Wissenschaftler der University of Cambridge haben die Entwicklung des intelligenten Beleuchtungssystems der nächsten Generation geleitet, das eine Kombination aus Nanotechnologie, Farbwissenschaft, fortschrittlichen Computermethoden, Elektronik und einem einzigartigen Herstellungsprozess verwendet. Sie entwickeln intelligente, farbsteuerbare Weißlichtgeräte aus Quantenpunkten.
Durch die Verwendung von mehr als drei primären Beleuchtungsfarben, die hauptsächlich in LEDs verwendet werden, könnten Wissenschaftler Tageslicht genauer erzeugen. Beim Test zeigte das System eine hervorragende Farbwiedergabe, einen größeren Betriebsbereich als die aktuelle intelligente Beleuchtungstechnologie und ein breiteres Spektrum an Weißlichtanpassungen.
Seit den 1990er Jahren werden Quantenpunkte aufgrund ihrer hervorragenden Farbreinheit und Abstimmbarkeit als Lichtquellen erforscht und entwickelt. Aufgrund ihrer charakteristischen optoelektronischen Merkmale weisen sie eine hervorragende Farbleistung auf, sowohl in Bezug auf eine breite Farbsteuerbarkeit als auch auf eine hohe Farbwiedergabefähigkeit.
Wissenschaftler entwickelten eine Architektur für Quantenpunkt-Leuchtdioden (QD-LED) auf der Grundlage hellweißer Beleuchtung der nächsten Generation. Dazu kombinierten sie Farboptimierung auf Systemebene, optoelektronische Simulation auf Geräteebene und Parameterextraktion auf Materialebene.
Sie entwickelten ein Computational Design Framework aus einem Farboptimierungsalgorithmus, der für neuronale Netze in verwendet wird Maschinelles Lernen, zusammen mit einer neuen Methode für Ladungstransport und Lichtemissionsmodellierung.
Die von den Wissenschaftlern verwendeten Quantenpunkte hatten einen Durchmesser zwischen drei und 30 Nanometern. Durch Auswählen Quantenpunkte einer bestimmten Größe konnten sie einige der praktischen Einschränkungen von LEDs überwinden. Dies half ihnen auch dabei, die Emissionswellenlängen zu erreichen, die sie zum Testen ihrer Vorhersagen benötigten.
Anschließend validierte das Team sein Design, indem es eine neue Gerätearchitektur mit QD-LED-basierter weißer Beleuchtung erstellte. Der Test zeigte eine hervorragende Farbwiedergabe, einen größeren Betriebsbereich als die aktuelle Technologie und ein breites Spektrum an Anpassungsmöglichkeiten für Weißlichttöne.
Das neu entwickelte QD-LED-System zeigte einen korrelierten Farbtemperaturbereich (CCT) von 2243 K (rötlich) bis 9207 K (helle Mittagssonne) im Vergleich zu aktuellen LED-basierten Smart Lights, die eine CCT zwischen 2200 K und 6500 K haben. Der Farbwiedergabeindex (CRI) – ein Maß für die vom Licht beleuchteten Farben im Vergleich zu Tageslicht (CRI=100) – des QD-LED-Systems lag bei 97, im Vergleich zu aktuellen Smart-Glühbirnen-Sortimenten zwischen 80 und 91.
Das Design könnte die Tür zu einer intelligenten Beleuchtung öffnen, die präziser und effizienter ist. Jede der drei LEDs muss separat geregelt werden, um eine bestimmte Farbe in einer intelligenten LED-Glühbirne zu erzeugen. Alle Quantenpunkte werden von einer einzigen gemeinsamen Steuerspannung angesteuert, um den gesamten Farbtemperaturbereich im QD-LED-System zu erreichen.
Professor Jong Min Kim aus Cambridge's Department of Engineering, das die Forschung mitleitete, sagte: „Dies ist eine Weltneuheit: ein vollständig optimiertes, hochleistungsfähiges, auf Quantenpunkten basierendes intelligentes weißes Beleuchtungssystem. Dies ist der erste Meilenstein, um die Quantenpunkt-basierte intelligente weiße Beleuchtung für tägliche Anwendungen voll auszuschöpfen.“
Professor Gehan Amaratunga, der die Forschung mitleitete, sagte, „Die Fähigkeit, Tageslicht durch sein variierendes Farbspektrum dynamisch in einer einzigen Leuchte besser wiederzugeben, war unser Ziel. Wir haben es auf eine neue Art und Weise erreicht, indem wir Quantenpunkte verwendet haben. Diese Forschung ebnet den Weg für verschiedene neue, auf den Menschen reagierende Beleuchtungsumgebungen.“
Journal Referenz:
- Samarakoon, C., Choi, HW, Lee, S. et al. Optoelektronische System- und Geräteintegration für weiße Beleuchtung mit Quantenpunkt-Leuchtdioden mit Computational Design Framework. Nat Commun 13, 4189 (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-31853-9
