KR20140020954A - 어두운 성장 챔버를 위한 식물 조명 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 식물 재배를 위한 인공 조명을 발생시키는 개선된 방법에 관한 것이다. 더욱 특히, 본 발명은 온실 및/또는 어두운 성장 챔버 환경에서 식물의 재배에 적합한 반도체 발광 솔루션 및 장치를 갖는 조명 장치에 관한 것이다. 본 발명의 최선의 모드는, 어두운 성장 챔버에서 광합성 활성 방사(PAR) 스펙트럼과 유사한 방출 스펙트럼을 발생시키는 LED를 갖는 조명 장치로 간주된다. 본 발명의 방법 및 장치는 식물(310, 311) 재배에 사용되는 빛에 대한 방출 스펙트럼을 더욱 정확하게 스펙트럼 조정하게 한다. 따라서 본 발명은 식물 성장의 광 형태형성 제어에서의 예상치 못한 개선과, 특히, 지하실과 같은 어두운 성장 챔버에서의 식물 생산에 있어서 추가적인 개선을 실현한다.

Description

어두운 성장 챔버를 위한 식물 조명 장치 및 방법{PLANT ILLUMINATION DEVICE AND METHOD FOR DARK GROWTH CHAMBERS}
본 발명은 식물 재배를 위한 인공 조명을 발생시키는 개량된 방법에 관한 것이다. 더욱 특히, 본 발명은 온실 환경에서 식물의 재배에 적합한 반도체 발광 솔루션을 갖는 조명 장치에 관한 것이다.
참고 문헌
WO 2010/053341 A1, 2010. Zukauskas 등에 의한 "식물의 광 형태형성 요구에 부합하는 형광체 변환 발광 다이오드"
WO 2009/048425 A1, 2009. Soh 등에 의한 "형광체가 없는 레드 및 화이트 질화물계 LED의 제조"
표면에 도달하는 방사선(radiation)의 약 50%만이 광합성 활성 방사(photosynthetically active radiation)(PAR)이다. PAR은 전자기 스펙트럼의 300nm 내지 800nm 사이의 파장 영역을 포함하는 것으로 인식된다. 광주성(photoperiodism), 굴광성(phototropism) 및 광 형태형성(photomorphogenesis)과 함께 광합성은 방사선과 식물 사이의 상호작용에 관련된 네 가지 대표적인 프로세스이다. 다음 표현식은 광합성의 간단한 화학 반응식을 보여준다.
6 H2O + 6 CO2 ( + 광자 에너지 ) → C6H12O6 + 6 O2
엽록소 a, 엽록소 b 및 베타카로틴과 같은 가장 일반적인 광합성 및 광 형태형성 광 수용체(photomorphogenetic photoreceptors), 그리고 피토크롬(phytochromes)의 두 개의 상호변환가능한 형태(Pfr 및 Pr)의 전형적인 흡수 스펙트럼이 도 1a에 표시된다.
광합성과 대조되는 광 형태형성 반응은 매우 낮은 조명량으로 달성될 수 있다. 광합성과 광 형태형성 광 수용체의 다른 형태는 적어도 세 가지로 알려진 광시스템(photosystems): 광합성, 피토크롬(phytochrome) 및 크립토크롬(cryptochrome) 또는 블루/UV-A (자외선-A)로 그룹화할 수 있다.
광합성 광시스템에서, 존재하는 색소는 엽록소와 카로티노이드(carotenoids)이다. 엽록소는 식물의 잎 엽육 세포에 위치한 엽록체의 틸라코이드(chloroplasts' thylakoids)에 위치하고 있다. 이러한 색소의 활성도는 빛의 수확에 밀접하게 관련되어 있기 때문에, 방사선의 양 또는 에너지가 가장 중요한 측면이다. 엽록소의 가장 중요한 두 흡수 피크는 각각, 625-675 nm와 425-475 nm에 있는 레드 및 블루 지역에 위치하고 있다. 또한, UV 근처(300-400 nm)와 먼 레드(far red) 영역(700-800 nm)에 또 다른 국지적인 피크가 있다. 크산토필과 카로틴과 같은 카로티노이드는 은 식물 세포의 크롬플라스트 색소체 세포 소기관(chromoplast plastid organelles)에 위치하고 있으며 주로 블루 지역에서 흡수된다.
