Forscher haben intelligente, farbsteuerbare Weißlichtgeräte aus Quantenpunkten – winzige Halbleiter, die nur wenige Milliardstel Meter groß sind – entwickelt, die effizienter sind und eine bessere Farbsättigung als Standard-LEDs aufweisen und Tageslichtbedingungen in einem einzigen Licht dynamisch reproduzieren können .
Die Forscher der University of Cambridge entwarfen das intelligente Beleuchtungssystem der nächsten Generation unter Verwendung einer Kombination aus Nanotechnologie, Farbwissenschaft, fortschrittlichen Computermethoden, Elektronik und einem einzigartigen Herstellungsprozess.
Das Team fand heraus, dass es durch die Verwendung von mehr als den drei primären Beleuchtungsfarben, die in typischen LEDs verwendet werden, in der Lage war, das Tageslicht genauer zu reproduzieren. Frühe Tests des neuen Designs zeigten eine hervorragende Farbwiedergabe, einen größeren Betriebsbereich als die aktuelle intelligente Beleuchtungstechnologie und ein breiteres Spektrum an Weißlichtanpassungen. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.
Da die Verfügbarkeit und Eigenschaften von Umgebungslicht mit dem Wohlbefinden verbunden sind, kann sich die flächendeckende Verfügbarkeit intelligenter Beleuchtungssysteme positiv auf die menschliche Gesundheit auswirken, da diese Systeme auf individuelle Stimmungen reagieren können. Intelligente Beleuchtung kann auch auf zirkadiane Rhythmen reagieren, die den täglichen Schlaf-Wach-Rhythmus regulieren, sodass das Licht morgens und abends rötlich-weiß und tagsüber bläulich-weiß ist.
Wenn ein Raum über ausreichend natürliches oder künstliches Licht, eine gute Entblendung und Ausblicke ins Freie verfügt, spricht man von einem guten Sehkomfort. In Innenräumen mit künstlichem Licht hängt der visuelle Komfort davon ab, wie genau Farben wiedergegeben werden. Da die Farbe von Objekten durch die Beleuchtung bestimmt wird, muss eine intelligente weiße Beleuchtung in der Lage sein, die Farbe der umgebenden Objekte genau wiederzugeben. Die aktuelle Technologie erreicht dies durch die gleichzeitige Verwendung von drei verschiedenen Lichtfarben.
Quantenpunkte wurden aufgrund ihrer hohen Farbabstimmbarkeit und Farbreinheit seit den 1990er Jahren als Lichtquellen untersucht und entwickelt. Aufgrund ihrer einzigartigen optoelektronischen Eigenschaften zeigen sie eine hervorragende Farbleistung sowohl bei der breiten Farbsteuerbarkeit als auch bei der hohen Farbwiedergabefähigkeit.
Die Cambridge-Forscher entwickelten eine Architektur für auf Quantenpunkten basierende lichtemittierende Dioden (QD-LED) der nächsten Generation intelligenter weißer Beleuchtung. Sie kombinierten Farboptimierung auf Systemebene, optoelektronische Simulation auf Geräteebene und Parameterextraktion auf Materialebene.
Die Forscher erstellten ein computergestütztes Design-Framework aus einem Farboptimierungsalgorithmus, der für neuronale Netze beim maschinellen Lernen verwendet wird, zusammen mit einer neuen Methode für den Ladungstransport und die Lichtemissionsmodellierung.
Das QD-LED-System verwendet mehrere Primärfarben – über das üblicherweise verwendete Rot, Grün und Blau hinaus – um weißes Licht genauer nachzuahmen. Durch die Auswahl von Quantenpunkten einer bestimmten Größe – zwischen drei und 30 Nanometer im Durchmesser – konnten die Forscher einige der praktischen Einschränkungen von LEDs überwinden und die Emissionswellenlängen erreichen, die sie zum Testen ihrer Vorhersagen benötigten.
Anschließend validierte das Team sein Design, indem es eine neue Gerätearchitektur mit QD-LED-basierter weißer Beleuchtung erstellte. Der Test zeigte eine hervorragende Farbwiedergabe, einen größeren Betriebsbereich als die aktuelle Technologie und ein breites Spektrum an Anpassungsmöglichkeiten für Weißlichtschirme.
Das in Cambridge entwickelte QD-LED-System zeigte einen korrelierten Farbtemperaturbereich (CCT) von 2243 K (rötlich) bis 9207 K (helle Mittagssonne), verglichen mit aktuellen LED-basierten intelligenten Leuchten, die eine CCT zwischen 2200 K und 6500 K haben. Der Farbwiedergabeindex (CRI) – ein Maß für die vom Licht beleuchteten Farben im Vergleich zu Tageslicht (CRI = 100) – des QD-LED-Systems betrug 97, verglichen mit aktuellen Smart-Glühbirnen-Sortimenten, die zwischen 80 und 91 liegen.
Das Design könnte den Weg zu einer effizienteren und genaueren intelligenten Beleuchtung ebnen. In einer intelligenten LED-Glühbirne müssen die drei LEDs einzeln gesteuert werden, um eine bestimmte Farbe zu erreichen. Im QD-LED-System werden alle Quantenpunkte von einer einzigen gemeinsamen Steuerspannung angesteuert, um den vollen Farbtemperaturbereich zu erreichen.
„Dies ist eine Weltneuheit: ein vollständig optimiertes, hochleistungsfähiges, auf Quantenpunkten basierendes intelligentes weißes Beleuchtungssystem“, sagte Professor Jong Min Kim vom Department of Engineering in Cambridge, der die Forschung mitleitete. „Dies ist der erste Meilenstein in Richtung der vollständigen Nutzung von Quantenpunkt-basierter intelligenter weißer Beleuchtung für tägliche Anwendungen.“
„Die Fähigkeit, Tageslicht durch sein variierendes Farbspektrum dynamisch in einem einzigen Licht besser zu reproduzieren, ist unser Ziel“, sagte Professor Gehan Amaratunga, der die Forschung mitleitete. „Wir haben es auf eine neue Art und Weise durch die Verwendung von Quantenpunkten erreicht. Diese Forschung ebnet den Weg für eine Vielzahl neuer, auf den Menschen reagierender Beleuchtungsumgebungen.“
Der vom Cambridge-Team entwickelte Aufbau der QD-LED-Weißbeleuchtung ist auf großflächige Leuchtflächen skalierbar, da er mit einem Druckverfahren hergestellt wird und seine Ansteuerung und Ansteuerung einem Display ähnelt. Bei Standard-Punktquellen-LEDs, die eine individuelle Steuerung erfordern, ist dies eine komplexere Aufgabe.
Optoelektronische System- und Geräteintegration für Quantenpunkt-Leuchtdioden-Weißbeleuchtung mit Computational Design Framework, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-31853-9