基于量子點的LED智能照明系統更準確地再現日光

使用量子點設計的新型智能照明設備效率更高，比標準 LED 具有更好的色彩飽和度，并且可以在單燈中動態再現日光條件。

研究人員利用量子點設計了智能、顏色可控的白光設備 - 尺寸僅為十億分之一米的微型半導體 - 與標準 LED 相比，它們效率更高，色彩飽和度更好，并且可以在單一光線下動態再現日光條件.

來自劍橋大學的研究人員結合了納米技術、色彩科學、先進的計算方法、電子學和獨特的制造工藝，設計了下一代智能照明系統。

該團隊發現，通過使用典型 LED 中使用的三種以上照明顏色，他們能夠更準確地再現日光。新設計的早期測試顯示出出色的顯色性、比當前智能照明技術更寬的工作范圍以及更廣泛的白光定制。該結果于今天（8 月 3 日）發表在《自然通訊》雜志上。

由于環境光的可用性和特性與幸福感相關，智能照明系統的廣泛使用會對人類健康產生積極影響，因為這些系統可以響應個人情緒。智能照明還可以響應晝夜節律，調節每日睡眠-覺醒周期，使光線在早晚呈紅白色，白天呈藍白色。

當一個房間有足夠的自然光或人造光、良好的眩光控制和戶外景觀時，據說它具有良好的視覺舒適度。在人造光下的室內環境中，視覺舒適度取決于顏色渲染的準確程度。由于物體的顏色是由光照決定的，因此智能白光照明需要能夠準確地表達周圍物體的顏色。目前的技術通過同時使用三種不同顏色的光來實現這一點。

自 1990 年代以來，量子點已被研究和開發為光源，因為它們具有高顏色可調性和顏色純度。由于其獨特的光電特性，它們在廣泛的色彩可控性和高顯色能力方面都表現出優異的色彩表現。

劍橋研究人員開發了一種基于量子點發光二極管 (QD-LED) 的下一代智能白光照明架構。他們結合了系統級顏色優化、器件級光電模擬和材料級參數提取。

研究人員從用于機器學習中的神經網絡的顏色優化算法以及電荷傳輸和光發射建模的新方法生成了一個計算設計框架。

QD-LED 系統使用多種原色——除了常用的紅色、綠色和藍色——來更準確地模擬白光。通過選擇特定尺寸的量子點——直徑在 3 到 30 納米之間——研究人員能夠克服 LED 的一些實際限制，并達到測試預測所需的發射波長。

然后，該團隊通過創建基于 QD-LED 的白光照明的新設備架構來驗證他們的設計。該測試顯示了出色的顯色性、比當前技術更寬的操作范圍以及廣泛的白光陰影定制。

劍橋開發的 QD-LED 系統的相關色溫 (CCT) 范圍從 2243K（微紅色）到 9207K（明亮的正午陽光），而目前基于 LED 的智能燈的 CCT 介于 2200K 和 6500K 之間。QD-LED 系統的顯色指數 (CRI) - 與日光 (CRI=100) 相比，光照射的顏色的衡量標準 - 為 97，而目前的智能燈泡范圍在 80 到 91 之間。

該設計可以為更高效、更準確的智能照明鋪平道路。在 LED 智能燈泡中，必須單獨控制三個 LED 以實現給定的顏色。在 QD-LED 系統中，所有量子點均由單個公共控制電壓驅動，以實現全色溫范圍。

“這是世界首創：一個完全優化的、基于高性能量子點的智能白光系統，”劍橋大學工程系的 Jong Min Kim 教授說，他是這項研究的共同領導者?！斑@是在日常應用中充分利用基于量子點的智能白光照明的第一個里程碑?！?/span>

“我們的目標是通過單一光線動態地通過其變化的色譜更好地再現日光的能力，”共同領導該研究的 Gehan Amartunga 教授說?！拔覀兺ㄟ^使用量子點以一種新的方式實現了它。這項研究為各種新的人類響應照明環境開辟了道路?！?/span>

劍橋團隊開發的 QD-LED 白光照明的結構可擴展到大面積照明表面，因為它是通過印刷工藝制成的，其控制和驅動類似于顯示器中的控制和驅動。對于需要單獨控制的標準點光源 LED，這是一項更復雜的任務。