JP5688382B2

JP5688382B2 - 植物育成用発光ダイオード

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Publication number: JP5688382B2
Application number: JP2012009763A
Authority: JP
Inventors: 興陳
Original assignee: 詮興開發科技股▲ふん▼有限公司
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: JP2013147584A

Description

本発明は植物育成用発光ダイオード（Light Emitting Diode, LED）に関し、特に青色ＬＥＤを光源主体とし、尚且つ一種は必ず赤色蛍光体粉末として混合した蛍光体粉末組成物を配合し、シリコン接着剤を混合し、青色ＬＥＤを用いて蛍光体粉末組成物を励起して放出される光源の光スペクトルを植物の光合成と育成に必要な光スペクトルに符合させることにより、植物の成長の高効率化および光源の省エネルギー化が期待できる。

植物育成中に必要な光源の特性については研究が重ねられ、異なる光強度、光スペクトル、および光周期条件においての植物の成長にはそれぞれ異なる需要および条件が存在することが証明されている。その内最も重要な光合成がグリーン植物に及ぼす影響は非常に大きいため、米国、日本の学者により植物の光合成に対する光源の効率、作用の研究が行われ、最適な光スペクトルグラフとして図１の曲線が示された。植物育成用光源が図１の光スペクトルグラフに近づく程、植物の光合成に対する効果が大きくなる。

植物育成用の人工光源は現在、農業及び園芸業に幅広く応用されており、一般の温室、花卉、高付加価値作物の成長促成、及び旬以外の栽培等の用途に用いられている。現有する植物育成用光源は次の数種類の方式が挙げられる。
（１）蛍光灯：蛍光灯の植物光源は伝統的な照明用蛍光灯を変化させたものであり、その他の伝統的な光源と比べると省エネ効果を備えることを長所とするが、使用寿命が短く、尚且つそれが発する光スペクトルは図２に示すとおり植物の光合成曲線との符合レベルは低く、しかも廃棄した蛍光灯には環境汚染問題が存在する。
（２）高圧ナトリウムランプ：高圧ナトリウムランプを植物育成に用いる場合、その長所は光強度が強く照射面積が広いことにあるが、消費電力が高く、寿命が短く、尚且つそれが発する光スペクトルは図３に示すとおり植物の光合成曲線との符合レベルは低く、しかも高圧ナトリウムランプは発熱量が大きく、植物成長環境の温度制御に不利である。
（３）赤色青色発光ダイオード：赤色と青色の二種の発光ダイオードの組み合わせによる植物育成用光源において、その長所は省エネルギー、電気節約、寿命が長い、過度の発熱がないことにあるが、欠点は、図４に示す通り、それが発する光スペクトルが狭すぎる点にあり、植物の光合成曲線との符合レベルは非常に低い。

グリーン植物の葉が光合成を行う場合、光を必要とする他、充分な二酸化炭素が必要であり、二酸化炭素の吸収は主に葉の気孔の開閉によりコントロールされる。よって、葉の気孔の開閉を決定するメカニズムは、気孔動作を始めさせる光源中の青色光440〜460nmが鍵となる。即ち、青色光が葉を照射する強さが気孔の開閉の大きさを決定し、さらに、二酸化炭素吸収量に影響を与える。よって、光源が葉を照射する時、その光スペクトルは植物の光合成及び気孔の開閉に必要な光スペクトルに同時に符合してこそ、植物はスムーズな光合成を完了させることができる。多くの文献において、単独で赤色或いは青色光源を使用した場合は植物の健康的な成長が不可能であることが証明されている故に、現在は、図４に示すような赤色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤの混合比8：1の方式を植物育成用光源とすることも見られ、その効果は単独の赤色或いは青色より優れている。現在市場では前記方法を多く採用しているが、該方法の欠点は、ＬＥＤの単色光スペクトルが狭すぎるために、植物の葉の厚みが不足し茎が長くなり、野菜の食感や歯応えに影響することにある。また、植物の成長過程では、光合成の他、生命周期に発芽、枝分かれ、開花、及び結実等の各段階があり、各段階の開始及び終了の何れにも異なる光スペクトルの光刺激を経てこそ「光形態形成」を引き起こすことができる。「光形態形成」は一般の赤色、青色光を必要とする他、700nm以上の波長の赤外線等が必要である。これは公知の赤色青色混合ＬＥＤ光源に欠ける点である。

