KR102049129B1 - 광합성에 유효한 방사선을 최적화하기 위한 조성물, 장치 및 방법 - Google Patents
광합성에 유효한 방사선을 최적화하기 위한 조성물, 장치 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
300nm 내지 545nm의 방출 스펙트럼을 갖는 양자 구속 재료 및 545nm 내지 750nm의 방출 스펙트럼을 갖는 양자 구속 재료를 포함하는 조성물을 이용하여 광합성에 유효한 방사선을 최적화하기 위한 조성물, 장치 및 방법에 있어서, 조성물은 하나 이상의 투명 표면의 내부에 임베딩되고/되거나 상부에 코팅될 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2012년 1월 25일자로 출원된 특허 가출원 번호 61/590,726에 대한 우선권 및 이익을 청구하며, 그 내용은 모든 목적을 위해 본원에 참고문헌으로 도입된다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 나노재료에 관한 것이며, 일부 양태에서 광 스펙트럼을 방출하기 위한 장치와 함께 사용하기 위한 나노재료에 관한 것이다. 다른 양태에서, 본 발명은 나노스케일 양자 구속 재료, 조성물, 장치 및 방법에 관한 것이다. 특정 구현예에서, 본 발명은 전자기파 에너지를 광합성 공정을 위해 최적화된 광자 파장으로 전환하기 위한 조성물, 장치 및 방법에 관한 것이다.
식물 성장을 위한 인공 조명은 에너지 집약적일 수 있다. 통상적인 광원은 광범위한 가시광 및 비가시광으로 전자기 스펙트럼을 방출하지만, 이 스펙트럼의 일부만이 광합성을 위해 적절하다. 따라서 식물 성장을 위해서 조명원에 의해 전달되는 에너지의 다량이 이러한 최적화되지 않은 스펙트럼 방출에 낭비된다. 또한 점화를 위해 에너지가 필요한 고압 나트륨(HPS) 광과 같은 다양한 유형의 통상적인 고압 조명의 사용으로 인해 에너지 낭비가 일어날 수 있다. 이러한 에너지는 광으로 전환되지 않고, 대신에 광합성 공정 동안 이용되지 않는 스펙트럼 방출 및/또는 낭비되는 열로서 발산된다.
예시적인 조성물의 구현예는 하기를 포함할 수 있다: (a) 300nm 내지 545nm의 방출 스펙트럼을 갖는 양자 구속 재료; 및 (b) 545nm 내지 750nm의 방출 스펙트럼을 갖는 양자 구속 재료. 추가적인 예시적 조성물의 구현예에서, 하위부분(a)의 양자 구속 재료는 여기 파장 300nm 및 방출 파장 477nm를 갖는 20nm 내지 50nm의 툴륨이 토핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드로 이루어질 수 있다. 추가적인 예시적 조성물의 구현예에서, 하위부분(a)의 양자 구속 재료는 0.7mg/ml미만의 폴리비닐피롤리돈을 함유하는 용매 중에 있을 수 있다. 추가적인 예시적 조성물의 구현예에서, 하위부분(b)의 양자 구속 재료는 하기 중에서 선택된 조성물로 이루어질 수 있다: 여기 파장 300nm 및 방출 파장 620nm를 갖는 20nm 내지 50nm의 유로퓸이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드; 여기 파장 350nm 및 방출 파장 617nm를 갖는 10nm의 유로퓸이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드; 여기 파장 300nm 및 방출 파장 650nm를 갖는 10nm 내지 50nm의 사마륨이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드; 여기 파장 980nm 및 방출 파장 545nm를 갖는 25nm의 NaYF4:YBEr 콜로이드; 및 양자 구속 유효 구역을 구현할 수 있는 결함점을 갖는 원자 그래핀층. 추가적인 예시적 조성물의 구현예에서, 여기 파장 300nm 및 방출 파장 620nm를 갖는 20nm 내지 50nm의 유로퓸이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드는 0.7mg/ml미만의 폴리비닐피롤리돈의 용매 중에 있을 수 있다. 추가적인 예시적 조성물의 구현예에서, 여기 파장 350nm 및 방출 파장 617nm를 갖는 10nm의 유로퓸이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드는 H2O 용매 중에 있을 수 있다. 추가적인 예시적 조성물의 구현예에서, 여기 파장 300nm 및 방출 파장 650nm를 갖는 10nm 내지 50nm의 사마륨이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드는, 사마륨이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드가 10nm인 경우 미량 시트레이트를 함유하는 수용액 중에 있을 수 있고, 사마륨이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드가 50nm인 경우 0.7mg/ml 미만의 폴리비닐피롤리돈 용액 중에 있을 수 있다. 추가적인 예시적 조성물의 구현예에서, 여기 파장 980nm 및 방출 파장 545nm를 갖는 25nm의 NaYF4:YBEr 콜로이드는 헥산 함유 용매 중에 있을 수 있다. 추가적인 예시적 조성물의 구현예에서, 조성물은 용매 및 부착제 중에서 선택되는 부분을 추가로 포함할 수 있다. 추가적인 예시적 조성물의 구현예에서, 용매는 물, 폴리비닐피롤리돈 및 헥산 중에서 선택될 수 있다. 추가적인 예시적 조성물의 구현예에서, 부착제는 혐기성 부착제, 시아노아크릴레이트 부착제, 에폭시, 구조적 아크릴 및 자외선 광경화성 부착제 중에서 선택될 수 있다. 추가적인 예시적 조성물의 구현예에서, 조성물은 하기 중 적어도 하나일 수 있다: 투명 고체 재료 상에 코팅된 조성물 및 투명 고체 재료 내에 임베딩된 조성물. 추가적인 예시적 조성물의 구현예에서, 투명 고체 재료는 하기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다: 실리카 유리, 탄소 중합체 및 세라믹.
예시적인 조성물의 구현예는 또한 청색 광을 방출하는 여기 파장 980nm의 10mg/ml 용매 농도를 갖는 50.01% w/w 내지 99% w/w의 양자 구속 재료 조제물; 및 적색 광을 방출하는 여기 파장 300nm의 10mg/ml 용매 농도를 갖는 1.00% w/w 내지 49.99% w/w의 양자 구속 재료 조제물을 포함할 수 있다.
예시적인 조성물의 구현예는 또한 청색 광을 방출하는 여기 파장 980nm의 10mg/ml 용매 농도를 갖는 1.0% w/w 내지 49.99% w/w의 양자 구속 재료 조제물; 및 적색 광을 방출하는 여기 파장 300nm의 10mg/ml 용매 농도를 갖는 50.01% w/w 내지 99.0% w/w의 양자 구속 재료 조제물을 포함할 수 있다.
예시적인 조성물의 구현예는 또한 청색 광을 방출하는 여기 파장 980nm의 10mg/ml 용매 농도를 갖는 50% w/w의 양자 구속 재료 조제물; 및 적색 광을 방출하는 여기 파장 300nm의 10mg/ml 용매 농도를 갖는 50% w/w의 양자 구속 재료 조제물을 포함할 수 있다.
