Luận án 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

Silicone đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp nhƣ ô tô, phủ màng, điện tử, xây dựng, dầu bôi trơn, đồ chơi, y tế, nhãn khoa...do các tính chất đặc biệt của vật liệu này. Có thể kể ra một số thuộc tính nhƣ hệ số truyền nhiệt thấp, ít có phản ứng hóa học, ít độc hại, ổn định với nhiệt độ cao (<250oC), không ƣa nƣớc, kết dính có chọn lọc (dính tốt với thủy tinh), chống tử ngoại, cách điện tốt... Bảng 2. 1. Bảng so sánh một số thuộc tính vật liệu chế tạo linh kiện FO PMMA PS PC Silicone Thủy tinh Chiết suất 1.49 1.59 1.59 1.37÷1.43 1.52 Độ bền Trung bình Trung bình Cao Cao Cao Nhiệt độ HĐ 85oC 110oC 115oC 250oC >300oC Độ truyền qua 92% ~90% ~90% 92% 90% Độ bám bụi Ít Ít Ít Cao Ít Chi phí Thấp Thấp Cao Thấp Cao Từ kết quả khảo sát về một số loại vật liệu quang học dùng để chế tạo linh kiện quang, chúng tôi đã lựa chọn vật liệu PS và PC để chế tạo thấu kính FO sử dụng công nghệ ép nhựa dẻo. 2.2.2.1. Khuôn ép phun nhựa nhiệt dẻo (Plastic Injection Molder) Trong các loại khuôn nhựa, kết cấu khuôn dùng trong công nghệ ép phun tạo hình thì phần quan trọng nhất trƣớc hết là vùng lòng khuôn. Vùng lòng khuôn đƣợc 53 thiết kế đảm bảo điền đầy vật liệu giúp tạo hình sản phẩm nhƣ mong muốn. Lấy lòng khuôn làm trung tâm, khuôn đƣợc tạo thành từ những chi tiết ở vùng lòng khuôn nhƣ thiết bị đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn, bộ phận gia nhiệt, bộ phận gá lắp khuôn lên máy và các trang thiết bị khác. Hình 2. 10. Cấu trúc khuôn 2 tấm: Tấm 1 là tấm cố định, tấm 2 là di động Chúng tôi không đi sâu vào các chi tiết kỹ thuật của các bộ khuôn, tuy nhiên để giảm chi phí sản phẩm nhựa, cần chú ý thiết kế các chi tiết nhựa sao cho kết cầu của bộ khuôn là đơn giản nhất, ví dụ việc sử dụng khuôn 2 tấm sẽ đơn giản hơn khuôn 3 tấm. Khuôn 2 tấm có kết cấu đơn giản và thƣờng đƣợc sử dụng nhất (Hình 2.10). Khi lấy sản phẩm thì chỉ có một khoảng sáng nên còn đƣợc gọi là khuôn một khoảng sáng. Khi lấy sản phẩm ra khỏi khuôn, một đoạn nhựa từ kênh dẫn nhựa và đậu bơm dính với sản phẩm cần đƣợc tách ra. Tuy nhiên việc sử dụng loại khuôn này tiết kiệm đƣợc vật liệu do kênh dẫn nhựa ngắn. Ƣu điểm của khuôn 2 tấm là cấu trúc đơn giản và chi phí thấp. Nhƣợc điểm là khó tạo hình phức tạp để có thể rút khuôn và tự động hoá quy trình cắt bỏ chi tiết thừa. 2.2.2.2. Thiết bị và quy trình ép phun Hình 2.11 là hình vẽ cấu trúc của một máy ép nhựa cơ bản bao gồm 05 bộ phận cơ bản mà ngƣời vận hành, bảo trì và sửa chữa máy ép nhựa phun phải biết khi làm việc. Hạt nhựa đƣợc chứa trong phễu cấp nhựa, khi trục vít quay sẽ đùn nhựa về phía trƣớc, đồng thời gia nhiệt cho hạt nhựa chảy dẻo phun vào lòng khuôn. Máy ép phun 54 có bộ phận đỡ và kẹp chặt khuôn nhựa, nung chảy nhựa nhiệt dẻo và ép phun với áp suất cao trong lòng khuôn. Sau đó giữ khuôn để nhựa nóng chảy trong khuôn nguội và định hình sản phẩm khi mở khuôn, hệ thống đẩy sẽ đẩy sản phẩm nhựa ra ngoài. Hình 2. 