KR20140010423A - 온실 광을 향상시키기 위한 방법 및 수단 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 파장 상향 전환 특성을 가지고, 온실 환경에 있어서 식물 재배에 적합한 반도체 광 방출 솔루션을 가진 조명 장치에 관한 것이다. 본 발명의 최적의 방식은, 청색 LED와 아울러, 광합성 유효 복사(PAR) 스펙트럼과 유사한 방출 스펙트럼을 생성하도록 배열되고, 콜로이드성 방법에 의하여 제조된 파장 상향 전환 이원 합금 양자점(110, 120, 130, 140, 150, 160)을 구비한 적어도 하나의 청색 LED(101)를 가진 조명 장치로 간주된다. 본 발명의 방법 및 배열은, 식물 재배에 사용되는 광의 방출 스펙트럼에 있어서 보다 정밀한 스펙트럼 조율을 가능케한다. 따라서, 본 발명은 식물 생장의 광형태형성 조절에 있어서 예상 밖의 개선, 및 식물(310, 311) 생산에 있어서 추가적인 개선을 실현한다. 본 발명은 이미 현존하는 LED 시스템을 가진 온실에 특히 유리하다. 이 LED 시스템은 본 발명의 조명 솔루션에 도달하기 위하여, 본 발명의 양자점 배열을 가함으로써 곧바로 개선(upgrade)될 수 있다.

Description

온실 광을 향상시키기 위한 방법 및 수단{METHOD AND MEANS FOR ENHANCING GREENHOUSE LIGHTS}
본 발명은 식물 재배용 인공 광을 생성하기 위한 개선된 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 온실 환경에서 식물 재배에 적합한 파장 상향 전환 특성(wavelength up conversion feature)을 갖는 반도체 발광 솔루션(semiconductor light emission solution)을 가지는 조명 장치에 관한 것이다.
표면에 도달하는 복사의 대략 50% 만이 광합성 유효 복사(PAR)이다. PAR은 파장 영역이 300㎚ 내지 800㎚ 사이의 전자기 스펙트럼을 포함하는 것으로 이해된다. 광주성(photoperiodism), 굴광성(phototropism) 및 광형태형성(photomorphogenesis)과 함께 광합성은 복사와 식물 사이의 상호작용과 관련된 4개의 대표적인 프로세스들이다. 다음 식은 광합성의 단순화된 화학식을 나타낸다:
6 H2O + 6 CO2 (+ 광자 에너지) → C6H12O6 + 6 O2
클로로필 a, 클로로필 b 및 베타카로틴과 같은 가장 일반적인 광합성 및 광-형태형성 광수용체, 그리고 피토크롬의 2개의 상호 전환 가능한 형태(Pfr 및 Pr)의 전형적인 흡수 스펙트럼은 도 1a에 나타나 있다.
광합성과는 대조적으로, 광형태형성 반응은 극도로 낮은 광량(light quantity)으로 달성될 수 있다. 광합성 및 광-형태형성 광수용체의 상이한 형태는 적어도 3개의 알려진 광시스템: 광합성, 피토크롬 및 크립토크롬 또는 블루/UV-A(자외선-A)로 그룹지을 수 있다.
광합성 광시스템에서 존재하는 색소(pigment)는 클로로필 및 카로테노이드이다. 클로로필은 식물의 잎 엽육 세포 내에 위치하는 엽록체의 틸라코이드 내에 위치한다. 복사의 양 또는 에너지는 이들 색소의 활성이 광 채취(light harvest)와 밀접하게 관련되어 있기 때문에, 가장 중요한 측면이다. 클로로필의 2개의 가장 중요한 흡수 피크는 각각 625 내지 675㎚ 및 425 내지 475㎚의 적색 및 청색 영역내 위치한다. 이에 더하여 또한, UV 근처(300 - 400㎚) 및 원-적색 영역(far-red region)(700 - 800㎚)에 다른 국지적인 피크가 존재한다. 크산토필 및 카로틴과 같은 카로테노이드는 식물 세포의 유색체(chromoplast) 색소체(plastid) 세포 기관에 위치하며, 주로 청색 영역을 흡수한다.
피토크롬 광시스템은 피토크롬의 2개의 상호 전환 가능한 형태, Pr 및 Pfr을 포함하며, 이들은 660㎚의 적색 및 730㎚의 원-적색에서 각각 이들의 감도 피크(sensitivity peak)를 갖는다. 피토크롬에 의해 매개된 광형태형성 반응은 대개 적색(R) 대 원-적색(FR) 비(R/FR)를 통한 광질(光質, light quality)의 감지와 연관되어 있다. 피토크롬의 중요성은 잎 확장, 이웃 감지, 음지 회피, 줄기 신장, 종자 발아 및 개화 유도와 같이, 이것이 관여되는 상이한 생리학적 반응에 의하여 평가될 수 있다. 음지 회피 반응이 일반적으로 R/FR 비의 감지를 통한 피토크롬에 의하여 조절된다고 하더라도, 청색광 및 PAR 레벨 또한 관련된 적응 형태학적 반응(adaptive morphological response)에 연관되어 있다.
청색- 및 UV-A(자외선 A)-민감성 광수용체는 크립토크롬 광시스템에서 발견된다. 청색광 흡수 색소는 크립토크롬 및 포토트로핀 양자를 포함한다. 이들은 광의 품질, 양, 방향 및 주기성을 모니터링하는 것과 같은 수개의 상이한 작용에 관여된다. 청색- 및 UV-A-민감성 광수용체의 상이한 그룹들은 내인성(endogenous) 리듬, 기관 배향(orientation), 줄기 신장 및 기공 개구, 발아, 잎 확장, 뿌리 성장 및 굴광성과 같은 중요한 형태학적 반응들을 매개한다. 포토트로핀(phototropin)은 광 채취 및 광억제(photoinhibition)를 최적화하기 위하여, 색소 함량 및 광합성 기관 및 세포 기관의 위치를 조절한다. 연속적인 원-적색 복사에 대한 노출과 함께, 청색광은 또한 크립토크롬 광수용체의 매개를 통하여 개화를 촉진한다. 아울러, 청색-광-민감성 광수용체(예를 들면, 플라빈 및 카로테노이드)는 또한 근자외선 복사에 대해 민감하며, 여기서, 국지적인 민감성 피크가 대략 370㎚에서 발견될 수 있다.
크립토크롬은 모든 식물종들에 대하여 일반적이지는 않다. 크립토크롬은 애기장대(Arabidopsis)와 같은 개화 식물에서 서커디안 리듬(circadian rhythms)의 동조(entrai㎚ent)를 포함하는 다양한 광 반응을 매개한다. 300㎚ 이하의 파장의 복사가 분자의 화학 결합 및 DNA 구조에 매우 유해할 수 있다고 하더라도, 식물은 당해 영역에서도 복사를 흡수한다. PAR 영역 내에서 복사의 품질은 UV 복사의 파괴 효과를 감소시키는데 중요할 수 있다. 이들 광수용체들은 가장 잘 연구되어 있으므로 광합성 및 성장의 조절에 있어서의 이들의 역할은 충분히 잘 알려져 있다. 그러나, 다른 광수용체의 존재에 대한 증거가 존재하며, 이것의 작용은 식물에 있어서 중요한 생리학적 반응을 매개하는데 있어 중요한 역할을 가질 수 있다. 게다가, 수용체들의 특정 그룹들 간의 상호 의존성적인 성질 및 상호 작용은 잘 이해되어 있지 않다.
많은 식물들은 인공 광을 이용하는 온실 재배 수단에 의하여 이들의 천연 서식지와 상이한 지리적 위치에서 재배될 수 있다. Zukauskas 등에 의한 WO 2010/053341 A1로부터, 식물의 광형태형성 필요 중 일부를 충족시키기 위하여, 발광 다이오드(LED)가 인광체 전환(phosphor conversion)과 함께 사용될 수 있다는 것이 알려져 있다. 인광체 전환은, 보다 긴 파장의 복사를 흡수하고 재방출하는 인광체 성분에 인접하여 단 파장으로 방출하는 LED와 같은 광원이 존재하여 작동한다. 이러한 방식으로 조명 장치의 전체 방출 스펙트럼(aggregate emission spectrum)은 조율(tuning)될 수 있으며, 식물에 제공된 광자는 그 식물이 특정 방식, 예컨대 줄기 높이와 같은 일부 형태학적 목적을 충족시키는 방식으로 생장할 수 있게 한다. 본 문헌은 본원에서 참조로서 인용된다.
발광 다이오드(LED)는 매일 인기가 증가하고 있다. LED용으로 사용된 독특한 새로운 구조는, 여기자(exciton)가 전체 3개의 공간 차원으로 제한되는 반도체인 양자점(quantum dot)이다. 양자점은, 양자점을 포함하는 다중 양자 우물 구조(multiple quantum well structure: MQW)를 논하고 있는 WO 2009/048425에서, 인광체를 제거하는데 사용되는 것으로 제안되어 왔다. 이 공보에 따르면, MQW 구조는 인광체가 없는 적색 및 백색 질화물계 LED를 제조하는데 사용될 수 있다. 이 문헌 또한 본원에서 참조로서 인용된다.
