Les chercheurs ont conçu des dispositifs de lumière blanche intelligents et contrôlables en couleur à partir de points quantiques – de minuscules semi-conducteurs d’une taille de quelques milliardièmes de mètre seulement – qui sont plus efficaces et ont une meilleure saturation des couleurs que les LED standard, et peuvent reproduire dynamiquement les conditions de la lumière du jour en une seule lumière .
Les chercheurs, de l’Université de Cambridge, ont conçu le système d’éclairage intelligent de nouvelle génération en utilisant une combinaison de nanotechnologie, de science des couleurs, de méthodes de calcul avancées, d’électronique et d’un processus de fabrication unique.
L’équipe a découvert qu’en utilisant plus que les trois couleurs d’éclairage primaires utilisées dans les LED typiques, ils étaient capables de reproduire la lumière du jour avec plus de précision. Les premiers tests de la nouvelle conception ont montré un excellent rendu des couleurs, une plage de fonctionnement plus large que la technologie d’éclairage intelligent actuelle et un spectre plus large de personnalisation de la lumière blanche. Les résultats sont publiés dans la revue Communication Nature.
Comme la disponibilité et les caractéristiques de la lumière ambiante sont liées au bien-être, la disponibilité généralisée des systèmes d’éclairage intelligents peut avoir un effet positif sur la santé humaine puisque ces systèmes peuvent répondre à l’humeur individuelle. L’éclairage intelligent peut également répondre aux rythmes circadiens, qui régulent le cycle veille-sommeil quotidien, de sorte que la lumière est blanc rougeâtre le matin et le soir, et blanc bleuâtre pendant la journée.
Lorsqu’une pièce dispose d’un éclairage naturel ou artificiel suffisant, d’un bon contrôle de l’éblouissement et d’une vue sur l’extérieur, on dit qu’elle a un bon niveau de confort visuel. Dans les environnements intérieurs sous lumière artificielle, le confort visuel dépend de la précision du rendu des couleurs. Étant donné que la couleur des objets est déterminée par l’éclairage, l’éclairage blanc intelligent doit pouvoir exprimer avec précision la couleur des objets environnants. La technologie actuelle y parvient en utilisant simultanément trois couleurs de lumière différentes.
Les points quantiques ont été étudiés et développés comme sources lumineuses depuis les années 1990, en raison de leur haute accordabilité et pureté des couleurs. En raison de leurs propriétés optoélectroniques uniques, ils présentent d’excellentes performances de couleur à la fois dans une large contrôlabilité des couleurs et une capacité de rendu des couleurs élevée.
Les chercheurs de Cambridge ont développé une architecture pour l’éclairage blanc intelligent de nouvelle génération basé sur des diodes électroluminescentes à points quantiques (QD-LED). Ils ont combiné l’optimisation des couleurs au niveau du système, la simulation optoélectronique au niveau de l’appareil et l’extraction des paramètres au niveau du matériau.
Les chercheurs ont produit un cadre de conception informatique à partir d’un algorithme d’optimisation des couleurs utilisé pour les réseaux de neurones dans l’apprentissage automatique, ainsi qu’une nouvelle méthode de transport de charge et de modélisation de l’émission de lumière.
Le système QD-LED utilise plusieurs couleurs primaires, au-delà du rouge, du vert et du bleu couramment utilisés, pour imiter plus précisément la lumière blanche. En choisissant des points quantiques d’une taille spécifique – entre 3 et 30 nanomètres de diamètre – les chercheurs ont pu surmonter certaines des limites pratiques des LED et atteindre les longueurs d’onde d’émission dont ils avaient besoin pour tester leurs prédictions.
L’équipe a ensuite validé sa conception en créant une nouvelle architecture de dispositif d’éclairage blanc à base de QD-LED. Le test a montré un excellent rendu des couleurs, une plage de fonctionnement plus large que la technologie actuelle et un large éventail de personnalisation des teintes de lumière blanche.
Le système QD-LED développé par Cambridge a montré une plage de température de couleur corrélée (CCT) de 2243K (rougeâtre) à 9207K (soleil de midi brillant), par rapport aux lumières intelligentes actuelles à base de LED qui ont un CCT entre 2200K et 6500K. L’indice de rendu des couleurs (IRC) – une mesure des couleurs éclairées par la lumière par rapport à la lumière du jour (IRC = 100) – du système QD-LED était de 97, par rapport aux gammes d’ampoules intelligentes actuelles, qui se situent entre 80 et 91.
La conception pourrait ouvrir la voie à un éclairage intelligent plus efficace et plus précis. Dans une ampoule intelligente à LED, les trois LED doivent être contrôlées individuellement pour obtenir une couleur donnée. Dans le système QD-LED, tous les points quantiques sont pilotés par une seule tension de commande commune pour atteindre la plage de température de couleur complète.
« Il s’agit d’une première mondiale : un système d’éclairage blanc intelligent entièrement optimisé et hautes performances basé sur des points quantiques », a déclaré le professeur Jong Min Kim du département d’ingénierie de Cambridge, qui a codirigé la recherche. « Il s’agit de la première étape vers la pleine exploitation de l’éclairage blanc intelligent basé sur des points quantiques pour les applications quotidiennes. »
« La capacité de mieux reproduire dynamiquement la lumière du jour à travers son spectre de couleurs variable dans une seule lumière est ce que nous recherchions », a déclaré le professeur Gehan Amaratunga, qui a codirigé la recherche. « Nous y sommes parvenus d’une nouvelle manière grâce à l’utilisation de points quantiques. Cette recherche ouvre la voie à une grande variété de nouveaux environnements d’éclairage réactifs pour l’homme. »
La structure de l’éclairage blanc QD-LED développé par l’équipe de Cambridge est évolutive pour de grandes surfaces d’éclairage, car il est fabriqué avec un processus d’impression et son contrôle et son entraînement sont similaires à ceux d’un écran. Avec des LED à source ponctuelle standard nécessitant un contrôle individuel, il s’agit d’une tâche plus complexe.
Intégration de systèmes et de dispositifs optoélectroniques pour l’éclairage blanc à diode électroluminescente à points quantiques avec cadre de conception informatique, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-31853-9