1907, nhưng phải từ sau thập kỷ 1960 của
thế kỷ trước, LED mới thực sự trở thành một linh kiện đa dụng và hứa hẹn cho công
nghệ chiếu sáng ngày nay với các ưu điểm nhỏ, bền, sáng, tin cậy và hiệu suất cao,
đóng vai trị then chốt trong công nghệ ngày nay. Các thiết bị chiếu sáng sử dụng đèn
LED xuất hiện khắp nơi, trong đầu đọc đĩa CD và DVD của máy vi tính, trong bộ phận
truyền dẫn tín hiệu của điều khiển từ xa, trong đèn tín hiệu giao thơng…
Việc nghiên cứu đưa ra các tiêu chí cho LED cũng như các quy trình cơng nghệ
đánh giá LED là một nhu cầu nội tại và cũng là đòi hỏi bức thiết của ngành công
nghiệp và thị trường thương mại các sản phẩm LED. Trên thế giới hiện đã có một số
các nước phát triển, các tổ chức tiêu chuẩn quốc tế, các hiệp hội về lĩnh vực linh kiện
điện tử và chiếu sáng, các công ty sản xuất sản phẩm LED và các nghiên cứu khoa học
mới đây đưa ra các tiêu chí, tiêu chuẩn liên quan tới LED [1, 2, 3, 4, 5] và các quy
trình đo thử nghiệm, đánh giá LED [6, 7]. Tuy nhiên, có thể nhận xét sơ bộ rằng các
tiêu chuẩn và quy trình đó mới chỉ dành cho một số thông số của LED chứ chưa thực
sự hoàn thiện, đầy đủ.
Việc khảo sát, so sánh và đánh giá các bộ tiêu chuẩn LED trên là cần thiết. Qua đó,
có thể bước đầu đề xuất các thơng số kỹ thuật dành cho LED dùng trong chiếu sáng
rắn về các đặc trưng quang, nhiệt, điện, độ ổn định, thời gian sống…để loại bỏ các sản
phẩm kém chất lượng trên thị trường tùy theo thực tế hàng năm. Đồng thời, có thể xây
dựng hệ đo đánh giá, trong đó có tính đến điều kiện kỹ thuật thực tế tại Việt Nam
trong sai số cho phép của công nghệ, với ý nghĩa thiết thực nhằm đáp ứng nhu cầu sản
xuất và tiêu dùng sản phẩm này đang ngày một tăng.
Cùng với đó, việc đánh giá thời gian sống, độ ổn định và hiệu suất của LED, nhất

là việc nghiên cứu ảnh hưởng tác động các yếu tố nhiệt, điện tới các thông số trên
5


Lời mở đầu

đóng một vai trị quan trọng. Cơng việc này đòi hỏi các kỹ thuật đo đạc chuyên sâu và
tốn nhiều thời gian, công sức, xuất hiện nhu cầu đánh giá nhanh các thông số này. Một
phương pháp phổ biến là phương pháp già hóa tăng cường, tức là cho các LED hoạt
động trong các điều kiện cực đoan như nhiệt độ mơi trường hoạt động cao, dịng c ấp
lớn so với chế độ hoạt động thông thường để các LED già hóa nhanh [8]. Từ việc đánh
giá các đặc trưng suy giảm trong điều kiện cực đoan có thể suy ra sự suy giảm trong
điều kiện thường. Hướng nghiên cứu này hiện rất được quan tâm và đang trong quá
trình nghiên cứu, phát triển vì hầu như chưa có các tiêu chuẩn cho quy trình đánh giá
nhanh LED dựa trên phương pháp già hóa tăng cường.
Cụ thể, đối tượng nghiên cứu của đề tài giới hạn trong các WLED đơn có cơng
suất từ 0,2 tới 1 W. Đề tài nghiên cứu các mơ hình tốn cho qua trình già hóa LED và
tiến hành đo đạc thực nghiệm để xác minh, kiểm nghiệm và thảo luận, cuối cùng đưa
ra được một quy trình để đánh giá nhanh thời gian sống của LED có thể áp dụng trong
sản xuất.