前述の欠点に鑑み、本発明者は惜しみない努力と、新規創出、困難を乗り越えようとする精神によって発光ダイオードの研究開発に尽力し、本発明の植物育成用発光ダイオードを生み出した。これにより、植物成長の速度を効果的に高め、植物の開花或いは結実の周期を調整、変化させることができる。

本発明の目的は、植物の成長効率を高め、様々な時間での生産を増やし、使用するエネルギー源を節約する目的を達成する植物育成用発光ダイオードの提供にある。

本発明のもう一つの目的は、照射時間の長さと温度を制御することによって、植物の光形態形成の周期を調整し、植物の成長をコントロールして開花や結実等の時間を遅らせたり早まらせ、野菜、花卉、果物等の作物の生産期間を調整する目的を果たす植物育成用発光ダイオードを提供することにある。

前述の目的を達成するために提供する本発明の植物育成用発光ダイオードは、波長が440〜460nmである青色ＬＥＤチップと、少なくとも二種の異なる色でその内の一種は赤色蛍光体粉末である蛍光体粉末組成物と、蛍光体粉末組成物に混合するシリコン接着剤とを含み、並びに、青色ＬＥＤチップ上に塗布して励起した光スペクトルは植物の光合成曲線に近いものとなることを特徴とする。

このように光合成に必要な光スペクトルを植物に提供して照射を行い、照射時間の長さと温度の制御によって、植物の光形態形成の周期を調整し、植物の生命周期の短縮或いは延長をコントロールし、生産量及び旬以外の季節での栽培を拡大する目的を果たす。

また、ここで特に、照射光源の植物に対する有効強度単位は照明とは異なる点を説明する。単位はルクス(Lux)ではなく、光子流量密度（マイクロモル/平方メートル・秒,micro mole photon per square meter per second)である。植物が受け取る特定面積の光子流量を単位とし、例えば赤外線の照度（Lux）を測定すると、人の目に対する値はゼロであるが、植物に対する光子流量密度には一定の数値が現れる。しかし、これは最近の科学技術でこそ可能となったもので、過去においては、光子流量密度の光スペクトルを示すための充分な機器は存在しなかった。よって、本発明に引用した図面には相対エネルギー強度として光スペクトルを示した。

よって、光源が図１の光スペクトルに近づくほど、植物の光合成の効率は良好となる。本発明の植物育成用ＬＥＤ光源は、放出される光スペクトルが植物の光合成曲線にほぼ近い故に、最高の効率で光合成を行わせることができる。

本発明の使用する青色ＬＥＤチップの波長は440〜460nmである。この波長範囲により、植物の光合成時に、葉の気孔開閉作用及び二酸化炭素の吸収を促進し、光合成の速度を高めることを目的とする。また、本青色ＬＥＤチップは同時に、蛍光体を励起する光源を提供する。蛍光体の励起後に生じる光源は少なくとも二種あり、赤色の光スペクトルと、緑色或いは黄色の光スペクトルを含み、光スペクトル全体は更に植物の光合成曲線に近づくものとなる。前述のとおり、本発明は、ただ一つのＬＥＤ光源を使用するだけで、植物の光合成及び葉の気孔の開孔に必要な光源を提供する世界で唯一、初の創作である。

本発明の植物育成用発光ダイオードは、植物の光合成、葉の気孔開閉、植物光形態形成に対する好ましい促進作用を備え、省エネ効果を果たす。

植物の光合成についての光スペクトルグラフである。蛍光灯の光スペクトルグラフである。高圧ナトリウムランプの光スペクトルグラフである。赤色光ＬＥＤ植物用ライトの光スペクトルグラフである。本発明の植物育成用発光ダイオードの構造図である。本発明植物育成用発光ダイオードの第一実施例光スペクトルグラフである。本発明植物育成用発光ダイオードの第一実施例の色空間を表すＣＩＥ座標図である。本発明植物育成用発光ダイオードの第二実施例光スペクトルグラフである。本発明植物育成用発光ダイオードの第二実施例の色空間を表すＣＩＥ座標図である。本発明植物育成用発光ダイオードの第三実施例光スペクトルグラフである。本発明植物育成用発光ダイオードの第三実施例の色空間を表すＣＩＥ座標図である。

