TEM-bilder för partikelstorlekarna för röda, gröna, cyan och blå QDs som används för enhetstillverkning och simulering av laddningstransport. dQD är den genomsnittliga diametern för QD-nanopartiklarna. Infällningar är ögonblicksbilderna av EL-drivna monokromatiska röda, gröna, cyan och blå QD-LED-enheter tillverkade med transfertryckteknik. Storleken på den tillverkade enheten är 3,0×1,5 mm 2 . Kredit:Nature Communications (2022). DOI:10.1038/s41467-022-31853-9
Forskare har designat smarta, färgkontrollerbara vitljusenheter från kvantprickar - små halvledare bara några miljarddels meter stora - som är effektivare och har bättre färgmättnad än vanliga lysdioder och kan dynamiskt återge dagsljusförhållanden i ett enda ljus .
Forskarna från University of Cambridge designade nästa generations smarta belysningssystem med en kombination av nanoteknik, färgvetenskap, avancerade beräkningsmetoder, elektronik och en unik tillverkningsprocess.
Teamet fann att genom att använda mer än de tre primära ljusfärgerna som används i typiska lysdioder, kunde de återge dagsljus mer exakt. Tidiga tester av den nya designen visade utmärkt färgåtergivning, ett bredare driftsområde än nuvarande smart ljusteknik och ett bredare spektrum av anpassning av vitt ljus. Resultaten redovisas i tidskriften Nature Communications .
Eftersom tillgängligheten och egenskaperna hos omgivande ljus är kopplade till välbefinnande, kan den utbredda tillgängligheten av smarta belysningssystem ha en positiv effekt på människors hälsa eftersom dessa system kan reagera på individuellt humör. Smart belysning kan också svara på dygnsrytmer, som reglerar den dagliga sömn-vakna cykeln, så att ljuset är rödvitt på morgonen och kvällen och blåvitt på dagen.
När ett rum har tillräckligt med naturligt eller artificiellt ljus, bra bländskydd och utsikt över utomhus sägs det ha goda nivåer av visuell komfort. I inomhusmiljöer under artificiellt ljus beror visuell komfort på hur exakt färgerna återges. Eftersom färgen på föremål bestäms av belysning, måste smart vit belysning kunna uttrycka färgen på omgivande föremål exakt. Dagens teknik uppnår detta genom att använda tre olika ljusfärger samtidigt.
Kvantprickar har studerats och utvecklats som ljuskällor sedan 1990-talet, på grund av deras höga färgjusteringsförmåga och färgrenhet. På grund av sina unika optoelektroniska egenskaper uppvisar de utmärkta färgprestanda i både bred färgkontroll och hög färgåtergivningsförmåga.
Cambridge-forskarna utvecklade en arkitektur för kvantpunktsljusemitterande dioder (QD-LED) baserad nästa generations smart vit belysning. De kombinerade färgoptimering på systemnivå, optoelektronisk simulering på enhetsnivå och parameterextraktion på materialnivå.
Forskarna tog fram ett ramverk för beräkningsdesign från en färgoptimeringsalgoritm som används för neurala nätverk inom maskininlärning, tillsammans med en ny metod för laddningstransport och ljusemissionsmodellering.
QD-LED-systemet använder flera primära färger - utöver de vanliga röda, gröna och blå - för att mer exakt efterlikna vitt ljus. Genom att välja kvantprickar av en specifik storlek – mellan tre och 30 nanometer i diameter – kunde forskarna övervinna några av de praktiska begränsningarna hos lysdioder och uppnå de emissionsvåglängder som 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 funktionsområde än nuvarande teknologi och ett brett spektrum av anpassningar av vita ljusskuggor.
Det Cambridge-utvecklade QD-LED-systemet visade ett korrelerat färgtemperaturområde (CCT) från 2243K (rödaktig) till 9207K (klar middagssol), 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 som är mellan 80 och 91.
Designen kan bana väg för effektivare och mer exakt smart belysning. I en smart LED-lampa måste de tre lysdioderna styras individuellt för att uppnå en given färg. I QD-LED-systemet drivs alla kvantpunkter av en enda gemensam styrspänning för att uppnå hela färgtemperaturområdet.
"Detta är en världsnyhet:ett helt optimerat, högpresterande kvantprickbaserat smart vit belysningssystem", säger professor Jong Min Kim från Cambridges Department of Engineering, som var med och ledde forskningen. "Detta är den första milstolpen mot fullt utnyttjande av kvantprickbaserad smart vit belysning för dagliga tillämpningar."
"Förmågan att bättre återge dagsljus genom dess varierande färgspektrum dynamiskt i ett enda ljus är vad vi strävade efter", säger professor Gehan Amaratunga, som ledde forskningen. "Vi uppnådde det på ett nytt sätt genom att använda kvantprickar. Den här forskningen öppnar vägen för en mängd nya mänskliga känsliga ljusmiljöer."
Strukturen hos den vita QD-LED-belysningen som utvecklats av Cambridge-teamet är skalbar till belysningsytor med stora ytor, eftersom den är gjord med en utskriftsprocess och dess kontroll och drivning liknar den i en display. Med standard lysdioder för punktkällor som kräver individuell kontroll är detta en mer komplex uppgift. + Utforska vidare