예시적인 장치의 구현예는 하기 중 적어도 하나로부터 선택되는 재료를 포함하는 투명 표면을 포함할 수 있다: 실리카 유리, 탄소 중합체 및 세라믹; 그리고 조성물(여기서 조성물은 투명 표면 상에 코팅된 조성물 및 투명 표면 내에 임베딩된 조성물 중 적어도 하나일 수 있고, 여기 파장 300nm 및 방출 파장 477nm를 갖는 20nm 내지 50nm의 툴륨이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드 중에서 선택된 재료로 이루어진 300nm 내지 545nm의 방출 스펙트럼을 갖는 양자 구속 재료; 및 여기 파장 300nm 및 방출 파장 620nm를 갖는 20nm 내지 50nm의 유로퓸이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드; 여기 파장 350nm 및 방출 파장 617nm를 갖는 10nm의 유로퓸이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드; 여기 파장 300nm 및 방출 파장 650nm를 갖는 10nm 내지 50nm의 사마륨이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드; 여기 파장 980nm 및 방출 파장 545nm를 갖는 25nm의 NaYF4:YBEr 콜로이드; 및 양자 구속 유효 구역을 구현하는 결함점을 갖는 원자 그래핀층 중에서 선택된 재료로 이루어진 545nm 내지 750nm의 방출 스펙트럼을 갖는 양자 구속 재료를 포함할 수 있다). 추가적인 예시적 장치의 구현예에서, 장치는 하기 중 적어도 하나를 추가로 포함할 수 있다: 용매 및 부착제. 추가적인 예시적 장치의 구현예에서, 장치는 하나 이상의 추가적인 투명 표면을 추가로 포함할 수 있다. 추가적인 예시적 장치의 구현예에서, 투명 표면은 하나 이상의 추가적인 투명 표면의 적어도 하나에 적어도 부분적으로 부착될 수 있다. 추가적인 예시적 장치의 구현예에서, 장치는 적어도 하나의 광원을 추가로 포함할 수 있다. 추가적인 예시적 장치의 구현예에서, 적어도 하나의 광원은 금속 할라이드 광 전구, 고압 나트륨 광 전구, 형광 광 전구, 백열 광 전구, 전계 유도 중합체 전기발광(FIPEL) 및 발광 다이오드(LED)로 이루어질 수 있다. 추가적인 예시적 장치의 구현예에서, 투명 표면은 하기 중 적어도 하나의 프레임을 가질 수 있다: 여닫이창(casement) 및 내리닫이창(sash).
예시적인 조성물의 구현예는 또한 여기 파장 300nm 및 방출 파장 477nm를 갖는 20nm 내지 50nm의 툴륨이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드를 포함하는 300nm 내지 550nm의 방출 스펙트럼을 갖는 양자 구속 재료; 및 하기 중에서 선택된 재료로 이루어진 550nm 내지 750nm의 방출 스펙트럼을 갖는 양자 구속 재료를 포함할 수 있다: 여기 파장 300nm 및 방출 파장 620nm를 갖는 20nm 내지 50nm의 유로퓸이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드; 여기 파장 350nm 및 방출 파장 617nm를 갖는 10nm의 유로퓸이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드; 여기 파장 300nm 및 방출 파장 650nm를 갖는 10nm 내지 50nm의 사마륨이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드; 및 양자 구속 유효 구역을 구현하는 결함점을 갖는 원자 그래핀층.
구현예를 하기와 같이, 첨부 도면의 도면들에 제한되는 것이 아니라 예로서 예시한다:
도 1은 고체 투명 표면 상에 적색-방출 및 청색-방출 양자 구속 재료를 포함하는 예시적인 장치를 도시하며;
도 2는 투명 구조로 둘러싸인 광원을 포함하는 예시적인 장치를 도시하고;
도 3은 투명 구조로 둘러싸인 관형 광원을 포함하는 예시적인 장치를 도시하고;
도 4는 병렬 방식으로 연결된 제1 투명 표면 및 제2 투명 표면을 포함하는 예시적인 장치를 도시하고;
도 5는 청색 방출 및 적색 방출을 갖는 양자 구속 재료가 임베딩된 투명 표면을 포함하는 예시적인 장치를 도시하고;
도 6은 광합성에 유효한 방사선 및 엽록소 흡수 스펙트럼의 차트를 나타낸다.
도 1은 고체 투명 표면 상에 적색-방출 및 청색-방출 양자 구속 재료를 포함하는 예시적인 장치를 도시하며;
도 2는 투명 구조로 둘러싸인 광원을 포함하는 예시적인 장치를 도시하고;
도 3은 투명 구조로 둘러싸인 관형 광원을 포함하는 예시적인 장치를 도시하고;
도 4는 병렬 방식으로 연결된 제1 투명 표면 및 제2 투명 표면을 포함하는 예시적인 장치를 도시하고;
도 5는 청색 방출 및 적색 방출을 갖는 양자 구속 재료가 임베딩된 투명 표면을 포함하는 예시적인 장치를 도시하고;
도 6은 광합성에 유효한 방사선 및 엽록소 흡수 스펙트럼의 차트를 나타낸다.
본 발명에는 광합성에 유효하지 않은 방사선, 예로 고압 나트륨("HPS") 광원이 생성하는 UV 방사선 및 IR 방사선의 광합성에 유효한 방사선으로의 전환이 관여된다. 그 결과, 특정 용도에 대해 광원의 에너지 효율이 개선될 수 있다. 광합성을 위해 최적화된 방출 스펙트럼을 갖는 양자 도트 및/또는 나노구조화 양자 구속 재료의 사용이 식물 성장 및 생식을 최적화하기 위해 광 파장을 맞춤화하는데 고려된다.
양자 도트는 공간의 모든 3차원에서 여기자 구속 공정으로 인해 광활성화 시 선택된 파장에서 광을 방출하도록 제조될 수 있는 물질의 일부이다. 이러한 방식으로, 양자 도트는 단일 파장 또는 파장들의 범위로부터의 전자기 방사 에너지를 특정 방출 파장으로 전환하는 것으로 보여질 수 있다. 특정한 선택 파장에서만 방출하는 양자 도트를 제조할 수 있다. 에너지가 다른 파장을 생성하는데 이용되지 않으므로, 양자 도트는 방사 에너지의 전환에 있어서 효율적이다. 상기 공정은 양자 도트에만 엄격히 제한되는 것이 아니라 1차원, 2차원 또는 모든 3차원에서 양자 구속 특성을 나타내는 나노구조화 재료에도 연장될 수 있다. 따라서 본 발명은 광합성 관련 공정의 성능을 효율적으로 최적화할 수 있는 나노구조화 재료를 이용한 에너지 전환용 플랫폼을 제공한다. 본 발명은 다양한 구현예에서의 조성물, 장치 및 방법을 고려한다.
인공광 및 태양광은 모두 광합성에 유효한 방사선을 방출할 수 있지만, 이들 광원은 또한 식물 성장 및 생식에 유용하지 않을 수 있는 추가적인 전자기 방사선도 방출할 수 있다. 광합성에 유효하지 않은 에너지의 이용은 에너지 비용 및/또는 식물 성장에서의 재배 비용을 증가시킬 수 있다. 적합한 광이 충분하지 않은 경우, 식물은 원 위치에서 적응할 수 있다. 따라서 식물은 다른 경우에는 성장 또는 열매 맺기에 유용할 에너지를 광 노출을 최적화하기 위해 줄기 또는 잎의 배치에 소비할 수 있다.
일반적으로 특정한 측정이 언급되는 경우, 측정은 모집단의 변동 또는 평균 또는 평균값의 함수일 수 있다. 예를 들어 양자 구속 재료의 모집단에서, 일부는 언급된 파장에서 여기될 수 있고, 일부는 더 낮은 파장에서 여기될 수 있으며, 일부는 더 높은 파장에서 여기될 수 있다. 본 발명의 양자 구속 재료에 대해 언급되는 나노미터 파장은 모집단 내에서의 이러한 변이를 고려한다. 일반적으로 양자 구속 재료 자체가 본원에서 때에 따라 크기의 관점에서 표현되지만, 이는 적어도 하나의 차원에서 온전한 특정 양자 구속 재료의 크기를 나타낸다. 이는 그 부피 차원이 동일한 양자 구속 특징을 표현하는 2차원 및 3차원 구조로 확장될 수 있다. 유사하게, 광원, 예로 태양광 또는 HPS 광에서 발산하는 파장에 대해 변이가 있을 수 있다.
양자 구속 재료:
양자 구속 재료는 1차원, 2차원 또는 3차원 양자 구속 기전의 관점으로 표현될 수 있다. 이들 기전은 여기자의 구속을 나타내는 공극, 결함, 공동, 또는 고체 나노구조로 나타낼 수 있는 부피 구속 공간 영역이다. 이러한 특성을 나타내는 재료는 이들 요건을 충족하는 부피 구조의 개별 도트, 입자 및/또는 매트릭스로 구성될 수 있다.