피토크롬 광시스템은 피토크롬의 두 개의 상호변환가능한 형태인, Pr 및 Pfr 을 포함하며, 이들은 각각 660 nm에서의 레드 지역과 730 nm에서의 먼-레드 지역에 그들의 민감도 피크를 가지고 있다. 피토크롬에 의해 중재된 광 형태형성 반응은 일반적으로 레드(R) 대 먼-레드(FR) 비(R/FR)를 통한 광 품질의 감지와 관련이 있다. 피토크롬의 중요성은, 잎 팽창, 이웃 인식, 그늘 회피, 줄기 신장, 종자 발아 및 개화 유도와 같은, 그들에게 관련된 다른 생리학적 반응에 의해 평가될 수 있다. 그늘 회피 반응은 일반적으로 R/FR 비의 감지를 통해 피토크롬에 의해 제어되지만, 블루-광과 PAR 레벨은 관련된 적응성 형태학적 반응과도 관련되어있다.
블루와 UV-A (자외선 A)에 민감한 광 수용체가 크립토크롬 광시스템에서 발견된다. 블루-광 흡수 색소는 크립토크롬 및 포토트로핀(phototropins) 모두를 포함한다. 그들은 이러한 빛의 품질, 양, 방향과 주기를 모니터링하는 것과 같은 여러 다른 작업에 참여하고 있다. 블루와 UV -A에 민감한 광 수용체의 다른 그룹은 내인성 리듬, 장기 오리엔테이션(organ orientation), 줄기 신장과 기공 개방, 발아, 잎 팽창, 뿌리 성장 및 굴광성과 같은 중요한 형태학적 반응을 중재한다. 포토트로핀은 빛 수확과 빛 회피를 최적화하기 위해 색소 함량과 광합성 기관과 세포 소기관의 위치화를 조정한다. 연속하여 먼-레드 방사에 대한 노출과 함께, 블루 광은 크립토크롬 광 수용체의 중재를 통해 개화를 촉진한다. 또한, 블루-광에 민감한 광 수용체{예로서, 플라빈스 및 카로티노이드(flavins and carotenoids)}는 국지적인 민감도 피크가 약 370 nm에서 발견될 수 있는, 근-자외선 방사선에도 민감하다.
크립토크롬은 모든 식물 종에 일반적이지 않다. 크립토크롬은 애기 장대(Arabidopsis)와 같은 개화 식물 내의 서커디안 리듬(circadian rhythms)의 유입을 포함하여, 다양한 빛의 반응을 중재한다. 300 nm 아래 파장의 방사선은 분자의 화학 결합과 DNA 구조에 매우 유해 할 수 있지만, 식물은 이 지역에서 또한 방사선을 흡수한다. PAR 지역 내의 방사선의 품질은 UV 방사선의 파괴적인 영향을 줄이기 위해 중요할 수 있다. 이들 광 수용체는 대부분 조사되고(investigated) 따라서 광합성과 성장을 조절하는 그들의 역할이 매우 잘 알려져 있다. 그러나 다른 광 수용체가 존재하는 증거가 있고, 다른 광 수용체의 활동은 식물에서 중요한 생리학적 반응을 중재하는 중요한 역할을 할 수도 있다. 또한, 수용체의 특정 그룹 간의 상호 작용과 상호의존성의 특성은 잘 이해되지 않는다.
대부분의 식물은 인공 조명을 이용하는 온실 재배에 의해 그들의 자연적 서식지에 비해서 다른 지리적 위치에서 성장될 수 있다. Zukauskas 등에 의한 WO 2010/053341 A1에서는, 발광 다이오드(LED)는 식물의 광 형태형성 필요 요구 중 일부를 충족시키기 위해 형광체 변환(phosphor conversion)을 사용할 수 있는 것이 알려져 있다. 형광체 변환은, 짧은 파장에서 방출되는 LED와 같은 빛이 긴 파장에서 방사선을 흡수하고 재 방출하는 형광체 구성 요소에 인접하여 있어 작동한다. 이 방식은 조명 장치의 총 방출 스펙트럼(aggregate emission spectrum)이 조정될 수 있어, 식물에 제공된 광자는 예를 들어, 줄기의 높이와 같은 일부 형태학적 목표를 달성하기 위해 식물이 특정 방식으로 성장되게 한다. 이 문서는 참조용으로 여기에 인용된다.
발광 다이오드(LED)는 요즘 인기가 증가하고 있다. LED에 사용되는 독특한 새로운 구조는, 그 여기자(excitons)가 모든 삼 차원적 공간에 국한되는 하나의 반도체인 양자 점(quantum dot)이다. 양자 점은, 양자 점을 포함하는 다중 양자 우물 구조(multiple quantum well structure)(MQW)를 기술하는 WO 2009/048425에서 형광체를 제거하는 데 사용되도록 제안되어왔다. 이 공보에 따르면, MQW 구조는 형광체가 없는 레드 및 화이트 질화물계 LED를 제조하는 데 사용될 수 있다. 이 문서는 참조용으로 여기에 또한 인용된다.