6


Tổng quan

Chương I.
I.1

Tổng quan

Sơ lược về chiếu sáng rắn
Hiện tượng điện phát quang (electroluminescence – EL), được tìm ra vào năm

1907 bởi nhà khoa học người Anh là Henry Joseph Round (1881 – 1966) tại phịng thí
nghiệm Marconi, khi một điện thế 10V đặt vào tinh thể silic cacbua (SiC) tạo ra ánh
sáng hơi vàng [9]. Năm 1927, nhà phát minh Xô Viết Oleg Vladimirovich Losev
(1903 – 1942) được ghi nhận là người đầu tiên chế tạo thành công đèn LED [10].
Hàng thập kỷ trôi qua cho tới khi Rubin Braunstein công bố năm 1955 rằng một số
điôt phát xạ hồng ngoại khi được nối với dòng điện [11]. Năm 1961, Gary Pittman và
Bob Biard phát hiện ra rằng GaAs phát xạ hồng ngoại mỗi khi được nối với dòng điện,
và nhận bằng sáng chế LED hồng ngoại sau đó [12]. Nick Holonyak Jr. phát triển đèn
LED phát sáng đầu tiên, ở vùng màu đỏ, vào năm 1962 [13]. Năm 1972, M. George
Craford, phát minh đèn LED vàng đầu tiên và đèn LED đỏ phát sáng tốt hơn. Thomas
P. Pearsall phát triển LED phát sáng cao vào năm 1976 để sử dụng sợi quang cho viễn
thông [14]. Đèn LED xanh dương phát sáng mạnh đầu tiên được phát minh bởi Shuji
Nakamura ở Tập đoàn Nichia vào năm 1994 dựa trên InGaN [15]. Đồng thời, Isamu
Akasaki và Hiroshi Amano đã phát triển nhân GaN trên đế sapphire và pha tạp loại p
cho GaN [16]. Nakamura, Akasaki và Amano sau đó đã nhận giải Nobel Vật lý 2014.
Việc nghiên cứu chế tạo thành cơng WLED sử dụng nguồn kích thích GaInN/GaN
phát xạ tử ngoại hoặc cận tử ngoại kết hợp với vật liệu huỳnh quang được ghi nhận lần
đầu tiên vào năm 1996 và sau đó được tái khẳng định bởi Nakamura và Fasol vào năm
1997 [17, 18].
Từ đó đến nay, LED là một trong những đối tượng nghiên cứu thu hút nhiều nhất
sự quan tâm của các nhà khoa học trong lĩnh vực chiếu sáng rắn bởi khả năng ứng
dụng cao, đáp ứng nhu cầu ngày một tăng của thị trường. Cơng nghệ chiếu sáng sử
dụng LED có hiệu suất tốt hơn từ 5 đến 20 lần các công nghệ truyền thống. Khơng
những thế, nó cịn hứa hẹn giải quyết được nhiều vấn đề mang tính tồn cầu, như giảm
phát thải ra mơi trường khí CO2, SO2, thủy ngân…, hiệu ứng nóng lên tồn cầu, mưa
axit… so với các cơng nghệ trước đây. Như vậy, cơng nghệ chiếu sáng rắn góp phần

làm giảm tiêu thụ năng lượng, nâng cao hiệu quả kinh tế, giảm tác động tiêu cực tới
7


Tổng quan

môi trường. Theo thống kê trong 10 năm trở lại đây, việc sử dụng LED trung bình đã
tiết kiệm được khoảng 11%, cụ thể là 200 tỷ tỷ J tổng năng lượng, 70 tỷ tỷ J điện năng,
10,7 tỷ tấn phát thải CO2 và 2 tỷ USD chi phí tài chính [19].