11. Hình vẽ cấu trúc máy ép phun nhựa cơ bản Quá trình ép phun tạo hình nhựa là quá trình tăng nhiệt làm nóng chảy hạt nhựa đến độ dẻo cần thiết, vừa đủ để dễ dàng ép thành hình dạng mới mà không bị gây phồng sản phẩm hoặc phát sinh bavure trên sản phẩm. Có thể thấy rằng quy trình kỹ thuật của công nghệ này chủ yếu là cách xử lý "nhiệt độ" và "ép phun". Hình 2. 12. Quy trình ép phun nhựa Bƣớc 1- Gia nhiệt: Nguyên liệu đƣợc gia nhiệt nóng chảy tới một nhiệt độ thích hợp. Nguyên liệu thô ở dạng cứng đƣợc cấp vào phễu nguyên liệu của máy ép nhựa, 55 thƣờng là các hạt nhựa nguyên sinh hay nhựa tái chế. Cổng ra của phễu sẽ là hệ thống trục vít xoắn có tác dụng trộn đều nguyên liệu và đẩy nguyên liệu đi về phía trƣớc để nung nóng chảy bởi hệ thống gia nhiệt đƣợc bố trí xung quanh xilanh. Bƣớc 2- Ép phun nhựa vào khuôn: Nhựa nóng chảy đƣợc phun vào khuôn đang ở trạng thái đóng với một áp lực lớn thông qua hệ thống trục vít của máy ép nhựa. Bƣớc 3: Làm mát khuôn để phần nhựa nóng chảy trong khuôn chuyển sang trạng thái rắn. Nhựa lỏng sau khi điền đầy lòng khuôn phải đƣợc đông cứng để có thể lấy ra ngoài. Lúc này hệ thống làm mát hoạt động để làm nguội khuôn đồng thời biến nhựa nóng chảy chuyển sang trạng thái rắn. Bƣớc 4: Mở khuôn để lấy sản phẩm ra ngoài. Hệ thống kìm khuôn của máy ép sẽ từ từ kéo một nửa khuôn (nửa khuôn đực hay còn gọi là nửa khuôn đi động) tách ra một khoảng nhất định đủ để có thể lấy sản phẩm ra ngoài sau đó đóng khuôn lại tiếp tục chu kỳ mới. Cần phải kiểm soát 3 công đoạn trong quy trình gia nhiệt, đó là đặt nhiệt độ chờ, nhiệt độ ống dẫn nhựa và nhiệt độ khuôn. Nhiệt độ chờ để loại bỏ nƣớc có sẵn trong hạt nhựa; nhiệt độ ống dẫn nhựa nhằm cung cấp nhiệt để làm tan chảy hạt nhựa đến độ dẻo cần thiết; nhiệt độ khuôn lại quyết định tốc độ làm lạnh sản phẩm nhựa. Bốn yếu tố khác cũng ảnh hƣởng đến quá trình ép phun: Áp lực phun, tốc độ phun, thời gian ép phun, thời gian làm lạnh; Áp lực ép đảm bảo sự ổn định của tốc độ phun và mức độ đầy khuôn; tốc độ phun lại quyết định đến sự lƣu động của hạt nhựa trong khuôn; thời gian phun ép kết hợp với tốc độ phun quyết định sản lƣợng nhựa; thời gian làm lạnh định hình và hoàn thành sự kết tinh sản phẩm. Để đạt đƣợc chất lƣợng sản phẩm tốt nhất, trong quá trình 1 lần ép phun thông thƣờng còn chia ra nhiều giai đoạn áp lực phun, tốc độ và thời gian phun ra thành nhiều giai đoạn cần kiểm soát và tối ƣu. Tốc độ phun quyết định đến đặc trƣng sản phẩm. Trong giai đoạn ép phun sản phẩm, nếu nhƣ tốc độ quá cao có thể dẫn đến sản phẩm nổi bóng, bề mặt mờ, nổi đƣờng nối. Các sản phẩm này có thể ổn định về kích thƣớc nhƣng không đạt đƣợc tính thẩm mỹ bề mặt. Còn nếu nhƣ tốc độ quá thấp lại khiến chô khuôn không đầy, cục bộ bị co ngót, biến dạng sản phẩm, đặc trƣng loại sản phẩm này có ngoại quan đẹp nhƣng 56 không đáp ứng đƣợc về tiêu chuẩn kích thƣớc. Tốc độ phun là yếu tố điều chỉnh chính trong điều kiện ép, nhƣng nếu vậy thì chƣa đủ, chúng ta cần phải quan tâm đến cả áp lực phun mới có thể đạt đƣợc tốc độ phun lý tƣởng. Tốc độ phun phải chú ý đên tốc độ lƣu động thực tế trong khuôn chứ không chỉ là tham