Los investigadores han desarrollado dispositivos inteligentes de luz blanca con control de color hechos de puntos cuánticos (diminutos semiconductores de solo unas 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 un sola luz
Investigadores de la Universidad de Cambridge diseñaron el sistema de iluminación inteligente de próxima generación utilizando una combinación de nanotecnología, ciencia del color, métodos informáticos 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 con mayor precisión la luz del día. 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 una gama más amplia de ajustes de luz blanca. Los resultados se publican en la revista comunicación de la naturaleza.
Dado que la disponibilidad y las propiedades de la luz ambiental están vinculadas al bienestar, la disponibilidad generalizada de sistemas de iluminación inteligente puede tener un impacto positivo en la salud humana, ya que estos sistemas pueden reaccionar ante los estados de ánimo individuales. La iluminación inteligente también puede responder a los ritmos circadianos que regulan los ciclos diarios de sueño y vigilia, por lo que la luz es de color blanco rojizo por la mañana y por la noche y de color blanco azulado durante el día.
Si una habitación tiene suficiente luz natural o artificial, buen control del deslumbramiento y vista al exterior, se dice que tiene un buen confort visual. En ambientes interiores con luz artificial, el confort 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 reproducir con precisión el color de los objetos circundantes. La tecnología actual logra esto usando tres colores diferentes de luz al mismo tiempo.
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 amplia capacidad de control del color como en la alta capacidad de reproducción del color.
Los investigadores de Cambridge desarrollaron una arquitectura para diodos emisores de luz basados en puntos cuánticos (QD-LED) para la próxima generación de iluminación blanca inteligente. 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 crearon un marco de diseño informático a partir de un algoritmo de optimización del color utilizado para redes neuronales en el aprendizaje automático, junto con un nuevo método para modelar el transporte de carga y la emisión de luz.
El sistema QD-LED utiliza varios colores primarios, más allá del rojo, el verde y el azul que se utilizan comúnmente, para imitar más de cerca 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 con iluminación blanca basada en QD-LED. La prueba mostró una excelente reproducción del color, un rango operativo más amplio que la tecnología actual y una amplia gama de opciones de personalización para pantallas de luz blanca.
El sistema QD-LED desarrollado por Cambridge mostró un rango de temperatura de color (CCT) correlacionado de 2243K (rojizo) a 9207K (sol brillante del mediodía), en comparación con las luces inteligentes basadas en LED actuales, que tienen un 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 de luz LED inteligente, los tres LED deben controlarse individualmente para lograr un color específico. 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 y completamente optimizado». dijo el profesor Jong Min Kim del Departamento de Ingeniería de Cambridge, quien codirigió la investigación. «Este es el primer hito hacia la plena utilización de la iluminación blanca inteligente basada en puntos cuánticos para las aplicaciones cotidianas».
«Nuestro objetivo era poder reproducir la luz del día de manera más dinámica en una sola luminaria a través de su espectro de color variable». dijo el profesor Gehan Amaratunga, quien codirigió la investigación. «Lo logramos de una nueva manera mediante el uso de puntos cuánticos. Esta investigación allana el camino para una variedad de nuevos entornos de iluminación sensibles a los humanos”.
La estructura de iluminación blanca QD-LED desarrollada por el equipo de Cambridge es escalable a áreas luminosas de gran superficie porque está fabricada mediante un proceso de impresión y su control y activación es similar a un display. Para los LED de fuente puntual estándar que requieren control individual, esta es una tarea más compleja.
La investigación fue apoyada en parte por la Unión Europea y el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC), parte de Investigación e Innovación del Reino Unido (UKRI).
Fuente: https://www.cam.ac.uk/
