Những tiến bộ mới trong công nghệ LED

33

Các cải tiến đối với hệ thống chiếu sáng ở trạng thái rắn bằng việc tạo ra các điốt nhỏ hơn, linh hoạt hơn và hiệu quả hơn đã giúp đổi mới thiết kế kiến trúc chiếu sáng.

Vật liệu vụn từ bộ đèn in 3D của Signify, có thể tái chế. Ảnh: Internet.

Từ những năm 1970, đèn LED đã được sử dụng trong lĩnh vực điện tử, nhưng chỉ gần đây chúng mới gia nhập — và chuyển đổi — thị trường chiếu sáng và thiết kế kiến trúc. Giờ đây, có thể khẳng định chắc chắn là đèn LED đã được thay thế cho đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang để tiết kiệm năng lượng, vì thế các đèn nói trên sẽ càng ngày càng ít nhìn thấy hơn tại các triển lãm thương mại công nghiệp.

Những tiến bộ trong công nghệ chiếu sáng ở trạng thái rắn (SSL) đã làm cho các điốt riêng lẻ nhỏ hơn, sáng hơn, tiết kiệm chi phí hơn và linh hoạt hơn. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, với dự kiến chuyển đổi các sản phẩm trong nhà và ngoài trời từ các nguồn sáng thông thường sang đèn LED, sẽ giúp giảm 75% việc sử dụng năng lượng — tiết kiệm gần 630 tỷ đô la — từ năm 2015 đến năm 2035.

Trước đây, những tiến bộ trong SSL của các nhà khoa học và nhà sản xuất thường nảy sinh qua quá trình thử và sai, nhưng nghiên cứu về loại sản phẩm này đã trở nên có phương pháp và có mục đích hơn. Bài viết này trình bày những thành tựu gần đây trong sự phát triển của công nghệ SSL.

Tiến độ sản xuất

Các thiết bị đèn LED đã trải qua một chặng đường dài, từ những cải tiến về hiệu suất, sự khớp nối về kích thước, hình dạng, hình thức và giao diện vật lý. Hiệu quả của đèn LED – hiệu quả hoạt động của bản thân các điốt, được đo bằng lumen trên mỗi watt – đã tăng lên đáng kể trong khi chi phí của chúng giảm xuống, nhưng vẫn còn chỗ để cải thiện hiệu quả của tổng thể vật cố định.

Trong bản báo cáo năm 2017 của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) “Hiệu quả của đèn LED: Điều mà nước Mỹ đạt được”, các thiết bị LED có hiệu suất cao nhất (tại thời điểm báo cáo được công bố) có thể phát ra từ 160 đến 170 lumen mỗi watt. DOE dự đoán rằng việc sử dụng kiến trúc chuyển đổi phosphor (pc-LED) có thể tăng hiệu suất lên 255 lumen mỗi watt.

 

Hiệu quả LED. Nguồn: Lumileds (Internet).

Đồ đạc cũng trở nên nhỏ gọn hơn. Đèn LED gói quy mô chip (CSP) loại bỏ nhu cầu về một gói hoặc vỏ bọc một chip LED và phốt pho. Hơn nữa, việc thay thế gốm sứ – được sử dụng rộng rãi trong các bao bì vì các đặc tính chịu nhiệt của chúng – bằng vật liệu polyme nâng cao có thể làm cho mức giá cạnh tranh hơn mà không ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu suất của đèn LED. Bởi vì các nhà sản xuất có thể sử dụng ít đèn LED hơn để tạo ra hiệu ứng tương tự, họ có thể đạt được thiết kế nhỏ gọn hơn, tăng sự thoải mái về thị giác và giảm chi phí cho đồ đạc.

Các chấm lượng tử có tiềm năng tạo ra các hệ thống hiệu quả hơn và giá cả phải chăng. Marc Dyble, giám đốc tiếp thị sản phẩm của Osram, có trụ sở tại Detroit, cho biết: “Chiếu sáng trắng trong các thiết bị đèn LED chủ yếu dựa trên chuyển đổi phosphor, “và mặc dù có những tiến bộ trong thập kỷ qua, mức độ hiệu quả vẫn ổn định. Những phát triển trong công nghệ đằng sau các chấm lượng tử — các hạt bán dẫn cực nhỏ có thể phát ra ánh sáng và có thể có đường kính nhỏ bằng 10 nguyên tử (nhỏ hơn khoảng 10.000 lần so với đường kính của một sợi tóc) — sẽ giảm đáng kể chi phí sản xuất của hệ thống chiếu sáng LED. ”

 

Cấu trúc lượng tử LED. Ảnh: Internet.