số hiển thị trên máy. Công nghệ ép phun nhựa nhiệt dẻo tạo ra bề mặt có độ bóng quang học khi bề mặt khuôn ép đƣợc gia công đến một độ bóng nhất định. Lòng khuôn thép thƣờng đƣợc mạ một lớp Cr để tăng độ cứng và dễ dàng đánh bóng. Sau khi đánh bóng thô bằng giấy nháp (1000-1500) để khử các vết xƣớc sâu, bột mài (3-10µm) khử các vết xƣớc nông, thì vẫn cần đánh bóng tinh bằng nỉ mềm dùng kem hoặc bột kim cƣơng 3 µm. Những hiểu biết về nguyên lý hoạt động của công nghệ ép phun nhựa nhiệt dẻo giúp chúng tôi chọn lựa vật liệu nhựa quang học và giám sát chất lƣợng linh kiện FO và các phụ kiện bằng nhựa khác khi đặt hàng gia công các linh kiện này. 2.2.3. Công nghệ đùn ép nhôm (Al Extrution Technology) Để chế tạo máng đèn có chức năng tản nhiệt, vật liệu nhôm (Aluminum) là một lựa chọn thích hợp nhất so với đồng Cu và bạc Ag về chi phí, so với sắt Fe và nhựa dẫn nhiệt về tính năng dẫn nhiệt. Để sản xuất quy mô lớn, công nghệ đúc nhôm và công nghệ đùn ép nhôm đƣợc sử dụng thay cho công nghệ cắt gọt bằng máy công cụ CNC. Công nghệ đúc nhôm có ƣu điểm là có thể tạo đƣợc nhiều hình khối 3D phức tạp, nhƣng chi phí khuôn mẫu và gia công rất cao, còn công nghệ đùn ép nhôm chỉ thay đổi biên dạng hai chiều, còn chiều thứ 3 không thay đổi. Chúng tôi lựa chọn thiết kế các loại đèn dài (linear) với mục tiêu tiết kiệm chi phí, tạo ra lợi thế cạnh tranh khi muốn thƣơng mại hoá sản phẩm. Vật liệu nhôm là một kim loại mềm, nhẹ với màu trắng bạc ánh kim mờ, vì có một lớp mỏng ôxi hóa tạo thành rất nhanh khi nó để trần ngoài không khí. Tỷ trọng riêng của nhôm chỉ khoảng một phần ba sắt hay đồng; nó rất mềm (chỉ sau vàng), dễ uốn (đứng thứ sáu) và dễ dàng gia công trên máy móc hay đúc; nó có khả năng chống ăn mòn và bền vững do lớp ôxít bảo vệ. 57 Để tính chất cơ lý của nhôm cho phù hợp với yêu cầu chế tạo máng đèn cần phải sử dụng nhôm hợp kim. Nhôm hợp kim 6063 là một trong những dòng nhôm hợp kim đƣợc sử dụng phổ biến nhất, đặc biệt đối với công nghệ đùn ép. Loại nhôm hợp kim này có tính chất cơ lý tốt, cứng, bền, chịu đƣợc va đập mạnh, khả năng chống mài mòn cao, có thể hàn đƣợc, có tính gia công và định hình. Nó cho phép gia công đùn ép các hình dạng phức tạp với bề mặt sau đùn rất mịn, thích hợp cho các khâu xử lý bề mặt nhƣ anôt hoá và sơn tĩnh điện. Với đặc tính nhƣ vậy, hợp kim nhôm 6063 đƣợc sử dụng phổ biến cho các ứng dụng kiến trúc, ví dụ nhƣ khung cửa sổ, khung cửa đi, hệ mặt dựng công trình, nan cửa cuốn.... và các ứng dụng công nghiệp nhƣ băng tải, khung máy, máng đèn led.... Đối với các ứng dụng trong công nghiệp đòi hỏi vật liệu nhôm có sức bền cao hơn thƣờng sử dụng nhôm hợp kim 6061 hoặc nhôm 6082. Nhôm hợp kim ngoài thành phần chính là nhôm, còn có một tỷ lệ nhỏ các nguyên tố khác nhƣ Si (0,5%), Fe (0,3%), Mg (0,6%) và tỷ lệ dƣới 0,1% các nguyên tố Cu, Mn, Cr, Zn, TiBề mặt máng nhôm sau khi đùn ép đƣợc anôt hoá và sơn tĩnh điện. Thiết bị và quy trình Nguyên tắc cơ bản của đùn ép nhôm hoàn toàn đơn giản: một thỏi hình trụ đã qua xử lý gia nhiệt trƣớc đƣợc đặt trong máy đùn ép thuỷ lực