Новые интеллектуальные световые устройства, разработанные с использованием квантовых точек, более эффективны, имеют лучшую насыщенность цвета, чем стандартные светодиоды, и могут динамически воспроизводить условия дневного света в одном источнике света. Ученые из Кембриджского университета разработали интеллектуальную систему освещения следующего поколения, используя сочетание нанотехнологий, науки о цвете, передовых вычислительных методов, электроники и уникального производственного процесса. Данное устройство оснащено регулируемым цветом из квантовых точек — крошечных полупроводников размером всего в несколько миллиардных долей метра — которые более эффективны, имеют лучшую цветовую насыщенность, чем стандартные светодиоды, и могут динамически воспроизводить условия дневного света в одном источнике света.
Квантовая точка — фрагмент проводника или полупроводника, носители заряда (электроны или дырки) которого ограничены в пространстве по всем трём измерениям. Размер квантовой точки должен быть настолько мал, чтобы квантовые эффекты были существенными. Это достигается, если кинетическая энергия электрона заметно больше всех других энергетических масштабов: в первую очередь больше температуры, выраженной в энергетических единицах. Квантовые точки были впервые синтезированы в начале 1980-х годов Алексеем Екимовым в стеклянной матрице и Луи Е. Брусом в коллоидных растворах. Термин «квантовая точка» был предложен Марком Ридом.
Энергетический спектр квантовой точки дискретен, а расстояние между стационарными уровнями энергии носителя заряда зависит от размера самой квантовой точки как — ħ/(2md^2 ), где:
- ħ — приведённая постоянная Планка;
- d — характерный размер точки;
- m — эффективная масса электрона на точке
Если же говорить простым языком то квантовая точка — это полупроводник, электрические характеристики которого зависят от его размера и формы.
Например, при переходе электрона на энергетический уровень ниже, испускается фотон; так как можно регулировать размер квантовой точки, то можно и изменять энергию испускаемого фотона, а значит, изменять цвет испускаемого квантовой точкой света.
Типы квантовых точек
Различают два типа:
- эпитаксиальные квантовые точки;
- коллоидные квантовые точки.
По сути они названы так по методам их получения. Подробно говорить о них не буду в силу большого количества химических терминов (гугл в помощь). Добавлю только, что при помощи коллоидного синтеза можно получать нанокристаллы, покрытые слоем адсорбированных поверхностно-активных молекул. Таким образом, они растворимы в органических растворителях, после модификации — также в полярных растворителях.
Конструкция квантовых точек
Обычно квантовой точкой является кристалл полупроводника, в котором реализуются квантовые эффекты. Электрон в таком кристалле чувствует себя как в трех мерной потенциальной яме и имеет много стационарных уровней энергии. Соответственно при переходе с одного уровня на другой квантовой точкой может излучать фотон. При всем при этом переходами легко управлять меняя размеры кристалла. Возможно также перекинуть электрон на высокий энергетический уровень и получать излучение от перехода между более низколежащими уровнями и как следствия получаем люминесценцию. Собственно, именно наблюдение данного явления и послужило первым наблюдением квантовых точек.
Теперь о дисплеях
История полноценных дисплеев началась в феврале 2011 года, когда Samsung Electronics представили разработки полноцветного дисплея на основе квантовых точек QLED. Это был 4-х дюймовый дисплей управляемый активной матрицей, т.е. каждый цветной пиксель с квантовой точкой может включаться и выключаться тонкоплёночным транзистором.
Для создания прототипа на кремневую плату наносят слой раствора квантовых точек и напыляется растворитель. После чего в слой квантовых точек запрессовывается резиновый штамп с гребенчатой поверхностью, отделяется и штампуется на стекло или гибкий пластик. Так осуществляется нанесение полосок квантовых точек на подложку. В цветных дисплеях каждый пиксель содержит красный, зелёный или синий субпиксель. Соответственно эти цвета используются с разной интенсивностью для получения как можно большего количества оттенков.
Следующим шагом в развитии стала публикация статьи ученными из Индийского Института Науки в Бангалоре. Где было описаны квантовые точки которые люминесцируют не только оранжевым цветом, но и в диапазоне от темно-зеленого до красного.