[특허문헌]
WO 2010/053341 A1, "Phosphor conversion light-emitting diode for meeting photomorphogenetic needs of plants", Zukauskas et al. 2010.
WO 2009/048425 A1, "Fabrication of Phosphor free red and white nitride-based LEDs", Soh et al. 2009.
상기 선행 기술은 상당한 단점들을 갖는다. 상기 선행 기술의 LED 및 인광체 배열은 방출 스펙트럼의 충분히 높은 해상도 조정을 허용하지 않는다. 상기 선행 기술의 MQW 및 양자점 조명 장치는 (인(燐)과 같은) 불리한 구조적(architectural) 특징들의 대체에 주된 초점이 맞추어져 있으며, 이는 원예사에게 거의 도움이 되지 않는다.
원치않는 기술적 특징을 단순히 대체하는 것 이상으로, 즉 재배 생산성 향상시키는 매우 명백하고 더욱 정교한 식물 조명 기술들이 요구되고 있다.
본 발명은 식물 재배를 위한 최적화된 스펙트럼을 생산하기 위해 양자점을 사용하여 LED 방출을 효과적으로 상향 전환시키기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은, 필터링된 태양광이 본 발명의 인공 광에 의하여 보충될 필요가 있는 온실 환경에 있어서, 식물 재배에 최적화된 스펙트럼을 생성하기 위하여, 양자점을 가진 LED 방출을 효과적으로 상향 전환하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에서 양자 제한(confinement)은 양자점으로서, 즉 모든 3개의 공간 차원 내 제한, 또는 실제로는 복수의 양자점으로서 실현된다. 양자점을 사용하는 것 외에, 양자 선(quantum wire)(2-D 공간 제한) 및 양자 우물(quantum wells)(1-D 공간 제한)은 예를 들어 상술한 실시예에서 하나 또는 그 이상의 양자점을 대체함으로써, 일부 실시예에 있어서 본 발명을 실시하기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따라서, 적어도 하나의 통상의 LED는 상이한 크기의 양자점을 조명하기(illuminate) 위하여 배열된다. 양자점에 있어서, 상기 크기는 방출 에너지와 역으로 연관되어 있는데, 즉, 양자점이 작을 수록 더 큰 에너지를 방출한다. 양자점은 LED에 의해 방출된 광자를 흡수하도록 배열되어 있으며, 이어서 보다 긴 파장으로 광자를 재방출한다. 본 발명의 일 측면에서 양자점의 크기 분포는, 상기 LED 및 양자점-조합에 의하여 방출된 인공 광으로 재배되고 있는 식물에 대해 바람직한 광형태형성 효과를 생성하는 LED와 아울러 전체 방출 스펙트럼을 생성하도록 선택된다.
본 발명의 목적은 당해 기술 분야에 관련된 문제점들 중 적어도 일부를 제거하고, LED 및 양자점을 조합하여 상기 LED의 상향 전환 장치(up converter)로서 사용하여, 식물 성장을 촉진시키는 새로운 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 목적은, 광합성 프로세스가 잘 반응하는 단일 발광 광원 기반 LED 및 양자점 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 목적은, 광합성 광자 속(photosynthesis photon flux; PPF) 최적화 LED 및 양자점 장치를 기초로 하는 온실 재배용 조명 설비를 제공하는 것이다.
본 발명의 제3의 목적은, 300 내지 800㎚의 파장 범위에서 적어도 2개의 방출 피크를 제공하고, 상기 방출 피크들 중 적어도 하나가 적어도 50㎚ 이상의 반치전폭(半値全幅, Full Width at Half Maximum: FWHM)을 갖는 LED 및 양자점 장치를 달성하는 것이다.
본 발명의 제4 목적은, 2개의 방출 주파수, 300 내지 500㎚ 및 600 내지 800㎚의 방출 강도 비율이 10,000시간의 작동 동안에 20% 미만으로 감소되는 LED 및 양자점 기반 온실 재배 조명 설비를 제공하는 것이다.
본 발명의 제5 목적은, 온실 재배에서 일반적으로 사용되는 통상의 고압 나트륨 또는 LED 램프에 의해 달성된 것보다 우수한 와트당 PPF 값(즉, 사용된 전력량에 대한 PPF)을 제공하고, 이에 따라 온실 재배 프로세스을 위한 에너지 효율적인 광원 및 이것이 사용된 인공 조명을 제공하는 기술적 해결책을 제공하는 것이다.
본 발명의 제6 목적은, 300 내지 500㎚의 주파수로 방출이 반도체 LED 칩에 의해 생성되고, 상향 전환하는 양자점 칩을 사용하여 600 내지 800㎚의 주파수로 방출이 생성되는 단일 발광 광원을 제공하는 것이다. 본 발명의 발명자는, 예를 들어 오이 및 양상추 식물은 원적색광(700-800㎚)을 포함하는 본 발명의 원예 광으로 비추어졌을 때 더 긴 길이 및/또는 더 큰 질량에 도달하는 것을 알아내었다.
본 발명의 제7 목적은, 300 내지 500㎚의 주파수의 방출이 반도체 LED 칩에 의해 생성되고 600 내지 800㎚의 주파수의 방출이 양자점 칩을 사용하여 생성되며, 광 방출을 위한 전류에 의해 부분적으로 구동되거나, 상기 LED 칩의 파장 상향-전환 장치로서 완전히 작동하는 단일 발광 광원을 제공하는 것이다. 600 내지 800㎚의 복사를 생성하는 상기 파장 상향-전환은 LED 칩 방출원에 인접한 하나 또는 그 이상의 파장 상향-전환 양자점을 사용하여 달성된다.
본 출원에서 "상향-전환"은 도달하는 흡수되는 광의 파장을 더 긴 파장의 방출된 광으로 변화시키는 것으로 이해된다.
본 발명의 제8 목적은, 반도체 LED 칩 복사의 400 내지 500㎚, 600 내지 800㎚ 또는 양자의 주파수 범위에 대하여 부분적 또는 완전한 파장 상향-전환을 제공하는 것이며, 상기 칩은 300 내지 500㎚ 범위의 방출 범위에 있어서의 방출을 가진다. 파장 상향-전환은 유기, 무기, 또는 이 두 물질 유형의 조합인 양자점을 사용함으로써 실현된다.
본 발명의 제9 목적은, 상기 상향-전환을 위한 나노 크기의 입자 물질을 사용하여 파장 상향-전환을 제공하는 것이다.
본 발명의 제10 목적은, 상기 상향-전환을 위한 분자 유사 물질을 사용하여 파장 상향-전환을 제공하는 것이다.
본 발명의 제11 목적은, 폴리머 물질을 사용하여 파장 상향-전환을 제공하는 것이며, 여기서 상기 상향-전환 물질은 상기 파장 상향-전환을 제공하는 폴리머 매트릭스와 공유 결합한다.
본 발명의 제12 목적은, 스펙트럼 대역(band) 500 내지 600㎚가 억제되는 LED 및 양자점 기반 조명 설비를 제공하는 것이다. 이 억제된 대역에 있어서는, 어떠한 방출도 거의 또는 전혀 일어나지 않거나, 또는 어떤 경우에는, 인접한 대역 400 내지 500㎚, 600 내지 700㎚에서 보다도 방출이 거의 일어나지 않는다. 상기 억제는, 본 발명에 따라서, 400 내지 500㎚의 대역에서 매우 소량 또는 어떠한 1차 방출도 가지지 않게 함으로써, 그리고 어떠한 상향-전환도 600㎚를 초과하는 파장을 시프트시키는 파장 시프트(wavelength shift)를 유발하게 함으로써 달성될 수 있다. 녹색 식물들은 녹색광(500-600㎚) 복사뿐만 아니라 그 인접한 대역에서의 복사를 이용할 수 없는 것으로 일반적으로 알려져 있는데, 이는, 당해 복사가 광합성 전환을 위하여 흡수되기보다는 오히려 식물로부터 단순히 반사되기 때문이다.
본 발명의 제13 목적은 바람직한 원-적색광을 제공함으로써 식물의 동화작용 성장을 최대화하는 반면, 식물 재배의 관점에서 에너지를 낭비하는 복사인 녹색광을 최소화하는 LED 및 양자점 기반 조명 설비를 제공하는 것이다. 이 목적은 본 발명의 일 측면에서, 방출된 청색광(300 내지 500㎚) 중 일부를, 녹색 성분(500 내지 600㎚)을 제외 및/또는 최소화하면서, 원-적색 성분을 가진 광범위한 적색 스펙트럼 성분(600 내지 800㎚)으로 상향-전환하는 파장 상향-전환 양자점 장치를 가지는 청색 LED 광 방출기에 의하여 실현된다.
본 발명은 온실 재배에 적합한 LED 및 양자점 및 관련된 조명 설비를 제공한다. 본 발명에 따라서, LED 및 양자점, 양자는 특정한 방출 주파수 패턴을 가진다. 즉, 이 패턴은 적어도 2개의 스펙트럼 특성; 적어도 50㎚ 이상의 반치전폭을 가지고, 600 내지 700㎚의 범위에 피크 파장을 가지는 하나의 방출 피크, 및 500㎚ 범위 이하에 피크 파장을 갖는 제2의 스펙트럼 특성을 갖는다. LED 및 양자점의 방출 피크는 식물 광합성 반응 스펙트럼과 잘 매칭되므로 고효율 인공 조명에 특히 적합하다.