và đƣợc ép ở áp suất cao qua một khuôn ép bằng thép để khi ra khỏi máy ép sẽ có hình dạng theo ý muốn. Hình 5 là bản vẽ nguyên lý hoạt động của thiết bị với trung tâm của là bộ khuôn thép. Kiểu khuôn đơn giản nhất là loại khuôn thép đƣợc qua xử lý nóng, có một lỗ, đƣợc gia công cơ khí đặc biệt, có hình dạng theo thiết kế. Cùng với các phụ kiện khác, khuôn đƣợc giữ trong bộ trƣợt khuôn - một bộ phận của máy ép. Gắn chặt với trƣợt khuôn là một buồng ép (container). Trong buồng ép là một phôi (billet) nhôm đƣợc đẩy vào sau khi nung nóng ở nhiệt độ khoảng 500ºC. Buồng ép cũng đƣợc gia nhiệt bằng một dụng cụ cách điện tốt, nhằm đảm bảo phôi luôn đƣợc giữ ở nhiệt độ đồng nhất. Piston (ram) sẽ tạo áp lực lên phôi thông qua dầu thuỷ lực. Áp lực của bơm dầu thuỷ lực sẽ đƣợc ép nhôm lỏng qua lỗ, tạo thành thanh có hình dạng giống với hình của lỗ trong khuôn. Công suất lớn nhất mà pitông chính thực hiện đƣợc gọi là công suất ép. Công suất ép đƣợc đo bằng tấn. Các máy ép công 58 nghiệp có công suất từ 500 đến 20.000 tấn, nhƣng hầu hết nằm trong khoảng 1.200 - 3.500 tấn. Hình 2. 13. Thiết bị đùn ép nhôm định hình. Chúng tôi đã hợp tác với Công ty Đô Thành, sử dụng công nghệ đùn ép nhôm để chế tạo nhiều loại tản nhiệt khác nhau, từ máng đèn chiếu bảng, tản nhiệt cho đèn dụ cá, đến các máng đèn chiếu trần nhà SSL1, SSL1, SSL3... 2.3. Phƣơng pháp đo đạc đánh giá 2.3.1. Phương pháp và thiết bị đo đặc trưng vật liệu, linh kiện Chúng tôi đã sử dụng một số phƣơng pháp và thiết bị của Phòng Thí nghiệm trọng điểm của Viện Khoa học vật liệu để đo đạc đặc trƣng vật liệu, linh kiện phục vụ cho việc chế tạo các bộ đèn LED. Hệ đo quang huỳnh quang đƣợc trang bị laser Cd-He với hai vạch phát xạ có bƣớc sóng 325 nm và 442 nm. Bƣớc sóng 325 nm nằm trong vùng tử ngoại thích hợp cho việc kích thích các vật liệu phát quang chứa đất hiếm, chủ yếu sử dụng cho đèn CFL. Đối với vật liệu phosphor sử dụng cho gói LED và đèn RP LED nhƣ Garnet hoặc Nitride, phổ huỳnh quang kích thích bằng bƣớc sóng 442 nm là rất hiệu quả (Hình 2.14). Trong công trình [CT 12], chúng tôi đã lựa chọn vật liệu tạo màng phosphor cho đèn LED trắng là NYAG4355 của hãng Interatix, sử dụng nền YAG pha tạp ion Ce3+. Phổ phát xạ huỳnh quang của NYAG4355 đƣợc khảo sát trên hệ đo huỳnh quang phân 59 giải cao tại Viện Khoa học Vật liệu, sử dụng laser He-Cd có bƣớc sóng 442 nm làm nguồn kích, và phổ kế Acton – SP 2300i để thu tín hiệu huỳnh quang. Chúng tôi cũng đã tiến hành đo (tại ĐH Bách khoa Hà nội) phổ kích thích huỳnh quang của NYAG4355, sử dụng đèn Xenon làm nguồn kích thích và quét bƣớc sóng kích thích từ 300 - 530 nm. 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. Hình 2. 