종래 기술은 상당한 단점이 있다. 종래 기술의 형광 튜브, LED 및 형광체 장치(phosphor arrangements)는 방출 스펙트럼의 충분히 높은 해상도 조정을 허용하지 않는다. 또한 종래 기술의 형광 튜브, LED 및 형광체 장치는 식물을 위한 빛의 기본적인 광원으로서는 매우 불량하여, 건물 등의 지하실 같은 어두운 성장 공간에서는 저 품질의 수확량을 얻게 된다.
종래 기술의 MQW와 양자 점 조명 장치는 주로 불리한 구조적인 특징부(인광체(phosphorus)과 같은)를 교체하는 것에 초점을 맞추고 있고, 이것은 원예사에게 거의 도움이 되지 않는다.
개발 도상국에서의 세계적인 굶주림을 방지할 뿐만 아니라, 선진국에서의 식품 및 식물 생산의 환경적 영향을 줄이기 위해서는 아주 명확하고 더욱 정교한 식물 재배 기술이 필요하다.
연구하에 있는 발명은 이전보다 더욱 정밀한 식물의 광 형태형성 요구를 해결하는, 양자로 제한된 반도체 조명 장치를 효과적으로 실현하기 위한 시스템과 방법에 관한 것이다.
본 발명의 한 양상에서, 양자 제한(quantum confinement)은 모든 3 차원적 공간 내에 제한된 양자 점으로서, 또는 실제로 복수 개의 양자 점들로서 실현된다. 양자 점을 사용하는 것 이외에, 양자 선(2-D 공간 제한) 및 양자 우물(1-D 공간 제한)이 일부 실시예에서 본 발명을 구현하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 한 양상에 따르면, 양자 점-발광 다이오드는 상이한 크기의 양자 점 특성을 갖추고 있다. 양자 점에 있어서, 크기는 방출 에너지에 반비례하게 관련되는데, 즉, 더 작은 양자 점은 더 높은 에너지를 방출한다. 본 발명의 한 양상에 따르면, 양자 점의 크기 분포는, 식물을 위한 유리한 광 형태형성 효과를 갖는 총 방출 스펙트럼을 발생하도록 선택되고, 여기서 식물은 본 발명의 양자 점-발광 다이오드에 의해 방출된 인공 조명으로 재배된다.
본 발명의 목표는 종래 기술과 연관된 문제점의 적어도 일부를 제거하고, LED 및/또는 양자 점을 사용하여 식물의 성장을 촉진하는 새로운 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 목적은 광합성 과정이 잘 반응하는 단일 발광 소스에 기초한LED 및/또는 양자 점 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 목적은 광합성 광자 플럭스(photosynthesis photon flux)(PPF)이 최적화된 LED 및/또는 양자 점 장치에 기초하는 온실 재배 및/또는 어두운 성장 챔버 재배를 위한 조명 설비를 제공하는 것이다.
본 발명의 제3 목적은 300-800 nm의 파장 범위에서 적어도 두 개의 발광 피크를 제공하고, 방출 피크 중 적어도 하나는 적어도 50 nm의 이상의 반치 전폭(Full width at half maximum)(FWHM)을 갖는, LED 및/또는 양자 점 장치를 성취하는 것이다.
본 발명의 제4 목적은 LED 및/또는 양자 점에 기초한 온실 재배 및/또는 어두운 성장 챔버 재배 조명 설비를 제공하는 것이며, 여기서, 두 개의 방출 주파수, 300-500 nm 및 600-800 ㎚의 방출 세기 비는 10,000 시간의 작업 중에 20% 이하로 감소한다.
본 발명의 제5 목적은, 온실 재배 또는 어두운 성장 챔버 재배에서 일반적으로 사용되는 종래의 고압 나트륨 또는 LED 램프에 의해 제공되는 것보다 더 양호한 와트당 PPF 값(예로서, 사용된 전력 와트에 대한 PPFs)을 제공하여, 온실 재배 과정 및 거기에서 사용되는 인공 조명을 위한 효율적인 에너지 광원을 제공하는 기술적 솔루션을 제공하는 것이다.
본 발명의 제6 목적은, 300-500 ㎚의 주파수에서의 방출이 반도체 LED 또는 양자 점 칩에 의해 발생되고, 600-800 nm의 주파수에서의 방출이 다른 LED 또는 양자 점 칩을 사용하여 발생되는, 단일 발광 소스를 제공하는 것이다. 발명가는 먼-레드 광(700-800nm)을 포함하는 본 발명의 원예용 빛으로 조명될 때, 예를 들어 오이, 양상추 식물이 더 큰 길이 및/또는 중량에 도달하는 것을 발견했다.
