Nghiên cứu tạo lớp phủ phản xạ khuyeesch tán cao từ vật liệu BaSO4 lên trên bề mặt trong quả cầu tích phân ứng dụng đo quang thông LSDs - Cao Xuân Quân

Vật lý C.X.Quân, V. K.Xuân, N.T.Nga, V.T.Sơn, "Nghiên cứu tạo lớp quang thông LEDs." 142 nghiÊn cứu tạo lớp phủ phản xạ khuếch tán cao từ vật liệu BaSO4 lên trên bề mặt trong quả cầu tích phân ứng dụng đo quang thông leds cao xuân quân*, Vũ KHáNH XUÂN*, nguyễn tuyết nga**, võ thạch sơn** Tóm tắt: Trong các phương pháp đo lường nói chung và đo lường quang nói riêng, độ chính xác của phép đo là một trong những thông số quan trọng. Để tăng độ chính xác phép đo thông lượng ánh sáng của đèn LEDs bằng quả cầu tích phân thì việc hình thành lớp phủ phản xạ khuếch tán mặt trong quả cầu trong quá trình chế tạo quả cầu tích phân rất quan trọng. Trong công trình này, chúng tôi đã nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày lớp phủ phản xạ khuếch tán BaSO4 bằng phương pháp phun phủ đến độ phản xạ của lớp phủ mặt trong quả cầu tích phân có đường kính trong d = 1m. Kết quả phân tích cho thấy, độ phản xạ khuếch tán trung bình R  80% trong vùng ánh sáng nhìn thấy với hỗn hợp phun gồm 60g BaSO4, 40ml nước tinh khiết và 0,5gpolyvinyl ancohol. Độ phản xạ khuếch tán tăng dần khi chiều dày lớp phủ tăng. Chiều dày lớp phủ tối ưu  0,67mm tương ứng với R  98% và hệ số nhân M  21,5. Từ khóa: Đo lường quang, Thông lượng ánh sáng, Quả cầu tích phân, Phản xạ khuếch tán, BaSO4. 1. giới thiệu Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đèn LEDs ngày càng được sử dụng rộng rãi trong chiếu sáng vì LEDs có nhiều ưu điểm hơn so với các loại đèn khác như tiêu thụ điện năng thấp, phát xạ ánh sáng định hướng cao, thời gian đáp ứng nhanh, thời gian sống dài và thân thiện môi trường [1,2 ]. Do đèn LEDs có tính chất quang phức tạp nên việc thiết kế chế tạo quả cầu tích phân ứng dụng để đo quang thông đèn LEDs là rất quan trọng. Một trong những công đoạn quan trọng trong chế tạo quả cầu tích phân là phủ lớp phủ phản xạ khuếch tán mặt trong quả cầu bởi vì lớp phủ mặt trong quả cầu tích phân sẽ cung cấp một nguồn ánh sáng đồng đều và đây chính là một trong những yếu tố quan trọng liên quan đến độ chính xác của phép đo quang thông [3]. Vật liệu phản xạ khuếch tán được đặc trưng bởi phản xạ không phổ, có nghĩa là ánh sáng phản xạ đồng nhất theo tất cả các hướng. Bề mặt phản xạ khuếch tán lý tưởng là bề mặt Lambertian, bề mặt này phản xạ hoàn toàn (có độ phản xạ R=100%)[6]. Thực tế không có bề mặt Lambertian tồn tại, các nhà khoa học mong muốn tạo ra vật liệu phản xạ khuếch tán gần với lý tưởng. Hiện nay, có rất nhiều vật liệu có thể sử dụng làm vật liệu phản xạ khuếch tán, chẳng hạn như PTFE (polytetraflouroethylene)[5], PVAl(polyvinyl alcohol)[5], TiO2( sơn trắng)[4], BaSO4( bari sunfat) [3], Tùy thuộc vào mục đích ứng dụng người ta nên sử dụng vật liệu phản xạ khuếch tán nào. BaSO4 là vật liệu thông dụng nhất sử dụng làm lớp phủ phản xạ khuếch tán bởi vì vật liệu này có thể phủ trên các bề mặt khác nhau (thủy tinh, nhựa, kim loại, gỗ,), các hình dáng khác nhau (mặt phẳng, hình cầu,). Độ phản xạ khuếch tán R98% trong vùng bước sóng = 2502500nm và có giá trị độ phản xạ gần bằng với bề mặt phản xạ khuếch tán hoàn hảo Lambertian (R=100%). Chất lượng của lớp phủ phụ thuộc nhiều vào công nghệ chế tạo. Trong công trình này, chúng tôi nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ chế tạo lớp phủ như chiều dày lớp phủ BaSO4 đến độ phản xạ khuếch tán của bề mặt bên trong quả cầu tích phân. