Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ ηγήθηκαν της ανάπτυξης του συστήματος έξυπνου φωτισμού επόμενης γενιάς χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό νανοτεχνολογίας, επιστήμης χρωμάτων, προηγμένων υπολογιστικών μεθόδων, ηλεκτρονικών και μιας μοναδικής διαδικασίας κατασκευής. Καταλήγουν σε έξυπνες, ελεγχόμενες με χρώμα συσκευές λευκού φωτός από κβαντικές κουκκίδες.
Χρησιμοποιώντας περισσότερα από τρία βασικά χρώματα φωτισμού που χρησιμοποιούνται κυρίως σε LED, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να παράγουν το φως της ημέρας με μεγαλύτερη ακρίβεια. Όταν δοκιμάστηκε, το σύστημα έδειξε εξαιρετική απόδοση χρωμάτων, ευρύτερο εύρος λειτουργίας από την τρέχουσα τεχνολογία έξυπνου φωτισμού και ευρύτερο φάσμα προσαρμογής λευκού φωτός.
Από τη δεκαετία του 1990, οι κβαντικές κουκκίδες έχουν ερευνηθεί και αναπτυχθεί ως πηγές φωτός λόγω της εξαιρετικής καθαρότητας χρώματος και της δυνατότητας συντονισμού τους. Παρουσιάζουν εξαιρετική χρωματική απόδοση τόσο σε ευρεία δυνατότητα ελέγχου χρώματος όσο και σε υψηλές δυνατότητες απόδοσης χρωμάτων λόγω των χαρακτηριστικών οπτοηλεκτρονικών χαρακτηριστικών τους.
Οι επιστήμονες ανέπτυξαν μια αρχιτεκτονική για διόδους εκπομπής φωτός κβαντικής κουκκίδας (QD-LED) βασισμένη στον έντονο λευκό φωτισμό επόμενης γενιάς. Για να γίνει αυτό, συνδύασαν τη βελτιστοποίηση χρώματος σε επίπεδο συστήματος, την οπτοηλεκτρονική προσομοίωση σε επίπεδο συσκευής και την εξαγωγή παραμέτρων σε επίπεδο υλικού.
Ανέπτυξαν ένα υπολογιστικό πλαίσιο σχεδίασης από έναν αλγόριθμο βελτιστοποίησης χρώματος που χρησιμοποιείται για νευρωνικά δίκτυα μάθηση μηχανής, μαζί με μια νέα μέθοδο μεταφοράς φορτίου και μοντελοποίησης εκπομπής φωτός.
Οι κβαντικές κουκκίδες που χρησιμοποίησαν οι επιστήμονες είχαν διάμετρο από τρία έως 30 νανόμετρα. Με την επιλογή κβαντικές κουκίδες συγκεκριμένου μεγέθους, μπόρεσαν να ξεπεράσουν ορισμένους από τους πρακτικούς περιορισμούς των LED. Κάτι τέτοιο τους βοήθησε επίσης να επιτύχουν τα μήκη κύματος εκπομπής που χρειάζονταν για να δοκιμάσουν τις προβλέψεις τους.
Στη συνέχεια, η ομάδα επικύρωσε το σχέδιό της δημιουργώντας μια νέα αρχιτεκτονική συσκευής λευκού φωτισμού που βασίζεται σε QD-LED. Η δοκιμή έδειξε εξαιρετική απόδοση χρωμάτων, ευρύτερο εύρος λειτουργίας από την τρέχουσα τεχνολογία και ευρύ φάσμα προσαρμογής λευκής απόχρωσης.
Το πρόσφατα σχεδιασμένο σύστημα QD-LED έδειξε ένα συσχετισμένο εύρος θερμοκρασίας χρώματος (CCT) από 2243K (κοκκινωπό) έως 9207K (φωτεινός μεσημεριανός ήλιος), σε σύγκριση με τα τρέχοντα έξυπνα φώτα LED, τα οποία έχουν CCT μεταξύ 2200K και 6500K. Ο δείκτης απόδοσης χρωμάτων (CRI) – ένα μέτρο των χρωμάτων που φωτίζονται από το φως σε σύγκριση με το φως της ημέρας (CRI=100) – του συστήματος QD-LED ήταν 97, σε σύγκριση με τις τρέχουσες σειρές έξυπνων λαμπτήρων, μεταξύ 80 και 91.
Ο σχεδιασμός μπορεί να ανοίξει την πόρτα σε έξυπνο φωτισμό που είναι πιο ακριβής και αποτελεσματικός. Κάθε ένα από τα τρία LED πρέπει να ρυθμιστεί ξεχωριστά για να παράγει ένα συγκεκριμένο χρώμα σε έναν έξυπνο λαμπτήρα LED. Όλες οι κβαντικές κουκκίδες οδηγούνται από μια ενιαία κοινή τάση ελέγχου για την επίτευξη ολόκληρου του εύρους θερμοκρασίας χρώματος στο σύστημα QD-LED.
Ο καθηγητής Jong Min Kim από CambridgeΤο Τμήμα Μηχανικών του, που συνηγήθηκε της έρευνας, είπε, «Αυτό είναι ένα παγκοσμίως πρώτο: ένα πλήρως βελτιστοποιημένο, υψηλής απόδοσης σύστημα έξυπνου λευκού φωτισμού που βασίζεται σε κβαντικές κουκκίδες. Αυτό είναι το πρώτο ορόσημο προς την πλήρη εκμετάλλευση του έξυπνου λευκού φωτισμού που βασίζεται σε κβαντικές κουκκίδες για καθημερινές εφαρμογές».
Ο καθηγητής Gehan Amaratunga, ο οποίος ηγήθηκε της έρευνας, είπε, «Η ικανότητα καλύτερης αναπαραγωγής του φωτός της ημέρας μέσω του ποικίλου χρωματικού του φάσματος δυναμικά σε ένα μόνο φως είναι αυτό στο οποίο στοχεύαμε. Το πετύχαμε με νέο τρόπο χρησιμοποιώντας κβαντικές τελείες. Αυτή η έρευνα ανοίγει το δρόμο για διάφορα νέα περιβάλλοντα φωτισμού που ανταποκρίνονται στον άνθρωπο».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Samarakoon, C., Choi, HW, Lee, S. et al. Οπτοηλεκτρονικό σύστημα και ενσωμάτωση συσκευής για λευκό φωτισμό με δίοδο εκπομπής φωτός κβαντικής κουκκίδας με πλαίσιο υπολογιστικού σχεδιασμού. Nat Commun 13, 4189 (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-31853-9