본 발명의 제7 목적은, 300-500 ㎚의 주파수에서의 방출이 반도체 LED 또는 양자 점 칩에 의해 발생되고, 600-800 nm의 주파수에서의 방출이 제2 LED 또는 양자 점 칩을 사용하여 발생되며, 광 방출을 위한 전기 전류에 의해 구동되거나 또는, 이전의 LED 또는 양자 점의 파장 업-컨버터로서 작동되는, 단일 발광 소스를 제공하는 것이다. 600-800 nm의 방사선을 발생하는 파장 업-변환은 제1 양자 점 또는 LED 방출 소스 근처에서 하나 이상의 파장 업-변환 양자 점을 사용하여 달성된다.
이 응용에서, "업-변환(up-conversion)"은 들어오는 흡수된 빛의 파장을 더 긴 파장의 방출된 빛으로 변경하는 것을 의미한다.
본 발명의 제8 목적은, 반도체 LED 및/또는 양자 점 칩 방사선의 400-500 nm, 600-800 nm, 또는 둘 다의 주파수 범위에 있는 부분적인 또는 완전한 파장 업-변환을 제공하는 것이고, 칩은 300-500 nm 범위의 방출 범위의 방출을 갖는다. 파장 업-변환은 유기 재료, 무기 재료, 또는 이들 두 종류 재료의 조합을 사용하여 실현된다.
본 발명의 제9 목적은 업 변환을 위한 나노-입자 재료를 사용하는 파장 업-변환을 제공하는 것이다.
본 발명의 제10 목적은 업 변환을 위한 분자 형 재료를 사용하는 파장 업-변환을 제공하는 것이다.
본 발명의 제11 목적은, 업-변환 물질이 파장 업-변환을 제공하는 고분자 매트릭스에 공유 결합된, 고분자 재료를 사용하는 파장 업-변환을 제공하는 것이다.
본 발명의 제12 목적은 스펙트럼 대역, 500-600 nm가 억제되는, 양자 점에 기초한 조명 설비를 제시하는 것이다. 이 억제 대역에서는, 방출이 거의 없거나 또는 전혀 방출되지 않거나, 또는 어떤 경우 400-500 nm, 600-700 ㎚의 인접 대역보다도 방출이 거의 없다. 이 억제는 본 발명에 따라서, 대역 400-500 nm에서 기본 방출이 없거나 또는 단지 작은 양으로 방출하게 하고, 그리고 임의의 업-변환이 파장을 600 nm 이상 이동시키는 파장 이동을 일으키는 것을 확실하게 하여 달성될 수 있다. 방사선이 식물에서 광합성 변환을 위해 흡수되기보다는 단지 반사되듯이, 녹색 식물은 일반적으로 인접 대역에서의 방사선뿐만 아니라 그린 광(500-600 nm) 방사선을 사용할 수 없는 것으로 알려져 있다.
본 발명의 제13 목적은, 원하는 먼-레드 광을 제공하여 식물의 동화작용 성장(anabolic growth)을 극대화하는 반면, 식물 재배의 관점에서 어두울 수 있는 성장 챔버, 즉 상기 인공 광 소스가 유일한 광 소스인, 에너지를 낭비하는 방사선인 그린 광을 최소화하는 LED 및/또는 양자 점에 기초한 조명 설비를 제시하는 것이다. 이 목적은 본 발명의 일 양상에서, 방출된 블루 광(300-500)의 일부를 먼 레드 구성 요소를 갖는 넓은 레드 스펙트럼 구성 요소(600-800 nm)로 업-변환시키지만, 그린 구성 요소(500-600 nm)는 생략시키거나 및/또는 최소화시키는, 파장 업-변환 장치를 갖는 블루 LED 또는 양자 점 광 이미터에 의하여 실현된다.
본 발명은 LED 및/또는 양자 점 및 온실 및 성장 챔버 재배에 적합한 관련된 조명 설비를 제공한다. 본 발명에 따르면, LED 및/또는 양자 점은 특정 방출 주파수 패턴을 갖는데, 즉, 적어도 50 nm 이상의 반치 전폭을 갖고 600-700 nm의 범위에서 피크 파장을 갖는 하나의 방출 피크와, 500 nm 범위 이하의 피크 파장을 갖는 제2 스펙트럼 특성인, 적어도 두 개의 스펙트럼 특성을 갖는다. 적어도 하나의 LED 및/또는 양자 점의 발광 피크는 식물의 광합성 반응 스펙트럼과 잘 일치하기 때문에 고효율 인공 조명에 특히 적합하다.