Hình 1. Cấu tạo WLED và cơ chế phát ánh sáng trắng [17]
Cơ chế phát quang c ủa LED là sự tái hợp điện tử và lỗ trống tại lớp tiếp xúc của hai
lớp bán dẫn loại n và loại p khi có dịng điện một chiều chạy qua, phát ra các bức xạ
điện từ trong đó có ánh sáng nhìn thấy, bức xạ hồng ngoại và tử ngoại, gọi là hiện
tượng điện phát quang. LED gồm một con chip bán dẫn được pha tạp để tạo thành lớp
chuyển tiếp p-n. Khi đặt điện áp thuận, các điện tử từ lớp n sẽ được cuốn sang lớp p và
các lỗ trống ở lớp p sẽ di chuyển theo chiều ngược lại. Chúng tái hợp và phát quang
với bước sóng ứng với năng lượng của độ rộng vùng cấm chất bán dẫn.
Thông thường chip LED phát sáng khá đơn sắc. Để tạo ra các LED phát sáng trắng
(White LED - WLED), người ta sử dụng một số phương pháp, ví dụ như dùng chip
LED phát sáng màu xanh-tím hoặc tử ngoại gần, sau đó phủ một lớp bột huỳnh quang
(phosphor) có thể phát vùng màu vàng-lục lên trên. Bột huỳnh quang hấp thụ tia xanhtím hay tử ngoại của chip LED sẽ phát ra màu vàng-lục, đồng thời cũng có một phần

8


Tổng quan

màu xanh-tím phát ra ngồi, cộng hai dải màu này sẽ có một phổ sáng trắng của
WLED như được trình bày tại Hình 2.

Hình 2. Phổ phát quang của WLED sử dụng chip LED xanh GaN hoặc InGaN (có
đỉnh tại 465nm) và bột huỳnh quang Ce:YAG (trong khoảng 500-700nm) [20]
Các thông số cơ bản của LED cần xây dựng tiêu chí và quy trình cơng nghệ đánh
giá có thể chia làm các nhóm sau:
a. Các đặc trưng quang học: Cường độ sáng, quang thơng, độ chói, độ rọi, góc mở
sáng, bước sóng trội, hiệu suất chiếu sáng, tọa độ màu, nhiệt độ tương quan
màu, hệ số trả màu…
b. Các đặc trưng nhiệt học: Nhiệt độ lớp chuyển tiếp, nhiệt trở, các hệ số nhiệt…
c. Các đặc trưng điện học: Đặc tuyến vơn-ampe, điện thế thuận và nghịch, dịng
điện thuận và nghịch, công suất tiêu thụ…
d. Các đặc trưng về thời gian sống
e. Tác động của các đặc trưng nhiệt, điện tới các đặc trưng quang học, thời gian
sống, độ ổn định và hiệu suất.

9


Tổng quan

I.2

Các đặc trưng quang học của LED dùng trong chiếu sáng
Mắt người có hai loại tế bào thu nhận ánh sáng dưới võng mạc là tế bào que và tế

bào nón (Hình 3). Tế bào que có số lượng dồi dào và nhạy hơn tế bào nón. Có ba loại
tế bào nón nhạy cảm với ba màu đỏ, lục, lam tương ứng.

Hình 3. Cấu tạo trong của mắt người và cấu tạo chi tiết của võng mạc với các tế bào
cảm quang [21]

Với độ trưng lớn hơn 3 cd/m2 thì các tế bào nón điều tiết chính chế độ nhìn sáng
(ví dụ ban ngày). Chế độ nhìn tối dành cho mức sáng thấp hơn 0,003 cd/m2 (ví dụ ban
đêm) thì các tế bào que sẽ điều tiết chính, có độ nhạy cao hơn tế bào nón nhưng khơng
thể cảm nhận màu. Trong môi trường sáng yếu như đêm trăng, các vật thường mất
màu mà chỉ thấy màu đen trắng. Chế độ nhìn mờ nằm giữa hai chế độ trên.(Hình 4)

Hình 4. Các chế độ nhìn của mắt người và các tế bào điều tiết chính tương ứng [5]
10


Tổng quan

Hàm độ nhạy trên quang phổ của các tế bào que và nón được cho trong Hình 5. Từ
đó ta thấy vùng phổ màu đỏ nhìn kém hơn vùng màu lam vào lúc tối và ngược lại rõ
hơn vào lúc sáng.

