研究人員通過利用量子點–尺寸僅為幾十億分之一米的微小半導(dǎo)體–設(shè)計出了智能的、顏色可控的白光設(shè)備，跟標準的LED相比，它的效率更高、色彩飽和度更好并能在一盞燈下動態(tài)地再現(xiàn)日光條件。
來自劍橋大學(xué)的研究人員利用納米技術(shù)、色彩學(xué)、先進的計算方法、電子學(xué)和獨特的制造工藝的結(jié)合設(shè)計了下一代智能照明系統(tǒng)。
研究小組發(fā)現(xiàn)，通過使用超過典型LED中使用的三種主要照明顏色，他們能夠更加準確地再現(xiàn)日光。新設(shè)計的早期測試顯示了出色的顯色性，其比目前的智能照明技術(shù)擁有更廣泛的操作范圍及更廣泛的白光定制光譜。這些結(jié)果已于日前發(fā)表在《Nature Communications》上。
由于環(huán)境光的可用性和特性跟健康有關(guān)，智能照明系統(tǒng)的普及可以對人類健康產(chǎn)生積極影響，這是因為這些系統(tǒng)可以對個人情緒做出反應(yīng)。另外，智能照明還可以響應(yīng)晝夜節(jié)律、調(diào)節(jié)每天的睡眠-覺醒周期，所以光線在早上和晚上是紅白色的，而在白天是藍白色的。
當一個房間擁有足夠的自然光或人造光、有良好的眩光控制并能看到室外的景色時，那么就可以說它有良好的視覺舒適度。在人工光線下的室內(nèi)環(huán)境中，視覺舒適度取決于色彩的準確呈現(xiàn)程度。由于物體的顏色是由照度決定的，所以智能白光照明需要能夠準確表達周圍物體的顏色。目前的技術(shù)通過同時使用三種不同顏色的光來實現(xiàn)這一目標。
由于量子點具有高色彩可調(diào)性和色彩純度，所以其自20世紀90年代以來作為光源被研究和開發(fā)。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性方面都表現(xiàn)出優(yōu)異的色彩性能。
劍橋大學(xué)的研究人員為基于量子點發(fā)光二極管（QD-LED）的下一代智能白色照明開發(fā)了一個架構(gòu)。他們將系統(tǒng)級色彩優(yōu)化、器件級光電模擬和材料級參數(shù)提取結(jié)合起來。
圖片來源：拍信網(wǎng)正版圖庫
研究人員從機器學(xué)習(xí)中用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的色彩優(yōu)化算法中產(chǎn)生了一個計算設(shè)計框架，與此同時還產(chǎn)生了一種用于電荷傳輸和光發(fā)射建模的新方法。
QD-LED系統(tǒng)使用多種原色–超越常用的紅、綠、藍–以更準確地模擬白光。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的一些實際限制并實現(xiàn)他們所需的發(fā)射波長以測試其預(yù)測。
然后，該團隊通過創(chuàng)建一個基于QD-LED的白色照明的新設(shè)備架構(gòu)來驗證他們的設(shè)計。測試結(jié)果顯示了出色的顯色性，這比目前的技術(shù)擁有更寬的工作范圍及寬光譜的白光燈罩定制。
劍橋大學(xué)開發(fā)的QD-LED系統(tǒng)顯示的相關(guān)色溫（CCT）范圍從2243K（偏紅）到9207K（明亮的正午陽光），而目前基于LED的智能燈的CCT在2200K和6500K之間。QD-LED系統(tǒng)的顯色指數(shù)（CRI）–與日光（CRI=100）相比，衡量燈光照亮的顏色–是97，而目前的智能燈泡范圍在80至91之間。
該設(shè)計可以為更有效、更準確的智能照明鋪平道路。在LED智能燈泡中，三個LED必須被單獨控制以實現(xiàn)特定的顏色。在QD-LED系統(tǒng)中，所有的量子點都由一個共同的控制電壓驅(qū)動以實現(xiàn)全色溫范圍。
劍橋大學(xué)工程系的Jong Min Kim教授表示：“這是一個世界第一：一個完全優(yōu)化的、基于高性能量子點的智能白色照明系統(tǒng)。這是全面利用基于量子點的智能白色照明的第一個里程碑，可用于日常應(yīng)用?！?/p>
共同領(lǐng)導(dǎo)這項研究的Gehan Amaratunga教授說道：”在一盞燈中通過其不同的色彩光譜動態(tài)地更好地再現(xiàn)日光的能力是我們的目標。我們通過使用量子點以一種新的方式實現(xiàn)了這一點。這項研究為各種新的人類響應(yīng)性照明環(huán)境開辟了道路。”
劍橋大學(xué)團隊開發(fā)的QD-LED白色照明的結(jié)構(gòu)可以擴展到大面積的照明表面，這是因為它是用印刷工藝制作的，其控制和驅(qū)動與顯示器中的類似。由于標準的點光源LED需要單獨控制，所以這是一項比較復(fù)雜的任務(wù)。（來源：cnBeta）
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