Smart Lighting based on Quantum Dots reproduce daylight more accurately

10/08/22-FR-English-NL-footer

L'éclairage intelligent basé sur les points quantiques reproduit la lumière du jour avec plus de précision

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 Nature Communications.

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 limitations 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 LED intelligente, 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 haute performance 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 la lumière du jour à travers son spectre de couleurs variable de manière dynamique 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 en utilisant des 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.

La recherche a été financée en partie par l'Union européenne et le Conseil de recherche en génie et en sciences physiques (EPSRC), qui fait partie de UK Research and Innovation (UKRI).
NJC.© Infos University of Cambridge

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10/08/22-English

Smart Lighting based on Quantum Dots reproduce daylight more accurately

Researchers have designed smart, colour-controllable white light devices from quantum dots – tiny semiconductors just a few billionths of a metre in size – which are more efficient and have better colour saturation than standard LEDs, and can dynamically reproduce daylight conditions in a single light.

The researchers, from the University of Cambridge, designed the next-generation smart lighting system using a combination of nanotechnology, colour science, advanced computational methods, electronics and a unique fabrication process.

The team found that by using more than the three primary lighting colours used in typical LEDs, they were able to reproduce daylight more accurately. Early tests of the new design showed excellent colour rendering, a wider operating range than current smart lighting technology, and wider spectrum of white light customisation. The results are reported in the journal Nature Communications.

As the availability and characteristics of ambient light are connected with wellbeing, the widespread availability of smart lighting systems can have a positive effect on human health since these systems can respond to individual mood. Smart lighting can also respond to circadian rhythms, which regulate the daily sleep-wake cycle, so that light is reddish-white in the morning and evening, and bluish-white during the day.

When a room has sufficient natural or artificial light, good glare control, and views of the outdoors, it is said to have good levels of visual comfort. In indoor environments under artificial light, visual comfort depends on how accurately colours are rendered. Since the colour of objects is determined by illumination, smart white lighting needs to be able to accurately express the colour of surrounding objects. Current technology achieves this by using three different colours of light simultaneously.

Quantum dots have been studied and developed as light sources since the 1990s, due to their high colour tunability and colour purity. Due their unique optoelectronic properties, they show excellent colour performance in both wide colour controllability and high colour rendering capability.

The Cambridge researchers developed an architecture for quantum-dot light-emitting diodes (QD-LED) based next-generation smart white lighting. They combined system-level colour optimisation, device-level optoelectronic simulation, and material-level parameter extraction.

The researchers produced a computational design framework from a colour optimisation algorithm used for neural networks in machine learning, together with a new method for charge transport and light emission modelling.

The QD-LED system uses multiple primary colours – beyond the commonly used red, green and blue – to more accurately mimic white light. By choosing quantum dots of a specific size – between three and 30 nanometres in diameter – the researchers were able to overcome some of the practical limitations of LEDs and achieve the emission wavelengths they needed to test their predictions.

The team then validated their design by creating a new device architecture of QD-LED based white lighting. The test showed excellent colour rendering, a wider operating range than current technology, and a wide spectrum of white light shade customisation.

The Cambridge-developed QD-LED system showed a correlated colour temperature (CCT) range from 2243K (reddish) to 9207K (bright midday sun), compared with current LED-based smart lights which have a CCT between 2200K and 6500K. The colour rendering index (CRI) – a measure of colours illuminated by the light in comparison to daylight (CRI=100) – of the QD-LED system was 97, compared to current smart bulb ranges, which are between 80 and 91.

The design could pave the way to more efficient, more accurate smart lighting. In an LED smart bulb, the three LEDs must be controlled individually to achieve a given colour. In the QD-LED system, all the quantum dots are driven by a single common control voltage to achieve the full colour temperature range.

“This is a world-first: a fully optimised, high-performance quantum-dot-based smart white lighting system,” said Professor Jong Min Kim from Cambridge’s Department of Engineering, who co-led the research. “This is the first milestone toward the full exploitation of quantum-dot-based smart white lighting for daily applications.”

“The ability to better reproduce daylight through its varying colour spectrum dynamically in a single light is what we aimed for,” said Professor Gehan Amaratunga, who co-led the research. “We achieved it in a new way through using quantum dots. This research opens the way for a wide variety of new human responsive lighting environments.”

The structure of the QD-LED white lighting developed by the Cambridge team is scalable to large area lighting surfaces, as it is made with a printing process and its control and drive is similar to that in a display. With standard point source LEDs requiring individual control this is a more complex task.

The research was supported in part by the European Union and the Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), part of UK Research and Innovation (UKRI).
NJC.© Info University of Cambridge

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10/08/22-NL

Slimme verlichting op basis van Quantum Dots reproduceert daglicht nauwkeuriger

Onderzoekers hebben slimme, kleurgestuurde witlichtapparaten ontworpen op basis van kwantumdots - kleine halfgeleiders van slechts een paar miljardsten van een meter groot - die efficiënter zijn en een betere kleurverzadiging hebben dan standaard-LED's, en die daglichtomstandigheden dynamisch kunnen reproduceren in een enkel licht .

De onderzoekers, van de Universiteit van Cambridge, ontwierpen het slimme verlichtingssysteem van de volgende generatie met behulp van een combinatie van nanotechnologie, kleurwetenschap, geavanceerde rekenmethoden, elektronica en een uniek fabricageproces.