Hình 5. Độ nhạy các tế bào que và nón theo bước sóng ánh sáng [22]
Đơn vị đo cường độ sáng candela (cd) là đơn vị cơ bản của hệ SI, được định nghĩa
là: nguồn sáng đơn sắc 555 nm phát quang với cơng suất 1/683 W vào góc 1 sr thì có
cường độ sáng 1 cd.
Quang thơng là đại lượng cho biết lượng sáng phát ra bởi một nguồn sáng, đo
bằng lumen (lm), được định nghĩa là: nguồn sáng đơn sắc 555 nm phát quang với công
suất 1/683 W thì có quang thơng là 1 lumen. Như vậy 1 cd = 1 lm/sr, hay nguồn có
cường độ sáng 1 cd thì có quang thơng là 4π lm = 12,57 lm.
Việc chuyển đổi giữa các đại lượng xạ trắc và quang trắc được tiến hành thông qua
hàm hiệu suất quang hay hàm nhạy sáng mắt người V(λ), được Ủy ban quốc tế về
chiếu sáng CIE công bố vào năm 1924, sửa đổi năm 1978.(Hình 6)
Quang thơng cho mắt người có thể tính được từ cơng suất phát xạ:
Φ𝑣 = 683 (

𝑙𝑚
𝑊

) ∫ 𝑉 (𝜆)𝑃 (𝜆)𝑑𝜆
𝜆

với P(λ) là mật độ công suất trong quang phổ, tức là lượng sáng phát ra theo mỗi
bước sóng. Tổng cơng suất phát ra bởi một nguồn sáng là:
𝑃 = ∫ 𝑃(𝜆) 𝑑𝜆
𝜆

11


Tổng quan

Hình 6. Hàm nhạy sáng mắt người 𝑉(𝜆) theo chuẩn CIE [5]
Mắt người chỉ có ba loại tế bào nón nên dựa vào tỉ lệ ánh sáng thu được ở mỗi tế
bào này để xác định màu của nguồn sáng. Vì vậy, ta dùng hàm pha màu
𝑥̅ (𝜆), 𝑦̅(𝜆) , 𝑧̅(𝜆), tương ứng với ba màu đỏ, lục, lam, trong đó hàm pha màu l ục được
chọn là đồng nhất với hàm nhạy sáng mắt người V(𝜆) .
Vậy với 𝑃(𝜆) đã biết, ta tính được độ tác động của từng màu:
𝑋 = ∫ 𝑥̅ (𝜆) 𝑃(𝜆) 𝑑𝜆 ; 𝑌 = ∫ 𝑦̅(𝜆)𝑃 (𝜆)𝑑𝜆 ; 𝑍 = ∫ 𝑧̅(𝜆) 𝑃(𝜆)𝑑𝜆
𝜆

𝜆

𝜆

Tọa độ màu x, y của nguồn sáng được tính theo công thức:

𝑥=

𝑋
𝑋 + 𝑌+𝑍

;𝑦=

𝑌
𝑋 + 𝑌+𝑍

;𝑧 =

𝑍
𝑋 + 𝑌+𝑍

= 1 −𝑥 − 𝑦

Do z có thể tính được từ x và y nên được lược bỏ. Ta có biểu đồ màu CIE 1931
(Hình 8). Điểm có x = y = z = 1/3 hay X = Y = Z nằm ở chính giữa, tương ứng với
vùng màu trắng, cịn các màu đơn sắc nằm ở rìa trên. Mọi màu sắc đều có thể định vị
trên biểu đồ này.
12


Tổng quan

Hình 7. Hàm pha màu 𝑥̅ (𝜆), 𝑦̅(𝜆), 𝑧̅(𝜆) CIE 1931 và 1978 [5]

Hình 8. Phân bố các màu trên biểu đồ màu CIE 1931
13

Tổng quan

MacAdam vào năm 1943 phân tích sự khác biệt màu sắc của các điểm gần nhau
trong biểu đồ màu và nhận ra rằng hai điểm màu phải có khoảng cách tối thiểu nào đó
để mắt người nhận ra chúng có màu khác nhau. Như vậy, màu sắc trong một vùng nào
đó sẽ có vẻ đồng nhất với mắt người. Ông chứng minh các vùng đó có dạng elip, sau
đó được mang tên ơng.