15. Kính hiển vi điện tử quét FE- SEM tại PTN trọng điểm. Để xác định độ bóng của linh kiện FO sau khi ép phun nhựa nhiệt dẻo, kính hiển vi điện tử quét FSEM đƣợc PTN trọng điểm trang bị (Hình 2.15) là một thiết bị phù hợp. Thông thƣờng độ bóng của linh kiện nhựa quang học phổ thông vào khoảng λ/5 đến λ/10 tƣơng đƣơng với 100 nm tới 50 nm. Để đƣa ra tiêu chí cho ánh sáng có phổ phát xạ phù hợp nhất với con ngƣời, chúng tôi đã đƣa ra giả thiết dựa trên quan điểm tiến hoá rằng con ngƣời thích nghi nhất đối với ánh sáng tự nhiên trong rừng cây. Chúng tôi đã tiến hành đo đạc phổ ánh sáng trong vƣờn cây tại một số địa điểm và thời điểm khác nhau, sử dụng phổ kế cầm tay. Sau đó so sánh phổ đo đƣợc với kết quả đo đạc và tính toán phổ truyền qua lá cây chiếu sáng bởi nguồn sáng chuẩn D65. Phổ truyền qua của lá cây đƣợc đo bằng hệ thiết bị OMA của phòng thí nghiệm trọng điểm Viện Khoa học vật liệu. Kết quả tính toán, mô phỏng cho thấy có sự giống nhau giữa một số phổ ánh sáng đo đƣợc trong vƣờn với hàm độ nhạy thị giác V(λ) của con ngƣời, làm cơ sở để lựa chọn ánh sáng xanh lý tƣởng. Nguồn sáng xanh lý tƣởng do chúng tôi lựa chọn có 60 nhiệt độ màu CCT= 5000K, độ sạch màu P= 30%, chỉ số sinh học CAF= 30 blm/lm. Chi tiết đã đƣợc trình bày trong công trình [102]. 2.3.2. Các thiết bị đo đặc trưng đèn LED. Trong quá trình thiết kế chế tạo các nguồn sáng, việc đo đạc và đánh giá các thông số màu sắc và thông số quang điện là rất quan trọng. Hệ đo các thông số quang – điện của nguồn sáng rắn là tổ hợp các các thiết bị đo bao gồm: quả cầu tích phân, phổ kế, máy tính có hỗ trợ phần mềm hiển thị (Hình 2.16, Hình 2.17). Hình 2. 16. Hình ảnh bên trong quả cầu tích phân 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 Quả cầu tích phân (Integrating Sphere) gắn phổ kế và quang kế: Do các nguồn sáng có phân bố cƣờng độ sáng đa dạng theo các hƣớng khác nhau, việc sử dụng quả cầu tích phân để đo quang thông là một giải pháp tối ƣu. Quả cầu tích phân là một quả cầu rỗng với nhiều kích thƣớc khác nhau từ nhỏ đến lớn (0.5m – 3m) phụ thuộc vào kích thƣớc nguồn sáng cần kiểm tra. Mặt trong của cầu tích phân đƣợc phủ một lớp phản xạ cao và mờ, tán xạ đều theo các hƣớng (bề mặt Lambert). Bên trong quả cầu tích phân có các cơ cấu gá lắp để cố định nguồn sáng. Tất cả các cơ cấu gá lắp, tấm chắn bên trong quả cầu đều đƣợc phủ sơn trắng với hệ số phản xạ - tán xạ cao. Nguồn sáng đƣợc cố định trong quả cầu tích phân theo hai cấu hình khác nhau, 2π và 4π. Cấu hình 4π với bộ gá nguồn sáng tại tâm quả cầu (Hình 2.16), đƣợc sử dụng cho các nguồn sáng có góc phát sáng rộng nhƣ các loại bóng đèn truyền thống (đèn sợi đốt, 61 huỳnh quang). Cấu hình 2π sử dụng để đo các bộ đèn công suất cao kèm tản nhiệt, cần phải có bộ gá ở một đầu cực để cố định nguồn sáng. Để đo đƣợc quang thông, thông số màu sắc và các thông số điện, hệ đo dùng quả cầu tích phân còn đƣợc tích hợp các thiết bị khác, đó là đầu đo quang thông, phổ kế và nguồn nuôi chuẩn. Một đầu đo quang thông có độ nhạy phổ theo hàm độ nhạy thị giác V(λ) của mắt ngƣời đƣợc gắn vào quả cầu tích phân và kết nối với thiết bị đo điều khiển bằng phần mềm vi tính phân tích số liệu. Song song với đầu đo quang thông là đầu cáp quang lấy tín hiệu đƣa vào phổ kế. Trƣớc các đầu đo quang có một tấm chắn sáng nhằm ngăn chặn các tia sáng trực tiếp từ nguồn sáng tới đầu đo. Các thông số điện cũng đƣợc đo đạc và xử lý đồng bộ với các thông số quang