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 31, 06 - 2014 143 2. thực nghiệm Bề mặt phản xạ khuếch tán bên trong quả cầu tích phân được tạo bởi vật liệu BaSO4 bằng phương pháp phun phủ sử dụng súng phun, áp suất phun có thể được điều chỉnh. Trong công trình này, chúng tôi sử dụng bột BaSO4, polyvinyl alcohol và nước tinh khiết theo tỉ lệ thích hợp như dung dịch phun.Việc lựa vật liệu pha trộn đầu vào rất quan trọngbởi vì nó ảnhđến độ phản xạ, độ thăng giáng của bề mặt được tạo. Khoảng cách từ đầu phun tới bề mặt phun d = 15  25 cm. Nhiệt độ phun T = 230C  300C và áp suất phun p = 4,85,8 kg/cm2. Bề mặt phản xạ khuếch tán được lắng đọng lên trên mặt trong quả cầu tích phân. Sau mỗi lần phun lớp phủ được để khô tự nhiên trong khoảng 2h. Sau đó dùng chổi mềm, dòng khí nén thổi để loại bỏ các hạt BaSO4 không bám dính hoặc bán dính kém trên bề mặt. Số lần phun phụ thuộc vào chiều dày cũng như độ phản xạ khuếch tán, thăng giáng độ phản xạ mong muốn. Chiều dày của các lớp phủ được xác định bằng thiết bị đo chiều dày có phạm vi đo (025)mm, độ phân giải là 0,001mm. Độ phản xạ của các lớp phủ được phân tích bằng phương pháp phổ hấp thụ UV-Vis- NIR trong khoảng bước sóng  = 380  780 nm trên hệ thiết bị UV-Vis- NIR của Perkin elmer 1050. 3. kết quả và thảo luận Theo thông báo của CIE (International Commission on Illumination)[8], bề mặt phản xạ khuếch tán bên trong quả cầu tích phân dùng để đo quang thông thường có hệ số phản xạ  0,8 trong vùng ánh sáng nhìn thấy ( = 380  780 nm). Như vậy, trong quá trình chế tạo quả cầu tích phân thì công đoạn tạo bề mặt phản xạ bên trong quả cầu tích phân là rất quan trọng. Lớp phủ hình thành phải có một chiều dày nhất định nhưng cũng phải thỏa mãn điều kiện có  0,8, độ thăng giáng độ phản xạ đạt giá trị sao cho sự phân bố ánh sáng đồng đều được đánh giá thông qua hệ số nhân M của quả cầu tích phân trong khoảng bước sóng  = 380  780 nm. Hình 1 dưới đây là đồ thị phụ thuộc của độ phản xạ khuếch tán vào chiều dày lớp phủ. Dễ thấy rằng, khi chiều dày lớp phủ tăng thì độ phản xạ khuếch tán của bề mặt quả cầu tích phân cũng tăng. Giá trị độ phản xạ trung bình của lớp phủ có chiều dày 0,67mm là khoảng 98,5%. Độ thăng giáng của độ phản xạ khuếch tán là thông số quang trọng vì giá trị độ thăng giáng cho biết khả năng tạo ra sự phân bố ánh sáng trong quả cầu tích phân. Độ thăng giáng của lớp phủ này được xác định bằng giá trị độ phản xạ lớn nhất trừ giá trị độ phản xạ nhỏ nhất trong dải phổ  = (380  780) nm, có giá trị khoảng 1,4%. Kết quả này phù hợp với công bố của Labsphere [7], LMT [9], Optronik[10]. 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 84 86 88 90 92 94 96 98 100 R , % d, mm Hình 1. Sự phụ thuộc của độ phản xạ khuếch tán theo chiều dày lớp phủ. Sự phụ thuộc của phổphản xạ khuếch tán với số lớp phủ BaSO4khác nhau được biểu diễn trong hình 2. Từ đồ thị hình 2, thấy rằng, độ phản xạ khuếch tán của tất cả các lớp phủ với số lần phủ khác nhau đều lớn hơn 80% và tăng dần theo số lần phủ phủ BaSO4. Vật lý C.X.Quân, V. K.Xuân, N.T.Nga, V.T.Sơn, "Nghiên cứu tạo lớp quang thông LEDs." 144 400 450 500 550 600 650 700 750 80.0 82.5 85.0 87.5 90.0 92.5 95.0 97.5 100.0 (c) (d) (e) (b) Đ ộ p hả n x ạ R , % Bước sóng nm (a) Hình 2. Phổ phản xạ khuếch tán của lớp phủ với số lần phủ (chiều dày) khác nhau (a) 1 lớp (b) 2 lớp (c) 3 lớp (d) 4 lớp và (e)5 lớp. Độ phản xạ khuếch tán thấp nhất với lớp BaSO4 phủ thứ nhất và cao nhất với trường hợp lớp phủ thứ 5. Sự chênh lệch độ phản xạ khuếch tán trung bình giữa lớp phủ thứ nhất và lớp phủ thứ 2 là khoảng 6%, lớp phủ thứ 2 và lớp phủ thứ 3 là khoảng 5,6%. Độ phản xạ khuếch tán trung bình tăng không đáng kể giữa lớp phủ thứ 3, lớp phủ thứ 4 và lớp phủ thứ 5. Hơn nữa, sự thăng giáng về độ phản xạ khuếch tán lớn nhất trong trường hợp phủ một lớp và có giá trị khoảng 6,7%. Sự thăng giáng này giảm dần khi số lớp phủ tăng lên hay chiều dày lớp phủ tăng lên và đạt giá trị nhỏ nhất là 1,4% tương ứng với trường hợp lớp phủ thứ 5. Hệ số nhân M (Sphere multiplier) của quả cầu tích phân đặc trưng cho sự tăng bức xạ do phản xạ nhiều lần bên trong quả cầu tích phân và được xác định bằng biểu thức sau [10]: = 1 − (1 − ) trong đó,  là hệ số phản xạ khuếch tán, f là hệ số phụ thuộc vào diện tích mở trên quả cầu tích phân mà ở đó phản xạ được xem như bằng không. Theo thông báo của Optronik [10], quả cầu tích phân dùng trong các phép đo trắc quang và đo bức xạ thường có hệ số phản xạ khuếch tán trong khoảng 0,94 << 0,99; 0,02 < f < 0,05 và hệ số nhân M = 10  30.