يعمل نظام الإضاءة الذكي LED القائم على النقاط الكمية على إعادة إنتاج ضوء النهار بدقة أكبر
صمم الباحثون أجهزة إضاءة بيضاء ذكية يمكن التحكم فيها بالألوان من النقاط الكمومية – أشباه موصلات صغيرة يبلغ حجمها بضعة أجزاء من المليار من المتر – وهي أكثر كفاءة وتشبعًا لونيًا أفضل من مصابيح LED القياسية، ويمكنها إعادة إنتاج ظروف ضوء النهار بشكل ديناميكي في ضوء واحد..
صمم الباحثون، من جامعة كامبريدج، نظام الإضاءة الذكية من الجيل التالي باستخدام مزيج من تقنية النانو وعلوم الألوان والأساليب الحسابية المتقدمة والإلكترونيات وعملية تصنيع فريدة من نوعها.
“يفتح هذا البحث الطريق أمام مجموعة متنوعة من بيئات الإضاءة الجديدة التي تستجيب للإنسان.” – جيهان أماراتونجا
وجد الفريق أنه باستخدام أكثر من ألوان الإضاءة الأساسية الثلاثة المستخدمة في مصابيح LED النموذجية، تمكنوا من إعادة إنتاج ضوء النهار بشكل أكثر دقة. أظهرت الاختبارات المبكرة للتصميم الجديد عرضًا رائعًا للألوان، ونطاق تشغيل أوسع من تقنية الإضاءة الذكية الحالية، وطيفًا أوسع لتخصيص الضوء الأبيض. نُشرت النتائج اليوم (3 أغسطس) في مجلة Nature Communications .
نظرًا لأن توافر الضوء المحيط وخصائصه مرتبط بالرفاهية، فإن التوافر الواسع لأنظمة الإضاءة الذكية يمكن أن يكون له تأثير إيجابي على صحة الإنسان لأن هذه الأنظمة يمكن أن تستجيب للمزاج الفردي. يمكن أن تستجيب الإضاءة الذكية أيضًا للإيقاعات اليومية، والتي تنظم دورة النوم والاستيقاظ اليومية، بحيث يكون الضوء أبيض محمر في الصباح والمساء، وأبيض مزرق أثناء النهار.
عندما تحتوي الغرفة على إضاءة طبيعية أو اصطناعية كافية، وتحكم جيد في الوهج، وإطلالات على الهواء الطلق، يُقال إنها تتمتع بمستويات جيدة من الراحة البصرية. في البيئات الداخلية تحت الضوء الاصطناعي، تعتمد الراحة البصرية على مدى دقة عرض الألوان. نظرًا لأن لون الأشياء يتم تحديده عن طريق الإضاءة، يجب أن تكون الإضاءة البيضاء الذكية قادرة على التعبير بدقة عن لون الكائنات المحيطة. تحقق التكنولوجيا الحالية ذلك باستخدام ثلاثة ألوان مختلفة من الضوء في وقت واحد.
تمت دراسة وتطوير النقاط الكمومية كمصادر للضوء منذ التسعينيات، نظرًا لقابليتها العالية لضبط الألوان ونقاوتها اللونية. نظرًا لخصائصها الإلكترونية الضوئية الفريدة، فإنها تُظهر أداء ألوانًا ممتازًا في كل من إمكانية التحكم في اللون الواسع والقدرة العالية على تجسيد اللون.
طور باحثو كامبريدج بنية للديودات الباعثة للضوء بنقطة الكم (QD-LED) القائمة على الجيل التالي من الإضاءة البيضاء الذكية. لقد قاموا بدمج تحسين اللون على مستوى النظام والمحاكاة الإلكترونية الضوئية على مستوى الجهاز واستخراج المعلمات على مستوى المواد.
أنتج الباحثون إطار تصميم حسابي من خوارزمية تحسين الألوان المستخدمة في الشبكات العصبية في التعلم الآلي، جنبًا إلى جنب مع طريقة جديدة لنقل الشحنات ونمذجة انبعاث الضوء.
يستخدم نظام QD-LED ألوانًا أساسية متعددة – بخلاف الأحمر والأخضر والأزرق شائعة الاستخدام – لتقليد الضوء الأبيض بشكل أكثر دقة. من خلال اختيار النقاط الكمومية ذات الحجم المحدد – بقطر يتراوح بين ثلاثة و30 نانومتر – تمكن الباحثون من التغلب على بعض القيود العملية لمصابيح LED وتحقيق أطوال موجات الانبعاث التي يحتاجونها لاختبار تنبؤاتهم.
ثم تحقق الفريق من صحة تصميمهم من خلال إنشاء بنية جهاز جديدة للإضاءة البيضاء القائمة على QD-LED. أظهر الاختبار تجسيدًا ممتازًا للون، ونطاق تشغيل أوسع من التكنولوجيا الحالية، وطيفًا واسعًا من تخصيص ظل الضوء الأبيض.
أظهر نظام QD-LED الذي طورته كامبردج مدى درجة حرارة اللون المترابطة (CCT) من 2243 كلفن (ضارب إلى الحمرة) إلى 9207 كلفن (شمس منتصف النهار الساطعة)، مقارنةً بالأضواء الذكية الحالية القائمة على LED والتي تتراوح درجة حرارة اللون فيها بين 2200 كلفن و6500 كلفن. كان مؤشر تجسيد اللون (CRI) – وهو مقياس للألوان المضاءة بالضوء مقارنة بضوء النهار (CRI = 100) – لنظام QD-LED 97، مقارنة بنطاقات اللمبة الذكية الحالية، والتي تتراوح بين 80 و91.
يمكن أن يمهد التصميم الطريق لإضاءة ذكية أكثر كفاءة ودقة. في لمبة LED الذكية، يجب التحكم في المصابيح الثلاثة بشكل فردي لتحقيق لون معين. في نظام QD-LED، يتم تشغيل جميع النقاط الكمومية بجهد تحكم مشترك واحد لتحقيق نطاق درجة حرارة اللون الكامل.
قال البروفيسور جونغ مين كيم من قسم الهندسة في كامبريدج، والذي شارك في قيادة البحث: “هذا هو الأول من نوعه في العالم: نظام إضاءة بيضاء ذكي محسّن وعالي الأداء قائم على النقاط الكمومية”. “هذا هو أول معلم نحو الاستغلال الكامل للإضاءة البيضاء الذكية القائمة على النقاط الكمومية للتطبيقات اليومية.”
قال البروفيسور جيهان أماراتونجا ، الذي شارك في قيادة البحث: “القدرة على إعادة إنتاج ضوء النهار بشكل أفضل من خلال طيف الألوان المتنوع ديناميكيًا في ضوء واحد هو ما نهدف إليه”. لقد حققنا ذلك بطريقة جديدة من خلال استخدام النقاط الكمومية. يفتح هذا البحث الطريق أمام مجموعة متنوعة من بيئات الإضاءة الجديدة المستجيبة للإنسان “.
إن بنية الإضاءة البيضاء QD-LED التي طورها فريق كامبريدج قابلة للتطوير على أسطح الإضاءة ذات المساحات الكبيرة، حيث إنها مصنوعة من خلال عملية طباعة ويكون التحكم فيها ومحركها مشابهًا لتلك الموجودة في الشاشة. مع وجود مصابيح LED ذات مصدر نقطي تتطلب تحكمًا فرديًا، فهذه مهمة أكثر تعقيدًا.
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
