Система светодиодного интеллектуального освещения на основе квантовых точек
Новые интеллектуальные световые устройства, разработанные с использованием квантовых точек, более эффективны, имеют лучшую насыщенность цвета, чем стандартные светодиоды, и могут динамически воспроизводить условия дневного света в одном источнике света.
Ученые из Кембриджского университета разработали интеллектуальную систему освещения следующего поколения, используя сочетание нанотехнологий, науки о цвете, передовых вычислительных методов, электроники и уникального производственного процесса. Данное устройство оснащено регулируемым цветом из квантовых точек — крошечных полупроводников размером всего в несколько миллиардных долей метра — которые более эффективны, имеют лучшую цветовую насыщенность, чем стандартные светодиоды, и могут динамически воспроизводить условия дневного света в одном источнике света.
Квантовые точки — это крошечные флуоресцентные полупроводники. Они настолько малы, что только ряд из 10 тыс. штук достигает толщины человеческого волоса. Если их возбуждают внешним источником света, они поглощают энергию и, в зависимости от размера частицы, излучают свет разного цвета.Когда квантовые точки были впервые представлены на рынке, производители сразу же признали, что их имеет смысл применять для совершенствования светодиодного освещения дисплеев. В этом случае преимущество квантовых точек, действующих в качестве узкополосного красного люминофора, заключается в том, что они обеспечивают производителям цвет высшего качества без больших потерь эффективности по сравнению с использованием обычного красного люминофора. Поскольку квантовые точки можно легко настроить на любой цвет спектра, они стали настоящим прорывом в освещении по сравнению с традиционными светодиодными светильниками.
Исследователи обнаружили, что, применяя более трех основных цветов освещения, используемых в типичных светодиодах, удалось более точно воспроизвести дневной свет. Ранние тесты нового дизайна показали отличную цветопередачу, более широкий рабочий диапазон, чем у современных технологий интеллектуального освещения, и более широкий спектр настройки белого света.
Поскольку доступность и характеристики окружающего света связаны с самочувствием, широкое распространение интеллектуальных систем освещения может оказать положительное влияние на здоровье человека, поскольку эти системы могут реагировать на индивидуальное настроение. Интеллектуальное освещение также может реагировать на циркадные ритмы, которые регулируют ежедневный цикл сна и бодрствования, так что свет становится красновато-белым утром и вечером, и голубовато-белым днем.
Когда в комнате достаточно естественного или искусственного света, хороший контроль бликов и вид на улицу, считается, что в ней хороший уровень визуального комфорта. В помещениях с искусственным освещением зрительный комфорт зависит от того, насколько точно переданы цвета. Поскольку цвет объектов определяется освещением, интеллектуальное белое освещение должно точно отображать цвет окружающих объектов. Современные технологии достигают этого за счет одновременного использования трех разных цветов света.
Квантовые точки, благодаря своим уникальным оптоэлектронным свойствам демонстрируют превосходные цветовые характеристики как в широком диапазоне управления цветом, так и в высокой способности цветопередачи.
Кембриджские исследователи разработали архитектуру для светоизлучающих диодов с квантовыми точками (QD-LED) на основе интеллектуального белого освещения нового поколения. Они объединили оптимизацию цвета на уровне системы, оптоэлектронное моделирование на уровне устройства и извлечение параметров на уровне материала.
Исследователи создали основу вычислительного дизайна на основе алгоритма оптимизации цвета, используемого для нейронных сетей в машинном обучении, вместе с новым методом переноса заряда и моделирования светового излучения.
Система QD-LED использует несколько основных цветов — помимо обычно используемых красного, зеленого и синего — для более точной имитации белого света. Выбрав квантовые точки определенного размера — от трех до 30 нанометров в диаметре — исследователи смогли преодолеть некоторые практические ограничения светодиодов и получить длины волн излучения, необходимые им для проверки их прогнозов.
Тест показал отличную цветопередачу, более широкий рабочий диапазон, чем у современных технологий, и широкий спектр индивидуальной настройки оттенков белого света.
Управление спектром — одно из нескольких преимуществ светодиодов перед традиционными системами освещения. Среди факторов, способствующих достижению точного спектра для освещения, одним из наиболее важных является цветовая температура, измеренная по шкале Кельвина при данной длине волны. Согласно определению, цветовая температура источника света — это температура абсолютно черного тела, которое излучает свет того же оттенка, что и рассматриваемый источник.
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) — мера цветов, освещенных светом по сравнению с дневным светом (CRI = 100) — системы QD-LED составил 97 по сравнению с текущими диапазонами «умных» ламп, которые находятся между 80 и 91.
В светодиодной «умной» лампочке три светодиода управляются индивидуально для достижения заданного цвета. А в системе QD-LED все квантовые точки управляются одним общим управляющим напряжением для достижения полного диапазона цветовой температуры.
Структура белого освещения QD-LED масштабируется для освещения больших площадей, поскольку она изготавливается с помощью процесса печати, а ее управление и привод аналогичны дисплею. Со стандартными точечными светодиодами, требующими индивидуального управления, это более сложная задача.