図５に示すとおり、本発明の植物育成用発光ダイオードは、青色ＬＥＤチップ１０と、少なくとも二種の異なる色でその内の一種は必ず赤色蛍光体粉末とする蛍光体粉末組成物１２と、シリコン接着剤１４とを含む。

本発明の第一実施例において青色ＬＥＤチップ１０の波長は440〜460nmである。

図６及び図７に示すとおり、蛍光体粉末組成物１２は、励起後の発光波長が515〜540nmである緑色蛍光体粉末と、励起後の発光波長が600〜780nmである赤色蛍光体粉末とする。

その内、緑色蛍光体粉末はケイ酸塩の蛍光体粉末[BaxSr(1-x)]2SiO4:Eu或いはアルミン酸ナトリウムの蛍光体粉末(Lu3A15012:Ce)、赤色蛍光体粉末は窒化物の蛍光体粉末(CaAlSiN3:Eu,Ca2Si5N8:Eu)である。また、緑色蛍光体粉末と赤色蛍光体粉末の混合重量比は12：88とし、それとシリコン接着剤１４を混合後、直接点接着するか青色ＬＥＤチップ１０上に塗布して励起した光スペクトルは植物の光合成曲線に近づく。その内、光スペクトルの色空間を表すＣＩＥ座標Ｘ値は0.31〜0.35、Ｙ値は0.31〜0.38である。

図８及び図９に示すとおり、本発明の第二実施例での蛍光体粉末組成物１２は、励起後の発光波長が515〜540nmである緑色蛍光体粉末、励起後の発光波長が540〜570nmである黄色蛍光体粉末、励起後の発光波長が600〜780nmである赤色蛍光体粉末とする。

その内、緑色蛍光体粉末はケイ酸塩の蛍光体粉末[BaxSr(1-x)]2SiO4:Eu或いはアルミン酸ナトリウムの蛍光体粉末(Lu3A15012:Ce)、黄色蛍光体粉末はケイ酸塩の蛍光体粉末[BaxSr(1-x)]2SiO4:Eu、赤色蛍光体粉末は窒化物の蛍光体粉末(CaAlSiN3:Eu,Ca2Si5N8:Eu)である。また、緑色、黄色、赤色の蛍光体粉末の重量比率は38：49：13とし、それとシリコン接着剤１４を混合後、直接点接着するか青色ＬＥＤチップ１０上に塗布して励起した光スペクトルは植物の光合成曲線に近づく。尚、光スペクトルの色空間を表すＣＩＥ座標Ｘ値は0.31〜0.46、Ｙ値は0.25〜0.36である。

図１０及び図１１に示すとおり、本発明の第三実施例での蛍光体粉末組成物１２は、励起後の発光波長が540〜570nmである黄色蛍光体粉末、励起後の発光波長が600〜780nmである赤色蛍光体粉末とする。

その内、黄色蛍光体粉末はケイ酸塩の蛍光体粉末[BaxSr(1-x)]2SiO4:Eu、赤色蛍光体粉末は窒化物の蛍光体粉末(CaAlSiN3:Eu,Ca2Si5N8:Eu)である。

黄色蛍光体粉末と赤色蛍光体粉末の組成重量比率は85：15とし、それとシリコン接着剤１４を混合後、直接点接着するか青色ＬＥＤチップ１０上に塗布して励起した光スペクトルは植物の光合成曲線に近づく。尚、光スペクトルの色空間を表すＣＩＥ座標Ｘ値は0.37〜0.46、Ｙ値は0.3〜0.36である。

前述の説明に基づく本発明の植物育成用発光ダイオードは、青色ＬＥＤチップを用いて塗布した少なくとも二種の異なる色の蛍光体粉末組成物を励起して得られた光スペクトルを植物の光合成曲線に近づけることができ、最良の植物の成長効果を達成する。