Hình 9. Các elip MacAdam trên biểu đồ màu
Tổng số màu mắt người phân biệt được là khoảng 50.000 màu, biết được bằng
cách chia tổng diện tích biểu đồ màu cho tổng diện tích các elip MacAdam. Nếu tính
cả độ trưng thì con số đó lên tới hơn 1 triệu màu.
Năm 1960 và 1976, CIE đưa ra biểu đồ màu đồng dạng để cho độ lệch màu hầu
như tỉ lệ với khoảng cách hình học. Các tọa độ mới là (u, v) và (u’, v’) được tính như
sau:
14


Tổng quan

𝑢=
𝑢′ =

4𝑋
𝑋 + 15𝑌 + 3𝑍
4𝑋
𝑋 + 15𝑌 + 3𝑍

,

𝑣=

,

𝑣′ =

6𝑌
𝑋 + 15𝑌 + 3𝑍
9𝑌
𝑋 + 15𝑌 + 3𝑍

hay
𝑢 = 𝑢′ =

4𝑥
−2𝑥 + 12𝑦 + 3

,

𝑣=

6𝑦
−2𝑥 + 12𝑦 + 3

,

𝑣′ =

9𝑦
−2𝑥 + 12𝑦 + 3

Hình 10. Biểu đồ màu CIE 1976 với các elip MacAdam
Màu nguồn sáng càng đơn sắc thì càng nằm gần rìa biểu đồ, trong khi quang phổ
càng rộng thì càng gần tâm. Nếu quang phổ đó rộng đáng kể với khoảng ánh sáng nhìn
thấy, nguồn sáng đó có màu trắng và nằm gần trung tâm biểu đồ.
Bước sóng trội do đó được định nghĩa là bước sóng (màu đơn s ắc) nằm trên rìa
biểu đồ gần tọa độ màu của nguồn sáng nhất. Nó được xác định bằng cách kẻ một
đường thẳng từ tâm tới điểm tọa độ màu, kéo dài cắt đường rìa tại điểm của bước sóng
trội. Tỉ lệ khoảng cách từ một điểm tới tâm với khoảng cách từ bước sóng trội của nó
tới tâm, gọi là độ bão hịa màu. Như vậy xác định một màu có thể bằng cách cho bước
sóng trội và độ bão hịa, nếu khơng tính đến yếu tố độ sáng nằm ngoài biểu đồ này.
15


Tổng quan

Hình 11. Phổ ánh sáng của các vật đen tuyệt đối phát sáng với nhiệt độ khác nhau
Một vật đen tuyệt đối có nhiệt độ T sẽ phát ra một phổ bức xạ (ánh sáng), xem
Hình 11, với cường độ:
𝐼 (𝜆) =

2ℎ𝑐 2
ℎ𝑐
𝜆5 (exp
− 1)
𝜆𝑘𝑇

và bước sóng cực đại tính theo định luật Wien:

𝜆 𝑚𝑎𝑥 =

𝑏
𝑇

Tọa độ của các bức xạ này trong tọa độ màu là đường cong Planck. Khi nhiệt độ
vật đen tuyệt đối tăng lên, bắt đầu phát xạ vào vùng nhìn thấy, tọa độ màu của nó bắt
đầu từ bước sóng đỏ vào tâm của biểu đồ. Nhiệt độ tương ứng của vùng trắng trong
biểu đồ trong khoảng 2500 K đến 10.000 K. Trên đó, có các điểm được chuẩn hóa: A
– Đèn sợi đốt, B – Ánh sáng Mặt Trời, C – Trời nhiều mây, D65 – Ánh sáng ban ngày,
E – Điểm đẳng năng, như trong Hình 12. Đường cong Planck ln bắt đầu từ màu đỏ,
đi qua vùng màu cam, vàng và tới vùng màu trắng, phù hợp với hiện tượng một thanh
kim loại được nung nóng đỏ rồi nóng sáng.

16


Tổng quan

Hình 13. Các đường đẳng nhiệt trong
biểu đồ màu x, y
Hình 12. Đường cong Planck và các điểm
chuẩn hóa.
Nhiệt độ màu của một nguồn sáng trắng (đo bằng K) là nhiệt độ của một vật đen
tuyệt đối có cùng tọa độ màu trên đường cong Planck. Nếu tọa độ màu của nguồn sáng
khơng nằm trên đường cong Planck thì dùng khái niệm nhiệt độ tương quan màu
(CCT), tức là nhiệt độ màu của điểm trên đường cong Planck có tọa độ gần nhất với
tọa độ màu của nguồn sáng trên biểu đồ (u’, v’). Cách xác định nhiệt độ tương quan
màu trong biểu đồ màu (x, y) phải sử dụng các đường đẳng nhiệt như trong Hình 13.
Một đặc trưng khác c ủa nguồn sáng trắng là khả năng hoàn trả màu sắc thực của

các vật được chiếu sáng, được đo bằng hệ số trả màu (CRI). Giá trị CRI = 100 tức là
khi mắt người nhìn vật do nguồn sáng chiếu tới thì màu sắc của vật “chân thực” nhất.
CRI càng nhỏ thì độ trả màu càng kém.
CRI được đo bằng cách so sánh với hệ số trả màu của một nguồn sáng tham chiếu
được chọn như sau:
-