Het team ontdekte dat door meer dan de drie primaire verlichtingskleuren te gebruiken die in typische LED's worden gebruikt, ze daglicht nauwkeuriger konden reproduceren. Vroege tests van het nieuwe ontwerp toonden een uitstekende kleurweergave, een groter werkbereik dan de huidige slimme verlichtingstechnologie en een breder spectrum van aanpassing van wit licht. De resultaten worden gerapporteerd in het tijdschrift Nature Communications.

Aangezien de beschikbaarheid en kenmerken van omgevingslicht verband houden met welzijn, kan de wijdverbreide beschikbaarheid van slimme verlichtingssystemen een positief effect hebben op de menselijke gezondheid, omdat deze systemen kunnen reageren op de individuele stemming. Slimme verlichting kan ook reageren op circadiane ritmes, die de dagelijkse slaap-waakcyclus reguleren, zodat het licht 's morgens en' s avonds roodachtig wit is en overdag blauwachtig wit.

Wanneer een ruimte voldoende natuurlijk of kunstlicht heeft, een goede verblindingscontrole en uitzicht op de buitenlucht heeft, is er sprake van een goed visueel comfort. In binnenomgevingen met kunstlicht hangt het visuele comfort af van hoe nauwkeurig kleuren worden weergegeven. Omdat de kleur van objecten wordt bepaald door verlichting, moet slimme witte verlichting de kleur van omringende objecten nauwkeurig kunnen weergeven. De huidige technologie bereikt dit door drie verschillende kleuren licht tegelijk te gebruiken.

Quantum dots zijn sinds de jaren negentig bestudeerd en ontwikkeld als lichtbronnen vanwege hun hoge kleurafstembaarheid en kleurzuiverheid. Vanwege hun unieke opto-elektronische eigenschappen vertonen ze uitstekende kleurprestaties in zowel brede kleurbeheersbaarheid als hoge kleurweergave.

De Cambridge-onderzoekers ontwikkelden een architectuur voor op quantum-dot light-emitting diodes (QD-LED) gebaseerde slimme witte verlichting van de volgende generatie. Ze combineerden kleuroptimalisatie op systeemniveau, opto-elektronische simulatie op apparaatniveau en parameterextractie op materiaalniveau.

De onderzoekers produceerden een computationeel ontwerpraamwerk van een kleuroptimalisatie-algoritme dat wordt gebruikt voor neurale netwerken in machine learning, samen met een nieuwe methode voor ladingstransport en lichtemissiemodellering.

Het QD-LED-systeem gebruikt meerdere primaire kleuren – naast het veelgebruikte rood, groen en blauw – om wit licht nauwkeuriger na te bootsen. Door kwantumdots van een specifieke grootte te kiezen - tussen de drie en 30 nanometer in diameter - konden de onderzoekers enkele van de praktische beperkingen van LED's overwinnen en de emissiegolflengten bereiken die ze nodig hadden om hun voorspellingen te testen.

Het team valideerde vervolgens hun ontwerp door een nieuwe apparaatarchitectuur te creëren van op QD-LED gebaseerde witte verlichting. De test toonde een uitstekende kleurweergave, een groter werkbereik dan de huidige technologie en een breed spectrum van aanpassing van witlichttinten.

Het door Cambridge ontwikkelde QD-LED-systeem vertoonde een gecorreleerd kleurtemperatuurbereik (CCT) van 2243K (roodachtig) tot 9207K (heldere middagzon), vergeleken met de huidige op LED gebaseerde slimme lampen met een CCT tussen 2200K en 6500K. De kleurweergave-index (CRI) - een maat voor kleuren die door het licht worden verlicht in vergelijking met daglicht (CRI = 100) - van het QD-LED-systeem was 97, vergeleken met de huidige reeksen slimme lampen, die tussen 80 en 91 liggen.

Het ontwerp kan de weg vrijmaken voor efficiëntere, nauwkeurigere slimme verlichting. In een slimme LED-lamp moeten de drie LED's afzonderlijk worden aangestuurd om een ​​bepaalde kleur te bereiken. In het QD-LED-systeem worden alle quantum dots aangestuurd door een enkele gemeenschappelijke stuurspanning om het volledige kleurtemperatuurbereik te bereiken.

"Dit is een wereldprimeur: een volledig geoptimaliseerd, krachtig, op kwantumdots gebaseerd slim wit verlichtingssysteem", zegt professor Jong Min Kim van Cambridge's Department of Engineering, die het onderzoek mede leidde. "Dit is de eerste mijlpaal in de richting van de volledige benutting van op kwantumdots gebaseerde slimme witte verlichting voor dagelijkse toepassingen."

"Het vermogen om daglicht beter te reproduceren door zijn variërende kleurenspectrum dynamisch in een enkel licht is waar we naar streefden", zegt professor Gehan Amaratunga, die het onderzoek mede leidde. “We hebben het op een nieuwe manier bereikt door het gebruik van kwantumstippen. Dit onderzoek opent de weg voor een breed scala aan nieuwe, op mensen reagerende verlichtingsomgevingen.”

De structuur van de QD-LED witte verlichting die is ontwikkeld door het Cambridge-team is schaalbaar tot grote verlichtingsoppervlakken, omdat deze is gemaakt met een afdrukproces en de besturing en aandrijving ervan vergelijkbaar is met die in een display. Met standaard puntbron-LED's die individuele controle vereisen, is dit een complexere taak.

Het onderzoek werd mede ondersteund door de Europese Unie en de Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), onderdeel van UK Research and Innovation (UKRI).
NJC.© Info University of Cambridge

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