Smart belysningssystem baseret på kvanteprikker gengiver dagslys mere nøjagtigt

Forskere har designet smarte, farvekontrollerbare hvide lysenheder fra kvanteprikker - bittesmå halvledere på kun et par milliardtedele meter store - som er mere effektive og har bedre farvemætning end standard LED'er og kan dynamisk gengive dagslysforhold i et enkelt lys .

Forskerne fra University of Cambridge designede næste generations smarte belysningssystem ved hjælp af en kombination af nanoteknologi, farvevidenskab, avancerede beregningsmetoder, elektronik og en unik fremstillingsproces.

Holdet fandt ud af, at ved at bruge mere end de tre primære belysningsfarver, der bruges i typiske LED'er, var de i stand til at gengive dagslys mere præcist. Tidlige test af det nye design viste fremragende farvegengivelse, et bredere driftsområde end den nuværende smarte belysningsteknologi og bredere spektrum af hvidt lys-tilpasning. Resultaterne er rapporteret i tidsskriftet Nature Communications .

Da tilgængeligheden og karakteristika ved omgivende lys er forbundet med velvære, kan den udbredte tilgængelighed af smarte belysningssystemer have en positiv effekt på menneskers sundhed, da disse systemer kan reagere på individuelt humør. Smart belysning kan også reagere på døgnrytmer, som regulerer den daglige søvn-vågen-cyklus, så lyset er rødlig-hvidt om morgenen og aftenen og blåligt-hvidt om dagen.

Når et rum har tilstrækkelig naturligt eller kunstigt lys, god blændingskontrol og udsigt til det fri, siges det at have et godt niveau af visuel komfort. I indendørs miljøer under kunstigt lys afhænger visuel komfort af, hvor nøjagtigt farverne gengives. Da farven på objekter bestemmes af belysning, skal smart hvid belysning være i stand til nøjagtigt at udtrykke farven på omgivende objekter. Den nuværende teknologi opnår dette ved at bruge tre forskellige lysfarver samtidigt.

Kvanteprikker er blevet undersøgt og udviklet som lyskilder siden 1990'erne på grund af deres høje farvejustering og farverenhed. På grund af deres unikke optoelektroniske egenskaber viser de fremragende farveydeevne i både bred farvekontrollerbarhed og høj farvegengivelsesevne.

Cambridge-forskerne udviklede en arkitektur til kvantepunkt-lysemitterende dioder (QD-LED) baseret på næste generation af smart hvid belysning. De kombinerede farveoptimering på systemniveau, optoelektronisk simulering på enhedsniveau og parameterudvinding på materialeniveau.

Forskerne producerede en beregningsdesignramme fra en farveoptimeringsalgoritme, der bruges til neurale netværk i maskinlæring, sammen med en ny metode til ladningstransport og lysemissionsmodellering.

QD-LED-systemet bruger flere primære farver – ud over de almindeligt anvendte røde, grønne og blå – for mere præcist at efterligne hvidt lys. Ved at vælge kvanteprikker af en bestemt størrelse - mellem tre og 30 nanometer i diameter - var forskerne i stand til at overvinde nogle af de praktiske begrænsninger ved LED'er og opnå de emissionsbølgelængder, de havde brug for for at teste deres forudsigelser.

Holdet validerede derefter deres design ved at skabe en ny enhedsarkitektur af QD-LED baseret hvid belysning. Testen viste fremragende farvegengivelse, et bredere driftsområde end den nuværende teknologi og et bredt spektrum af tilpasninger af hvidt lys.

Det Cambridge-udviklede QD-LED-system viste et korreleret farvetemperaturområde (CCT) fra 2243K (rødlig) til 9207K (klar middagssol) sammenlignet med nuværende LED-baserede smarte lys, som har en CCT mellem 2200K og 6500K. Farvegengivelsesindekset (CRI) – et mål for farver oplyst af lyset sammenlignet med dagslys (CRI=100) – for QD-LED-systemet var 97 sammenlignet med de nuværende smarte pærer, som er mellem 80 og 91.

Designet kunne bane vejen for mere effektiv og mere præcis smart belysning. I en LED smart pære skal de tre LED'er styres individuelt for at opnå en given farve. I QD-LED-systemet er alle kvanteprikker drevet af en enkelt fælles styrespænding for at opnå det fulde farvetemperaturområde.

"Dette er en verdensnyhed:et fuldt optimeret, højtydende kvantepunktbaseret smart hvidt belysningssystem," sagde professor Jong Min Kim fra Cambridge's Department of Engineering, som var med til at lede forskningen. "Dette er den første milepæl i retning af fuld udnyttelse af kvanteprik-baseret smart hvid belysning til daglige applikationer."

"Evnen til bedre at gengive dagslys gennem dets varierende farvespektrum dynamisk i et enkelt lys er, hvad vi sigtede efter," sagde professor Gehan Amaratunga, som var med i spidsen for forskningen. "Vi opnåede det på en ny måde ved at bruge kvanteprikker. Denne forskning åbner vejen for en bred vifte af nye menneskelige responsive belysningsmiljøer."

Strukturen af ​​den hvide QD-LED-belysning, der er udviklet af Cambridge-teamet, er skalerbar til belysningsoverflader med store områder, da den er lavet med en udskrivningsproces, og dens styring og drev ligner den i en skærm. Med standard punktkilde LED'er, der kræver individuel styring, er dette en mere kompleks opgave. + Udforsk yderligere

Optoelektroniske enheder, der udsender varmt og koldt hvidt lys