Nếu tọa độ màu của nguồn cần đo nằm trên đường cong Planck thì nguồn tham
chiếu là vật đen tuyệt đối có cùng nhiệt độ màu.

-

Nếu tọa độ màu của nguồn cần đo nằm ngồi đường cong Planck thì nguồn
tham chiếu là vật đen tuyệt đối có cùng nhiệt độ tương quan màu.

17


Tổng quan

-

Các điểm chuẩn hóa trên đường cong Planck, ví dụ D65, cũng có thể dùng làm
nguồn tham chiếu.

Nguồn tham chiếu lý tưởng là có cùng tọa độ màu và quang thơng với nguồn cần
đo. Theo quy ước thì CRI đạt 100 với các điểm nằm trên đường cong Planck, ví dụ đối
với bóng đèn sợi đốt. Các bóng sợi đốt thạch anh-halogen được dùng ở những nơi cần
màu chân thực như bảo tàng, phịng tranh, cửa hàng quần áo.
Ngồi ra, các mẫu màu chuẩn cũng được dùng để đo CRI. Theo quy ước quốc tế,

có 14 màu chuẩn được đồng ý rộng rãi. CRI tổng quát được tính bằng trung bình cộng
suất phản xạ của 8 màu chuẩn trong Hình 14:
𝑅𝑎 =

1
8

8

∑ 𝑅𝑖
𝑖=1

với Ri là CRI cụ thể của từng màu chuẩn, được tính theo cơng thức: 𝑅𝑎 = 100 −
4,6 𝛥𝐸𝑖∗ với 𝛥𝐸𝑖∗ là chênh lệch lượng màu của màu chuẩn khi được chiếu bởi nguồn
tham chiếu và nguồn cần đo.

Hình 14. Suất phản xạ của 8 màu chuẩn CIE để tính CRI [5]
18


Tổng quan

Đặc trưng về thời gian sống và độ tin cậy của LED

I.3
I.3.1

Dẫn nhập về thời gian sống và độ tin cậy

Thử nghiệm ở nhiệt độ cao là cách thay thế cho thử nghiệm hoạt động tại nhiệt độ

phòng nhằm dự đoán nhanh thời gian sống của LED. Tùy theo phương pháp diễn giải
kết quả mà có các kết quả dự báo khác nhau.
Thời gian sống của LED là Lp được định nghĩa là là thời gian mà WLED được sử
dụng hoạt động liên tục tại điều kiện hoạt động tiêu chuẩn (dịng cấp và nhiệt độ mơi
trường xung quanh thỏa mãn điều kiện WLED hoạt động bình thường) mà quang
thơng suy giảm so với ban đầu cịn p%, thơng thường người ta quan tâm tới p = 50%,
70% và 80%. Hiện tại L70 được coi là thời gian sống của LED [23].

Hình 15. Giá trị L70 được cơng nhận rộng rãi là thời gian sống của LED [23]
Tuy nhiên, LED rất hiếm khi hỏng hoàn toàn, thời gian sống của WLED theo định
nghĩa trên cỡ vài chục ngàn giờ, tức là khoảng hàng năm, một thời gian khá dài để có
được đánh giá về tuổi thọ, độ ổn định của một loại WLED cho trước.
Thời gian sống của LED dao động từ 3 tháng (2000 h) đến tận 6 – 8 năm (50.000 –
70.000 h) tùy theo ứng dụng và lắp đặt [24]. Thời gian sống của LED được đo bằng độ
duy trì quang thơng, tức là đo cường độ sáng giảm theo thời gian như thế nào. Liên
đoàn công nghệ và hệ thống chiếu sáng rắn (ASSIST) định nghĩa thời gian sống của

19


Tổng quan

LED dựa trên thời gian mà 50% (L50: cho công nghiệp hiển thị) hoặc 70% (L70: cho
công nghiệp chiếu sáng) ánh sáng phát ra suy giảm ở nhiệt độ phịng, như trong Hình
16 [23]. Các mơ hình suy hao, già hóa và hư hỏng của WLED theo thời gian là chủ đề
thu hút được sự quan tâm lớn và cịn đang được nghiên cứu trên bình diện quốc tế.