本発明の第一実施例、第二実施例、第三実施例は、繰り返して行った実際の実験で証明される通り、ただ蛍光接着体を青色ＬＥＤチップ上に塗布するだけで、発光の色空間を表すＣＩＥ座標のＸは0.31〜0.46、Ｙは0.25〜0.38の範囲内となり、これにより励起した光スペクトルは植物の光合成曲線に近づき、光合成有効光子流量数もまた、植物の光合成曲線に近づくため、市場にみられる従来の人工植物光源に比べ遥かに好ましいものとなる。よって、この光源を照射した植物は良好な成長効果が得られる。前記実施例では何れも単一のＬＥＤチップの光源を用い、蛍光体の組み合わせで励起して得られる複数色を含む光スペクトルにより、本発明のＬＥＤ光源は、植物の光合成、葉の気孔開閉、植物光形態形成に対する好ましい促進作用と効果を同時に備え、現有する人工植物光源中では唯一この特色と効果を備えるものである。

１０青色ＬＥＤチップ
１２蛍光体粉末組成物
１４シリコン接着剤

Claims

励起光源である青色ＬＥＤチップと、該青色ＬＥＤチップに対して、蛍光体粉末組成物とシリコン接着剤からなる波長変換構造を有する植物育成用発光ダイオードであって、
該青色ＬＥＤチップは波長が440〜460nmであり、
該蛍光体粉末組成物は励起後の発光波長が515〜540nmである緑色蛍光体粉末、励起後の発光波長が540〜570nmである黄色蛍光体粉末、励起後の発光波長が600〜780nmである赤色蛍光体粉末を混合してなり、
該蛍光体粉末組成物は該シリコン接着剤と混合されて該青色ＬＥＤチップ上に塗布され、
該植物育成用発光ダイオードの光スペクトルは植物の光合成曲線に近いものであることを特徴とする植物育成用発光ダイオード。
前記緑色蛍光体粉末はケイ酸塩の蛍光体粉末[BaxSr(1-x)]2SiO4:Eu或いはアルミン酸ナトリウムの蛍光体粉末(Lu3A15012:Ce)、黄色蛍光体粉末はケイ酸塩の蛍光体粉末[BaxSr(1-x)]2SiO4:Eu、赤色蛍光体粉末は窒化物の蛍光体粉末(CaAlSiN3:Eu,Ca2Si5N8:Eu)であることを特徴とする請求項１に記載の植物育成用発光ダイオード。
前記緑色、黄色、赤色の蛍光体粉末の重量比率は38：49：13であることを特徴とする請求項１に記載の植物育成用発光ダイオード。
前記光スペクトルの色空間を表すＣＩＥ座標のＸ値は0.31〜0.46、Ｙ値は0.25〜0.36であることを特徴とする請求項１に記載の植物育成用発光ダイオード。
励起光源である青色ＬＥＤチップと、該青色ＬＥＤチップに対して、蛍光体粉末組成物とシリコン接着剤からなる波長変換構造を有する植物育成用発光ダイオードであって、
該青色ＬＥＤチップは波長が440〜460nmであり、
該蛍光体粉末組成物は、励起後の発光波長が540〜570nmである黄色蛍光体粉末と、励起後の発光波長が600〜780nmである赤色蛍光体粉末を混合してなり、
該蛍光体粉末組成物は該シリコン接着剤と混合されて該青色ＬＥＤチップ上に塗布され、
該植物育成用発光ダイオードの光スペクトルは植物の光合成曲線に近いものであることを特徴とする植物育成用発光ダイオード。
前記黄色蛍光体粉末はケイ酸塩の蛍光体粉末[BaxSr(1-x)]2SiO4:Eu、赤色蛍光体粉末は窒化物の蛍光体粉末(CaAlSiN3:Eu,Ca2Si5N8:Eu)であることを特徴とする請求項５に記載の植物育成用発光ダイオード。
前記黄色蛍光体粉末と赤色蛍光体粉末の組成重量比率は85：15であることを特徴とする請求項５に記載の植物育成用発光ダイオード。
前記光スペクトルの色空間を表すＣＩＥ座標のＸ値は0.37〜0.46、Ｙ値は0.3〜0.36であることを特徴とする請求項５に記載の植物育成用発光ダイオード。