본 발명의 전술한 장점의 일부 또는 전부는 영향받는 광 형태형성 변수에 대하여 방출 스펙트럼을 최적화하는 양자 점의 크기 분포에 의해 발생하고, 여기서 영향받는 변수는 식물이 서로 다른 시점에, 또는 수확 적기에 가지는, 중량, 잎 수, 뿌리 무게, 줄기 높이, 화학적 성분(비타민, 미네랄, 및/또는 영양소 함량 및/또는 농도 등)등의 생물학적 파라미터 중 하나 일 수 있다.
본 발명에 따른 식물 재배를 위한 조명 장치는, 상기 조명 장치가 다른 크기의 복수의 양자 점을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 식물 재배를 위한 조명 방법은, 빛이 다른 크기의 복수의 양자 점에 의해 발생되고, 상기 빛은 적어도 하나의 식물을 비추는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 온실 및/또는 성장 챔버 조명 장치는, 상기 조명 장치가 적어도 하나의 양자 점을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 원예용 조명 설비는 적어도 하나의 양자 점을 포함하며, 적어도 하나의 양자 점은,
a) 600-700 nm의 파장 범위에 있는 피크를 가지며 적어도 50 nm 이상의 반치 전폭을 나타내도록 배열된 제1 스펙트럼 특성과,
b) 최대 50 nm의 반치 전폭을 갖고 440-500 nm 범위에서 피크 파장을 나타내도록 배열된 제2 스펙트럼 특성을 포함하며, 선택적으로
c) 600-800 ㎚의 주파수에서 방출의 전체 또는 일 부분이 양자 점 칩 방사 선 전력의 전체 또는 부분적인 파장 업-변환을 사용하거나 및/또는 다른 전기적으로 구동되는 양자 점에 의해 발생한다.
본 발명에 따른 원예용 조명 설비는 적어도 하나의 양자 점을 포함하며, 적어도 하나의 양자 점은,
a) 600-700 nm의 파장 범위에 있는 피크를 가지며 적어도 50 nm 이상의 반치 전폭을 나타내도록 배열된 제1 스펙트럼 특성과,
b) 최대 50 nm의 반치 전폭을 갖고 440-500 nm 범위에서 피크 파장을 나타내도록 배열된 제2 스펙트럼 특성을 포함하며,
c) 500-600 ㎚의 파장에서 방출의 적어도 일 부분 또는 전체는 최소화되거나 및/또는 생략되게 배치되거나, 및/또는 400-500 nm 대역에서의 세기 이하로 그리고 600-700 nm 대역에서의 세기 이하로 감소하도록 배치된다.
본 발명에 따른 앞의 다섯 단락 중 하나의 조명 장치 또는 설비의 사용은, 빛의 유일한 소스로서, 상기 조명 장치 또는 설비를 사용하여 주변 빛 또는 어두운 공간에서 적어도 하나의 식물에 빛을 제공하는 것이다. 마찬가지로, 앞의 다섯 단락의 식물 성장을 향상하기 위한 방법은 본 발명에 따르며, 여기서 적어도 하나의 조명 장치 또는 설비는, 빛의 유일한 소스로서 상기 조명 장치 또는 설비를 사용하여 주변 빛 또는 어두운 공간에서 적어도 하나의 식물에 빛을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 원예용 빛의 발광 구성 요소는;
- 발광 양자 점 반도체 칩; 및
- 양자 점 칩에 바로 근접하여 증착되는 광 파장 업-변환 양자 점(light wavelength up-conversion quantum dot); 을 포함하고,
상기 구성 요소는 두 가지 특성의 발광 피크를 방출할 수 있고, 500-600 ㎚의 파장에서 방출의 적어도 일부 또는 전부가 최소화되거나 및/또는 생략되게 배치되거나, 및/또는 400-500 nm의 대역 세기 이하로 그리고 600-700 nm의 대역 세기 이하로 감소하도록 배치된다.
