Forskare från University of Cambridge har lett utvecklingen av nästa generations smarta belysningssystem med en kombination av nanoteknik, färgvetenskap, avancerade beräkningsmetoder, elektronik och en unik tillverkningsprocess. De kommer med smarta, färgkontrollerbara enheter för vitt ljus från kvantprickar.
Genom att använda mer än tre primära ljusfärger som främst används i lysdioder, kunde forskare producera dagsljus mer exakt. När det testades visade systemet utmärkt färgåtergivning, ett bredare driftsområde än nuvarande smart ljusteknik och ett bredare spektrum av anpassning av vitt ljus.
Sedan 1990-talet har kvantprickar undersökts och utvecklats som ljuskällor på grund av deras utmärkta färgrenhet och avstämbarhet. De uppvisar enastående färgprestanda i både bred färgkontroll och höga färgåtergivningsmöjligheter på grund av deras distinkta optoelektroniska egenskaper.
Forskare utvecklade en arkitektur för quantum-dot light-emitting dioder (QD-LED) baserad på nästa generations ljusa vit belysning. De kombinerade färgoptimering på systemnivå, optoelektronisk simulering på enhetsnivå och parameterextraktion på materialnivå för att göra det.
De utvecklade ett ramverk för beräkningsdesign från en färgoptimeringsalgoritm som används för neurala nätverk i maskininlärning, tillsammans med en ny metod för laddtransport och ljusemissionsmodellering.
Kvantprickarna som forskarna använde var mellan tre och 30 nanometer i diameter. Genom att välja kvantprickar av en specifik storlek kunde de övervinna några av de praktiska begränsningarna hos lysdioder. Att göra det hjälpte dem också att uppnå de emissionsvåglängder de behövde för att testa sina förutsägelser.
Teamet validerade sedan sin design genom att skapa en ny enhetsarkitektur av QD-LED-baserad vit belysning. Testet visade utmärkt färgåtergivning, ett bredare driftsområde än nuvarande teknologi och ett brett spektrum av anpassningar av vitt ljus.
Det nydesignade QD-LED-systemet visade ett korrelerat färgtemperaturområde (CCT) från 2243K (rödaktig) till 9207K (ljus mitt på dagen), jämfört med nuvarande LED-baserade smarta lampor, som har en CCT mellan 2200K och 6500K. Färgåtergivningsindex (CRI) – ett mått på färger upplysta av ljuset i jämförelse med dagsljus (CRI=100) – för QD-LED-systemet var 97, jämfört med nuvarande smarta glödlampor, mellan 80 och 91.
Designen kan öppna dörren till smart belysning som är mer exakt och effektiv. Var och en av de tre lysdioderna måste regleras separat för att producera en specifik färg i en smart LED-lampa. Alla kvantpunkterna drivs av en enda gemensam styrspänning för att uppnå hela färgtemperaturområdet i QD-LED-systemet.
Professor Jong Min Kim från cambridgeInstitutionen för teknik, som var med och ledde forskningen, sa, "Detta är en världsnyhet: ett helt optimerat, högpresterande kvantprickbaserat smart vit belysningssystem. Detta är den första milstolpen mot att fullt ut utnyttja kvantpunktsbaserad smart vit belysning för dagliga applikationer."
Professor Gehan Amaratunga, som ledde forskningen, sade, "Förmågan att bättre återge dagsljus genom dess varierande färgspektrum dynamiskt i ett enda ljus är vad vi strävade efter. Vi uppnådde det på ett nytt sätt genom att använda kvantprickar. Denna forskning öppnar vägen för olika nya mänskliga känsliga ljusmiljöer."
Tidskriftsreferens:
- Samarakoon, C., Choi, HW, Lee, S. et al. Optoelektroniskt system och enhetsintegration för kvantpunktsljusemitterande diodvit belysning med beräkningsdesignramverk. Nat Commun 13, 4189 (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-31853-9