thông và quang phổ. Tất cả các đại lƣợng đo đƣợc phải chuẩn hoá sử dụng một số bộ đèn chuẩn, đèn Hg phổ vạch để chuẩn bƣớc sóng, đèn Halogen chuẩn quang thông Kết quả xử lý của hệ đo đặc trƣng quang điện sử dụng quả cầu tích phân đƣợc báo cáo dƣới dạng 3 loại thông số nhƣ sau: Thông số trắc quang: Quang thông F (Flux), đơn vị đo lm; Hiệu suất quang LE (Luminous Efficacy), đơn vị đo lm/W; Công suất quang LP (Luminous Power) đơn vị đo W; Thông số màu sắc: Độ màu xy, Độ lệch màu ∆uv, Nhiệt độ màu tƣơng quan CCT, Bƣớc sóng đỉnh (peak wavelength), Độ sạch màu (color purity), Chỉ số hoàn màu CRI. Thông số điện: Điện áp (V), Dòng nuôi I (A), Công suất tiêu thụ P (W), Hệ số công suất PF (Power Factor). Quả cầu tích phân của Viện Khoa học vật liệu đƣợc bố trí ở phòng 134 toà nhà A2 và không những đƣợc sử dụng trong các nghiên cứu của Viện, mà còn là phƣơng tiện hợp tác với các đối tác trong và ngoài VAST. Góc quang kế (Goniophotometer): là thiết bị đo phân bố cƣờng độ sáng theo góc. Cấu tạo góc quang kế của đƣợc mô tả nhƣ trên Hình 2.18 bao gồm một hệ thống gƣơng quét toạ độ theo góc tà và góc phƣơng vị. Các tia sáng phát ra từ nguồn sáng đƣợc thu bởi một đầu thu quang đặt cách xa nguồn sáng khoảng 10m. Thiết bộ đo đƣợc 62 điều khiển, thu thập và xử lý tín hiệu bởi một phần mềm chuyên dụng. Kết quả đo đƣợc chuẩn hoá và lƣu trữ dƣới định dạng IES, theo đó cƣờng độ sáng (đơn vị đo cd) là một hàm của góc chiếu. Lấy tích phân cƣờng độ sáng theo góc khối trên toàn bộ khối cầu chúng ta sẽ tính đƣợc quang thông của nguồn sáng. Hình 2. 18. Sơ đồ cấu tạo của Goniophotometer Các bộ đèn LED của chúng tôi đều đƣợc đo phân bố cƣờng độ sáng theo góc tại Công ty Rạng Đông, là nơi chúng tôi là công tác viên trong nhiều năm qua. Kết quả đo đạc đƣợc xuất ra dƣới định dạng IES phù hợp với yêu cầu của phần mềm Dialux thiết kế chiếu sáng. 2.4. Xây dựng mô hình chiếu sáng. Mô phỏng môi trường chiếu sáng sử dụng phần mềm Dialux Evo. Dialux là phần mềm thiết kế chiếu sáng độc lập phát triển bởi công ty DIAL GmbH – Đức và cung cấp miễn phí cho ngƣời có nhu cầu. Dialux tính toán chiếu sáng dựa theo tiêu chuẩn châu Âu nhƣ EN 12464, ISO 8995. Một trong các ƣu điểm của phần mềm là đƣa ra nhiều phƣơng án lựa chọn bộ đèn với các thông số cần thiết dƣới định dạng ULD và IES. Dialux cho phép nhập vào bộ đèn của những hãng khác dƣới định dạng IES, nhƣng không cho phép đƣa định dạng ULD (với các thông số về kết cấu cơ khí của bộ đèn) vào thƣ viện thiết kế. Dialux còn đƣa ra các thông số kỹ thuật ánh sáng, giúp ta thực hiện nhanh chóng quá trình tính toán hoặc cho phép ta sửa đổi thông số đó. 63 Hình 2. 19. Biểu đồ cƣờng độ sáng của đèn SkyLED chiếu trần trên 2 mặt phẳng Hình 2. 