Ученые из Кембриджского университета возглавили разработку системы интеллектуального освещения следующего поколения, используя сочетание нанотехнологий, науки о цвете, передовых вычислительных методов, электроники и уникального производственного процесса. Они создают умные устройства белого света с возможностью управления цветом на основе квантовых точек.
Используя более трех основных цветов освещения, используемых в основном в светодиодах, ученые смогли более точно воспроизводить дневной свет. При тестировании система продемонстрировала отличную цветопередачу, более широкий рабочий диапазон, чем нынешняя технология интеллектуального освещения, и более широкий спектр настройки белого света.
С 1990-х годов квантовые точки исследуются и разрабатываются в качестве источников света из-за их превосходной чистоты цвета и возможности настройки. Они демонстрируют отличные цветовые характеристики, обеспечивая как широкие возможности управления цветом, так и высокие возможности цветопередачи благодаря своим отличительным оптоэлектронным характеристикам.
Ученые разработали архитектуру светодиодов с квантовыми точками (QD-LED) на основе яркого белого освещения нового поколения. Для этого они объединили оптимизацию цвета на уровне системы, оптоэлектронное моделирование на уровне устройства и извлечение параметров на уровне материала.
Они разработали структуру вычислительного проектирования на основе алгоритма оптимизации цвета, используемого для нейронных сетей в обучение с помощью машины, вместе с новым методом переноса заряда и моделирования светового излучения.
Квантовые точки, которые использовали ученые, имели диаметр от трех до 30 нанометров. Выбрав квантовые точки определенного размера, они смогли преодолеть некоторые практические ограничения светодиодов. Это также помогло им достичь длин волн излучения, необходимых для проверки своих предсказаний.
Затем команда проверила свой дизайн, создав новую архитектуру устройства белого освещения на основе QD-LED. Испытание показало превосходную цветопередачу, более широкий рабочий диапазон, чем у нынешних технологий, а также широкий спектр настройки оттенков белого света.
Недавно разработанная система QD-LED продемонстрировала диапазон коррелированной цветовой температуры (CCT) от 2243K (красноватый) до 9207K (яркое полуденное солнце) по сравнению с современными интеллектуальными светильниками на основе светодиодов, которые имеют CCT от 2200K до 6500K. Индекс цветопередачи (CRI) – показатель цветов, освещенных светом по сравнению с дневным светом (CRI = 100) – системы QD-LED составил 97, по сравнению с текущими диапазонами интеллектуальных лампочек от 80 до 91.
Этот дизайн может открыть дверь к более точному и эффективному интеллектуальному освещению. Каждый из трех светодиодов необходимо регулировать отдельно, чтобы обеспечить определенный цвет в светодиодной «умной» лампе. Все квантовые точки управляются одним общим управляющим напряжением, что позволяет реализовать весь диапазон цветовой температуры в системе QD-LED.
Профессор Чон Мин Ким из Кэмбриджском университетеИнженерный департамент США, который руководил исследованием, сообщил: «Это первая в мире: полностью оптимизированная, высокопроизводительная интеллектуальная система белого освещения на основе квантовых точек. Это первая веха на пути к полному использованию интеллектуального белого освещения на основе квантовых точек для ежедневных применений».
Профессор Гехан Амаратунга, который руководил исследованием, — сказал, «Способность лучше воспроизводить дневной свет посредством его динамического изменения цветового спектра в одном источнике света — это то, к чему мы стремились. Мы добились этого новым способом, используя квантовые точки. Это исследование открывает путь к созданию различных новых световых сред, реагирующих на потребности человека».
Справочник журнала:
- Самаракун К., Чой Х.В., Ли С. и др. Интеграция оптико-электронной системы и устройств для светодиодного освещения на квантовых точках с использованием средств вычислительного проектирования. Nat Commun 13, 4189 (2022). ДОИ: 10.1038/s41467-022-31853-9