Đèn LED thông minh, kết hợp trình điều khiển LED và giao diện điều khiển thành một gói duy nhất, có thể làm được nhiều việc hơn là phát ra hoặc phát hiện ánh sáng. Cái gọi là điều khiển thông minh màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam dưới dạng Smart RGBi có thể loại bỏ thêm nhu cầu về các thành phần bổ sung. Các thiết bị LED này có thể được điều chỉnh theo nhiều cách, từ góc chùm tia đến hướng và độ chiếu sáng của nguồn LED mà không cần quang học phức tạp.

Những tiến bộ trong sản xuất chuyển thành các ứng dụng sản phẩm tốt hơn và cuối cùng là cải thiện trải nghiệm người dùng. Dyble cho biết, các nhiệm vụ như dẫn đường trong bệnh viện để tìm phòng bệnh “có thể được thực hiện dễ dàng hơn với thông điệp có thể tùy chỉnh được chiếu lên tường hoặc bề mặt sàn từ đèn chiếu sáng chỉ dựa trên vị trí của bạn. Những phát triển hơn nữa về hiệu suất theo góc màu của nguồn LED làm giảm các dải màu vàng và xanh lam, dẫn đến màu sắc đồng nhất từ các thiết bị chiếu sáng chiếu sáng các bức tường của hành lang bệnh viện. ”

Con người làm trung tâm

Ngoài hiệu quả và hiệu suất, ngành công nghiệp đang áp dụng một phương pháp chiếu sáng toàn diện hơn. Michael Giardina, giám đốc sản phẩm tại Acclaim Lighting tại Los Angeles, cho biết: “Các nhà cung cấp đèn LED đang thấy lợi ích của việc kết hợp nhiều hệ thống với nhau như điều chỉnh màu sắc, từ mờ đến ấm và nhịp sinh học.

Những đổi mới này đã giúp khơi dậy sự quan tâm đến ánh sáng lấy con người làm trung tâm (HCL), thường được gọi là chiếu sáng sinh học, nhằm hỗ trợ sức khỏe và năng suất của con người thông qua các nguồn chiếu sáng động. Những tiến bộ trong công nghệ LED đã thúc đẩy việc tạo ra hệ thống ánh sáng trắng có thể điều chỉnh được, bắt chước ánh sáng ban ngày bằng cách điều chỉnh nhiệt độ màu và mức độ sáng tương quan trong suốt cả ngày. Dyble nói: “Chúng tôi đã vượt qua quan điểm của ánh sáng tĩnh — chẳng hạn như đèn huỳnh quang trong không gian văn phòng hoặc đèn sợi đốt trong nhà — để điều chỉnh quang phổ ánh sáng cho phù hợp với thời gian trong ngày, về cơ bản là bắt chước ánh sáng ban ngày trong nhà”. “Những cải tiến về chất lượng ánh sáng — hay độ trung thực của màu sắc — của các nguồn LED cũng là trọng tâm chính sử dụng phốt pho mới, trong khi vẫn duy trì hiệu suất cao”.

Giardina nói: “Các nghiên cứu và công nghệ đằng sau các hệ thống màu trắng có thể điều chỉnh được hiện đã hoàn thiện một cách hợp lý, mặc dù các hệ thống điều khiển tiên tiến hơn và các tùy chọn sản lượng cao hơn luôn được tung ra thị trường. “Giá trị của các hệ thống màu trắng có thể điều chỉnh được giờ đây nằm ở việc giáo dục và áp dụng công nghệ bởi một lượng lớn công chúng”.

Công nghệ chấm lượng tử cũng có thể nâng cao khả năng chiếu sáng lấy con người làm trung tâm vì chúng có khả năng được điều khiển và lập trình chính xác. Đầu ra có màu sắc phong phú, bão hòa bắt chước ánh sáng mặt trời thực. Theo một số nghiên cứu, ánh sáng động tạo ra thậm chí có thể cải thiện nhịp sinh học.

Trước và sau cuộc sống

Đảm bảo chất lượng và tác động môi trường là hai lĩnh vực bổ sung đã được cải thiện. Quá trình đánh giá và chứng nhận hiệu suất của đèn LED đã được hưởng lợi từ những tiến bộ trong công nghệ, giúp giải đáp thắc mắc của người dùng về độ tin cậy, hiệu suất và tác động môi trường của từng điốt. Năm nay, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia thuộc Bộ Thương mại Hoa Kỳ, đã bắt đầu cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn nhanh hơn, chính xác hơn để đánh giá độ sáng của đèn LED và các sản phẩm chiếu sáng trạng thái rắn khác cho các nhà sản xuất đèn. Trước đây, đèn đã được hiệu chỉnh bằng quang kế, công cụ đo độ sáng ở tất cả các bước sóng đồng thời xem xét độ nhạy cảm tự nhiên của mắt người đối với một loạt màu sắc. Phòng thí nghiệm NIST đã có thể đo độ sáng của đèn với độ không đảm bảo đo thấp hợp lý — trước đây là từ 0,5% đến 1,0%. Nhờ cải tiến về thiết bị và quy trình — cụ thể là nâng cấp lên hai bảng thiết bị tự động, một cho nguồn sáng và một cho máy dò — NIST đã giảm độ không đảm bảo xuống còn 0,2% hoặc ít hơn.