본 발명의 상술한 이점들 중 일부 또는 전부는 영향받은 상기 광형태형성(photomorphogenetic) 변수를 위한 방출 스펙트럼을 최적화하는 LED 및 양자점 크기 분포에 의해 발생하고, 상기 변수는 다음의 생물학적 매개변수들 중 하나 일 수 있다. : 상이한 시점 또는 수확 적기(harvesting maturity)에 있는 식물의, 중량, 잎 수, 뿌리 질량, 줄기 높이, 화학적 조성(비타민, 무기질 및/또는 영양분 함량 및/또는 농도)
LED를 포함하는 식물 재배용 조명 장치는, 본 발명에 따르며, 상기 조명 장치가 LED 광을 더 긴 파장으로 상향 전환하도록 배열된 상이한 크기의 복수의 양자점 포함하는 것을 특징으로 한다.
식물 재배를 위한 조명 방법은, 본 발명에 따르며, 식물 및 양자점을 적어도 하나의 LED로 조명하는 단계를 포함하고,
- 광은, 상이한 크기의 복수의 양자점에 의하여 흡수되고,
- 광은, 상이한 크기의 복수의 양자점에 의하여, 상기 흡수된 복사보다 긴 파장으로 방출되는 것을 특징으로 한다.
식물 재배를 위한 조명 방법은, 본 발명에 따르며,
- 적어도 하나의 식물 및 상이한 크기의 복수의 양자점이 적어도 하나의 LED로 조명되는 단계,
- 광이 상기 상이한 크기의 복수의 양자점에 의하여 흡수되는 단계,
- 광이 상기 상이한 크기의 복수의 양자점에 의하여, 상기 흡수된 복사보다 더 긴 파장으로 방출되는 단계를 포함한다.
온실 및/또는 생육상(生育箱, growth chamber) 조명 장치는 본 발명에 따르며, 상기 조명 장치는 적어도 하나의 양자점 및 적어도 하나의 LED를 포함하는 것을 특징으로 한다.
원예용 조명 설비는 본 발명에 따르며,
a) 600 내지 700㎚의 파장 범위에서, 적어도 50㎚ 이상의 반치전폭을 나타내도록 배열된 피크를 포함하는 제1 스펙트럼 특성;
b) 최대 50㎚의 반치전폭을 가지며, 440 내지 500㎚의 범위에서 피크 파장을 나타내도록 배열된 제2 스펙트럼 특성, 및
c) 600 내지 800㎚의 주파수에서의 상기 방출의 전부 또는 일부는, 적어도 하나의 양자점에 의하여, LED 칩 복사력(radiation power)의 전체적인 또는 부분적인 파장 상향-전환을 이용하여 생성되는 것
을 구비하는 적어도 하나의 양자점 및 적어도 하나의 LED를 포함한다.
원예 조명 설비는 본 발명에 따르며,
a) 600 내지 700㎚의 파장 범위에서, 적어도 50㎚ 이상의 반치전폭을 나타내도록 배열된 피크를 포함하는 제1 스펙트럼 특성;
b) 최대 50㎚의 반치전폭을 가지며, 440 내지 500㎚의 범위에서 피크 파장을 나타내도록 배열된 제2 스펙트럼 특성, 및
c) 500 내지 600㎚의 파장에서의 상기 방출의 적어도 일부 또는 전부는, 최소화, 및/또는 제거, 및/또는 400 내지 500㎚ 대역에서의 강도 이하이고 600 내지 700㎚ 대역에서의 강도 이하로 감소되도록 배열되는 것
을 구비하는 상기 LED로부터 방출된 복사를 상향 전환하도록 배열된 적어도 하나의 LED 및 적어도 하나의 양자점을 포함한다.
상술한 5개의 단락들 가운데 어떤 조명 장치 또는 설비의 용도는, 적어도 하나의 식물에 대한 광을 상기 적어도 하나의 식물에게 주변광(ambient light)으로서, 또는 상기 조명 장치 또는 설비를 가진 암실에서 단독 광원으로서 제공하는데 있어서 본 발명에 따른다. 마찬가지로, 상기 상술한 5개의 단락의 식물 생장을 향상시키기 위한 방법은 본 발명에 따르며, 적어도 하나의 조명 장치 또는 설비는, 상기 적어도 하나의 식물을 가진 적어도 하나의 식물에 대하여, 광을 주변광으로서 또는 상기 조명 장치 또는 설비를 가진 암실에서 단독 광원으로서 방출한다.
원예용 조명의 광 방출 구성 요소는;
- 발광 다이오드(LED) 반도체 칩; 및
- 상기 LED 칩에 직접적으로 근접하게 배치된 광 파장 상향-전환 양자점을 포함하고;
상기 구성 요소는, 2개의 특성 광 방출 피크를 방출할 수 있고, 500 내지 600㎚의 파장에서의 상기 방출의 적어도 일부 또는 전부는, 최소화, 및/또는 제거, 및/또는 400 내지 500㎚ 대역에서의 강도 이하이고 600 내지 700㎚ 대역에서의 강도 이하로 감소되도록 배열될 수 있다.
상술한 단락의 광 방출 구성 요소는, 적어도 하나의 식물에 대한 광을 상기 적어도 하나의 식물에게 주변광(ambient light)으로서, 또는 상기 조명 장치 또는 설비를 가진 암실에서 단독 광원으로서 제공하는데 있어서 본 발명에 따른다. 마찬가지로, 식물 생장을 향상시키기 위한 방법은, 본 발명에 따르며, 상술한 단락의 적어도 하나의 광 방출 구성 요소는, 상기 적어도 하나의 식물을 가진 적어도 하나의 식물에 대하여, 광을 주변광으로서 또는 상기 조명 장치 또는 설비를 가진 암실에서 단독 광원으로서 방출한다.
본 발명의 LED 방출기 및 양자점 상향 전환 장치 기반 실시예들은 방출 스펙트럼의 매우 미세한 스펙트럼 조율(spectral tuning)을 허용하므로, 인공 광에 의존하는 식물 재배에 있어서 매우 우수한 에너지 효율 및 개선된 광형태형성 조절을 가능케한다. 이러한 이점은, 양자점들에 의해 제공된 스펙트럼 조율이 통상의 LED보다 우수하므로, 상향 전환만을 위한 양자점의 매우 미세한 분포를 사용하는 경우 훨씬 더 현저해진다. 아울러, 수확 품질은 본 발명의 조명 장치를 사용하여 현저하게 개선되며 이는 암실 생육상 또는 매우 제한된 주변광을 사용하는 챔버 내에서의 재배와 관련된 다수의 장점들 가져온다: 첫째로, 식물들은 소비 지역에 더 가까운 곳, 예를 들면 대도시 내 주택 지하실에서 재배됨으로써 운송 비용을 없앨 수 있다. 둘째로, 식물은, 농업이 전통적으로 가능하지 않은 지역, 예를 들면 여름의 더운 사막 환경에서 재배될 수 있다. 셋째로, 식물의 품질이 개선되고 또한 개개 식물들 간 일관성을 향상시키며, 이는 수확을 더 용이하게 한다. 이는, 식물이 일관된 품질, 크기 및 색상을 갖는 경우, 거부된 개체가 거의 없고, 머신 비젼 기반 수확 장비(machine vision based harvesting equipment)가 식물을 보다 잘 인식할 수 있기 때문이다. 넷째로, 거의 모든 성장 매개변수들이 조절 가능하므로 식물들의 특성은 조절된 방식으로 변화될 수 있으며, 이는 꽃 및 장식용 식물들을 재배하는 경우 특히 유리하다. 다섯째로, 영양분 투여량은 당해 년도 내내 에 유지될 수 있으므로, 식물을 위한 일관된 매일의 광자 선량(photon dose)은 영양분의 관리를 보조한다. 여섯째로, 매우 덥고 태양이 강한 지역에서, 식물들은 태양광을 반사하는 어둡고 불투명한 생장상 내에서 재배될 수 있다. 본 발명의 인공 조명에서 소비되는 에너지는 태양광 하에 식물을 공조 또는 냉방하는데 있어서 소비될 수 있는 것보다 현저히 적다.
암실은 광자를 방출하는 본 발명의 인공 광원이 없는, 0 또는 낮은 수준의 태양광 및/또는 주변광을 가지는 빛이 제한된 공간으로 해석되지만, 상기 암실은 어떠한 크기, 현미경 수준으로 작은, 화분 크기, 10m2 주택/사무실 지하, 선박 화물 컨테이너, 축구장의 크기, 예를 들어 축구 경기장의 지하실, 및/또는 전체 도시를 위한 충분한 채소들이 하나 이상의 층에서 재배되는 20층의 고층 건물일 수 있음을 주의해야 한다.
이와 더불어, 상술한 이점이 있는 실시예들을 참조하여, 본 발명의 최적의 방식(the best mode)은, 녹색, 황색(500 내지 600㎚)에서의 방출 스펙트럼이 제거되거나 매우 낮은 강도로 제공되고, 원-적색 700 내지 800㎚ 대역에서 높은 강도의 스펙트럼 특성을 포함하는 것을 제외하고는, 광합성 유효 복사(PAR) 스펙트럼과 기타 유사한 방출 스펙트럼을 생성하는 양자점들의 크기 분포를 생성하기 위한 콜로이드법(colloidal method)에 의해 제조된 청색 LED 및 상향 전환하는 이원 합금(binary alloy) 양자점을 가진 조명 장치라 할 수 있다.
이하에, 본 발명은 첨부되는 도면들에 따라 예시적인 실시예들을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1a는 녹색 식물에서 가장 일반적인 광합성 및 광형태형성 광수용체의 상대적인 흡수 스펙트럼을 나타낸다.
도 1b는 블록도로서 본 발명의 조명 장치(10)의 일 실시예를 나타낸다.
도 2는 흐름도로서 본 발명에 따른 조명 방법의 실시예(20)를 나타낸다.
도 3은 블록도로서 본 발명의 조명 장치의 용도에 대한 실시예(30, 31)를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 제1의 단일 광 방출원 LED 및 양자점 장치의 방출 피크를 가진 실시예(40)를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 제2 단일 광 방출원 LED 및 양자점 장치의 방출 피크를 가진 실시예(50)를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 제3 단일 광 방출원 LED 및 양자점 장치의 방출 피크를 가진 실시예(60)를 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 제4 단일 광 방출원 LED 및 양자점 장치의 방출 피크를 가진 실시예(70)를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 식물들의 바이오매스(biomass)를 최대화하기 위하여 발견된 스펙트럼을 가진 실시예(80)를 나타낸다.
실시예들 중 일부는 종속항들에서 기술된다.
도 1은, 크기가 상이한 복수의 양자점(110, 120, 130, 140, 150 및 160)을 포함하는 조명 장치(100)를 나타낸다. 양자점들의 크기 분포는, 2㎚ 내지 200㎚의 범위 내의 상이한 크기의 양자점을 포함한다. 다시 말해, 양자점(110)은 전형적으로 직경이 200㎚이고, 양자점(160)은 직경이 약 2㎚이다. 조명 장치는 전형적으로 또한 LED(101)를 포함하며, 이는 바람직하게는 청색이거나 혹은 일부 다른 더 짧은 파장을 가진다.
LED(101)는 광을 방출하므로, 상기 방출된 광자들 중 일부는 양자점(110, 120, 130, 140, 150 및 160)에 의하여 흡수된다. 양자가 흡수되면서, 양자점(110, 120, 130, 140, 150 및 160)내 전자들은 보다 높은 에너지 상태로 여기된다. 이들 전자들은 이어서, 더 높은 에너지 상태와 더 낮은 에너지 상태 사이의 차이와 동등한 에너지를 가진 하나 또는 그 이상의 광자들을 방출함으로써 상기 더 높은 에너지 상태에서 상기 더 낮은 에너지 상태로 완화(relax)된다.
일부 실시예에 있어서, 양자점(150, 160)은 250 내지 400㎚ 범위의 UV/청색광을 전달하기 위하여 배열되거나 완전히 제거되고, 양자점(140 및 130)은 녹색 및/또는 황색광인 400 내지 600㎚를 전달하기 위하여 배열되거나 완전히 제거되고, 양자점(120)은 적색광 600 내지 700㎚를 전달하기 위하여 배열되며, 양자점(110)은 700 내지 800㎚의 대역 내의 원-적색 광을 전달하기 위하여 배열된다.
특정 크기의 양자점(110, 120, 130, 140, 150 및 160)의 상대적인 방출 강도 및 개수는, 일부 실시예들에 있어서, 광합성 유효 복사(PAR) 스펙트럼과 유사 및/또는 동일한 LED(101)의 방출 스펙트럼과 결합된 전체 방출 스펙트럼을 생성하도록 변화된다. 더욱 바람직하게는, 상기 PAR과 유사한 방출 스펙트럼은 녹색, 황색(500-600㎚)에서의 강도를 제외하거나 매우 낮은 강도로 제공하고, 원-적색 700-800㎚ 대역에 있어서 높은 강도의 스펙트럼 특성을 포함한다.
전부 또는 일부의 양자점(110, 120, 130, 140, 150 및 160)은 전형적으로 다음 합금 가운데 어느 것으로부터 제조된다: 일부 실시예에 있어서, 셀렌화카드뮴(cadmium selenide), 황화카드뮴(cadmium sulphide), 비화인듐(indium arsenide), 인화인듐(indium phosphide) 및/또는 황화셀렌화카드뮴(cadmium selenide sulphide).
더욱 상세한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 상기 양자점(110, 120, 130, 140, 150 및/또는 160)의 크기는, 상기 양자점이 식물들에 대하여 특정의 광형태형성 효과를 가지는 대역 내에서 광자 방출을 생성하도록 선택되어야 함을 주의해야 한다. 영향받은 상기 광형태형성 변수는 다음 생물학적 매개변수 중 어떤 것일 수 있다: 본 발명의 일부 실시예에 있어서 상이한 시점 또는 수확 적기(harvesting maturity)에 있는 식물의, 중량, 잎 수, 뿌리 질량, 줄기 높이, 화학적 조성(비타민, 무기질 및/또는 영양분 함량 및/또는 농도)
일부 실시예에 있어서, 적어도 하나의 상기 양자점(110, 120, 130, 140, 150 및/또는 160)은 콜로이드성 합성에 의해 생산된다. 콜로이드성 합성에 있어서, 콜로이드성 반도체 나노 결정은 전통적인 화학 프로세스들과 매우 유사하게, 용액 속에 용해된 전구체(precursor) 화합물들로부터 합성된다. 전형적으로, 콜로이드성 양자점의 합성은 전구체, 유기 표면 활성제(organic sufactant) 및 솔벤트로 구성된 3개 성분 시스템을 기초로 한다. 반응 매질은 충분히 높은 온도로 가열되며, 상기 전구체는 단량체(monomer)로 화학적으로 변형된다. 단량체가 충분히 높은 과포화 수준에 도달하면, 나노 결정 성장이 핵형성(nucleation) 프로세스과 함께 시작된다. 일부 실시예에 있어서, 성장 프로세스 동안의 온도는 나노 결정 성장을 위한 최적의 조건을 결정하는데 있어서 중요한 인자들 중 하나이다. 상기 온도는 전형적으로 합성 프로세스 동안 원자들의 재배열 및 어닐링(annealing)을 하기에 충분히 높지만, 결정 성장을 촉진시키기에는 충분히 낮다. 일부 실시예에 있어서, 나노 결정 성장 동안 조절되는 또다른 중요한 인자는 단량체 농도이다.
나노 결정의 성장 프로세스는 "촛점조정(focusing)" 및 "촛점이탈(defocusing)"로 설명될 수 있는 2개의 상이한 요법(regimen)으로 일어날 수 있다. 높은 단량체 농도에서, 임계 크기(critical size)(나노 결정이 성장하거나 수축되지 않는 크기)는 비교적 작으므로, 거의 모든 입자들의 성장이 초래된다. 당해 요법에서, 입자가 작을수록 큰 것보다 더 빠르게 성장하는데, 이것은 더 큰 결정이 작은 결정보다, 성장하기 위하여 원자를 더 필요로 하기 때문이며, 이는 거의 단일 분산 입자에 가까운 것을 생성하기 위한 크기 분포의 "촛점조정"을 초래한다. 크기 촛점조정은 전형적으로, 존재하는 평균 나노 결정 크기가 항상 임계 크기보다 약간 더 큰 때와 같이, 단량체 농도가 유지되는 때가 최적이다. 성장하는 동안 상기 단량체 농도가 고갈되는 경우, 상기 임계 크기는 존재하는 평균 크기보다 더 커지며, 분포는 오스트발트 숙성(Ostwald ripening)의 결과로서 "촛점이탈"된다.
수많은 상이한 반도체를 생산하는 콜로이드성 방법들이 존재한다. 본 발명의 전형적인 점들(dots)은 셀렌화카드뮴, 황화카드뮴, 비화인듐, 및 인화인듐과 같은 이원 합금(binary alloy)으로 만들어진다. 그러나, 본 발명의 일부 실시예에 있어서, 점들이 황화셀렌화카드뮴(cadmium selenide sulphide)과 같은 3원 합금으로 만들어질 수도 있다. 이들 양자점들은, 직경이 10 내지 50개의 원자를 가지는 양자점 용적(quantum dot volume) 내에 100 내지 100,000개 원자만큼 적은 수를 함유할 수 있다. 이는 약 2 내지 10 나노미터에 상응한다.
콜로이드성 합성과 상이한 방법 또는 다른 방법으로 양자점의 상이한 집단(population)을 생성하기 위한 본 발명에 따라서, 식물 재배에 바람직한 전체 방출 스펙트럼을 제공하는 크기 분포를 생성하기 위해, 하나 또는 그 이상의 LED를 가진 상기 집단들을 결합시킨다.
실시예(10)는 실시예(20, 30, 31, 40, 50, 60, 70 및/또는 80) 가운데 어느 것과도 용이하게 치환(permute) 및/또는 결합될 수도 있음을 주의해야 한다.
도 2는, 예를 들어 온실 환경에 있어서 본 발명의 조명 장치의 운용을 나타낸다. 단계(200)에 있어서, 광 방출은 LED로부터 적어도 하나의 식물 및 적어도 하나의 양자점을 향하여 전달된다.
단계(210)에 있어서, 상기 양자점은, 전형적으로 LED에 의해 방출된, 파장이 250 내지 400㎚ 범위인 광자를 흡수한다. 단계(220)에 있어서, 이 광자는 더 높은 에너지 상태로 양자점 내의 전자를 여기시킨다.
전자가 더 낮은 에너지 상태로 완화되면서, 단계(230)과 단계(240)에 있어서, 이것은 여기된 상태와 완화된 상태 사이의 에너지 차이에 의하여 좌우되는 파장을 가진 광자를 방출한다. 이 방출된 광자들은 흡수되지 않은 LED 광자들과 함께 결국 식물에 직접 다다르며, 조명 장치로부터 전달되는 방출 스펙트럼을 생성한다.
일부 실시예에 있어서, 250 내지 400㎚ 범위의 UV/청색광, 400 내지 600㎚ 범위의 녹색 및/또는 황색광, 600 내지 700㎚의 적색광, 및/또는 700 내지 800㎚ 대역 내 원-적색광은, 본 발명의 방법에 있어서, 적어도 하나의 LED 및 크기가 상이한 적어도 하나의 양자점에 의하여 방출된다. 본 발명의 일부 실시예에 있어서, 전형적으로, 양자점이 클수록 더 긴 파장의 적색광을 방출하고, 양자점이 작을수록 더 짧은 파장의 LED의 청색광을 방출한다. 따라서, 바람직한 파장 상향 전환 실시예에 있어서, 적어도 하나의 LED는 250 내지 400㎚ 범위의 UV/청색광을 전달하고, 상기 250 내지 400㎚ 파장 광자들 중 전부 또는 일부를 흡수하는, LED와 연관된, 주로 더 큰 양자점이 존재하는데, 400 내지 600㎚ 범위의 광, 600 내지 700㎚ 범위의 적색광, 및/또는 700 내지 800㎚의 대역 내 원-적색 광을 방출한다.
실시예(20)은 실시예(10, 30, 31, 40, 50, 60, 70 및/또는 80) 가운데 어느 것과도 용이하게 치환(permute) 및/또는 결합될 수도 있음을 주의하여야 한다.
도 3은 본 발명의 인공 온실 조명 장치 및 방법의 상이한 사용 구조 실시예(30 및 31)를 나타낸다. 일 실시예(30)에 있어서, 식물(311)은 투명한 벽(301)을 가진 온실의 바닥에서 재배된다. LED와 복수의 양자점을 가진 조명 장치(322)는, 이것에 의하여 방출된 광자들이, 최대 방출속(emission flux)으로 , 가능한 한 많은 식물들(311)에 도달할 수 있는 위치에 위치한다. 일부 실시예에 있어서, 조명 장치의 방출 스펙트럼(350)은 벽 (301)을 통하여 전달된 태양광인 천연광 스펙트럼을 보충하도록 조절된다. 본 발명에 따른 일부 실시예에 있어서, 조명 장치(322)는 온실 벽에 의하여 필터링 및/또는 약화된(attenuated) 이들 파장을 전달하기 위하여 배열된 LED 및 양자점을 포함할 수 있다.
실시예(31)에 있어서, 재배되는 식물은 온실(300) 내의 생육상(360)에 채워진다. 일부 실시예에 있어서, 각각의 생육상은 조명 장치(321)를 가진다. 식물이 투명한 생육상 내에 채워지는 경우라 하더라도, 광자들의 일부는 하나 이상의 투명한 벽을 통하여 전달될 필요가 있기 때문에, 실시예(30)보다 태양광의 더욱 큰 감소 및/또는 약화가 존재한다. 따라서, 적어도 하나의 LED 및 양자점을 갖는 조명 장치(321)는, 전형적으로, 상기와 같은 복수의 전달(transmission)의 천연광 스펙트럼을 보충하거나, 불투명한 챔버의 경우에는 식물(310)에 모든 광 복사를 제공한다. 일부 실시예에 있어서, 생육상용의 전용 조명 장치 및, 하나 이상의 식물에 의해 공유되는 하나 또는 그 이상의 생육상(360) 내의 적어도 하나의 조명 장치 (320), 양자가 존재한다.
일부 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 LED 및 양자점은, 전달된 스펙트럼(340)과 결합되는 경우 광합성 유효 복사(PAR) 스펙트럼과 유사한 방출 스펙트럼을 생성하도록 배열된다. 더욱 바람직하게는, 스펙트럼(340)은 기타 PAR 스펙트럼과 유사하지만, 녹색, 황색(500-600㎚)에서의 강도를 제외하거나 매우 낮은 강도를 제공하면서, 원-적색 700 내지 800㎚ 대역에서 높은 강도 스펙트럼 특성을 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 상기 조명 장치 내 적어도 하나의 LED 및/또는 양자점은, 이것이 상기 광자 스펙트럼 내 대역의 광자들을 방출하도록 선택되며, 상기 대역은 식물에 있어서 특정 광형태형성 효과를 갖는다. 영향받는 상기 광형태형성 변수는 다음의 생물학적 매개변수 중 어느 것일 수 있다: 상이한 시점 또는 수확 적기에 있는 식물(310, 311)의, 중량, 잎 수, 뿌리 질량, 줄기 높이, 화학적 조성(예를 들면, 비타민, 무기질 및/또는 영양분 함량 및/또는 농도).
또한, 실시예(30, 31)는 특정 레벨의 불투명도 또는 투명도를 가진 생육상 (360)을 사용하여 실시하기에도 적합하다.
게다가, 실시예(30 및 31)는 실시예(10, 20, 40, 50, 60, 70 및/또는 80) 가운데 어느 것과도 서로 용이하게 치환(permute) 및/또는 결합될 수도 있음을 주의하여야 한다.
도 4에 있어서, 반도체 LED 칩 방출 주파수는 457㎚의 파장에서, 방출 피크의 반치전폭(FWHM)이 25㎚인 피크를 가진다. 이 경우, 파장 상향-전환은 2개의 양자점 상향 전환 물질들을 사용하여 이루어진다. 이들 2개의 파장 상향-전환 물질은 660㎚ 및 604㎚에서 개개의 방출 피크를 갖는다. 도 4는, 방출 피크 FWHM이 101㎚인 651㎚ 파장에서 피크를 가지는 이들 2개의 파장 상향-전환 물질로부터 결합된 방출 피크를 나타낸다. 이 경우에 반도체 LED 칩 방출의 약 40 %(피크 강도로부터 계산)는 2개의 개개의 상향-전환 양자점 물질들에 의하여 651㎚의 방출로 상향-전환된다.
스펙트럼(40)은 통상의 LED와 함께 사용 및 실시될 수 있음을 주의하여야 한다. 본 발명에 따라서, 스펙트럼(40)은 적어도 하나의 양자점과 적어도 하나의 LED의 조합에 의하여 실시될 수 있다. 스펙트럼(40)은 어두운 생육상, 또는 낮은 수준의 주변광을 가진 실내(cavity)에서, 적어도 하나의 식물을 조명하기 위하여 사용되기에 특히 적합하다.
게다가, 실시예(40)는 실시예(10, 20, 30, 31, 50, 60, 70 및/또는 80) 가운데 어느 것과도 용이하게 치환 및/또는 결합될 수도 있음을 주의하여야 한다.
도 5에 있어서, 반도체 LED 칩 방출 주파수는 470㎚의 파장에서, 방출 피크의 반치전폭(FWHM)이 30㎚인 피크를 가진다. 이 경우, 파장 상향-전환은 2개의 양자점 상향 전환 물질들을 사용하여 이루어진다. 이들 2개의 파장 상향-전환 물질은 660㎚ 및 604㎚에서 개개의 방출 피크를 갖는다. 도 5는, 방출 피크 FWHM이 105㎚인 660㎚ 파장에서 피크를 가지는 이들 2개의 파장 상향-전환 물질로부터 결합된 방출 피크를 나타낸다. 이 경우에 반도체 LED 칩 방출의 약 60 %(피크 강도로부터 계산)는 2개의 개개의 양자점 "상향-전환" 물질들에 의하여 660㎚ 방출로 상향-전환된다.
스펙트럼(50)은 통상의 LED와 함께 사용 및 실시될 수 있음을 주의하여야 한다. 본 발명에 따라서, 스펙트럼(50)은 적어도 하나의 양자점과 적어도 하나의 LED의 조합에 의하여 실시될 수 있다. 스펙트럼(50)은 어두운 생육상, 또는 낮은 수준의 주변광을 가진 실내에서, 적어도 하나의 식물을 조명하기 위하여 사용되기에 특히 적합하다.
게다가, 실시예(50)는 실시예(10, 20, 30, 31, 40, 60, 70 및/또는 80) 가운데 어느 것과도 용이하게 치환(permute) 및/또는 결합될 수도 있음을 주의하여야 한다.
도 6에 있어서, 반도체 LED 칩 방출 주파수는 452㎚의 파장에서, 방출 피크의 반치전폭(FWHM)이 25㎚인 피크를 가진다(도 6에 미도시). 이 경우, 파장 상향-전환은 1개의 상향-전환 양자점 물질을 사용하여 이루어진다. 도 6은, 방출 피크 FWHM이 80㎚인 658㎚ 파장에서 피크를 가지는, 이 상향-전환 물질로부터의 방출 피크를 나타낸다. 이 경우에, 반도체 LED 칩 방출의 약 100 %(피크 강도로부터 계산)는 양자점 상향-전환 물질에 의하여 658㎚의 방출로 상향-전환된다. 이는, 452㎚ 방출을 여기시키는 LED 및 양자점 장치는 없으므로, 도 6으로부터 알 수 있다.
스펙트럼(60)은 통상의 LED와 함께 사용 및 실시될 수 있음을 주의하여야 한다. 본 발명에 따라서, 스펙트럼(60)은 적어도 하나의 양자점과 적어도 하나의 LED의 조합에 의하여 실시될 수 있다. 스펙트럼(60)은 어두운 생육상, 또는 낮은 수준의 주변광을 가진 실내에서, 적어도 하나의 식물을 조명하기 위하여 사용되기에 특히 적합하다.
게다가, 실시예(60)는 실시예(10, 20, 30, 31, 40, 60, 70 및/또는 80) 가운데 어느 것과도 용이하게 치환(permute) 및/또는 결합될 수도 있음을 주의하여야 한다.
도 7에 있어서, 반도체 LED 칩 방출 주파수는 452㎚의 파장에서, 방출 피크의 반치전폭(FWHM)이 25㎚인 피크를 가진다. 이 경우, 파장 상향-전환은 1개의 상향 전환 양자점 물질을 사용하여 이루어진다. 도 7은, 방출 피크 FWHM이 78㎚인 602㎚ 파장에서 피크를 가지는, 이 상향-전환 물질로부터의 방출 피크를 나타낸다. 이 경우에, 반도체 LED 칩 방출의 약 95 %(피크 강도로부터 계산)는 파장 상향-전환 양자점 물질에 의하여 602㎚의 방출로 상향-전환된다.
스펙트럼(70)은 통상의 LED와 함께 사용 및 실시될 수 있음을 주의하여야 한다. 본 발명에 따라서, 스펙트럼(70)은 적어도 하나의 양자점과 적어도 하나의 LED의 조합에 의하여 실시될 수 있다. 스펙트럼(70)은 어두운 생육상, 또는 낮은 수준의 주변광을 가진 실내에서, 적어도 하나의 식물을 조명하기 위하여 사용되기에 특히 적합하다.
실시예(70)는 실시예(10, 20, 30, 31, 40, 60, 70 및/또는 80) 가운데 어느 것과도 용이하게 치환(permute) 및/또는 결합될 수도 있음을 주의하여야 한다.
도 8은, 식물들에 있어서의 바이오매스 생산을 최대화하는데 최적화된 스펙트럼(80)을 나타낸다. 상기 최적화된 스펙트럼은 바람직하게는 본원에 설명된 본 발명의 조명 장치들로 생성된다. 스펙트럼(80)은 생육상 재배에 있어서 특별한 장점들을 가지며, 이때 상기 생육상은 암실, 즉, 0 또는 낮은 수준의 태양광 및/또는 주변광을 가진다. 본 발명에 따라서, 스펙트럼(80)을 생성하는 본 발명의 조명 장치는 상기 생육상 내에 위치할 수 있으며, 바이오매스 생산을 최대화할 수 있다. 본 발명의 발명자는 스펙트럼(80)의 바이오매스 최대화 특성을 실험적으로 발견하였다.
실시예(80)는 실시예(10, 20, 30, 31, 40, 60, 및/또는 70) 가운데 어느 것과도 용이하게 치환(permute) 및/또는 결합될 수도 있음을 주의하여야 한다.
상기 사용된 LED 및 상기 상향 전환 양자점 물질 및 크기는, LED 및 양자점 장치로부터 바람직한 방출 스펙트럼이 달성되는 방법으로 선택되어야 할 것이다.
요컨대, LED 파장, LED 스펙트럼 및 강도, 양자점 종류 및/또는 양자점 크기 분포를 조율(tuning)함으로써, LED 및 양자점 장치로부터 바람직한 방출 스펙트럼을 조율하는 것이 가능해지며, 양자점 개수를 조율함으로써, 상기 결합된 LED 및 양자점 장치를 위한 바람직한 상향 전환된 양자점 칩 방출 량(quantity)/총량(amount)을 조율하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명은 600 내지 700㎚의 파장 범위에서 피크를 포함하는 스펙트럼 특성들을 가지는, 적어도 하나의 상향 전환 양자점을 포함하는, 식물 생장을 촉진시키기 위한 조명 설비에 관한 것이다.
본 접근(approach)를 사용하여, 기존의 기술들과 비교하였을 때, 상기 광원은 우수한 PPF, 및 와트당 PPF 효율 및 성능, 및 매우 낮은 전력 소모, 및 매우 긴 작동 수명에 도달하도록 설계될 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 300 내지 500㎚의 주파수에서의 방출은 반도체 LED 칩에 의하여 생성되고, 400 내지 800㎚의 주파수에서의 방출은 LED 칩 복사력(radiation power)의 전부 또는 부분적인 파장 상향-전환을 이용하여 생성된다. 상기 부분적인 파장 상향-전환은 반도체 LED 칩 복사의 5 내지 95 %, 바람직하게는 35 내지 65 %의 범위에 있도록 선택될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 400 내지 800㎚ 복사를 생성하기 위한 파장 상향-전환은, 상기 LED 방출원에 인접한 하나 또는 그 이상의 양자점 상향-전환 물질에 의하여 달성된다.
본원에 있어서, 상기와 같은 "조절 가능한(adjustable)" 피크 파장은 공장에 있어서 조명 설비를 설치하는 동안 조절될 수 있는 피크 파장으로서 해석되고, 및/또는, 현장에서의(on site) 피크 파장 조절을 위하여 상기 조명 설비에 있어서의 조절 가능한 다이얼로 "조절 가능한(adjustable)"것으로 해석될 수도 있다. 이에 더하여, 상기 장치의 제조 공정 동안, LED 및/또는 양자점의 피크 파장을 조절하는 것은 본 발명에 따르며, 또한 "조절 가능한(adjustable)"은 상기 LED 및/또는 양자점의 제조 공정 동안 이루어지는 조절을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 조절 가능한 피크 파장, 또는 어떠한 다른 조절 가능한 광원, 또는 LED 및/또는 양자점 변수의 모든 상술한 실시예들은 본 특허출원의 권리 범위 내에 있다.
본 발명의 하나의 특수한 예시적인 실시예에 있어서, 평균 입자 크기가 6.6㎚이고 약 +/-0.5㎚ 입자 크기 분포를 가지는 CdSe-ZnS(코어-쉘) 양자점 나노 입자는 2성분 실리콘 봉합재(encapsulant) 수지와 혼합하였다. 혼합비는 실리콘 수지에 대하여 나노 입자가 0.2 w-%이었다. 나노 입자들을 함유하는 상기 수지는, PLCC 캐비티(Plastic Leaded Chip Carrier cavity) 에 있는 InGaN 발광 다이오드를 구성하는 PLCC 내의 봉합재로서 제공되었다. 발광 다이오드는 450㎚ 파장 범위에서 전자발광성 방출(electroluminescent emission)을 가지도록 결정되었다.
봉합재 물질을 함유하는 나노 입자들을 지닌 InGaN 함유 PLCC 패키지는 3.2V의 순방향 전압 및 350mA의 전류로 DC 전압 전원에 연결되었다. 상기 장치의 광학 방출 스펙트럼은 450㎚ 파장 범위에서 첫번째, 그리고 660㎚ 파장 범위에서 두번째의 방출 피크를 가진 2개의 방출 피크를 생성하도록 특징화되었다. 상기 660㎚ 파장 범위 방출 피크의 반치전폭은 약 60㎚ 이상인 것으로 관찰되었다. 450㎚ 및 660㎚ 피크의 강도 비율(intensity ratio)은 0.5:1이었다. 상술한 실험은 본 출원인에 의해 수행되었다.