양자 도트 조성물
양자 도트는 이들의 크기에 의존하는 방출 특성을 갖는 물질의 일부이다. 이들은 양자 구속으로 인해 광을 방출하는 작은 반도체 입자이다. 본 발명은 청색 방출 스펙트럼 또는 적색 방출 스펙트럼을 갖는 양자 도트 및 이들의 혼합물의 사용을 고려하며, 이는 광합성에 유효한 방사선을 위해 적합하다. 일부 구현예에서, 추가적인 방출 스펙트럼을 갖는 양자 도트가 또한 표적 식물 종에 따라 이용될 수 있다(도 6 참고). 본 발명에서 이용되는 양자 도트에는 중금속이 없을 수 있다, 예로 카드뮴 비함유 양자 도트이다. 이들 구현예에서, 독성이 최소화되어 양자-도트 함유 재료의 사용 및 처분에서의 실용성이 증가할 수 있다.
결함을 갖는 매트릭스 조성물
의도적으로 생성되는 점 결함, 예컨대 동위원소, 치환 원자 및 공공은 양자 구속 특징을 나타낼 수 있다. 원자의 2-차원 구조가 이러한 재료 특성을 생성하기 위한 기능적 기재로서 이용될 수 있다. 예로서, 그래핀은 분자 매트릭스를 따라 특정 점에서 변형되어 이러한 효과를 유도할 수 있다.
고체 나노구조
양자 구속은 또한 다양한 재료로 구축될 수 있는 나노스케일 관, 막대, 콘, 결정, 구, 격자, 웰 및 공동을 포함하는 광범위한 구조를 통해 달성될 수 있다. 이러한 효과를 생성하기 위해 이용되는 재료는 유해 또는 독성 특성을 보유하지 않을 수 있다.
광합성에 유효한 방사선의 방출
본 발명에서 이용되는 양자 구속 재료는 광합성을 위해 식물이 이용 가능한 광을 방출해야 한다. 최적 광합성을 위해 적합한 광 파장은 여러 요인에 의존할 수 있다. 본원에서 이용되는 용어 "광"은 일반적으로 가시 범위에 있는 전자기 스펙트럼의 일부를 나타낸다. 단색광 방출 파장 430nm 및 단색광 방출 파장 662nm가 일반적으로 광합성을 위해 적합하지만 배타적인 것은 아니다. 식물에서 주요한 흡광 안료인 엽록소는 녹색 광을 흡수하기보다는 반사한다. 엽록소에 의한 흡광은 대략 녹색 식물에서의 최대 광합성율에 대응하는 430nm 및 662nm에서 최대이다. 본 발명은 청색 가시광 및 적색 가시광의 방출을 고려한다. 청색 가시광은 약 400nm 내지 500nm 범위에 해당한다. 본 발명의 하나의 예시적 구현예는 400nm 내지 430nm, 430nm 내지 470nm 및 470nm 내지 500nm에서 선택되는 범위의 청색 가시광 방출을 고려한다. 녹색 식물에 있어서, 청색 범위는 450nm 내지 470nm이다. 470nm의 청색 방출 파장을 이용할 수 있다. 적색 가시광은 약 600nm 내지 700nm 범위에 해당한다. 본 발명의 하나의 예시적 구현예는 600nm 내지 630nm, 630nm 내지 670nm 및 670nm 내지 700nm에서 선택되는 범위의 적색 가시광 방출을 고려한다. 대부분의 녹색 식물에 있어서, 적색 범위는 650nm 내지 670nm이다. 662nm의 적색 방출 파장을 이용할 수 있다(도 6 참고).
본원에서 사용되는 정확한 파장은, 예로 1nm까지 및 그 임의의 일부만큼 변할 수 있다. 예를 들어, 400nm 내지 500nm의 범위는 399nm, 400nm 및 401nm 내지 499nm, 500nm 및 501nm일 수 있다. 고려되는 파장은 식물에서 그 다양한 성장 및 생식 단계에서 광합성을 위해 유용한 것들이다.
식물은 또한 다른 안료, 보조 안료를 가질 수 있으며, 이는 상이한 파장의 광을 흡수하고 에너지 전환을 보조할 수 있다. 엽록소에 부가하여, 식물은 광 품질, 예컨대 광 색상을 인지하는 다른 성분을 갖는다. 예를 들어, 피토크롬은 특히 적외선(FR) 광량에 대비한 적색(R) 광량에 민감하다. 적외선 광은 700 내지 800nm에서 가시 스펙트럼의 극말단에 위치한다. 예를 들어 화초원예 농작물에 있어서, 적색 대 적외선의 비(R:FR)는 줄기 및 잎 성장에 대해 개화에 대해 유해한 효과로 영향을 미칠 수 있다. 일반적으로 완전 양지 조건 하에 가장 잘 자라는 식물은 음지에 내성이 있는 식물에 비해 R:FR에 더 반응성이 높다. 다른 식물 안료에는 카로티노이드, 안토시아닌 및 베탈라인이 포함된다. 따라서 반사에 대해 설명하면서 어느 안료가 식물에 존재하는지 결정하고, 이들을 광 파장과 연관시킨 뒤 파장 흡수를 최적화할 수 있다.
광합성을 위해 최적화된 파장으로의 전환을 위한 광원
일반적으로 광원에 의해 방출되는 광 파장은 상향 전환되거나(즉 더 짧게 만들거나) 또는 하향 전환될 수 있다(즉 더 길게 만들 수 있다). 인공광 하에서의 식물 성장을 위해, 광원은 임의 유형의 것일 수 있다. 금속 할라이드, 고압 나트륨, 형광, 백열 및 발광 다이오드(LED) 광원이 광원으로 이용될 수 있다. 조명은 완전히 또는 부분적으로 인공일 수 있고, 완전 또는 부분 태양광에 부가될 수 있다.
에너지 효율의 목적을 위해, 양자 구속 재료를 광원에 의해 방출되는 전자기 스펙트럼 범위를 갖도록 조정하는 것을 선택할 수 있다. 예를 들어, 광원이 500nm 내지 600nm에서 주로 광 방출을 갖는 경우, 광합성에 유효한 방사선을 방출하기 위해 500nm 내지 600nm에서 여기되는 양자 구속 재료를 선택할 것이다.
특정 양자 구속 재료
일반적으로 녹색 광을 흡수하고 광활성화되어 적색 광 또는 청색 광을 방출하는 양자 구속 재료를 선택할 수 있다. 아래는 구체적인 비제한적 예이다. 본 발명은 본원에 기재된 바와 같이 원하는 파장을 방출하는 다양한 양자 구속 재료의 이용을 고려한다.
| 적색 방출 양자 구속 재료 | ||||
| 여기 파장 | 방출 파장 | 조성물 | 크기 | 용매 |
| 300nm | 620nm | 유로퓸이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드 | 20nm 내지 50nm | 0.7 mg/mL미만의 PVP |
| 350nm | 617nm | 유로퓸이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드 | 10nm | H2O |
| 300nm | 650nm | 사마륨이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드 | 10nm 내지 50nm | 미량의 시트레이트를 포함하는 수성 콜로이드(10nm); 0.7mg/mL미만의 PVP (50nm) |
| 980nm | 545nm | NaYF4:YbEr 콜로이드 | 25nm | 헥산 |
| 청색 방출 양자 구속 재료 | ||||
| 여기 파장 | 방출 파장 | 조성물 | 크기 | 용매 |
| 300nm | 477nm | 툴륨이 토핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드 | 20nm 내지 50nm | 0.7mg/mL미만의 PVP |
| 980nm | 545nm | NaYF4:YbEr 콜로이드 | 25nm | 헥산 |
본 발명은 원하는 방출 파장을 포획하기 위한 양자 구속 재료의 혼합물을 고려한다. 예를 들어, 유로퓸이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드 및 사마륨이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드는 둘 다 300nm에서 활성화되어 적색 광을 방출하지만, 적색 스펙트럼은 각각 방출 파장이 620nm 및 650nm로 상이하다. 본 발명의 일부 구현예에서, 이들 양자 구속 재료는 조합 이용될 수 있어서 둘 다 동일한 파장 300nm에서 여기되지만 2개의 선택적인 적색 파장 620nm 및 650nm를 각각 방출할 것이다.