David Thrower, đèn chiếu sáng in 3D của SignifySignify tại Marks & Spencer, ở Manchester, Anh. Ảnh: Internet.

Bài báo tháng 3 năm 2019 “Cải thiện môi trường và năng lượng của đèn LED theo thời gian: Đánh giá vòng đời so sánh” của các nhà nghiên cứu tại Đại học Portland, Oregon, lưu ý rằng đèn LED mới hơn có tác động môi trường nhỏ hơn so với các công nghệ SSL trước đây — và thậm chí nhiều hơn vì vậy khi so sánh với các công nghệ chiếu sáng thông thường. Đèn LED mới hơn được sản xuất với ít kim loại hơn và do đó tạo ra ít chất thải nguy hại hơn, tất cả đều không ảnh hưởng đến hiệu quả của chúng. Đồng tác giả Heather Dillon, một phó giáo sư về kỹ thuật cơ khí cho biết: “Sự đổi mới trong đèn LED đã tiếp tục định hình một biên giới mới trong chiếu sáng, một biên giới đang phát triển nhanh hơn bao giờ hết”. “Các ứng dụng mới cho người tiêu dùng, như đèn LED kết nối với điện thoại thông minh, là sáng tạo yêu thích của tôi. Thách thức đối với các sản phẩm mới và sáng tạo là sự phức tạp của các thiết bị, khiến thời hạn sử dụng trở thành mối quan tâm của người tiêu dùng. Đây là cơ hội để các nhà phát triển đèn LED đóng vai trò lãnh đạo trong cách thiết kế các thiết bị điện tử tiêu dùng của tương lai để tái chế và tái sử dụng”.

David Thrower,  Chi tiết của Signify về bộ đèn chiếu sáng theo dõi Philips MS-S dành cho nhà bán lẻ Marks and Spencer. Ảnh: Internet.

Dịch vụ và thị trường đèn LED mới nổi

Khả năng tiếp cận và khả năng theo yêu cầu của in 3D đã mở rộng sang ngành SSL. Các nhà thiết kế chiếu sáng và kiến trúc sư giờ đây có thể hình thành các cụm đèn với các yếu tố hình thức tùy chỉnh cụ thể cho một dự án và thậm chí sản xuất chúng tại chỗ, giảm thiểu thời gian thực hiện. Sản xuất phụ gia cũng đã cho phép tích hợp các tản nhiệt, rất quan trọng để hấp thụ và phân tán nhiệt thừa ra khỏi diode LED, trực tiếp trong thiết kế của vỏ cố định thay vì gắn chúng như một thành phần phụ trợ. Những khả năng sản xuất này cuối cùng có thể làm giảm kích thước tổng thể và chi phí của một vật cố định trong khi tăng tính thẩm mỹ của nó và cho phép tiếp cận nhiều hơn với các sản phẩm đặt làm riêng.

Trong khi các nhà sản xuất tăng cường tập trung vào khả năng tùy chỉnh, các kiến trúc sư, nhà thiết kế và chủ sở hữu tòa nhà vẫn tiếp tục bị thu hút bởi khả năng giảm tiêu thụ năng lượng của đèn LED. Nhưng độ tin cậy và sự lỗi thời của công nghệ vẫn tiếp tục là mối quan tâm, đặc biệt là đối với người dùng cuối. Do đó, Dillon lưu ý, một số nhà sản xuất chiếu sáng đã bắt đầu cung cấp các hợp đồng “chiếu sáng như một dịch vụ” đảm bảo các mức độ hoặc tính năng chiếu sáng cụ thể, và sau đó giải quyết sự nhầm lẫn xung quanh quy trình thay thế chiếu sáng. Bà nói: “Các nhà nghiên cứu đã thúc giục các nhà thiết kế và nhà sản xuất nghĩ đến việc tháo rời để sửa chữa và tái sử dụng trong vài năm. Sự phát triển này “tạo cơ hội cho đèn LED duy trì vị trí dẫn đầu trong việc quản lý môi trường”.

Tuấn Nguyễn – Loan (theo Internet)