하나의 조명 설비(luminaire)에 상이한 피크 방출을 가지는 LED 및 양자점을 포함하는 것, 및 바람직한 미리 결정된 생장 결과 또는 생리학적 반응을 달성하기 위한 스펙트럼 방출 제공하기 위하여 이들을 조절하는 것은 본 발명에 따른다. 이러한 방식으로, 상기 조명 시스템은 조명 강도 및 스펙트럼의 다양한 조절을 가능케한다. 궁극적으로, CO2 농도, 온도, 일광 이용도(daylight availability) 및 습도와 같은 다른 비생물적 매개변수의 조절은, 조명과 함께 동일한 조절 시스템 내에 통합되어, 온실의 작물 생산성 및 전체적인 관리를 최적화할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들을 참조하여 상술한 바와 같이 설명되었으며, 몇 가지 상업적 및 산업상의 이점들이 제시되었다. 본 발명의 방법들 및 배열들(arrangements)은 식물 재배에 사용되는 광에 대한 방출 스펙트럼의 더욱 정밀한 스펙트럼 조율을 가능케한다. 따라서, 본 발명은 식물 생장의 광형태형성 조절에 있어서 예상 밖의 개선, 및 식물 생산에 있어서 추가적인 개선을 실현한다. 또한, 본 발명은 인공광에 의존하는 식물 재배의 에너지 효율을 현저히 개선시킨다. 나아가, 수확 품질은 본 발명의 조명 장치를 사용하여 현저하게 개선되며 이는 암실 생육상 또는 매우 제한된 주변광을 사용하는 챔버 내에서의 재배와 관련된 다수의 장점들 가져온다: 첫째로, 식물들은 소비 지역에 더 가까운 곳, 예를 들면 대도시 내 주택 지하실에서 재배됨으로써 운송 비용을 없앨 수 있다. 둘째로, 식물은, 농업이 전통적으로 가능하지 않은 지역, 예를 들면 여름의 더운 사막 환경에서 재배될 수 있다. 셋째로, 식물의 품질이 개선되고 또한 개개 식물들 간 일관성을 향상시키며, 이는 수확을 더 용이하게 한다. 이는, 식물이 일관된 품질, 크기 및 색상을 갖는 경우, 거부된 개체가 거의 없고, 머신 비젼 기반 수확 장비가 식물을 보다 잘 인식할 수 있기 때문이다. 넷째로, 거의 모든 성장 매개변수들이 조절 가능하므로 식물들의 특성은 조절된 방식으로 변화될 수 있으며, 이는 꽃 및 장식용 식물들을 재배하는 경우 특히 유리하다. 다섯째로, 영양분 투여량은 당해 년도 내내 에 유지될 수 있으므로, 식물을 위한 일관된 매일의 광자 선량은 영양분의 관리를 보조한다. 여섯째로, 매우 덥고 태양이 강한 지역에서, 식물들은 태양광을 반사하는 어둡고 불투명한 생장상 내에서 재배될 수 있다. 본 발명에 따라 식물의 인공 조명에 소비되는 에너지는, 태양광 하에서 식물을 공조 또는 냉방하는데 있어서 소비될 수 있는 것보다 현저히 적다. 본 발명은 현존 LED 시스템을 이미 가진 온실에 특히 유리하다. 이들 LED 시스템은 본 발명의 조명 솔루션에 도달하기 위하여, 본 발명의 양자점 배열을 가함으로써 곧바로 개선(upgrade)될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예들을 참조하여 상기에 설명하였다. 하지만, 본 발명은 이들 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 사상, 그리고 이하 특허 청구 범위의 기술 사상 및 권리범위 내의 모든 가능한 실시예들을 포함하는 것이 명백하다.

Claims (39)

  1. 적어도 하나의 LED(101)를 포함하는 식물 재배용 조명 장치로서,
    상기 조명 장치(100)는, LED 광을 더 긴 파장으로 상향 전환(up convert)하도록 배열된(arranged) 상이한 크기의 복수의 양자점(110, 120, 130, 140, 150, 160)을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 LED(101) 및 상기 복수의 양자(110, 120, 130, 140, 150, 160)점의 크기 분포는, 광합성 유효 복사(PAR) 스펙트럼과 유사한 전체 방출 스펙트럼(aggregate emission spectrum)을 생성하기 위하여 배열되고,
    상기 방출 스펙트럼은 녹색, 황색(500-600)㎚에서의 강도(intensity)를 제외하거나 매우 낮은 강도를 제공하고, 원-적색(far red) 700-800㎚ 대역에서 높은 강도의 스펙트럼 특성을 포함하도록 배열되는 것을 제외하고는 상기 광합성 유효 복사(PAR)와 유사한 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 양자점이 광자를 흡수하고, 식물(310, 311)에 있어 특정 광형태형성(photomorphogenetic) 효과를 가진 광자 스펙트럼의 대역으로 광자를 방출하기 위해 배열되도록, 적어도 하나의 상기 양자점(110, 120, 130, 140, 150, 160)의 크기가 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  4. 청구항 4에 있어서,
    영향받는(effected) 상기 광형태형성 변수는, 다음의 생물학적 매개변수: 상이한 시점 또는 수확 적기(harvesting maturity)에 있는 식물(310, 311)의, 중량, 잎 수, 뿌리 질량, 줄기 높이, 화학적 조성(예를 들어, 비타민, 무기질 및/또는 영양분 함량 및/또는 농도) 중 어느 것인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    적어도 하나의 상기 양자점(110, 120, 130, 140, 150, 160)은, 다음의 합금(alloy): 셀렌화카드뮴(cadmium selenide), 황화카드뮴(cadmium sulphide), 비화인듐(indium arsenide), 인화인듐(indium phosphide) 및/또는 황화셀렌화카드뮴(cadmium selenide sulphide) 중 어느 것으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    양자점(110, 120, 130, 140, 150, 160)의 상기 크기 분포는 1㎚ 내지 20㎚ 범위 내의 상이한 크기의 양자점을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    적어도 하나의 상기 양자점(110, 120, 130, 140, 150, 160)은 콜로이드성 합성(colloidal synthesis)에 의하여 생산되는 것을 특징을 하는 조명 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 양자점(110, 120, 130, 140, 150, 160)의 크기는, 이것이 적색 또는 원-적색 600 내지 800㎚ 대역으로 방출하도록 배열되는 것을 특징으로하는 조명 장치.
  9. 식물 재배용 조명 방법으로서,
    - 적어도 하나의 식물(310, 311) 및 상이한 크기의 복수의 양자점(110, 120, 130, 140, 150, 160)은 적어도 하나의 LED(101)에 의하여 조명되는(illuminated) 단계,
    - 광이 상기 상이한 크기의 복수의 양자점(110, 120, 130, 140, 150, 160)에 의하여 흡수되는 단계,
    - 상기 상이한 크기의 복수의 양자점(110, 120, 130, 140, 150, 160)에 의하여 광이 상기 흡수된 복사보다 더 긴 파장으로 방출되는 단계
    를 포함하는 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 복수의 양자점(110, 120, 130, 140, 150, 160)의 크기 분포 및 상기 적어도 하나의 LED(101)는, 광합성 유효 복사(PAR) 스펙트럼과 유사한 전체 방출 스펙트럼을 생성하고,
    상기 방출 스펙트럼은 녹색, 황색(500-600)㎚에서의 강도를 제외하거나 매우 낮은 강도를 제공하고, 적색 및 원-적색 600-800㎚ 대역에서 높은 강도의 스펙트럼 특성을 포함하는 것을 제외하고는 상기 광합성 유효 복사(PAR)와 유사한 것
    을 특징으로 하는 조명 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    적어도 하나의 상기 양자점(110, 120, 130, 140, 150, 160)의 크기는, 식물(310, 311)에 대하여 특정 광형태형성 효과를 가진 광자 스펙트럼에 있어서 미리 정해진 상대적 강도를 가진 하나의 대역 또는 다양한 대역에서 광자 방출을 일으키도록 선택되는 것
    을 특징으로 하는 조명 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    영향받는(effected) 상기 광형태형성 변수는, 다음의 생물학적 매개변수: 상이한 시점 또는 수확 적기에 있는 식물(310, 311)의, 중량, 잎 수, 뿌리 질량, 줄기 높이, 화학적 조성(예를 들어, 비타민, 무기질 및/또는 영양분 함량 및/또는 농도) 중 어느 것인 것을 특징으로 하는 조명 방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    적어도 하나의 상기 양자점(110, 120, 130, 140, 150, 160)은, 다음의 합금: 셀렌화카드뮴, 황화카드뮴, 비화인듐, 인화인듐 및/또는 황화셀렌화카드뮴 중 어느 것으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 조명 방법.
  14. 청구항 9에 있어서,
    적어도 하나의 상기 양자점(110, 120, 130, 140, 150, 160)은, 코어-쉘 양자점(core-shell quantum dot)이고, 다음의 합금: 셀렌화카드뮴, 황화카드뮴, 비화인듐, 인화인듐 및/또는 황화셀렌화카드뮴 중 어느 것으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 조명 방법.
  15. 청구항 9에 있어서,
    양자점(110, 120, 130, 140, 150, 160)의 상기 크기 분포는 1㎚ 내지 20㎚ 범위 내의 상이한 크기의 양자점을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 방법.
  16. 청구항 9에 있어서,
    적어도 하나의 상기 양자점(110, 120, 130, 140, 150, 160)은 콜로이드성 합성에 의하여 생산되는 것을 특징으로 하는 조명 방법.
  17. 청구항 9에 있어서,
    상기 적어도 하나의 양자점(110, 120, 130, 140, 150, 160)의 크기는, 상기 양자점이 적색 및 원-적색 600 내지 800㎚ 대역으로 방출하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 조명 방법.