주지된 바와 같이, 활성화 파장 및 방출 파장은 언급된 파장의 + 또는 - 0.5nm만큼 변할 수 있다. 본 발명의 활성화 파장은 요지 양자 구속 재료를 활성화하여 식물의 다양한 성장 및 생식 단계에서 그 광합성에 적합한 원하는 스펙트럼 파장을 방출하는 것으로 여겨진다.
관능기 및 입자
본 발명의 양자 구속 재료는 추가적인 성능, 예컨대 추가적인 부분과의 연합/해리를 갖도록 관능화될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 구현예에 걸쳐 이용되는 양자 구속 재료는 이들 표면에 부착되어 중합체와의 혼합을 보조하는 혼화성 증강 리간드를 추가로 포함할 수 있다.
부착제
다른 부분이 양자 구속 재료 혼합물에 포함될 수 있다. 이들 부분은 용매, 분산제 및 부착제일 수 있다.
원하는 최종 조성에 따라, 양자 구속 재료를 원하는 최종 밀도로 분산하기 위해 적합한 제제가 이용될 수 있다. 용액 중 콜로이드성 양자 구속 재료는 이들의 방출 스펙트럼에 영향을 미칠 수 있는 크기 분포를 가질 수 있다. 분산제로 작용하는 용매를 이용할 때, 요지 양자 구속 재료의 방출 스펙트럼에 대한 상기 분산제의 효과, 양자 구속 재료 분산액의 전체 성분 및 용액 중 양자 구속 재료와 임의의 다른 부분의 농도를 고려할 것이다. 상기 표 1 및 2에 나타낸 용매가 이용될 수 있다.
선택적으로 원하는 최종 조성에 따라, 양자 구속 재료 및 조성물을 고체 표면으로 부착 또는 결합하기 위해 적합한 부착제가 이용될 수 있다. 부착제는 원래 액체 형태, 즉 조성물의 구성성분이 주변 용기의 형태를 취할 수 있도록 주로 무질서한 상태이고 후에 고화되어, 즉 질서바른 상태가 되어 구성성분의 이동을 제한하는 조성물일 수 있다. 이러한 고화는 물 또는 산소의 결핍에 의해 또는 고화 제제, 예로 화학물질 또는 자외선 광을 통해 일어날 수 있다. 조성 및 최종 용도에 따라 부착제에는 혐기성 부착제, 시아노아크릴레이트 부착제, 에폭시, 예로 1부분 또는 2부분의 구조적 아크릴 및 자외선 광경화성 부착제가 포함될 수 있다.
제형
본 발명의 양자 구속 재료 조성물은 코팅, 즉 기재에 적용되는 조성물로 제조될 수 있거나 또는 기재 자체 내로 통합될 수 있다.
원하는 파장을 방출하는 양자 구속 재료는 코팅으로서 고체 기재에 적용될 수 있다. 광합성을 위해 최적화된 방출 스펙트럼을 갖는 양자 구속 재료를 포함하는 본 발명의 조성물은 액체 또는 겔일 수 있고, 고체 기재 상에 분무 또는 페인팅을 촉진하도록 제조될 수 있다. 분산 용매 중에 적합한 양자 구속 재료를 분산하고, 혼합물을 고체 기재에 적용하고, 혼합물을 건조하여 혼합물로부터 분산 용매를 제거함으로써 이러한 코팅을 제조할 수 있다. 상기 제형물을 제조할 때 선택 방출 파장이 과도한 간섭 없이 방출되도록 여러 요인을 고려할 수 있다. 분산제는 원하는 파장의 투과를 허용해야 하며, 양자 구속 재료의 농도는 방출되는 광 강도에 영향을 미칠 수 있고, 분산제의 광학 특성은 광 산란이 이렇게 방출되는 원하는 광을 과도하게 간섭하지 않도록 하는 것이어야 한다. 코팅은 고체 기재에 대한 적용을 위해 오일 또는 겔로 추가 제형화될 수 있다. 적용은 침지, 분무, 페인팅 또는 임의의 다른 방법에 의할 수 있다.
고체 기재 내로 통합된 양자 구속 재료에 대해 유사한 고려를 할 수 있다. 원하는 파장을 방출하는 양자 구속 재료는 중합체성 매트릭스 내로의 통합과 마찬가지로 기재 내로 통합될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 특정 방출 및/또는 흡수 특징을 갖는 양자 구속 재료로 도핑된 매트릭스 재료를 제공하며, 또한 나노복합체의 스펙트럼 전환 지수의 특정 맞춤화를 허용한다. 하나의 구현예에서, 본 발명은 중합체 및 중합체 내에 임베딩된 양자 구속 재료를 포함하는 중합체층을 제공하며, 여기서 양자 구속 재료는 이들이 적색 광, 적외선 광, 또는 청색 광을 방출하도록 하는 크기와 조성을 갖고, 중합체층은 층으로 들어가는 광의 최소 부분을 산란한다. 특정 구현예에서, 중합체는 실리콘일 수 있다. 본 발명의 중합체층은 투명 고체 기재 및 광학 장치, 예로 굴절 렌즈 또는 반사 요소와 같은 고체 기재를 코팅하는데 이용될 수 있고, 또는 유효한 장치, 예로 발광 다이오드(LEDs) 및 전계 유도 중합체 전기발광 재료(FIPEL)를 캡슐화하는데 이용될 수도 있다. 기재, 예컨대 중합체에 걸친 양자 구속 구조의 밀도는 균일하거나, 구배, 또는 임의의 다른 원하는 분포를 가질 수 있다. 중합체 코팅의 두께는 원하는 최종 특징에 의존할 것이다. 특정 구현예에서, 코팅으로 이용되는 중합체층은 0mm 내지 1mm, 1mm 내지 5mm, 5mm 내지 10mm(1cm) 및 그 사이의 임의 정수의 두께를 가질 수 있다.
장치
본 발명의 장치는 본 발명의 재료가 충분히 활성화되어 광합성에 유효한 방사선을 방출할 수 있도록 표면 상부에 또는 내부에 배치된 본 발명의 양자 구속 재료 조성물을 포함한다. 일부 구현예에서, 본 발명의 장치는 표면 상부에 또는 내부에 배치된 양자 구속 재료 조성물 및 양자 도트를 활성화할 수 있는 광원을 포함한다. 일부 구현예에서, 본 발명의 장치는 적색 광을 방출하고 제1 활성화 파장에 의해 활성화되는 양자 도트 및 청색 광을 방출하고 제2 활성화 파장에 의해 활성화되는 양자 도트를 포함한다. 이들 장치는 양자 도트의 이용으로 제한되지 않고, 임의의 양자 구속 재료의 이용을 포괄할 수 있다.
구성
본 발명의 장치의 구현예는 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 장치는 천연 광원, 인공 광원, 또는 광원들의 조합과 함께 이용될 수 있다.
도 1은 고체 투명 표면 상에 적색-방출 및 청색-방출 양자 구속 재료를 포함하는 예시적인 장치 108을 도시한다. 여기에서 광원인 태양 102 또는 인공광원 104는 적색-방출 및 청색-방출 양자 구속 재료, 예로 양자 도트, 나노 구조화 그래핀 등을 고체 투명 표면 상에 포함하는 본 발명의 장치 108에 노출된 전자기 스펙트럼 106을 방출한다. 이는 광합성 식물 112의 존재 하에 광합성에 유효한 방사선-더 짧은 청색, 더 긴 적색-110이 선택적으로 증폭되도록 한다.
도 2는 투명 구조 202에 의해 둘러싸인 광원 104를 포함하는 예시적인 장치 200을 도시한다.
