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每日播報!研究人員基于量子點打造出能更準確再現日光的LED智能照明系統

2022-08-03 17:30:39 來源：cnBeta.COM

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體--設計出了智能的、顏色可控的白光設備，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)地再現日光條件。

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來自劍橋大學的研究人員利用納米技術、色彩學、先進的計算方法、電子學和獨特的制造工藝的結合設計了下一代智能照明系統。

研究小組發(fā)現，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日光。新設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擁有更廣泛的操作范圍及更廣泛的白光定制光譜。這些結果已于日前發(fā)表在《Nature Communications》上。

由于環(huán)境光的可用性和特性跟健康有關，智能照明系統的普及可以對人類健康產生積極影響，這是因為這些系統可以對個人情緒做出反應。另外，智能照明還可以響應晝夜節(jié)律、調節(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環(huán)境中，視覺舒適度取決于色彩的準確呈現程度。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。目前的技術通過同時使用三種不同顏色的光來實現這一目標。

由于量子點具有高色彩可調性和色彩純度，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出優(yōu)異的色彩性能。

劍橋大學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。他們將系統級色彩優(yōu)化、器件級光電模擬和材料級參數提取結合起來。

研究人員從機器學習中用于神經網絡的色彩優(yōu)化算法中產生了一個計算設計框架，與此同時還產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他們所需的發(fā)射波長以測試其預測。

然后，該團隊通過創(chuàng)建一個基于QD-LED的白色照明的新設備架構來驗證他們的設計。測試結果顯示了出色的顯色性，這比目前的技術擁有更寬的工作范圍及寬光譜的白光燈罩定制。

劍橋大學開發(fā)的QD-LED系統顯示的相關色溫(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系統的顯色指數(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特定的顏色。在QD-LED系統中，所有的量子點都由一個共同的控制電壓驅動以實現全色溫范圍。

劍橋大學工程系的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。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，可用于日常應用。”

共同領導這項研究的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了這一點。這項研究為各種新的人類響應性照明環(huán)境開辟了道路。”

劍橋大學團隊開發(fā)的QD-LED白色照明的結構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雜的任務。

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