Hình 16. Dự đốn thời gian sống của LED [23]
Có các mơ hình khác nhau cho độ tin cậy, đó là mơ hình Lịng máng và PoF
(Physics of Failure). Mơ hình Lịng máng sử dụng cách tiếp cận quy mơ hệ thống, tiếp

cận hộp đen, và tiếp cận từ trên xuống. Mơ hình PoF sử dụng cách tiếp cận từ dưới lên.
Đa số các sản phẩm (và ngay cả con người) đều có đặc tính hư hỏng theo như hình
lịng máng dưới đây của đồ thị tốc độ hư hỏng theo thời gian (đồ thị chỉ mang tính lý
tưởng). Tốc độ này được hiểu là số hư hỏng trên số sống sót trong một đơn vị thời gian.
Theo đó, nhiều sản phẩm bắt đầu thời gian sống với tốc độ hư hỏng cao (do sai sót
chế tạo, tay nghề kém, quản lý chất lượng đầu vào kém, v.v…). Tốc độ này giảm dần

20


Tổng quan

theo thời gian cho tới khi đạt giá trị ổn định gần như không đổi trong khoảng hoạt
động hữu ích mà hư hỏng diễn ra ngẫu nhiên. Theo thời gian sử dụng, tốc độ hư hỏng
lại tăng dần do hao mịn. Ví dụ với đời người cũng tương tự, trẻ sơ sinh có tốc độ tử
vong cao nhất và giảm dần trong thời gian thiếu nhi rồi thiếu niên và đạt mức thấp nhất
ổn định vào thời thanh niên, trước khi tăng trở lại theo năm tháng sau đó.

Hình 17. Đường lòng máng của tốc độ hư hỏng theo thời gian

Hình 18. Mơ hình Lịng máng (trên) mang tính thống kê hiện tượng, và mơ hình PoF
(dưới) đi sâu vào các nguyên nhân mang tính bản chất vật lý gây ra hư hỏng [25]
Thời gian sống cho biết thời gian hoạt động của thiết bị, hay thời gian tới lúc hỏng
(time-to-failure). Nó có thể được biết chính xác (ví dụ “sản phẩm hỏng sau 100 giờ
21


Tổng quan

hoạt động”) hoặc chỉ biết giới hạn trái (ví dụ “sản phẩm vẫn hoạt động sau 100 giờ”)

hoặc chỉ biết giới hạn phải hoặc khoảng giới hạn (ví dụ “sản phẩm hỏng từ 0 đến 100
giờ hoạt động” và “sản phẩm hỏng trong khoảng từ 100 đến 150 giờ hoạt động”).
Độ tin cậy được xác định bằng xác suất sống sót ở bất kỳ thời điểm t nào trong
vịng đời ở mơ hình Lịng máng. Sản phẩm là đáng tin cậy khi số hư hỏng trong một
chu kỳ cụ thể ở mức chấp nhận được. Đại lượng đánh giá là tốc độ hư hỏng, tốc độ
ngẫu nhiên hoặc thời gian hư hỏng trung bình (MTBF).
Trong khi ngược lại, mơ hình PoF coi độ tin cậy là khả năng sống sót sau một thời
gian cho trước. Sản phẩm là đáng tin cậy nếu nó khơng cần bảo trì trong một chu kỳ cụ
thể. Đại lượng đánh giá là chu kỳ hoạt động khơng bảo trì (MFOP – Maintenance-Free
Operating Period) hoặc chu kỳ hoạt động không hư hỏng (FFOP – Failure Free
Operating Period) với mức tin cậy cho trước.
Mơ hình Lịng máng tin vào các hư hỏng ngẫu nhiên, mơ hình PoF tin vào quan hệ
nhân quả chặt chẽ gây ra hư hỏng. Do đó, hàm phân bố thống kê của mơ hình Lịng
máng chạy từ 0 tới vơ cùng (ví dụ hàm Weibull hai tham số). Mơ hình Lịng máng
được ưa chuộng cho thống kê độ tin cậy trong khi mơ hình PoF phù hợp hơn cho các
kỹ sư phát triển. Thống kê độ tin cậy tập trung vào số liệu hư hỏng quy mô hệ thống và
xác định dạng của đường Lòng máng. Nguyên nhân hư hỏng bao gồm chết yểu, hư
hỏng ngẫu nhiên và hư hỏng sau khấu hao. Mơ hình độ tin cậy PoF lại nhằm giải thích
hình dạng của đường Lịng máng, ngun nhân căn bản của hư hỏng là gì và làm thế
nào để giảm thiểu hư hỏng. Nguyên nhân hư hỏng theo đó bao gồm khấu hao hết, quá
tải ngẫu nhiên của mẫu có lỗi và mẫu định danh. [25]
I.3.2