20. Biểu đồ cƣờng độ sáng của đèn SkyLED chiếu trần trong mô phỏng 3D. Dialux có các bộ công cụ để vẽ mô hình kiến trúc nội ngoại thất, cho phép hỗ trợ các file bản vẽ Autocad với định dạng DXF, DWG hoặc PDF để dựng mô hình 3D. Hơn nữa, Dialux cũng cho phép chèn nhiều vật dụng 3D khác nhau vào dự án nhƣ : bàn, ghế, TV, giƣờng, gác lửng, cầu thangBên cạnh đó là một thƣ viện khá nhiều vật liệu để áp vào các vật dụng trong dự áncũng nhƣ dễ dàng hiệu chỉnh mặt bằng theo ý muốn của mình. Tính toán chiếu sáng những không gian đặc biệt (trần nghiêng, tƣờng nghiêng, có đồ vật, vật dụng trong phòng) trong điều kiện có và không có ánh sáng tự nhiên. Chúng tôi đã đo đạc các thông số quang điện (sử dụng quả cầu tích phân nối phổ kế) và phân bố cƣờng độ sáng (sử dụng góc quang kế) một số loại đèn LED tích hợp thấu kính AF để tạo dựng dữ liệu IES. Một ví dụ về đƣờng cong phân bố IES cho đèn chiếu trần đƣợc trình bày trên Hình 2.19 dƣới dạng 2D trên mặt phẳng 0o mặt phẳng 90 o và dƣới dạng 3D trong mô hình dựng bằng phần mềm Dialux (Hình 2.20). Công việc mô phỏng môi trƣờng chiếu sáng sử dụng phần mềm Dialux Evo bắt đầu từ việc mở một dự án (project) EVO, ví dụ một dự án chiếu sáng trong nhà (interior). Chúng ta sẽ sửa soạn mặt bằng (plan) đã đƣợc thiết kế trên bản vẽ định dạng DXF, DWG hoặc PDF để dựng mô hình 3D, xác định vị trí, hƣớng nhà, cao độ. Chúng ta cũng có thể xây dựng mặt bằng từ đầu, sau đó sẽ xây dựng toà nhà với các phòng ốc hoặc khu vực cần đƣợc chiếu sáng với các công cụ tiện dụng, nhƣng không vẽ đƣợc 64 các chi tiết phức tạp ít có đóng góp cho kết quả chiếu sáng. Sau khi xây dựng thô toà nhà, chúng ta có thể hoàn thiện nội ngoại thất nhƣ cửa sổ, cửa ra vào, cầu thang, cột kèo, trần nhà, mặt nhàPhần hoàn thiện còn bao gồm cả tính chất bề mặt (vật liệu, màu sắc, độ bóng) của các cấu kiện của toà nhà. Công việc tiếp theo là đặt đồ đạc vào các phòng, với một thƣ viện một số đồ nội thất đã đƣợc cung cấp. Chúng ta cũng có thể bổ sung hình vẽ các đồ đạc bằng cách sử dụng một số công cụ đơn giản tạo các hình khối 3D, sau đó định nghĩa vật liệu và màu sắc nhƣ đối với trần tƣờng sàn của căn phòng. Những hình vẽ định dạng 3DS, IFC hoặc STF đều có thể nhập (import) vào dự án EVO, khi chúng ta muốn sử dụng các dữ liệu có độ phân giải cao và chi tiết hơn. Sau quá trình xây dựng, chúng ta sẽ sử dụng các loại đèn khác nhau để chiếu sáng ban đêm, hoặc phối hợp với ánh sáng tự nhiên để chiếu sáng ban ngày. Cần có một thƣ viện dữ liệu IES hoặc ULD của các loại đèn để tiến hành thiết kế. Dữ liệu IES đƣợc các nhà sản xuất nguồn sáng cung cấp để có thể quảng cáo sản phẩm của mình. Họ cũng là nhà tài trợ cho công ty DIAL GmbH để cung cấp phần mềm miễn phí này cho ngƣời sử dụng. Dữ liệu ULD cung cấp nhiều thông số hơn cho nhà thiết kế, nhƣng đây là đặc quyền của chủ sở hữu phần mềm nên các nhà sản xuất hoặc thiết kế khác không tạo ra đƣợc. Có nhiều công cụ khác nhau để bố trí hệ thống chiếu sáng, cũng nhƣ lựa chọn các thông số khác nhau cần tính toán, mô phỏng. Sau khi mô phỏng, các kết quả tính toán rất đa dạng, nhƣng chủ yếu đƣợc đƣa ra dƣới 3 dạng là hình ảnh 3D, bản đồ độ rọi và giá trị độ chói quan sát tại các vị trí khác nhau. Hệ số hạn chế chói loá UGR cũng đƣợc tính toán và đƣa ra kết quả nếu chúng ta yêu cầu. Cuối cùng, chúng ta cũng có thể in ra các tài liệu tổng kết quá trình mô phỏng với một bản đồ độ rọi trên mặt làm việc, các giá trị