  18. 온실 조명 장치로서,
    상기 조명 장치는, 적어도 하나의 양자점(110, 120, 130, 140, 150, 160) 및 적어도 하나의 LED(101)를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
  19. 적어도 하나의 양자점 및 적어도 하나의 LED를 포함하는 원예용 조명 설비로서,
    a) 600 내지 700㎚의 파장 범위에서, 적어도 50㎚ 또는 그 이상의 반치전폭(半値全幅, Full Width at Half Maximum: FWHM)을 나타내도록 배열된 피크를 포함하는 제1 스펙트럼 특성;
    b) 최대 50㎚의 반치전폭을 가지며, 440 내지 500㎚의 범위에서 피크 파장을 나타내도록 배열된 제2 스펙트럼 특성, 및
    c) 600 내지 800㎚의 주파수에서의 상기 방출의 전부 또는 일부는, 적어도 하나의 양자점에 의하여, LED 칩 복사력(radiation power)의 전체적 또는 부분적인 파장 상향-전환을 이용하여 생성되는 것
    을 가지는 조명 설비.
  20. 적어도 하나의 LED, 및 상기 LED로부터 방출된 복사를 상향 전환(up convert)하도록 배열된 적어도 하나의 양자점을 포함하는 원예용 조명 설비로서,
    a) 600 내지 700㎚의 파장 범위에서, 적어도 50㎚ 또는 그 이상의 반치전폭을 나타내도록 배열된 피크를 포함하는 제1 스펙트럼 특성;
    b) 최대 50㎚의 반치전폭을 가지며, 440 내지 500㎚의 범위에서 피크 파장을 나타내도록 배열된 제2 스펙트럼 특성, 및
    c) 500 내지 600㎚의 파장에서의 상기 방출의 적어도 일부 또는 전부는, 최소화, 및/또는 제거, 및/또는 400 내지 500㎚ 대역에서의 강도 이하이고 600 내지 700㎚ 대역에서의 강도 이하로 감소되도록 배열되는 것
    을 가지는 조명 설비
  21. 청구항 19에 있어서,
    500 내지 600㎚의 파장에서의 상기 방출의 적어도 일부 또는 전부는, 최소화, 및/또는 제거, 및/또는 400 내지 500㎚ 대역에서의 강도 이하이고 600 내지 700㎚ 대역에서의 강도 이하로 감소되도록 배열되는 조명 설비.
  22. 청구항 19, 청구항 20 및 청구항 21 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양자점은 500 내지 800㎚의 파장 범위 내에서 자유로이 조절가능한 피크를 갖는 스펙트럼 특성을 가지고, 적어도 30㎚의 반치전폭을 나타내도록 배열되는 조명 설비.
  23. 청구항 19, 청구항 20, 청구항 21 및 청구항 22 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 LED 및/또는 양자점의 제1, 제2 및 선택적인(optional) 제3 스펙트럼 특성들의 방출 강도는 조절 가능(adjustable)하게 배열되는 조명 설비.
  24. 청구항 19 내지 청구항 23 중 어느 한 항에 있어서,
    최대 50㎚의 반치선폭과, 400 내지 500㎚ 범위 내에서의 피크 파장과, 선택적으로(optionally), 450㎚ 내지 800㎚ 범위 내에서 자유로이 조절 가능한 피크 파장을 갖도록 배열된 제2 및 제3 스펙트럼 특성 중 적어도 하나의 스펙트럼 특성을 가지는 제2 LED 및/또는 양자점을 포함하는 조명 설비.
  25. 청구항 19 내지 청구항 24 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 설비의 와트(Watt)당 PPF 값은 0.35 또는 그 이상인 조명 설비.
  26. 청구항 19 내지 청구항 25 중 어느 한 항에 있어서,
    스펙트럼 방출 특성; 강도, 피크 파장, 및 반치전폭은 양자점의 크기, 개수 및 종류에 의하여 조절되는 조명 설비.
  27. 청구항 19 내지 청구항 26 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 제1 양자점은, 600 내지 700㎚의 파장 범위 내에서 피크 파장을 포함하는 제1 스펙트럼 특성을 가지고, 적어도 50㎚의 반치전폭을 적어도 나타내도록 배열되며;
    b) 제1 LED는, 440 내지 500㎚의 파장 범위 내에서 피크를 포함하는 제2 스펙트럼 특성을 추가로 가지며; 및
    c) 상기 제1 양자점은, 선택적으로, 500㎚ 내지 800㎚ 범위의 범위 내에서 자유로이 조절 가능한 피크 파장을 가진 제3 스펙트럼 특성을 가지고, 적어도 30㎚의 반치전폭을 나타내도록 배열되며;
    d) 제1, 제2 및 선택적인 제3 스펙트럼 특성의 방출 강도는 어떠한 비율로도 조절 가능한
    조명 설비.
  28. 청구항 27에 있어서,
    최대 50㎚의 반치선폭과, 400 내지 500㎚ 범위 내에서의 피크 파장과, 450㎚ 내지 800㎚의 범위 내에서 자유로이 조절 가능한 피크 파장을 갖는 선택적인 제2 및 제3 스펙트럼 특성 중 적어도 하나의 스펙트럼 특성을 가진 제2 LED 및/또는 양자점을 포함하는 조명 설비.
  29. 원예용 조명의 광 방출 구성 요소로서,
    - 발광 다이오드(LED) 반도체 칩; 및
    - 상기 양자점 칩에 직접적으로 근접하게 배치된 광 파장 상향-전환 양자점을 포함하고;
    상기 구성 요소는, 2개의 특성 광 방출 피크를 방출할 수 있고, 500 내지 600㎚의 파장에서의 상기 방출의 적어도 일부 또는 전부는, 최소화, 및/또는 제거, 및/또는 400 내지 500㎚ 대역에서의 강도 이하이고 600 내지 700㎚ 대역에서의 강도 이하로 감소되도록 배열될 수 있는 광 방출 구성 요소.
  30. 청구항 29에 있어서,
    상기 광 파장 상향-전환 양자점은 상기 LED 칩의 표면상에 직접 배치되거나, 다른 광학 물질로 간격을 두어 배치된(spaced out), 광 방출 구성 요소.
  31. 청구항 29 또는 청구항 30에 있어서,
    상기 발광 다이오드(LED) 반도체 칩은, 440 내지 500㎚의 범위 내에 피크 방출을 가지는, 광 방출 구성 요소.
  32. 청구항 29 내지 청구항 31 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파장 상향-전환 양자점은, 상기 양자점 반도체 칩에 의하여 방출된 광 방출 에너지의 일부를 600 내지 700㎚의 높은 파장으로 전환시키도록 배열되는 광 방출 구성 요소.
  33. 청구항 29 내지 청구항 32 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2개의 특성 광 방출 피크는, 각각 440㎚ 내지 500㎚ 및 600 내지 700㎚에 있는 광 방출 구성 요소.
  34. 청구항 29 내지 청구항 33 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2개의 특성 광 방출 피크는, 적어도 50㎚의 반치전폭을 가지는 스펙트럼 특성 중 하나, 및 최대 50㎚의 반치전폭을 가지는 또다른 하나를 제외(omit)하며, 양자는 상이한 파장 범위에 있는, 광 방출 구성 요소.
  35. 청구항 1, 청구항 19 및 청구항 20 중 어느 한 항에 있어서의 조명 장치 또는 설비의 용도로서,
    적어도 하나의 식물을 위한 광을, 조명의 단일 광원으로서, 상기 조명 장치 또는 설비를 구비한 주변광에, 또는 암실(dark cavity)에 있는 상기 적어도 하나의 식물에 대하여 제공하는 용도.
  36. 청구항 29에 있어서의 광 방출 구성 요소의 용도로서,
    적어도 하나의 식물을 위한 광을, 조명의 단일 광원으로서, 상기 조명 장치 또는 설비를 구비한 주변광에, 또는 암실에 있는 상기 적어도 하나의 식물에 대하여 제공하는 용도.
  37. 식물 생장을 향상시키기 위한 방법으로서,
    청구항 1, 청구항 19 및 청구항 20 중 어느 한 항에 있어서의 적어도 하나의 조명 장치 또는 설비는,
    적어도 하나의 식물에 대한 광을, 조명의 단일 광원으로서, 상기 조명 장치 또는 설비를 구비한 주변광에, 또는 암실에 있는 상기 적어도 하나의 식물에 대하여 방출하는 방법.
  38. 식물 생장을 향상시키기 위한 방법으로서,
    청구항 29에 있어서의 적어도 하나의 광 방출 구성 요소는,
    적어도 하나의 식물에 대한 광을, 조명의 단일 광원으로서, 상기 조명 장치 또는 설비를 구비한 주변광에, 또는 암실에 있는 상기 적어도 하나의 식물에 대하여 방출하는 방법.
  39. 청구항 1, 청구항 19, 청구항 20 및 청구항 29 중 어느 한 항에 있어서의 조명 장치, 조명 설비, 및/또는 광 방출 구성 요소에 있어서,
    상기 조명 장치, 조명 설비, 및/또는 광 방출 구성 요소는,
    덮개(lid)로 선택적으로(optionally) 밀폐될 수 있는 쉐이딩 캐비티(shading cavity)에 의하여 둘러싸여 있는 조명 장치, 조명 설비, 및/또는 광 방출 구성 요소.
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