본 발명에 따른 앞의 단락의 발광 구성 요소의 사용은, 유일한 광원으로서, 상기 조명 장치 또는 설비를 사용하여 주변 빛 또는 어두운 공간에서 상기 적어도 하나의 식물에 적어도 하나의 식물용 빛을 제공하는 것이다. 마찬가지로, 식물 성장을 향상하기 위한 방법은 본 발명에 따르며, 앞의 단락의 적어도 하나의 발광 구성 요소는, 유일한 광원으로서 상기 조명 장치 또는 설비를 사용하여 주변 빛 또는 어두운 공간에서 상기 적어도 하나의 식물에 적어도 하나의 식물용 빛을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 어둡거나 그늘진 공간에서의 원예용 조명 설비는 적어도 하나의 LED를 포함하며, 적어도 하나의 LED는,
a) 600-700 nm의 파장 범위에 있는 피크를 가지며 적어도 50 nm 이상의 반치 전폭을 나타내도록 배열된 제1 스펙트럼 특성과,
b) 최대 50 nm의 반치 전폭을 갖고 440-500 nm 범위에서 피크 파장을 나타내도록 배열된 제2 스펙트럼 특성을 포함하며, 그리고 선택적으로
c) 600-800 ㎚의 주파수에서 방출의 전부 또는 일부가 LED 칩 방사선 전력의 전체 또는 부분적인 파장 업-변환을 사용하여 발생된다.
본 발명에 따른 어둡거나 그늘진 공간에서의 원예용 조명 설비는 적어도 하나의 LED를 포함하며, 적어도 하나의 LED는,
a) 600-700 nm의 파장 범위에 있는 피크를 가지며 적어도 50 nm 이상의 반치 전폭을 나타내도록 배열된 제1 스펙트럼 특성과,
b) 최대 50 nm의 반치 전폭을 갖고 440-500 nm 범위에서 피크 파장을 나타내도록 배열된 제2 스펙트럼 특성을 포함하며,
c) 500-600 ㎚의 파장에서 방출의 적어도 일 부분 또는 전체는 최소화되거나 및/또는 생략되게 배치되거나, 및/또는 400-500 nm 대역에서의 세기 및 600-700 nm 대역에서의 세기 이하로 감소하도록 배치된다.
본 발명의 양자 점 및/또는 LED에 기초한 구현은 발광 스펙트럼의 매우 미세한 스펙트럼 조정을 허용하고, 따라서 매우 양호한 에너지 효율과, 인공 조명에 의존하는 식물 재배에서의 개선된 광 형태형성 제어를 할 수 있게 한다. 양자 점만을 사용하는 경우, 그들에 의해 제공되는 스펙트럼 조정이 종래의 LED 보다 우수하여 이 장점은 더욱 현저해진다. 더욱이, 수확의 품질이 본 발명의 조명 장치로 상당히 개선되고, 이것은 어두운 성장 챔버 또는 주위의 빛이 매우 제한된 챔버에서의 재배와 관련된 여러 장점을 갖는데; 첫째로, 식물이 소비 지역과 가까운 곳에서 성장할 수 있는데, 예를 들어 큰 도시의 주거용 거주지에서 성장할 수 있고, 따라서 운송 비용을 제거하고, 둘째로. 농업이 전통적으로 가능하지 않은 지역, 예를 들면 여름에 뜨거운 사막 상태의 지역에서 식물이 지리적으로 성장될 수 있고, 셋째로, 식물의 품질이 향상되면 또한 개별적인 식물 간의 일관성이 향상되어 수확을 쉽게 하게 된다. 이것은 거부된 개체가 적고, 기계 비전에 기초한 수확용 장비(machine vision based harvesting equipment)에 의한 수확이 일관된 품질, 크기 및 색상을 갖는 더 좋은 식물로 인식될 수 있기 때문이다. 넷째로, 거의 모든 성장 파라미터가 제어하에 있기 때문에, 식물의 특성이 통제된 방식으로 변경될 수 있고, 이것은 특히 꽃과 관상용 식물을 재배할 때 유용하다. 다섯째로, 영양분 투여가 일 년 내내 동일하게 유지될 수 있도록, 식물을 위한 광자를 매일 일정하게 투여하여 영양분의 관리에 도움이 된다. 여섯째로, 매우 덥고 햇빛이 있는 지역에서, 식물은 햇빛이 반사되는 어둡고 불투명한 성장 챔버에서 재배될 수 있다. 본 발명의 인공 조명에 소비되는 에너지는 햇빛 아래에서 식물을 에어컨 가동하거나 냉각하는데 소비되는 에너지보다 훨씬 적다.
어두운 공간은 본 발명의 발광 광자의 인공 광 소스가 없는 햇빛 및/또는 주변 빛이 제로 또는 낮은 수준인 빛 제약 공간으로서 해석되는 것을 주목해야 하지만, 상기 어두운 공간은 극히 작거나, 꽃 화분 크기, 10m2의 주거용/업무용 지하실, 선박 화물 컨테이너, 예를 들어 축구 경기장의 지하실 크기 또는 축구장 필드, 및/또는 충분한 야채가 전체 도시의 하나 이상의 층에서 재배되는, 20층의 고층 빌딩의 임의의 크기일 수 있다.
또한, 전술한 장점을 갖는 실시예를 참조하면, 본 발명의 가장 양호한 모드는 LED를 갖는 조명 장치인 것으로 간주되며, 여기서 LED는, 방출 스펙트럼이 그린 옐로우(500-600)nm 에서 생략되거나 또는 매우 낮은 세기를 제공하며, 어두운 성장 챔버에서 식물에 비추어지는 먼 레드 700-800 nm의 대역에서 높은 세기의 스펙트럼 특성을 포함하는 것을 제외하고는, 광합성 활성 방사(PAR) 스펙트럼과 유사한 방출 스펙트럼을 발생시킨다.
본 발명의 양자 점 및/또는 LED에 기초한 식물 재배 조명 장치는 발광 스펙트럼의 매우 미세한 스펙트럼 조정을 허용하여, 매우 양호한 에너지 효율과, 인공 조명에 의존하는 식물 재배에서의 개선된 광 형태형성 제어를 할 수 있게 하여, 그들에 의해 제공되는 스펙트럼 조정이 종래의 LED 보다 우수하여, 수확되는 식물의 품질이 상당히 개선되고, 어두운 성장 챔버 또는 주위의 빛이 매우 제한된 챔버에서의 재배와 관련된 여러 장점을 제공한다.
다음에서, 본 발명이 첨부된 도면에 따라 예시적인 실시예를 참조하여 더욱 상세하게 설명된다.
도 1a는 녹색 식물에서 가장 일반적인 광합성 및 광 형태형성 광 수용체의 상대적인 흡수 스펙트럼을 도시한다.
도 1b는 블록도로서 본 발명의 조명 장치(10)의 일 실시예를 도시한다.
도 2는 흐름도로서 본 발명에 따른 조명 방법의 일 실시예(20)를 도시한다.
도 3은 블록도로서 본 발명의 조명 장치를 사용하는 실시예(30)를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 제1 단일 발광 소스 LED 및/또는 양자 점 장치의 발광 피크를 갖는 실시예(40)를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 제2 단일 발광 소스 LED 및/또는 양자 점 장치의 발광 피크를 갖는 실시예(50)를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 제3 단일 발광 소스 LED 및/또는 양자 점 장치의 발광 피크를 갖는 실시예(60)를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 제4 단일 발광 소스 LED 및/또는 양자 점 장치의 발광 피크를 갖는 실시예(70)를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 식물의 바이오매스(biomass)를 최대화하는 것이 발견된 스펙트럼을 갖는 실시예(80)를 도시한다.
실시예의 일부는 종속항에 기술되어 있다.
도 1b는 상이한 크기의 복수의 양자 점(110, 120, 130, 140, 150, 160)을 포함하는 조명 장치(100)를 도시한다. 양자 점의 크기 분포는 2 ㎚ - 200 nm의 범위 내에서 상이한 크기의 양자 점을 포함하며, 즉 양자 점(110)은 일반적으로 200 nm의 직경을 가지며, 양자 점(160)은 약 2 nm의 직경을 갖는다.
조명 장치는 바람직하게는 블루 또는 일부 다른 더 짧은 파장을 갖는, LED(101)를 또한 포함한다.
LED(101)가 빛을 방출할 때, 방출되는 광자의 일부는 양자 점(110, 120, 130, 140, 150 및 160)에 의해 흡수된다. 광자가 흡수되면, 양자 점(110, 120, 130, 140, 150 및 160)에 있는 전자는 높은 에너지 상태로 여기된다. 이들 전자는 이후에 더 높은 에너지 상태와 더 낮은 에너지 상태 사이의 차이와 동일한 하나 또는 그 이상의 에너지 광자를 방출하여 더 높은 에너지 상태로부터 더 낮은 에너지 상태로 이완된다.
일부 실시예에 있어서, 전력과 전극(미도시)은 일부 실시예에서의 일반적인 방법으로 양자 점 내의 전자를 여기시키기 위해 전기장을 발생하는 데 사용된다. 전자가 낮은 에너지 상태로 이완되면, 여기 상태와 이완 상태 사이의 에너지 차이에 의해 발생된 파장으로 광자를 방출한다. 이들 방출된 광자는 조명 장치(100)의 방출 스펙트럼을 발생한다.