Hàm phân bố Weibull

Giả sử ta có một dây xích có n mắt xích, mỗi mắt xích có xác suất bị đứt là P và
xác suất đứt của cả sợi xích là Pn. Do đó, xác suất khơng đứt của sợi xích là (1 – Pn),
bằng tích xác suất khơng đứt của từng mắt xích, tức là:
1 − 𝑃𝑛 = (1 − 𝑃)𝑛
Hàm phân bố của xác suất P có thể viết dưới dạng:

𝑃 = 𝐹 (𝑥 ) = 1 − 𝑒 −𝜑(𝑥)
Do đó:
22


Tổng quan

(1 − 𝑃)𝑛 = 𝑒 −𝑛𝜑(𝑥)
𝑃𝑛 = 1 − 𝑒 −𝑛𝜑(𝑥)
Hàm 𝜑(𝑥 ) phải dương, không nghịch biến, bằng 0 tại một giá trị 𝑥𝑢 . Hàm đơn
giản nhất thỏa mãn điều kiện trên là:
𝜑 (𝑥 ) = (

𝑥 − 𝑥𝑢
𝑥0

𝑚

)

Ta có hàm phân phối tích lũy Weibull [26]:
𝐹 (𝑥 ) = 1 − 𝑒

𝑥−𝑥 𝑚
−( 𝑥 𝑢 )
0

Hàm phân phối tích lũy Weibull thường được áp dụng cho phân tích thời gian
sống, cho biết xác suất xảy ra hư hỏng tại một thời điểm:
𝐹 (𝑡) = 1

𝑡−𝑡 𝑘
−( 𝜏 0 )
−𝑒

trong đó 𝑡0 là tham số vị trí, 𝜏 là tham số tỉ lệ và 𝑘 là tham số hình dạng (k > 0).

Hình 19. Hàm phân phối tích lũy Weibull
Theo đó, ta có hàm mật độ xác suất Weibull:

23


Tổng quan

𝑘 𝑡 − 𝑡0 𝑘−1 −(𝑡−𝑡0)𝑘
𝜏
)
𝑓 (𝑡) = 𝐹′(𝑡) = (
𝑒
𝜏
𝜏
với 𝑓 (𝑡) ≥ 0, 𝑡 ≥ 𝑡0 , 𝑘 > 0, 𝜏 > 0. 𝑡0 là thời điểm bắt đầu hoạt động nên thường
được đặt bằng 0, việc thay đổi 𝜏 làm co giãn đồ thị theo phương trục hồnh cịn việc
thay đổi 𝑘 làm biến dạng đồ thị.
Hàm xác suất hư hỏng:
𝑡 𝑘

𝑅(𝑡) = 1 − 𝐹 (𝑡) = 𝑒 −(𝜏)

Hình 20. Hàm mật độ xác suất Weibull
Hàm tốc độ hư hỏng Weibull (Hình 22):
𝑓 (𝑡) 𝑘 𝑡 𝑘−1
𝜆 (𝑡) =
= ( )
𝑅 (𝑡) 𝜏 𝜏
Với 𝑘 = 1 thì
𝜆 (𝑡) =

1
𝜏

= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡

Với 𝑘 > 1 thì 𝜆 (𝑡) tăng dần và 𝑘 < 1 thì 𝜆 (𝑡) giảm dần.

24