Các loại đèn LED trong lĩnh vực chiếu sáng
Nguồn sáng tiết kiệm năng lượng như đèn LED (Light-Emitting Diode) bán dẫn, đèn OLED (Organic Light Emitting Diode) có nguồn gốc hữu cơ và LED từ vật liệu polymer (PLED) là nguồn sáng trạng thái rắn (solid-state lighting, SSL) hoạt động dựa trên nguyên lý diode phát quang, có hiệu suất chuyển đổi điện năng thành quang năng cao, đã và đang được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong lĩnh vực chiếu sáng. Trong đó, đèn LED bán dẫn vô cơ sở hữu nhiều tính chất ưu việt hơn như cường độ quang, độ bền cơ học, tuổi thọ cao và được xem là công nghệ chiếu sáng của thế kỷ XXI.
Đèn LED phát quang trắng (WLED) thương mại hiện nay được chế tạo bằng cách kết hợp các vật liệu phát quang (phosphor) phát ánh sáng vàng hoặc xanh lá và đỏ với đèn InGaN-LED phát ánh sáng xanh dương. Để mở rộng ứng dụng của đèn LED trong các thiết bị trình chiếu thông minh như màn hình tivi siêu mỏng, notebook, smart phone, thiết bị đeo cầm và công nghệ thực tế ảo…, các nhà khoa học đã và đang tập trung cải thiện kích thước, độ hoàn màu (color rendering index, CRI) và hiệu suất phát quang. Công nghệ hiển thị dùng đèn LED kích thước mini/micro từ 10-100 µm2 sẽ là công nghệ màn hình hiển thị kế tiếp thế hệ màn hình LCD và OLED. Gần đây, đèn microLED phát ánh sáng trắng có CRI >90 đã được chế tạo bằng sự kết hợp của các linh kiện nanowire InGaN phát ánh sáng xanh dương và các vật liệu nano fluoride pha tạp Mn4+ phát quang đỏ. Vật liệu chấm lượng tử (QDs) sở hữu các tính chất ưu việt như quang hẹp, cường độ cao và sự tán xạ thấp, cho thấy QDs là vật liệu quang lý tưởng cho những ứng dụng chế tạo WLEDs với hiệu suất bức xạ (LER) và CRI cao. Mặc dù vật liệu fluoride và QDs dễ dàng được tổng hợp bằng các phương pháp dung dịch và thể hiện sự phát quang mạnh, nhưng chúng không ổn định với độ ẩm và nhiệt độ.
Ngoài ra, hiệu suất phát sáng của đèn LED có thể đạt từ 50-70% mức tối đa theo lý thuyết. Hơn 30% năng lượng được chuyển thành nhiệt, điều này làm giảm hiệu suất phát quang và tuổi thọ của đèn LED. Phương pháp giải nhiệt truyền thống cho đèn LED là sử dụng thêm thiết bị làm mát đặt ở phía sau đèn, nhưng phương pháp này chỉ áp dụng cho các loại đèn LED với kích thước lớn. Nanofluids - chất lỏng chứa các hạt kích thước nanomet dạng huyền phù, đang được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học. Các dung dịch nano nhôm oxit (Al2O3), kẽm oxit (ZnO) và titanium oxit (TiO2) đã được nghiên cứu giải nhiệt thụ động cho các quá trình truyền nhiệt vi điện tử, pin nhiên liệu, động cơ, máy làm lạnh và trong lò hơi để giảm nhiệt độ khí thải. Một số nghiên cứu cũng cho thấy rằng, độ dẫn nhiệt của nanofluids tăng khi tăng thể tích, giảm kích thước và thay đổi hình dạng của hạt nano. Gần đây, vật liệu Al2O3:Mn4+,Mg2+ phát quang đỏ, với kích thước 10-100 µm được tổng hợp bằng phương pháp phản ứng trạng thái rắn tại nhiệt độ 1.200-1.750°C, đã cho thấy sự cải thiện CRI và tính truyền nhiệt cho đèn LED màng mỏng kích thước 3-5 mm2.