độ rọi mặt đứng hoặc mặt nghiêng, số lƣợng và chủng loại, thông số nguồn sáng đƣa vào sử dụng, mật độ công suất sử dụng, tổng công suất. Chúng ta cũng có thể xuất ra sơ đồ lắp đặt nguồn sáng từng phòng của toà nhà. Chúng tôi đã sử dụng phần mềm này và các dữ liệu IES của các loại đèn cần thiết để thiết kế và tính toán mô phỏng cho nhiều công trình khác nhau, tiêu biểu là một số công trình thực tế và một số mô hình trình diễn. 65 Kết luận chƣơng II Với mục tiêu tạo ra môi trƣờng chiếu sáng thân thiện với con ngƣời, chúng tôi đã sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết nhƣ tính toán, mô phỏng để tìm ra các tiêu chí thiết kế các linh kiện, bộ đèn và mô hình chiếu sáng. Các linh kiện quang học và tản nhiệt của bộ đèn đƣợc chế tạo bằng các công nghệ hiện đại nhƣ ép phun nhựa dẻo và đùn nhôm. Việc nghiên cứu đặc trƣng cấu trúc, tính chất quang của tổ hợp vật liệu phát quang đƣợc thực hiện trên các hệ đo huỳnh quang phân giải cao và kính hiển vi huỳnh quang tại Viện Khoa học vật liệu. Các thông số quang-điện của bộ đèn SkyLED đƣợc đo trên hệ đo quả cầu tích phân tích hợp với phổ kế. Phổ phân bố cƣờng độ sáng đƣợc khảo sát trên hệ đo Goniophotometer. Để đánh giá hiệu quả sử dụng cuối cùng của giải pháp chiếu sáng, chúng tôi đã xây dựng các mô hình thực tế sử dụng các bộ đèn SkyLED đã chế tạo. 66 CHƢƠNG III. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ĐÈN LED TRẮNG CẤU HÌNH REMOTE-PHOSPHOR Nhƣ đã trình bày ở phần tổng quan, phần lớn các loại LED trắng thƣơng mại hiện nay đƣợc sản xuất bằng công nghệ phủ bột huỳnh quang lên trên chip LED xanh lam [105]. Với cấu hình phủ trực tiếp bột phosphor lên chip LED chỉ có một phần lƣợng ánh sáng đi ra khỏi bóng đèn LED và trở thành hữu ích. Còn lại bị hất ngƣợc trở lại chip và bị tiêu hao làm giảm hiệu suất của đèn. Ánh sáng bị hất ngƣợc trở lại chip LED một phần bị hấp thụ, một phần biến thành nhiệt, cùng với nhiệt tỏa ra từ chip LED xanh, nhanh chóng làm nóng chip LED và cả lớp phosphor phủ trên chip, làm giảm tuổi thọ của đèn, đồng thời vấn đề tản nhiệt cho đèn LED cũng trở nên khó khăn hơn. Từ nhu cầu thực tiễn giải quyết bài toán hiệu suất và tản nhiệt cho đèn LED, các nhà khoa học đã đƣa ra cấu hình mới cho đèn LED trắng, để bột huỳnh quang cách xa chip LED (remote – phosphor). Theo cấu hình này hiệu suất đóng gói của đèn LED trắng mới tăng lên tới 70% [95], thậm chí lên tới trên 90% với cấu hình phức tạp hơn [96]. Khi sử dụng cấu hình remote – phosphor đƣa bột phosphor cách xa chip LED xanh lam, không những chỉ tăng hiệu suất lấy sáng của đèn LED mà còn tăng tuổi thọ cho linh kiện do nhiệt độ làm việc của lớp phosphor giảm đáng kể. Một số hãng sản xuất nguồn sáng đã đƣa cấu hình này vào sản xuất thƣơng mại hóa, tuy nhiên dƣới dạng các bóng đèn LED thay thế có kích thƣớc nhỏ. Đã có các giải pháp đƣa ra để tăng diện tích chiếu sáng, sử dụng tấm dẫn sáng phẳng có in ma trận chiết sáng tạo thành mặt phát sáng có phân bố sáng đồng đều. Giải pháp này đƣợc sử dụng trong các bộ đèn LED panel phẳng, với LED trắng là nguồn phát sá