Onderzoekers hebben slimme, kleurgestuurde witlichtapparaten ontworpen op basis van kwantumdots - kleine halfgeleiders van slechts een paar miljardsten van een meter groot - die efficiënter zijn en een betere kleurverzadiging hebben dan standaard-LED's, en daglichtomstandigheden dynamisch kunnen reproduceren in een enkel licht .

De onderzoekers van de Universiteit van Cambridge ontwierpen het slimme verlichtingssysteem van de volgende generatie met een combinatie van nanotechnologie, kleurwetenschap, geavanceerde rekenmethoden, elektronica en een uniek fabricageproces.

Het team ontdekte dat door meer dan de drie primaire verlichtingskleuren te gebruiken die in typische LED's worden gebruikt, ze daglicht nauwkeuriger konden reproduceren. Vroege tests van het nieuwe ontwerp toonden een uitstekende kleurweergave, een groter werkbereik dan de huidige slimme verlichtingstechnologie en een breder spectrum van aanpassing van wit licht. De resultaten worden gerapporteerd in het tijdschrift Nature Communications .

Aangezien de beschikbaarheid en kenmerken van omgevingslicht verband houden met welzijn, kan de wijdverbreide beschikbaarheid van slimme verlichtingssystemen een positief effect hebben op de menselijke gezondheid, omdat deze systemen kunnen reageren op de individuele stemming. Slimme verlichting kan ook reageren op circadiane ritmes, die de dagelijkse slaap-waakcyclus regelen, zodat het licht 's morgens en' s avonds roodachtig wit is en overdag blauwachtig wit.

Wanneer een ruimte voldoende natuurlijk of kunstlicht heeft, een goede verblindingscontrole en uitzicht op de buitenlucht heeft, is er sprake van een goed visueel comfort. In binnenomgevingen met kunstlicht hangt het visuele comfort af van hoe nauwkeurig kleuren worden weergegeven. Omdat de kleur van objecten wordt bepaald door verlichting, moet slimme witte verlichting de kleur van omringende objecten nauwkeurig kunnen weergeven. De huidige technologie bereikt dit door gelijktijdig gebruik te maken van drie verschillende kleuren licht.

Quantum dots zijn sinds de jaren negentig bestudeerd en ontwikkeld als lichtbronnen vanwege hun hoge kleurafstembaarheid en kleurzuiverheid. Dankzij hun unieke opto-elektronische eigenschappen laten ze uitstekende kleurprestaties zien in zowel brede kleurbeheersbaarheid als hoge kleurweergavemogelijkheden.

De Cambridge-onderzoekers ontwikkelden een architectuur voor op quantum-dot light-emitting diodes (QD-LED) gebaseerde slimme witte verlichting van de volgende generatie. Ze combineerden kleuroptimalisatie op systeemniveau, opto-elektronische simulatie op apparaatniveau en parameterextractie op materiaalniveau.

De onderzoekers produceerden een computationeel ontwerpraamwerk van een kleuroptimalisatie-algoritme dat wordt gebruikt voor neurale netwerken in machine learning, samen met een nieuwe methode voor ladingstransport en lichtemissiemodellering.

Het QD-LED-systeem maakt gebruik van meerdere primaire kleuren – naast de veelgebruikte rood, groen en blauw – om wit licht nauwkeuriger na te bootsen. Door kwantumstippen van een specifieke grootte te kiezen - tussen de drie en 30 nanometer in diameter - konden de onderzoekers enkele van de praktische beperkingen van LED's overwinnen en de emissiegolflengten bereiken die ze nodig hadden om hun voorspellingen te testen.

Het team valideerde vervolgens hun ontwerp door een nieuwe apparaatarchitectuur te creëren van op QD-LED gebaseerde witte verlichting. De test toonde een uitstekende kleurweergave, een groter werkbereik dan de huidige technologie en een breed spectrum van aanpassing aan witlichttinten.

Het door Cambridge ontwikkelde QD-LED-systeem vertoonde een gecorreleerd kleurtemperatuurbereik (CCT) van 2243K (roodachtig) tot 9207K (heldere middagzon), vergeleken met de huidige op LED gebaseerde slimme lampen met een CCT 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 van slimme lampen, die tussen 80 en 91 liggen.

Het ontwerp kan de weg vrijmaken voor efficiëntere, nauwkeurigere slimme verlichting. In een slimme LED-lamp moeten de drie LED's afzonderlijk worden aangestuurd om een ​​bepaalde kleur te bereiken. In het QD-LED-systeem worden alle quantum dots aangestuurd door een enkele gemeenschappelijke stuurspanning om het volledige kleurtemperatuurbereik te bereiken.

"Dit is een wereldprimeur:een volledig geoptimaliseerd, krachtig, op kwantumdots gebaseerd slim wit verlichtingssysteem", zegt professor Jong Min Kim van Cambridge's Department of Engineering, die het onderzoek mede leidde. "Dit is de eerste mijlpaal in de richting van de volledige benutting van op kwantumdots gebaseerde slimme witte verlichting voor dagelijkse toepassingen."

"Het vermogen om daglicht beter te reproduceren door zijn variërende kleurenspectrum dynamisch in een enkel licht is waar we naar streefden", zegt professor Gehan Amaratunga, die het onderzoek mede leidde. "We hebben dit op een nieuwe manier bereikt door het gebruik van kwantumdots. Dit onderzoek opent de weg voor een breed scala aan nieuwe, op mensen reagerende verlichtingsomgevingen."

De structuur van de QD-LED witte verlichting die is ontwikkeld door het Cambridge-team is schaalbaar tot grote verlichtingsoppervlakken, omdat deze is gemaakt met een printproces en de besturing en aandrijving ervan vergelijkbaar is met die in een display. Met standaard puntbron-LED's die individuele controle vereisen, is dit een complexere taak. + Verder verkennen

Opto-elektronische apparaten die warm en koel wit licht uitstralen