도 3은 투명 구조 304에 의해 둘러싸인 관형 광원 302를 포함하는 예시적인 장치 300을 도시한다. 고체 표면, 예컨대 투명 고체 표면 304 상부에 또는 내부에 본 발명의 양자 구속 재료 조성물을 배치할 수 있다. 투명 고체 표면 304는 방출 파장이 식물에 도달하도록 광원 파장이 요지 양자 구속 재료를 활성화할 수 있게 해야 한다. 방출을 위한 파장뿐만 아니라 광활성화에 이용될 광 파장에 따라, 원하는 경우 불투명도를 변화시킬 수 있다. 투명 고체 표면 304는 임의의 재료, 예컨대 실리카 유리, 탄소 중합체, 세라믹 및 이들의 임의 조합일 수 있다. 투명 고체 표면은 강성이거나 가요성일 수 있다. 본 발명의 양자 구속 재료를 박막으로서, 예를 들어 더 두꺼운 표면 상에 배치할 수 있다. 일반적으로 투명 고체 표면이 얇을수록, 광학적으로 변화되는 광이 더 적고 파장 투과 효율이 더 높다. 본 발명의 장치와 함께 광의 강도 및 위치에 영향을 미치기 위해 다양한 렌즈 및 다른 광학 장치를 이용할 수 있다.
도 4는 병렬 방식으로 연결된 제1 투명 표면 402 및 제2 투명 표면 404를 포함하는 예시적인 장치 400을 도시한다. 상부 및 평탄한 하부 표면을 갖는 제1 투명 표면 402 및 평탄한 상부 및 하부 표면을 갖는 제2 투명 표면 404는 제2 투명 표면 404의 하부 평면이 제1 투명 표면 402의 평탄한 상부 표면에 병렬 방식으로 연결되도록 특정 위치, 예로 네 모서리 406, 408, 410, 412 각각에서 평탄한 표면을 따라 연결될 수 있다. 이러한 연결은 네 모서리 406, 408, 410, 412의 각각에서 부착제에 의할 수 있다. 적색 방출 414 및 청색 방출 416을 갖는 양자 구속 재료는 제2 투명 표면 404의 하면을 마주하는 평면 상에서 제1 투명 표면 402의 상부 상에 코팅으로 분산된다.
도 5는 청색 방출 416 및 적색 방출 414를 갖는 양자 구속 재료가 임베딩된 투명 표면 502를 포함하는 예시적인 장치 500을 도시한다. 대안적으로, 본 발명의 장치는 액체 형태로 유지되는 원하는 양자 구속 재료 조성물 414, 416을 가질 수 있다. 예를 들어, 투명 관이 먼저 원하는 구조에, 예로 온실 또는 실내 재배 구역에 배치된 뒤 적합한 액체 PAR-방출 양자 구속 재료 조성물 414, 416이 관을 충전하기 위해 주입될 수 있다. 파우치 및 액체 보유에 적합한 다른 형태가 강도, 재사용 가능성 및 광 투과를 고려하여 이용될 수 있다.
조성물의 제조 방법
예시적인 조성물의 제조 방법은 활성화 파장의 선택, 방출 파장의 선택 및 혼합을 포함할 수 있다.
선택된 방출 파장을 갖는 몇몇 양자 구속 재료 조성물이 있을 수 있지만, 활성화원에 따라 특정 활성화 파장을 선호할 수 있다. 활성화 파장은 구조상, 예로 태양광 또는 인공광의 이용에 의해 결정될 수 있다.
방출 파장은 식물 유형, 식물 성장 또는 생식 단계 및 원하는 전체적 에너지 효율에 근거하여 결정될 수 있다. 다른 요인, 예컨대 비용, 환경적 유해 및 수명이 고려될 수 있다.
다양한 파장에 의해 활성화되고/되거나 다양한 파장을 방출하는 양자 구속 재료를 조합할 수 있다. 본 발명의 양자 구속 재료 조성물은 동일하거나 상이한 활성화 또는 방출 파장을 갖는 하나 이상의 양자 구속 재료 유형으로 이루어지거나, 구성되거나, 또는 본질적으로 구성될 수 있다. 표 1의 하나 이상의 양자 구속 재료를 단독으로 또는 표 2의 하나 이상의 양자 구속 재료와 조합하여 이용할 수 있다. 유사하게, 표 2의 하나 이상의 양자 구속 재료를 단독으로 또는 표 1의 하나 이상의 양자 구속 재료와 조합하여 이용할 수 있다. 전체 또는 일부 양자 구속 재료가 관능화될 수 있고, 상술된 바와 같이 추가적인 부분, 예컨대 분산제 및 부착제가 포함될 수 있다. 방출 스펙트럼뿐만 아니라 활성화 파장 간 또는 사이의 가능한 간섭을 고려해야 한다.
장치의 제조 방법
장치의 제조 방법은 조성물 및 표면의 선택, 그리고 광원의 선택을 포함할 수 있다.
표면 상부에 또는 내부에 본 발명의 양자 구속 재료 조성물을 코팅하거나 임베딩하기 위한 다양한 수단이 이용될 수 있다. 표면 상에 분무 또는 브러시하기 위해 또는 입자가 이용되는 경우 입자를 코팅하기 위한 액체 중 이러한 입자의 혼합을 위해 본 발명의 조성물을 제조할 수 있다. 표면 상에 양자 구속 재료를 정밀하게 침적하기 위해 잉크젯 기술을 또한 준비할 수 있다. 정밀 구조를 위해 적합한 경우, 적합한 표면 기재와 함께 에피택시 방법을 이용할 수 있다. 또한 본 발명의 양자 구속 재료가 임베딩된 고체 표면을 제조할 수 있다. 가교 및 고화를 위해 본원에 기재된 바와 같이 적합한 양자 구속 재료와 액체 형태의 적합한 중합체성 조성물을 혼합할 수 있다. 다양한 가교제가 이용될 수 있다.
다양한 활성화원, 예컨대 임의 수의 태양광 및 인공광의 조합을 이용할 수 있다. 다양한 통상적인 재배 광, 예컨대 HPS를 이용할 수 있다. 원예 목적을 위해 통상적으로 이용되지 않는 레이저 및 다른 광원이 또한 활성화 파장원으로 이용될 수 있다. 추가적인 반사경 및 렌즈를 이용할 수 있다. 예를 들어, 거울화 표면과 같은 반사경이 식물 표면 상에 광원을 집중하는데 이용될 수 있다. 렌즈는 특정 파장을 분리하거나 농축하는데 이용될 수 있다. 이러한 레이저는 광학적으로 초점을 맞추고 있기 때문에, 광선을 분리하거나 증폭하기 위해 추가적인 렌즈를 이용할 수 있다. 둘 이상의 활성화 파장이 필요한 경우, 복수의 레이저를 이용할 수 있다.
조성물의 이용 방법
본 발명의 조성물의 이용 방법에는 본 발명의 장치의 제조가 비제한적으로 포함된다. 다양한 방식 및 구조로 표면 상에 본 발명의 양자 구속 재료 조성물을 분무, 브러시, 코팅, 혼합, 적용 또는 임베딩할 수 있다. 추가적으로 하기 실시예 4에 나타낸 바와 같이, 광이 식물 상에 또는 내에 방출되도록 본 발명의 조성물을 이용할 수 있다. 예로 뿌리 또는 기공을 통해 물과 함께, 예를 들어 식물에 의해 섭취될 적합한 형광 도트의 수성 제형물을 형광 도트가 활성화되고 PAR 광이 식물 자체 내부에서 방출되도록 제조할 수 있다. 따라서 본 발명은 식물 영양액을 포함하는 본 발명의 양자 구속 재료의 제형물을 고려한다. 이는 특히 수경 원예 적용에 적절할 수 있다.
