Advanced Science:面向智能照明和自供电无线传感的摩擦驱动光色调节器

如今,固态照明系统(也可称为半导体照明系统)在现代社会中得到了广泛应用。无论是室内还是室外,固态照明由于其高效而环保的特点正逐步取代传统的白炽灯和荧光灯。据估计,半导体照明在2024年的需求将超过100亿个。荧光转换半导体照明系统是目前非常通用的一种固态照明形式,其输出光谱通常是由荧光粉发出的荧光和二极管发射的光谱叠加而成的。但是,到目前为止,固态照明设备的输出光谱一经封装就很难再被调控。然而事实上,人们经常需要根据不同条件将对照明光谱进行调节。例如,对于水下照明,如果水下的固态光源可以根据海水环境的变化调节发光光谱使其与海水的透射光谱相匹配,就有望实现最远的传输距离和最佳的水下成像效果。

此外,固态照明颜色也可以用作信息载体,通过颜色变化频率,色坐标的位移等形式加载信息,并以无线的形式向外传输。如果通过风、振动、海浪等环境机械信号触发半导体照明颜色的改变,就可以实现无线传感。这些正是物联网快速发展所迫切需要的。不仅如此,光源发出的时变颜色信息还可以通过相机接收。由于现今社会智能手机人手一部,监控录像随处可见,信息接收和分析的成本大大降低。但是,如何用环境运动的能量触发半导体光源的颜色发生变化仍是一个具有挑战性的问题。这个问题的解决有赖于能量收集器的帮助。

摩擦纳米发电机于2012年首次发明,被认为是一种极具前途的能量收集器。它通过摩擦起电和静电感应的耦合作用从周围环境中收集环境运动能量,使得自供电系统成为可能。摩擦电纳米发电机同时可以作为具有高信噪比的传感器,通过其输出电信号反映机械运动的信息。目前摩擦纳米发电机已成功用于测量风速、结构振动、海浪振荡、心率、位移、生物力学运动等环境机械信号。但是,由于摩擦纳米发电机的电荷输出极低,信号处理较为困难,往往需要精密的静电计用于表征。然而,这种静电计通常体积大且价格昂贵,并且需要电缆连接,增加了在某些苛刻条件(如海洋环境)下传感应用中的困难。为了解决这些问题,目前迫切需要替代解决方案,从而实现基于摩擦纳米发电机的自供电无线传感系统。

为解决这一问题,香港中文大学訾云龙课题组另辟蹊径,通过将由液体透镜辅助的荧光转换器和旋转式独立式滑动摩擦纳米发电机结合,实现了摩擦驱动的自供电光色调节器。当摩擦纳米发电机对液体进行摩擦充电时,焦距的变化会引起荧光板上光斑尺寸的变化,从而改变发射光谱,进而改变颜色。课题组研发的摩擦驱动光色调节器可以与现有商业固态照明系统相整合,可同时实现智能照明和无线传感的应用。研究者演示了一种在模拟海水条件下工作的智能照明系统,通过光谱的调节,在正常海水和赤潮海水条件下都实现了高质量的水下成像效果。为了实现自供电的无线传感,研究者利用摄像机作为信号接收器,成功实现了对转速信息的远程无线传感。与传统的基于摩擦纳米发电机的传感系统相比,传感信号可以通过固态光源在0-360度方向以无线形式发送,并通过相机接受,从而无需连接电缆,也不会增加其他电路和设备带来的能耗。该项成果拓展了摩擦纳米发电机的应用范围,也是在固态照明领域的一个新的突破,此外,该成果也丰富了自供电传感的理论和方法。上述成果发表于综合性国际权威学术期刊Advanced Science, 课题组博士后王佳琪与博士生王昊宇为论文的共同第一作者,香港中文大学訾云龙教授为论文的唯一通讯作者。中山大学海洋科学学院的殷克东教授参与了研究。

图:摩擦驱动的光色调制器结构和原理示意图(左)和摩擦驱动前后半导体照明系统的色彩(右)。