Investigadores de la Universidad de Cambridge han logrado desarrollar un dispositivo de luz blanca a partir de puntos cuánticos que allana el camino hacia una iluminación inteligente más eficiente y precisa, al poder reproducir de forma dinámica las condiciones de luz natural en una sola luz.
Los investigadores elaboraron un marco de diseño computacional a partir de un algoritmo de optimización del color, utilizado para las redes neuronales en el aprendizaje automático, junto con un nuevo método para el transporte de carga y la modelización de la emisión de luz, para el desarrollo de un sistema de luz blanca basada en diodos emisores de luz de puntos cuánticos (LED-QD).
Las primeras pruebas del nuevo diseño, publicadas recintemente en Nature Communications, mostraron una excelente reproducción de color, un rango de funcionamiento más amplio que la actual tecnología de iluminación inteligente y un mayor expectro de personalización de luz blanca.
En concreto, el sistema QD-LED desarrollado por Cambridge mostró una gama de temperatura de color (CCT) de 2.243K a 9.207K, con un índice de reproducción cromática (IRC) del sistema de 97. En este sistema, todos los puntos cuánticos son accionados por un único voltaje de control común para conseguir toda la gama de temperaturas de color.
“Se trata de todo un hito a nivel mundial, al lograr haber desarrollado un sistema de iluminación blanca inteligente basado en puntos cuánticos totalmente optimizado y de alto rendimiento. Se trata del primer paso para la plena expansión de la iluminación blanca inteligente basada en puntos cuánticos en todo tipo de aplicaciones cotidianas”, explica el profesor Jong Min Kim, del Departamento de Ingeniería de Cambridge, que codirigió la investigación.
Una nueva generación de iluminación basada en puntos cuánticos
Impulsada por los avances tecnológicos en optoelectrónica de estado sólido, la iluminación LED se ha impuesto a nivel global como fuente de luz de referencia para la mayoría de aplicaciones, y se espera que en los próximos años evolucione hacia sistemas de iluminación inteligente con la incorporación de tecnologías como el IoT o la Inteligencia Artificial basada en aprendizaje automático.
Esta nueva iluminación inteligente de próxima generación será capaz de responder a los estados de ánimos y al ritmo circadiano en los entornos de ambiente diarios, al tiempo que garantice una alta calidad visual mostrando los colores de los objetos con mayor precisión. Para lograr esto, es esencial que la iluminación inteligente tenga una alta capacidad de reproducción cromática y una amplía capacidad de control de color.
Los diodos emisores de luz de puntos cuánticos (LED-QD) son unos dispositivos con un gran potencial para convertirse en la fuente de luz que defina la iluminación inteligente de la próxima generación. Estos exhiben una alta pureza de color debido a los estrechos anchos de banda de sus emisones ópticas y las longitudes de onda máximas de emisión también se pueden controlar fácilmente ajustando sus brechas de banda óptica, haciendo de los QD-LED una excelente plataforma para controlar con precisión las propiedades electroópticas de los sistema de iluminación blanca.
El espectro de emisiones del sistema de iluminación blanca se podría controlar empleando múltiples patrones pixelados de puntos cuánticos sintonizables en color en un solo dispositivo de iluminación. Optimizando este espectro de emisión, junto con el diseño de píxeles adecuados de los patrones de emisión de los QD-LED, se puede lograr un alto IRC (índice de reproducción cromática) y una amplia capacidad de control de color.
Los múltiples patrones pixelados de los QD se pueden realizar mediante una técnica de impresión por transferencia para definir diferentes áreas de emisión de luz en el sustrato del dispositivo. Sin embargo, el problema de optimizar la arquitectura de emisión de luz de un sistema de iluminación blanca sigue sin resolverse, ya que requiere una cantidad excesiva de cálculos de color para las combinaciones masivas de colores QD y sus combinaciones geométricas disponibles para el diseño de píxeles.
Para afrontar este reto, los investigadores de Cambridge han empleado el diseño computacional mediante la optimización combinatoria del color y la simulación precisa del transporte de carga de los dispositivos QD-LED.
Marco de diseño computacional
Los investigadores proponen un nuevo marco de diseño computacional para optimizar un sistema de iluminación blanca configurado por un número de patrones pixelados de los dispositivos QD-LED.
Este marco consiste en el diseño a nivel de sistema a través de un proceso de optimización combinatoria del color y el diseño de la disposición de múltiples QD-LEDs pixelados basado en una rigurosa simulación de transporte de carga a nivel de dispositivo.
En primer lugar, para el diseño a nivel de sistema, el número de colores primarios, sus longitudes de onda máximas y los picos de emisión se optimizaron eficazmente mediante un proceso de optimización combinatoria del color utilizando el método de Nelder-Mead para lograr un alto CRI con una cromaticidad blanca cercana a la iluminante CIE D65.
A continuación, las propiedades electro-ópticas, incluyendo los espectros de emisión de los dispositivos QD-LED individuales, se analizaron mediante una simulación de transporte de carga a nivel de dispositivo con un modelo de inyección de carga dependiente del campo eléctrico. Los parámetros a nivel de material utilizados para las simulaciones de transporte de carga se extraen de las mediciones realizadas en la fabricación de los dispositivos y del análisis TEM.
Como resultado del diseño computacional, las propiedades de iluminación teóricas de un IRC del 97 con una amplia variación de colores de TCC que va desde 2.243K a 9.207K se consiguen con solo cuatro colores primarios de puntos cuánticos, rojos, verdes, cianes y azules con una disposición óptima de patrones de emisión pixelados.
Finalmente, para validar este marco de diseño computacional, se fabricó un sistema de iluminación blanca con los 4 colores principales Puntos Cuánticos pixelados en rojos, verde, cian y azul mediante una técnica de impresión por transferencia. En este caso, se utilizan QDs basados en seleniuro de cadmio (CdSe) con un control preciso de las longitudes de onda de los picos de emisión.
Los resultados experimentales concuerdan muy bien con los resultados de la simulación, mostrando un excelente rendimiento de iluminación, con un IRC de 92 y con una amplia capacidad de control del color en la variación de TCC que va de 1.612 K a 8.903 K.
Esta estructura de la iluminación blanca QD-LED desarrollada por el equipo de Cambridge es escalable a superficies de iluminación de gran tamaño, ya que se fabrica con un proceso de impresión y su control y accionamiento es similar al de una pantalla. Con los LED estándar de fuente puntual, que requieren un control individual, esta tarea es 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 la Investigación e Innovación del Reino Unido (UKRI). Puede acceder al paper de la investigación a través del siguiente enlace:
