Wetenschappers van de Universiteit van Cambridge hebben leiding gegeven aan de ontwikkeling van het slimme verlichtingssysteem van de volgende generatie met behulp van een combinatie van nanotechnologie, kleurwetenschap, geavanceerde rekenmethoden, elektronica en een uniek fabricageproces. Ze bedenken slimme, kleurgestuurde witlichtapparaten van kwantumdots.
Met behulp van meer dan drie primaire verlichtingskleuren die voornamelijk in LED's worden gebruikt, zouden wetenschappers daglicht nauwkeuriger kunnen produceren. Bij het testen toonde het systeem een uitstekende kleurweergave, een groter werkbereik dan de huidige slimme verlichtingstechnologie en een breder spectrum van aanpassing van wit licht.
Sinds de jaren negentig worden kwantumdots onderzocht en ontwikkeld als lichtbronnen vanwege hun uitstekende kleurzuiverheid en afstembaarheid. Ze vertonen geweldige kleurprestaties in zowel brede kleurbeheersbaarheid als hoge kleurweergavemogelijkheden vanwege hun onderscheidende opto-elektronische kenmerken.
Wetenschappers ontwikkelden een architectuur voor quantum-dot light-emitting diodes (QD-LED) op basis van helderwitte verlichting van de volgende generatie. Ze combineerden kleuroptimalisatie op systeemniveau, opto-elektronische simulatie op apparaatniveau en parameterextractie op materiaalniveau om dit te doen.
Ze ontwikkelden een computationeel ontwerpraamwerk op basis van een kleuroptimalisatie-algoritme dat wordt gebruikt voor neurale netwerken in machine learning, samen met een nieuwe methode voor ladingstransport en lichtemissiemodellering.
De kwantumstippen die wetenschappers gebruikten, waren tussen de drie en 30 nanometer in diameter. Door te kiezen quantum dots van een specifieke grootte, waren ze in staat om enkele van de praktische beperkingen van LED's te overwinnen. Hierdoor konden ze ook de emissiegolflengten bereiken die ze nodig hadden om hun voorspellingen te testen.
Het team valideerde vervolgens hun ontwerp door een nieuwe apparaatarchitectuur van op QD-LED gebaseerde witte verlichting te creëren. De test toonde een uitstekende kleurweergave, een groter werkbereik dan de huidige technologie en een breed spectrum van maatwerk voor witlichttinten.
Het nieuw ontworpen QD-LED-systeem vertoonde een gecorreleerd kleurtemperatuurbereik (CCT) van 2243K (roodachtig) tot 9207K (heldere middagzon), vergeleken met de huidige op LED gebaseerde slimme lampen, die een CCT hebben tussen 2200K en 6500K. De kleurweergave-index (CRI) - een maat voor kleuren die door het licht worden verlicht in vergelijking met daglicht (CRI = 100) - van het QD-LED-systeem was 97, vergeleken met de huidige reeksen slimme lampen, tussen 80 en 91.
Het ontwerp zou de deur kunnen openen naar slimme verlichting die nauwkeuriger en efficiënter is. Elk van de drie LED's moet afzonderlijk worden geregeld om een specifieke kleur in een slimme LED-lamp te produceren. Alle quantum dots worden aangedreven door een enkele gemeenschappelijke stuurspanning om het hele kleurtemperatuurbereik in het QD-LED-systeem te bereiken.
Professor Jong Min Kim uit Cambridge's Department of Engineering, die het onderzoek mede leidde, zei: “Dit is een wereldprimeur: een volledig geoptimaliseerd, krachtig, op kwantumdots gebaseerd slim wit verlichtingssysteem. Dit is de eerste mijlpaal in de richting van volledig gebruik van op quantum-dot gebaseerde slimme witte verlichting voor dagelijkse toepassingen.”
Professor Gehan Amaratunga, die het onderzoek mede leidde, zei, "Het vermogen om daglicht beter te reproduceren door het variërende kleurenspectrum dynamisch in één licht, is waar we naar streefden. We hebben het op een nieuwe manier bereikt door kwantumstippen te gebruiken. Dit onderzoek opent de weg voor verschillende nieuwe, op mensen reagerende verlichtingsomgevingen.”
Journal Reference:
- Samarakoon, C., Choi, HW, Lee, S. et al. Opto-elektronische systeem- en apparaatintegratie voor quantum-dot light-emitting diode white lighting met computationeel ontwerpkader. Nat Commun 13 (4189). DOI: 10.1038/s41467-022-31853-9
