Исследователи из Кембриджского университета разработали интеллектуальную систему освещения следующего поколения, используя комбинацию нанотехнологий, цветоведения, передовых вычислительных методов, электроники и уникального процесса изготовления.

Команда обнаружила, что, используя более трех основных цветов освещения, используемых в типичных светодиодах, они смогли более точно воспроизвести дневной свет. Первые тесты нового дизайна показали отличную цветопередачу, более широкий рабочий диапазон, чем у современной технологии интеллектуального освещения, и более широкий спектр настройки белого света. Результаты опубликованы в журнале Сообщения о природе.

Поскольку доступность и характеристики окружающего света связаны с благополучием, 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-бодрствования, так что утром и вечером свет становится красновато-белым, а днем - голубовато-белым.

Когда в комнате достаточно естественного или искусственного освещения, хороший контроль бликов и вид на улицу, говорят, что в ней хороший уровень визуального комфорта. В помещениях с искусственным освещением визуальный комфорт зависит от того, насколько точно переданы цвета. Поскольку цвет объектов определяется освещением, интеллектуальное белое освещение должно быть способно точно передавать цвет окружающих объектов. Современная технология достигает этого за счет одновременного использования трех разных цветов света.

Квантовые точки изучаются и разрабатываются в качестве источников света с 1990-х годов благодаря их высокой способности к цветовой настройке и чистоте цвета. Благодаря своим уникальным оптоэлектронным свойствам они демонстрируют отличные цветовые характеристики как при широкой управляемости цветом, так и при высокой способности к цветопередаче.

Исследователи из Кембриджа разработали архитектуру для светодиодов с квантовыми точками (QD-LED) на основе интеллектуального белого освещения следующего поколения. Они объединили оптимизацию цвета на системном уровне, оптоэлектронное моделирование на уровне устройства и извлечение параметров на уровне материала.

Исследователи создали основу вычислительного проектирования на основе алгоритма оптимизации цвета, используемого для нейронных сетей в машинном обучении, вместе с новым методом моделирования переноса заряда и 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 достичь длин волн излучения, необходимых для проверки их прогнозов.

Затем команда подтвердила свой дизайн, создав новую архитектуру устройства белого освещения на основе QD-LED. Тест показал отличную цветопередачу, более широкий рабочий диапазон, чем у современных технологий, и широкий спектр настройки оттенков белого света.

Разработанная в Кембридже система QD-LED показала коррелированный диапазон цветовой температуры (CCT) от 2243 К (красноватый) до 9207 К (яркое полуденное солнце), по сравнению с современными интеллектуальными светильниками на основе светодиодов, которые имеют CCT от 2200 К до 6500 К. Индекс цветопередачи (CRI) - показатель цветов, освещаемых светом по сравнению с дневным светом (CRI = 100) - системы QD-LED составил 97, по сравнению с текущими диапазонами интеллектуальных ламп, которые находятся в диапазоне от 80 до 91.

Этот дизайн может проложить путь к более эффективному и точному интеллектуальному освещению. В светодиодной смарт-лампе три светодиода должны управляться индивидуально для достижения заданного цвета. В системе QD-LED все квантовые точки приводятся в действие одним общим управляющим напряжением для достижения полного диапазона цветовых температур.

"Это первая в мире полностью оптимизированная, высокопроизводительная интеллектуальная система белого освещения на основе квантовых точек", - сказал профессор Джон Мин Ким из инженерного факультета Кембриджа, который руководил исследованием. "Это первая веха на пути к полному использованию интеллектуального белого освещения на основе квантовых точек для повседневных применений".

"Мы стремились к тому, чтобы лучше воспроизводить дневной свет благодаря динамическому изменению цветового спектра в одном источнике света", - сказал профессор Гехан Амаратунга, который руководил исследованием. "Мы достигли этого новым способом, используя квантовые точки. Это исследование открывает путь для широкого спектра новых световых сред, реагирующих на человека".

Структура белого освещения QD-LED, разработанного командой Cambridge, масштабируется для освещения поверхностей большой площади, поскольку оно выполнено с использованием процесса печати, а его управление и привод аналогичны управлению дисплеем. Со стандартными светодиодами точечного источника, требующими индивидуального управления, это более сложная задача.

Исследование было частично поддержано Европейским союзом и Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC), входящим в состав UK Research and Innovation (UKRI).