Когда квантовые точки были впервые представлены на рынке, производители сразу же признали, что их имеет смысл применять для совершенствования светодиодного освещения дисплеев. В этом случае преимущество квантовых точек, действующих в качестве узкополосного красного люминофора, заключается в том, что они обеспечивают производителям цвет высшего качества без больших потерь эффективности по сравнению с использованием обычного красного люминофора. Поскольку квантовые точки можно легко настроить на любой цвет спектра, они стали настоящим прорывом в освещении по сравнению с традиционными светодиодными светильниками.
Исследователи обнаружили, что, применяя более трех основных цветов освещения, используемых в типичных светодиодах, удалось более точно воспроизвести дневной свет. Ранние тесты нового дизайна показали отличную цветопередачу, более широкий рабочий диапазон, чем у современных технологий интеллектуального освещения, и более широкий спектр настройки белого света. Поскольку доступность и характеристики окружающего света связаны с самочувствием, широкое распространение интеллектуальных систем освещения может оказать положительное влияние на здоровье человека, поскольку эти системы могут реагировать на индивидуальное настроение.
Интеллектуальное освещение также может реагировать на циркадные ритмы, которые регулируют ежедневный цикл сна и бодрствования, так что свет становится красновато-белым утром и вечером, и голубовато-белым днем. Когда в комнате достаточно естественного или искусственного света, хороший контроль бликов и вид на улицу, считается, что в ней хороший уровень визуального комфорта. В помещениях с искусственным освещением зрительный комфорт зависит от того, насколько точно переданы цвета.
Поскольку цвет объектов определяется освещением, интеллектуальное белое освещение должно точно отображать цвет окружающих объектов. Современные технологии достигают этого за счет одновременного использования трех разных цветов света. Квантовые точки, благодаря своим уникальным оптоэлектронным свойствам демонстрируют превосходные цветовые характеристики как в широком диапазоне управления цветом, так и в высокой способности цветопередачи. Кембриджские исследователи разработали архитектуру для светоизлучающих диодов с квантовыми точками (QD-LED) на основе интеллектуального белого освещения нового поколения.
Они объединили оптимизацию цвета на уровне системы, оптоэлектронное моделирование на уровне устройства и извлечение параметров на уровне материала. Исследователи создали основу вычислительного дизайна на основе алгоритма оптимизации цвета, используемого для нейронных сетей в машинном обучении, вместе с новым методом переноса заряда и моделирования светового излучения. Система QD-LED использует несколько основных цветов — помимо обычно используемых красного, зеленого и синего — для более точной имитации белого света. Выбрав квантовые точки определенного размера — от трех до 30 нанометров в диаметре — исследователи смогли преодолеть некоторые практические ограничения светодиодов и получить длины волн излучения, необходимые им для проверки их прогнозов.
Тест показал отличную цветопередачу, более широкий рабочий диапазон, чем у современных технологий, и широкий спектр индивидуальной настройки оттенков белого света. Управление спектром — одно из нескольких преимуществ светодиодов перед традиционными системами освещения. Среди факторов, способствующих достижению точного спектра для освещения, одним из наиболее важных является цветовая температура, измеренная по шкале Кельвина при данной длине волны. Согласно определению, цветовая температура источника света — это температура абсолютно черного тела, которое излучает свет того же оттенка, что и рассматриваемый источник.
Разработанная система QD-LED продемонстрировала диапазон коррелированной цветовой температуры (CCT) от 2243K (красноватый) до 9207K (яркое полуденное солнце) по сравнению с современными интеллектуальными светильниками на основе светодиодов, которые имеют CCT от 2200K до 6500K. Индекс цветопередачи (CRI) — мера цветов, освещенных светом по сравнению с дневным светом (CRI = 100) — системы QD-LED составил 97 по сравнению с текущими диапазонами «умных» ламп, которые находятся между 80 и 91.
В светодиодной «умной» лампочке три светодиода управляются индивидуально для достижения заданного цвета. А в системе QD-LED все квантовые точки управляются одним общим управляющим напряжением для достижения полного диапазона цветовой температуры. Структура белого освещения QD-LED масштабируется для освещения больших площадей, поскольку она изготавливается с помощью процесса печати, а ее управление и привод аналогичны дисплею. Со стандартными точечными светодиодами, требующими индивидуального управления, это более сложная задача.
Источники: https://naukatehnika.com/, https://habr.com/
