研究人员基于量子点打造出能更准确再现日光的LED智能照明系统

互推小编 2023-11-08

研究人员通过利用量子点--尺寸仅为几十亿分之一米的微小半导体--设计出了智能的、颜色可控的白光设备，跟标准的LED相比，它的效率更高、色彩饱和度更好并能在一盏灯下动态地再现日光条件。

资料图

来自剑桥大学的研究人员利用纳米技术、色彩学、先进的计算方法、电子学和独特的制造工艺的结合设计了下一代智能照明系统。

研究小组发现，通过使用超过典型LED中使用的三种主要照明颜色，他们能够更加准确地再现日光。新设计的早期测试显示了出色的显色性，其比目前的智能照明技术拥有更广泛的操作范围及更广泛的白光定制光谱。这些结果已于日前发表在《Nature Communications》上。

由于环境光的可用性和特性跟健康有关，智能照明系统的普及可以对人类健康产生积极影响，这是因为这些系统可以对个人情绪做出反应。另外，智能照明还可以响应昼夜节律、调节每天的睡眠-觉醒周期，所以光线在早上和晚上是红白色的，而在白天是蓝白色的。

当一个房间拥有足够的自然光或人造光、有良好的眩光控制并能看到室外的景色时，那么就可以说它有良好的视觉舒适度。在人工光线下的室内环境中，视觉舒适度取决于色彩的准确呈现程度。由于物体的颜色是由照度决定的，所以智能白光照明需要能够准确表达周围物体的颜色。目前的技术通过同时使用三种不同颜色的光来实现这一目标。

由于量子点具有高色彩可调性和色彩纯度，所以其自20世纪90年代以来作为光源被研究和开发。由于其独特的光电特性，它们在广泛的色彩可控性和高显色性方面都表现出优异的色彩性能。

剑桥大学的研究人员为基于量子点发光二极管（QD-LED）的下一代智能白色照明开发了一个架构。他们将系统级色彩优化、器件级光电模拟和材料级参数提取结合起来。

研究人员从机器学习中用于神经网络的色彩优化算法中产生了一个计算设计框架，与此同时还产生了一种用于电荷传输和光发射建模的新方法。

QD-LED系统使用多种原色--超越常用的红、绿、蓝--以更准确地模拟白光。通过选择特定尺寸的量子点--直径在3到30纳米之间--研究人员能够克服LED的一些实际限制并实现他们所需的发射波长以测试其预测。

然后，该团队通过创建一个基于QD-LED的白色照明的新设备架构来验证他们的设计。测试结果显示了出色的显色性，这比目前的技术拥有更宽的工作范围及宽光谱的白光灯罩定制。

剑桥大学开发的QD-LED系统显示的相关色温(CCT)范围从2243K（偏红）到9207K（明亮的正午阳光），而目前基于LED的智能灯的CCT在2200K和6500K之间。QD-LED系统的显色指数(CRI)--与日光(CRI=100)相比，衡量灯光照亮的颜色--是97，而目前的智能灯泡范围在80至91之间。

该设计可以为更有效、更准确的智能照明铺平道路。在LED智能灯泡中，三个LED必须被单独控制以实现特定的颜色。在QD-LED系统中，所有的量子点都由一个共同的控制电压驱动以实现全色温范围。

剑桥大学工程系的Jong Min Kim教授表示：“这是一个世界第一：一个完全优化的、基于高性能量子点的智能白色照明系统。这是全面利用基于量子点的智能白色照明的第一个里程碑，可用于日常应用。”

共同领导这项研究的Gehan Amaratunga教授说道：”在一盏灯中通过其不同的色彩光谱动态地更好地再现日光的能力是我们的目标。我们通过使用量子点以一种新的方式实现了这一点。这项研究为各种新的人类响应性照明环境开辟了道路。”

剑桥大学团队开发的QD-LED白色照明的结构可以扩展到大面积的照明表面，这是因为它是用印刷工艺制作的，其控制和驱动与显示器中的类似。由于标准的点光源LED需要单独控制，所以这是一项比较复杂的任务。

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