유사하게, 요지 식물 상부 또는 내부에 체류하기 적합한 미생물 제제의 상부 또는 내부에 수반될 적합한 무독성 형광 도트의 수성 제형물을 제조하여 광 전환원 형광 도트를 엽록체 또는 다른 광에서-에너지로의 전환 부분에 가까이 인접해 제공할 수 있다. 따라서 본 발명은 유익할 뿐만 아니라 무해한 식물 미생물 조성물을 포함하는 본 발명의 양자 구속 재료의 제형물을 고려한다.
장치의 이용 방법
본 발명의 장치는 천연 또는 인공 광원과 함께 이용될 수 있고, 본 발명의 일부 구현예에 인공 광원이 포함될 수 있음이 고려된다. 다른 구현예는 외부 광원 및/또는 천연 태양광에 의존할 수 있다.
인공 광원, 예컨대 HPS가 이용되는 경우, 본 발명의 장치는 인공 광원 및 상부에 배치되거나 내부에 임베딩된 광합성에 유효한 양자 구속 재료를 갖는 표면을 포함하는 어셈블리일 수 있다(도 2 내지 3 참고). 양자 구속 재료 조성물을 포함하거나, 구성되거나, 본질적으로 구성된 표면이 인공광원을 전체적으로 또는 부분적으로 둘러싸며, 여기서 양자 구속 재료 조성물은 (a) 인공광원에 의해 방출되는 파장에서 활성화 시 적색 범위의 광을 방출하는 양자 구속 재료; 및 (b) 인공광원에 의해 방출되는 파장에서 활성화 시 청색 범위의 광을 방출하는 양자 구속 재료 중 하나 이상을 함유한다. 도 4는 표면 상에 배치되기보다 내부에 임베딩된 이러한 양자 구속 재료 414, 416을 갖는 투명 표면 402, 404를 나타낸다.
인공광에 의존하지 않거나 활성화를 위해 천연 태양광이 이용되는 경우, 본 발명은 창, 그리고 관련해서는 온실로 구성된 인접 창들의 구현예를 고려한다. 본원에서 이용되는 용어 "창"은 열고 닫을 수 있는 투명 재료, 예로 유리를 함유하는 여닫이창 또는 내리닫이창에 의해 보통 밀폐되는, 광 및 공기의 입장을 위한 개구, 특히 건물 벽의 개구를 나타낸다. 본원에서 이용되는 용어 "온실"은 "부드러운 식물의 배양 또는 보호를 위해 이용되고 봉입되는(예컨대 유리에 의해) 구조"를 나타낸다. 투명 또는 반투명 유리, 예로 보로실리케이트, 또는 투명 또는 반투명 플라스틱, 예로 수화 중합체의 이용이 본 발명의 창 또는 온실의 전부 또는 일부에 대해 고려된다. 충분히 투명하거나 반투명하여 태양광, 또는 인공광이 광합성에 유효한 방사선의 방출을 위해 양자 구속 재료를 활성화할 수 있도록 하는 다른 재료가 이용될 수 있다. 예를 들어, 투명 세라믹 및 섬유 유리가 적합하게 실용 가능할 수 있다.
창에 있어서, 본 발명은 벽, 도어 또는 다른 불투명 표면 내에 위치한 여닫이창 또는 내리닫이창에 의해 프레임을 가질 수 있는 투명 재료를 고려한다. 본 발명의 양자 구속 재료 조성물은 투명 재료 상부에 배치되거나 내부에 임베딩된다(도 4 및 5 참고). 일부 창은 이중 유리일 수 있고, 유리의 내부 표면 상에 배치된, 즉 또 다른 투명 유리를 마주하는 본 발명의 양자 구속 재료 조성물을 가질 수 있다.
일부 구현예에서, 본 발명에는 연결 창으로 이루어진 온실이 포함될 수 있고, 여기서 하나 이상의 창은 본 발명의 양자 구속 재료 조성물을 추가로 포함한다. 다른 온실의 구현예에서, 본 발명은 투명 플라스틱으로 둘러싸인 강성 프레임을 포함할 수 있고, 여기서 플라스틱은 본 발명의 양자 구속 재료 조성물의 상부에 배치되거나 내부에 임베딩된다.
실시예
도 6은 광합성에 유효한 방사선 및 엽록소 흡수 스펙트럼 600의 차트를 나타낸다. 도 6에 나타낸 그래프에 근거하여, UV 및 IR 모두에서 이용되지 않은 방사선을 포획하여 식물 성장을 위해 이용 가능한 광으로 전환할 양자 구속 재료 조명원을 생성하기 위해 다양한 여러 비가 이용될 수 있다. 예시적 실시예 1 내지 3은 표적으로 하는 식물의 성장 및/또는 생식 단계에 따라 상이한 조합을 제공한다. 예시적 실시예 4는 에너지 효율 계산을 제공하며, 예시적 실시예 5는 식물에 적용되도록 제조된 적색 방출 양자 구속 재료 및 청색 방출 양자 구속 재료의 혼합물을 기재한다. 예시적 실시예 6은 창 기술에 적용되는 바와 같은 적색 방출 양자 구속 재료 및 청색 방출 양자 구속 재료의 혼합물을 제공한다.
여기 및 방출 파장이 나노미터 관점에서 표현되지만, 나노미터 측정에는 정확한 나노미터 양뿐만 아니라 0nm 내지 0.5nm 더 짧고 0nm 내지 0.5nm 더 긴 가능한 변이가 포함된다.
실시예 1: 식물 성장을 촉진하는 양자 구속 재료 혼합물 및 장치
본 예시적 실시예는 주 색상으로 청색 광을 제공하는데, 이는 수십 년간 상업적 온실에서 금속 할라이드 전구를 이용한 성장이 더 많은 식물 물질을 제공하는 것으로 나타났기 때문이다.
장치 제조
본 발명의 양자 구속 재료 조제물은 20인치 x 20인치 및 1mm 두께의 보로실리케이트 시트에 적용되지만, 당분야 숙련자는 다른 크기가 이용될 수 있음을 인지할 것이다. 상기 크기 면적에 대해 필요한 양자 구속 재료 조제물의 양은 0.1mm 두께 층에 있어서 25.8ml일 것이다. 하기를 함유하는 조제물을 균일하게 도포한다: 예컨대 방출 파장 450nm인 청색 광을 방출하며, 여기 파장 980nm를 가지고, 10mg/ml 용매 농도를 갖는 50.01% w/w 내지 99% w/w의 양자 구속 재료 조제물; 및 예컨대 방출 파장 650nm인 적색 광을 방출하며, 여기 파장 300nm를 가지고, 10mg/ml 용매 농도를 갖는 1.00% w/w 내지 49.99% w/w의 양자 구속 재료 조제물.
300F 열 터널로 용매를 증발시킨다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 양자 구속 재료를 장치 내로 밀봉하기 위해 초기 패널의 가장자리 또는 테두리에 부착제가 부착되도록 또 다른 1mm 두께의 보로실리케이트 시트를 접착한다.
실시예 2: 개화를 촉진하는 양자 구속 재료 혼합물 및 장치
도 6에 제시된 그래프에 근거하여, UV 및 IR 모두에서 이용되지 않은 방사선을 포획하여 식물 성장을 위해 이용 가능한 광으로 전환할 양자 구속 재료 조명원을 생성하기 위해 다양한 여러 비가 이용될 수 있다. 본 예시적 실시예는 적색 광을 제공하는데, 이는 피토크롬을 식물 생식 단계, 예로 발아, 성장, 꽃 형성, 열매 맺기 등의 주요 성분을 제어하는 생물학적으로 유효한 형태로 변화시키기 때문이다.
장치 제조
본 발명의 양자 구속 재료 조제물은 20인치 x 20인치 및 1mm 두께의 보로실리케이트 시트에 적용되지만, 당분야 숙련자는 다른 크기가 이용될 수 있음을 인지할 것이다. 상기 크기 면적에 대해 필요한 양자 구속 재료 조제물의 양은 0.1mm 두께 층에 있어서 25.8ml일 것이다. 하기를 함유하는 조제물을 균일하게 도포한다: 예컨대 방출 파장 450nm인 청색 광을 방출하며, 여기 파장 980nm를 가지고, 10mg/ml 용매 농도를 갖는 1.0% w/w 내지 49.99% w/w의 양자 구속 재료 조제물; 및 예컨대 방출 파장 650nm인 적색 광을 방출하며, 여기 파장 300nm를 가지고, 10mg/ml 용매 농도를 갖는 50.01% w/w 내지 99.0% w/w의 양자 구속 재료 조제물.
