El sistema de iluminación inteligente basado en puntos cuánticos reproduce con mayor precisión la luz del día

Los investigadores han diseñado dispositivos inteligentes de luz blanca de color controlable a partir de puntos cuánticos, diminutos semiconductores de unas pocas mil millonésimas de metro de tamaño, que son más eficientes y tienen una mejor saturación de color que los LED estándar, y pueden reproducir dinámicamente las condiciones de la luz del día en una sola luz. .

Los investigadores, de la Universidad de Cambridge, diseñaron el sistema de iluminación inteligente de próxima generación utilizando una combinación de nanotecnología, ciencia del color, métodos computacionales avanzados, electrónica y un proceso de fabricación único.

El equipo descubrió que al usar más de los tres colores de iluminación primarios que se usan en los LED típicos, podían reproducir la luz del día con mayor precisión. Las primeras pruebas del nuevo diseño mostraron una excelente reproducción del color, un rango operativo más amplio que la tecnología de iluminación inteligente actual y un espectro más amplio de personalización de luz blanca. Los resultados se publican en la revista Comunicaciones de la naturaleza.

Dado que la disponibilidad y las características de la luz ambiental están relacionadas con el bienestar, la disponibilidad generalizada de sistemas de iluminación inteligente puede tener un efecto positivo en la salud humana, ya que estos sistemas pueden responder al estado de ánimo individual. La iluminación inteligente también puede responder a los ritmos circadianos, que regulan el ciclo diario de sueño y vigilia, de modo que la luz sea de color blanco rojizo por la mañana y por la noche, y de color blanco azulado durante el día.

Cuando una habitación tiene suficiente luz natural o artificial, buen control del deslumbramiento y vistas al exterior, se dice que tiene buenos niveles de confort visual. En ambientes interiores bajo luz artificial, la comodidad visual depende de la precisión con la que se representen los colores. Dado que el color de los objetos está determinado por la iluminación, la iluminación blanca inteligente debe poder expresar con precisión el color de los objetos circundantes. La tecnología actual logra esto usando tres colores diferentes de luz simultáneamente.

Los puntos cuánticos se han estudiado y desarrollado como fuentes de luz desde la década de 1990, debido a su alta capacidad de sintonización y pureza de color. Debido a sus propiedades optoelectrónicas únicas, muestran un excelente rendimiento del color tanto en la capacidad de control amplio del color como en la alta capacidad de reproducción cromática.

Los investigadores de Cambridge desarrollaron una arquitectura para diodos emisores de luz de punto cuántico (QD-LED) basada en iluminación blanca inteligente de próxima generación. Combinaron la optimización del color a nivel de sistema, la simulación optoelectrónica a nivel de dispositivo y la extracción de parámetros a nivel de material.

Los investigadores produjeron un marco de diseño computacional a partir de un algoritmo de optimización de color utilizado para redes neuronales en el aprendizaje automático, junto con un nuevo método para el transporte de carga y el modelado de emisión de luz.

El sistema QD-LED utiliza múltiples colores primarios, más allá del rojo, verde y azul comúnmente utilizados, para imitar con mayor precisión la luz blanca. Al elegir puntos cuánticos de un tamaño específico, entre tres y 30 nanómetros de diámetro, los investigadores pudieron superar algunas de las limitaciones prácticas de los LED y lograr las longitudes de onda de emisión que necesitaban para probar sus predicciones.

Luego, el equipo validó su diseño mediante la creación de una nueva arquitectura de dispositivo de iluminación blanca basada en QD-LED. La prueba mostró una excelente reproducción cromática, un rango operativo más amplio que la tecnología actual y un amplio espectro de personalización de tonos de luz blanca.

El sistema QD-LED desarrollado por Cambridge mostró un rango de temperatura de color correlacionado (CCT) de 2243K (rojizo) a 9207K (sol brillante del mediodía), en comparación con las luces inteligentes basadas en LED actuales que tienen una CCT entre 2200K y 6500K. El índice de reproducción cromática (CRI, por sus siglas en inglés), una medida de los colores iluminados por la luz en comparación con la luz diurna (CRI=100), del sistema QD-LED fue de 97, en comparación con los rangos actuales de bombillas inteligentes, que están entre 80 y 91.

El diseño podría allanar el camino hacia una iluminación inteligente más eficiente y precisa. En una bombilla LED inteligente, los tres LED deben controlarse individualmente para lograr un color determinado. En el sistema QD-LED, todos los puntos cuánticos están controlados por un solo voltaje de control común para lograr el rango completo de temperatura de color.

«Esta es una primicia mundial: un sistema de iluminación blanca inteligente basado en puntos cuánticos de alto rendimiento totalmente optimizado», dijo el profesor Jong Min Kim del Departamento de Ingeniería de Cambridge, quien codirigió la investigación. «Este es el primer hito hacia la explotación total de la iluminación blanca inteligente basada en puntos cuánticos para aplicaciones diarias».

«La capacidad de reproducir mejor la luz del día a través de su espectro de color variable dinámicamente en una sola luz es lo que buscamos», dijo el profesor Gehan Amaratunga, quien codirigió la investigación. «Lo logramos de una nueva manera mediante el uso de puntos cuánticos. Esta investigación abre el camino para una amplia variedad de nuevos entornos de iluminación sensibles a los humanos».

La estructura de la iluminación blanca QD-LED desarrollada por el equipo de Cambridge es escalable a superficies de iluminación de gran superficie, ya que está realizada con un proceso de impresión y su control y accionamiento es similar al de un display. Con los LED de fuente puntual estándar que requieren control individual, esta es una tarea más compleja.