Ở Việt Nam, vật liệu phát quang cũng như đèn LED đã và đang được quan tâm phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực phát sáng tiết kiệm năng lượng. Nhiều công trình ứng dụng đèn LED thương mại trong dân dụng, công cộng, nông nghiệp và công nghiệp đã được triển khai như: “Nghiên cứu chế tạo đèn pha LED công suất 400 W phục vụ đánh bắt thủy hải sản theo kiểu pha xúc” của Công ty Cổ phần Điện quang; “Nghiên cứu và phát triển công nghệ, sản xuất, thử nghiệm và thương mại hóa sản phẩm LED dùng trong chiếu sáng nhân tạo nông nghiệp công nghệ cao tại thị trường Việt Nam” do Học viện Nông nghiệp Việt Nam và Công ty Cổ phần Bóng đèn phích nước Rạng Đông phối hợp thực hiện… Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu trong nước đều dựa vào linh kiện bán dẫn màng mỏng được nhập từ nước ngoài với chi phí rất cao.
Giải pháp giúp tiết kiệm năng lượng
Để khắc phục tình trạng trên, các nhà khoa học của Viện Công nghệ Hóa học đã đề xuất và được giao thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng nano oxit kim loại pha tạp Mn4+ quang đỏ làm tăng hệ số hoàn màu và giải nhiệt cho đèn điốt bán dẫn nanowire phát ánh sáng trắng tiết kiệm năng lượng”. Sau 2 năm triển khai, các nhà khoa học của Viện đã nghiên cứu, chế tạo đèn WLED kích thước mini dựa trên sự kết hợp của cấu trúc nanowire InGaN-LED với vật liệu nano oxit nhôm và titan phát quang đỏ. Nanowire InGaN/AlGaN được phát triển trên đế Si thông qua hệ lắng đọng chùm phân tử (MBE) Veeco Gen II, tại Viện New Jersey Institute of Technology (NJIT). Vật liệu nano nhôm oxit và titan oxit pha tạp Mn4+ phát quang đỏ được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt và sol-gel tại nhiệt độ 70-120ºC. Sau đó, vật liệu nano oxit được phân tán trong dung môi ethanol và được phủ lên linh kiện InGaN/AlGaN bằng phương pháp phủ-quay (spin coating). Hình ảnh FESEM mặt cắt ngang của linh kiện sau khi phủ lớp nano phát quang cho thấy các hạt nano phân tán trên bề mặt các nanowire.
Cấu trúc một thanh nano bán dẫn InGaN/GaN (a), Ảnh FESEM mặt cắt ngang của linh kiện bán dẫn được phủ vật liệu nano oxit (b), Ảnh SEM của các linh kiện sau khi đã chế tạo điện cực (c).
Phổ electroluminescence (EL) (a) và Giản đồ màu CIE(x,y) của linh kiện InGaN/GaN được phủ lớp vật liệu nano oxit phát quang (b).
Phổ EL của linh kiện LED chế tạo cho thấy quang phổ rộng 450-700 nm với các đỉnh 460 nm (ánh sáng xanh dương), 590 nm (ánh sáng vàng) và 678 nm (ánh sáng đỏ từ vật liệu nano phát quang).
Đặc biệt, đề tài đã chế tạo thành công các hợp chất gồm: Al2O3:Mn4+,Mg2+ dạng bột màu trắng, kích thước hạt ~32 nm và Al2O3:Mn4+,Mg2+ dạng bột màu trắng, kích thước hạt ~190 nm, phát quang đỏ tại bước sóng 678 nm; Mg2TiO4:Mn4+ dạng bột màu trắng, kích thước hạt ~63 nm và Mg2(Ti,Si)O4:Mn4+ dạng bột màu vàng nhạt, kích thước hạt ~14 nm, phát quang đỏ tại bước sóng 665 nm; đèn miniLED (300×300 µm2) dựa trên linh kiện nanowire-InGaN và vật liệu nano quang đỏ Al2O3:Mn4+,Mg2+ hoặc Mg2TiO4:Mn4+, phát ánh sáng trắng với hệ số hoàn màu CRI ~95, nhiệt độ màu CCT ~5000-3000 K và sự tản nhiệt tốt thông qua các đặc tính I-V.
Hình chụp mẫu bột Al2O3:Mn4+,Mg2+ và Mg2TiO4:Mn4+ dưới ánh sáng thường và ánh sáng xanh 460 nm.
Thành công của đề tài đã mở ra triển vọng to lớn trong việc cải thiện màu sắc và hiệu suất cho các đèn mini/microLED phát quang trắng và các WLED thương mại.
TS Nguyễn Hoàng Duy trong phòng thí nghiệm chế tạo linh kiện InGaN.