基于量子点的LED智能照明系统更准确地再现日光

使用量子点设计的新型智能照明设备效率更高，比标准 LED 具有更好的色彩饱和度，并且可以在单灯中动态再现日光条件。

研究人员利用量子点设计了智能、颜色可控的白光设备 - 尺寸仅为十亿分之一米的微型半导体 - 与标准 LED 相比，它们效率更高，色彩饱和度更好，并且可以在单一光线下动态再现日光条件.

来自剑桥大学的研究人员结合了纳米技术、色彩科学、先进的计算方法、电子学和独特的制造工艺，设计了下一代智能照明系统。

该团队发现，通过使用典型 LED 中使用的三种以上照明颜色，他们能够更准确地再现日光。新设计的早期测试显示出出色的显色性、比当前智能照明技术更宽的工作范围以及更广泛的白光定制。该结果于今天（8 月 3 日）发表在《自然通讯》杂志上。

由于环境光的可用性和特性与幸福感相关，智能照明系统的广泛使用会对人类健康产生积极影响，因为这些系统可以响应个人情绪。智能照明还可以响应昼夜节律，调节每日睡眠-觉醒周期，使光线在早晚呈红白色，白天呈蓝白色。

当一个房间有足够的自然光或人造光、良好的眩光控制和户外景观时，据说它具有良好的视觉舒适度。在人造光下的室内环境中，视觉舒适度取决于颜色渲染的准确程度。由于物体的颜色是由光照决定的，因此智能白光照明需要能够准确地表达周围物体的颜色。目前的技术通过同时使用三种不同颜色的光来实现这一点。

自 1990 年代以来，量子点已被研究和开发为光源，因为它们具有高颜色可调性和颜色纯度。由于其独特的光电特性，它们在广泛的色彩可控性和高显色能力方面都表现出优异的色彩表现。

剑桥研究人员开发了一种基于量子点发光二极管 (QD-LED) 的下一代智能白光照明架构。他们结合了系统级颜色优化、器件级光电模拟和材料级参数提取。

研究人员从用于机器学习中的神经网络的颜色优化算法以及电荷传输和光发射建模的新方法生成了一个计算设计框架。

QD-LED 系统使用多种原色——除了常用的红色、绿色和蓝色——来更准确地模拟白光。通过选择特定尺寸的量子点——直径在 3 到 30 纳米之间——研究人员能够克服 LED 的一些实际限制，并达到测试预测所需的发射波长。

然后，该团队通过创建基于 QD-LED 的白光照明的新设备架构来验证他们的设计。该测试显示了出色的显色性、比当前技术更宽的操作范围以及广泛的白光阴影定制。

剑桥开发的 QD-LED 系统的相关色温 (CCT) 范围从 2243K（微红色）到 9207K（明亮的正午阳光），而目前基于 LED 的智能灯的 CCT 介于 2200K 和 6500K 之间。QD-LED 系统的显色指数 (CRI) - 与日光 (CRI=100) 相比，光照射的颜色的衡量标准 - 为 97，而目前的智能灯泡范围在 80 到 91 之间。

该设计可以为更高效、更准确的智能照明铺平道路。在 LED 智能灯泡中，必须单独控制三个 LED 以实现给定的颜色。在 QD-LED 系统中，所有量子点均由单个公共控制电压驱动，以实现全色温范围。

“这是世界首创：一个完全优化的、基于高性能量子点的智能白光系统，”剑桥大学工程系的 Jong Min Kim 教授说，他是这项研究的共同领导者。“这是在日常应用中充分利用基于量子点的智能白光照明的第一个里程碑。”

“我们的目标是通过单一光线动态地通过其变化的色谱更好地再现日光的能力，”共同领导该研究的 Gehan Amartunga 教授说。“我们通过使用量子点以一种新的方式实现了它。这项研究为各种新的人类响应照明环境开辟了道路。”

剑桥团队开发的 QD-LED 白光照明的结构可扩展到大面积照明表面，因为它是通过印刷工艺制成的，其控制和驱动类似于显示器中的控制和驱动。对于需要单独控制的标准点光源 LED，这是一项更复杂的任务。