300F 열 터널로 용매를 증발시킨다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 양자 구속 재료를 장치 내로 밀봉하기 위해 초기 패널의 가장자리 또는 테두리에 부착제가 부착되도록 또 다른 1mm의 보로실리케이트 시트를 접착한다.
실시예 3: 전체 목적의 성장을 위한 양자 구속 재료 혼합물 및 장치
도 6에 제시된 그래프에 근거하여, UV 및 IR 모두에서 이용되지 않은 방사선을 포획하여 식물 성장을 위해 이용 가능한 광으로 전환할 양자 구속 재료 조명원을 생성하기 위해 다양한 여러 비가 이용될 수 있다. 본 예시적 실시예는 IR 범위의 양자 구속 재료의 여기 주파수를 제공한다. 고압 나트륨 전구는 에너지를 열로 낭비한다. 이 열은 4.3㎛ 범위에 있는 H20의 여기 주파수와 가까운 근적외선 영역 위에 있다.
장치 제조
본 발명의 양자 구속 재료 조제물은 20인치 x 20인치 및 1mm 두께의 보로실리케이트 시트에 적용되지만, 당분야 숙련자는 다른 크기가 이용될 수 있음을 인지할 것이다. 상기 크기 면적에 대해 필요한 양자 구속 재료 조제물의 양은 0.1mm 두께 층에 있어서 25.8ml일 것이다. 하기를 함유하는 조제물을 균일하게 도포한다: 예컨대 방출 파장 450nm인 청색 광을 방출하며, 여기 파장 980nm 또는 300nm를 가지고, 10mg/ml 용매 농도를 갖는 50% w/w의 양자 구속 재료 조제물; 및 예컨대 방출 파장 650nm인 적색 광을 방출하며, 여기 파장 300nm를 가지고, 10mg/ml 용매 농도를 갖는 50% w/w의 양자 구속 재료 조제물.
300F 열 터널로 용매를 증발시킨다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 양자 구속 재료를 장치 내로 밀봉하기 위해 초기 패널의 가장자리 또는 테두리에 부착제가 부착되도록 또 다른 1mm의 보로실리케이트 시트를 접착한다.
실시예 4: 에너지 효율 계산
본 예시적 실시예는 본 발명을 이용하여 가능한 에너지 절약 대 원에 목적을 위해 일반적으로 이용되는 시판 등급 고압 나트륨 광을 비교한다.
낭비되는 에너지를 나타내기 위해, 시판 1000W 고압 나트륨 전구가 전형적으로 와트 당 대략 100루멘에서 대략 100,000루멘의 광을 생성하는 것으로 간주한다. 그러나 시판 등급 600W 고압 나트륨 전구는 전형적으로 와트 당 140루멘을 생성한다 - 이보다 더 작은 전구로 추가적인 40% 출력을 갖는다. 추정컨대, 1000W 전구에서는 전구를 점화하는데 필요한 에너지량으로 인해 다량의 에너지가 소실된다. 이어서 상기 에너지는 광, 즉 루멘으로 발산되지 않고, 열, 즉 적외선 파장으로 발산된다. 양자 구속 재료 기술을 이용하는 본 발명은 상기 낭비되는 열을 이용 가능한 광으로 효과적으로 변화시키며, 방출되는 광은 광합성에 유효한 방사선 체계 내에 속한다. 이러한 광합성에 유효한 방출 파장을 식물 생활상의 단계, 예컨대 성장, 개화 등을 위해 구체적으로 조정할 수 있다. 또한 식물 및 그 광합성에 유효한 구성성분, 예컨대 엽록소 조성 및 피토크롬 조성에 따라 방출 파장을 선택적으로 조정할 수 있다(도 6 참고).
보수적으로 1000W HPS 전구에서 30% 비효율을 추정하고(600W HPS 전구에서 1000W HPS 전구까지의 스케일링에 근거하여 상기 예시에서 추정하고 10% 감소시킴) 양자 구속 재료를 90% 방출 효율로 가정하면, 양자 구속 재료는 1000W HPS 전구와 동일한 에너지 입력에 대해 이용 가능한 광을 27% 더 방출한다. 다른 방식으로 보면, 이용 가능한 광을 27% 더 수득하기 위해, 적외선 및 UV에서 낭비되는 모든 방사선을 합하여 30% 비효율(양자 구속 재료의 0.9배 이론치 효율)로 가정하면, 광합성 방사선을 위해 이용 가능한 광이 27% 더 많을 것이다. 더 낮은 와트수의 HPS 전구, 예컨대 600W HPS 전구를 가정하는 경우에도, 선택된 파장의 "조정 가능성"으로 인해 효율이 구현될 수 있다. 따라서 원하는 파장 방출을 고려하여 1000W HPS 전구와 동일한 유효량의 광을 생성하기 위해 600W 전구가 이용될 수 있다. 이는 본 실시예의 효율에서 400W 개선을 가져올 것이다.
실시예 5: 식물에 적용되는 바와 같이 제조된 적색 및 청색 방출 양자 구속 재료의 혼합물
식물 상부 또는 내부에서의 사용을 위해, 수용성 양자 구속 재료가 특히 관심의 대상이 된다. 예를 들어, 식물 전신 순환으로 들어가서 원 위치에서, 식물 전신 순환 내부에서 또는 식물 세포 내부에서 광을 전환하는 양자 구속 재료를 갖고자 할 수 있다. 이러한 양자 구속 재료 조성물을 포함하는 식물 표면 코팅을 원할 수 있다. 식물 유형 및 식물의 궁극적 용도에 따라 상기 목적을 위해 무독성 재료를 원할 수 있다.
광합성에 유효한 방사선을 방출하는 양자 구속 재료가 광합성이 일어나는 장소에 가까이 식물 내부에 있도록 식물 자체에 의한 섭취를 위해 조성물을 제조할 수 있다. 따라서, 광범위 스펙트럼원, 예로 고압 나트륨 또는 태양광에서 방출되는 광은 식물 자체의 내부에서 광합성에 유효한 방사선으로 전환될 것이다. 이러한 조성물은 바람직하게는 식물에 무독성이고, 이러한 식물이 섭취될 것인 경우, 섭취에 대해 무독성인 양자 구속 재료를 이용할 것이다. 실리콘 기재의 무독성 생분해성 양자 구속 재료는 뿌리를 통해 전달되는 경우 식물 자체에 의해 흡수되어 식물을 통해 전신으로 양자 구속 재료를 전달하도록 수중 분산될 수 있다. 이들 조성물은 수경재배 용액의 일부일 수 있고, 또한 식물 영양분을 포함할 수 있다.
본 발명의 여러 구현예는 광합성에 유효한 방사선의 편재되고 증가된 효율을 갖도록 식물 내부의 양자 구속 재료의 이용으로부터 나온다. 본 발명에는 그 내부에 양자 구속 재료를 함유하는 식물 및 이들의 임의 부분이 포함되며, 보다 구체적으로는 광합성에 유효한 방사선을 방출하는 양자 구속 재료가 포함된다. 본 발명에는 광합성에 유효한 방사선을 방출하는 양자 구속 재료를 함유하거나, 포함하거나, 구성되거나, 본질적으로 구성된 식물 영양액이 포함된다. 적색 스펙트럼에서 방출을 갖는 양자 구속 재료, 청색 스펙트럼에서 방출을 갖는 양자 구속 재료 및 식물 영양액을 포함하거나, 구성되거나, 본질적으로 구성된 조성물을 제조할 수 있다. 적색 방출 양자 구속 재료 또는 청색 방출 양자 구속 재료와 함께 이러한 조성물을 제조할 수 있다.