Đối với quả cầu tích phân được chúng tôi thiết kế ứng dụng đo quang thông LEDs (quả cầu tích phân có đường kính trong d = 1m), với giá trị f = 0,027 được thiết kế. Sự phụ thuộc của hệ số nhân M theo hệ số phản xạ biểu diễn trong hình 3. Dễ nhận thấy, trong khoảng hệ số phản xạ khảo sát, hệ số nhân M có giá trị trong khoảng 2030. 0.980 0.982 0.984 0.986 0.988 0.990 0.992 0.994 20 22 24 26 28 30 H ệ số n h ân M Hệ số phản xạ R Hình 3. Sự phụ thuộc của hệ số nhân M theo hệ số phản xạ. 4. Kết luận Mặt trong của quả cầu tích phân đã được phủ lớp phản xạ khuếch tán từ vật liệu BaSO4 bằng công nghệ phun phủ. Kết quả nghiên cứu cho thấy, lớp phủ phản xạ khuếch tán bề Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 31, 06 - 2014 145 mặt bên trong quả cầu tích phân gồm năm lớp phủ có chiều dày =0,67mm cho kết quả độ phản xạ khuếch tán trung bình R 98,5% và độ thăng giáng phản xạ đạt khoảng 1,4 % trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn sự tài trợ về kinh phí của Viện đo lường Việt Nam. Tài liệu tham khảo [1]. Bong-Min Song, Bongtae Han, Joon-Hyun Lee, “Optimum design domain of LED- based solid state light considering cost, energy consumption and reliability”, Microelectronics reliability 53(2013),pp. 435-442. [2]. Moon-Hwan Chang, Diganta Das, P.V. Varde, Michael Pecht, “Light emitting diodes reliability review”, Microelectronics Reliability 52 (2012), pp.762-782 Ducharme, A., Daniels, A., Grann, E., and Boreman,”Design of an integrating sphere as a uniform illumination source”, IEEE Trans. on Edu., (1997) Vol. 40, No. 2, pp. 131 - 134. [3]. Dupont Titanium Technologies. "Titanium dioxide for coatings" Wilmington, DE, (2002). [4]. Edmund Optics,“Optics and Optical Instruments Catalog 2007”, Edmund Optics Inc. Barrington, NJ, (2007). [5]. G. Schaepman-Strub, M.E. Schaepman, T.H. Painter, S. Dangel, “MartonchikReflectance quantities in optical remote sensing definitions and case studies”, Remote Sensing of Environment 103 (2006), pp 27-42 [6]. Labsphere.Inc, “Technical guide Integrating sphere Radiometry and Photometry” [7]. “Measurement of luminous flux”, CIE Publication No.84,1st edition, 1989 [8]. “Photometer paint for Inegrating spheres”, Optronik.Inc, Integrating sphere, 2005 abstract high diffuse reflectance coating from bASO4on the surface of integrating sphere, applied in Ledsluminous flux measurement In the method of measurement, particularly the radiometry and photometrymeasurements, the accuracy of the measurement is one of the important parameters. To increase the accuracy of measurements of LEDs luminous flux by integrating sphere, the formation of diffuse reflectance coating surface in manufacturing process is very important. In this work, we have studied the influence of BaSO4 diffuse reflection coatingthickness by spraying to the reflectivity of the coating surface of the integratingsphere diameter d = 1m. The analysis results showed that the average diffuse reflectance R 80 % in the visible light region with a spray mixture consisting of 60 g of BaSO4, 40ml pure water and 0,5 g polyvinyl ancohol. The diffuse reflectance is increasing withincreasing thickness coating. Optimum coatingthickness  0.67 mm corresponding to R  98 % and sphere multiplier M  21.5 Keywords: LED measurement, Integrating sphere, Luminous flux, BaSO4, Diffusion reflectance coating. Nhận bài ngày 15 tháng 3 năm 2014 Hoàn thiện ngày 20 tháng 5 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 28 tháng 5 năm 2014 Địa chỉ: * Viện đo lường Việt Nam, quancx@vmi.gov.vn ** Đại học bách khoa