식물의 외표면을 코팅하려면 유사한 고려사항을 적용할 수 있다. 양자 구속 재료는 식물에 무독성이어야 하고, 섭취되거나 다른 방식으로 소비되는 경우 섭취되는 식물이 무독성이어야 한다. 이러한 양자 구속 재료 조성물을 분무로 적용할 수 있다.
식물에 대한 적용을 위해, 적색 스펙트럼에서 방출을 갖는 양자 구속 재료, 청색 스펙트럼에서 방출을 갖는 양자 구속 재료 및 적용 가능한 박테리아 또는 이들의 포자를 포함하거나, 구성되거나, 본질적으로 구성된 조성물을 제조할 수 있다. 적색 방출 양자 구속 재료 또는 청색 방출 양자 구속 재료와 함께 이러한 조성물을 제조할 수 있다.
적색 스펙트럼에서 방출을 갖는 양자 구속 재료, 청색 스펙트럼에서 방출을 갖는 양자 구속 재료 및 바실러스 종, 슈도모나스 종 및 푸사리움 종 중에서 선택되는 박테리아(또는 이들의 포자)를 포함하거나, 구성되거나, 본질적으로 구성된 조성물을 제조할 수 있다. 바실러스 투리겐시스와 같이 적합한 박테리아를 요지 양자 구속 재료 조성물과 함께 제조하고, 단회 적용으로 식물에 적용할 수 있다. 예를 들어, 다른 비병원성 박테리아, 예컨대 비병원성 슈도모나스 종 또는 푸사리움 종이 이용될 수 있다. 특정 박테리아, 예컨대 슈도모나스 플루오레센스는 형광이며, 이는 본 발명의 양자 구속 재료의 에너지 최적화를 증강시킬 수 있다.
유사하게 식물 내로의 섭취를 위해 비병원성 바이러스 또는 다른 핵산 기재 벡터를 제조할 수 있다. 이러한 벡터에는 바이러스, 또는 다른 DNA, RNA, 또는 합성 핵산, 예컨대 앱타머 또는 모사체가 포함될 수 있다. 따라서, 본 발명에는 적색 스펙트럼에서 방출을 갖는 양자 구속 재료, 청색 스펙트럼에서 방출을 갖는 양자 구속 재료 및 식물 바이러스 또는 다른 핵산 기반 식물 벡터를 포함하거나, 구성되거나, 본질적으로 구성된 조성물이 포함될 수 있다.
실시예 6: 창 기술에 적용되는 바와 같은 적색 및 청색 방출 양자 구속 재료의 혼합물
본 발명에는 광합성에 유효한 방사선을 방출하는 본 발명의 양자 구속 재료의 상부에 코팅되거나 내부에 임베딩된 조성물을 갖는 투명 표면을 포함하는, 상기 정의된 바와 같은 창이 포함될 수 있다. 투명 표면은 다양한 조성물로 이루어질 수 있지만, 전형적으로 실리카 유리, 탄소 중합체, 세라믹, 또는 이들의 임의 조합을 포함할 것이다. 본 발명은 또한 본 발명의 창을 갖는 건축 구조물, 예컨대 건물을 포함할 수 있고, 특정 구현예에서 상기 정의된 바와 같은 온실을 포함할 수 있다. 창에 대해 그리고 태양광에 의존하여, 본 발명의 양자 구속 재료는 태양광에 의해 활성화되어야-여기 파장을 가져야-한다.
상기 구현예의 구체적 특징 및 양태의 다양한 조합 및/또는 하위조합이 본 발명의 범위 내에 이루어질 수 있고 여전히 속한다는 것이 고려된다. 따라서 개시된 구현예의 다양한 특징 및 양태는 개시된 발명의 다양한 방식을 형성하기 위해 서로 조합되거나 대체될 수 있음이 이해되어야 한다. 또한, 본원에 예로서 개시된 본 발명의 범위는 상술되고 개시된 특정 구현예에 의해 제한되어서는 안 된다.
Claims (23)
- (a) 여기 파장 300nm 및 방출 파장 477nm를 갖는 평균 입경 20nm 내지 50nm의 툴륨이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드로 이루어지는 양자 구속 재료;
(b) (i) 여기 파장 300nm 및 방출 파장 620nm를 갖는 평균 입경 20nm 내지 50nm의 유로퓸이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드;
(ii) 여기 파장 350nm 및 방출 파장 617nm를 갖는 평균 입경 10nm의 유로퓸이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드;
(iii) 여기 파장 300nm 및 방출 파장 650nm를 갖는 평균 입경 10nm 내지 50nm의 사마륨이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드;
(iv) 여기 파장 980nm 및 방출 파장 545nm를 갖는 평균 입경 25nm의 NaYF4:Yb,Er 콜로이드; 및
(v) 양자 구속 유효 구역을 구현하는 결함점을 갖는 원자 그래핀층으로부터 선택되는 양자 구속 재료; 및
(c) 혐기성 부착제, 시아노아크릴레이트 부착제, 에폭시, 구조적 아크릴 및 자외선 광경화성 부착제 중에서 선택되는 부착제
를 포함하는 조성물. - 삭제
- 제1항에 있어서, 하위부분(a)의 양자 구속 재료가 0.7mg/ml 미만의 폴리비닐피롤리돈을 함유하는 용매 중에 있는 조성물.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 여기 파장 300nm 및 방출 파장 620nm를 갖는 평균 입경 20nm 내지 50nm의 유로퓸이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드가 0.7mg/ml 미만의 폴리비닐피롤리돈 용매 중에 있는 조성물.
- 제1항에 있어서, 여기 파장 350nm 및 방출 파장 617nm를 갖는 평균 입경 10nm의 유로퓸이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드가 H2O 용매 중에 있는 조성물.
- 제1항에 있어서, 여기 파장 300nm 및 방출 파장 650nm를 갖는 평균 입경 10nm 내지 50nm의 사마륨이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드가, 사마륨이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드가 평균 입경 10nm인 경우 미량 시트레이트를 함유하는 수용액 중에 있고, 사마륨이 도핑된 이트륨 바나데이트 콜로이드가 평균 입경 50nm인 경우 0.7mg/ml 미만의 폴리비닐피롤리돈 용액 중에 있는 조성물.
- 제1항에 있어서, 여기 파장 980nm 및 방출 파장 545nm를 갖는 평균 입경 25nm의 NaYF4:Yb,Er 콜로이드가 헥산 함유 용매 중에 있는 조성물.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 조성물이 투명 고체 재료 상에 코팅된 조성물 및 투명 고체 재료 내에 임베딩된 조성물 중 적어도 하나인 조성물.
- 제12항에 있어서, 투명 고체 재료가 실리카 유리, 탄소 중합체 및 세라믹 중 적어도 하나를 포함하는 조성물.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- (a) 실리카 유리, 탄소 중합체, 및 세라믹 중 적어도 하나로부터 선택되는 재료를 포함하는 투명 표면; 및
(b) 투명 표면 상에 코팅된 조성물 및 투명 표면 내에 임베딩된 조성물 중 적어도 하나인 제1항의 조성물을 포함하는 장치. - 삭제
- 제17항에 있어서, 하나 이상의 추가적인 투명 표면을 추가로 포함하는 장치.
- 제19항에 있어서, 투명 표면이 하나 이상의 추가적인 투명 표면 중 적어도 하나에 적어도 부분적으로 부착되는 장치.
- 제17항에 있어서, 적어도 하나의 광원을 추가로 포함하는 장치.
- 제21항에 있어서, 적어도 하나의 광원이 금속 할라이드 광 전구, 고압 나트륨 광 전구, 형광 광 전구, 백열 광 전구, 전계 유도 중합체 전기발광(FIPEL) 및 발광 다이오드(LED)로 이루어지는 장치.
- 제17항에 있어서, 투명 표면이 여닫이창(casement) 및 내리닫이창(sash) 중 적어도 하나의 프레임을 가지는 장치.
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