일부 실시예에서, 양자 점(150, 160)은 250-400 nm의 범위에서 UV/블루 광 을 전달하기 위해 배치되고, 양자 점(140, 130)은 400-600 nm의 범위에서 그린 및/또는 옐로우 광을 전달하기 위해 배치되고, 양자 점(120)은 600-700 nm의 범위에서 레드 광을 전달하기 위해 배치되고, 양자 점(110)은 700- 800 nm의 대역에서 먼 레드 광을 전달하기 위해 배치된다.
특정 크기의 양자 점(110, 120, 130, 140, 150, 160)의 상대적인 발광 세기와 개수는 일부 실시예에서의 광합성 활성 방사(PAR) 스펙트럼과 유사하거나 및/또는 동일한 총 발광 스펙트럼을 생산하기 위해 변화된다. 보다 바람직하게는, 방출 스펙트럼은 그린 옐로우(500-600)nm에서 생략되거나 또는 매우 낮은 세기를 제공하고, 어두운 성장 챔버 내의 식물에 비추어지는 먼 레드 700-800 nm의 대역에서 높은 세기의 스펙트럼 특성을 포함한다.
양자 점(110, 120, 130, 140, 150, 160)의 전체 또는 일부는 일반적으로 다음과 같은 합금: 셀렌화 카드뮴(cadmium selenide), 황화 카드뮴(cadmium sulphide), 비화 인듐(indium arsenide), 인화 인듐(indium phosphide) 및/또는 일부 실시예에서는 황화 셀렌화 카드뮴(cadmium selenide sulphide) 으로 제조된다.
더 정교한 실시예에서, LED 및/또는 상기 적어도 하나의 양자 점(110, 120, 130, 140, 150, 및/또는 160)의 크기는, 상기 양자 점이 식물에서의 특정 광 형태형성 효과를 갖는 광자 스펙트럼의 대역에서 광자 방출을 생산하도록 선택되는 것을 주목해야한다. 상기 광 형태형성에 영향을 미치는 변수는 식물이 서로 다른 시점에, 또는 수확 적기에 가지는, 중량, 잎 수, 뿌리 무게, 줄기 높이, 화학적 성분(비타민, 미네랄, 및/또는 영양소 함량 및/또는 농도 등)등의 생물학적 파라미터 중 하나 일 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 적어도 하나의 양자 점(110, 120, 130, 140, 150, 및/또는 160)은 콜로이드 합성에 의해 생산된다. 콜로이드 합성에서 콜로이드 반도체 나노결정은 전통적인 화학 공정과 매우 유사하게, 용액에서 용해된 전구체 화합물로부터 합성된다. 일반적으로, 콜로이드 양자 점의 합성은 전구체, 유기 계면 활성제, 및 용제로 구성되는 세 가지 구성 요소의 시스템을 기초로 한다. 반응 매질은 충분히 높은 온도로 가열되고, 전구체는 화학적으로 단량체(monomers)로 변환된다. 단량체가 충분히 높은 과포화 수준에 도달하면, 나노결정 성장이 응집 프로세스(nucleation process)에 의해 시작된다. 성장 과정 중에 온도는 일부 실시예에서 나노결정 성장을 위한 최적의 상태를 결정하는 중요한 요소 중 하나이다. 온도는 일반적으로, 결정 성장을 촉진할 만큼 충분히 낮으면서, 합성 과정 중에 원자의 재배열 및 열처리를 허용할 수 있을 정도로 충분히 높다. 나노결정 성장 중에 제어되는 또 다른 중요한 요인은 일부 실시예에서의 단량체의 농도이다.
나노결정의 성장 과정은 일반적으로 "포커싱(focusing)"과 "디포커싱(defocusing)"으로 설명되는 두 개의 서로 다른 영역(regimes)에서 발생할 수 있다. 높은 단량체 농도에서, 임계적 크기(나노결정이 성장하지도 축소되지도 않는 크기)는 비교적 작아서 거의 모든 입자가 성장하게 된다. 이 영역에서, 더 큰 결정은 성장을 위해 작은 결정보다 더 많은 원자를 필요로 하기 때문에, 더 작은 입자가 더 큰 입자 보다 더 빨리 성장하고, 이 결과, 크기 분포의 "포커싱"은 거의 단분산 입자(monodisperse particles)로 된다. 현재의 평균 나노결정 크기가 항상 임계 크기보다 약간 크도록 단량체의 농도가 유지될 때, 크기 포커싱은 일반적으로 최적화된다. 단량체의 농도가 성장 중에 소모된 경우, 임계 크기는 현재의 평균 크기보다 크게 되고, 오스트발트 숙성(Ostwald ripening)의 결과로 "디포커스"로 분포된다.
많은 다양한 반도체를 생산하기 위한 콜로이드 방법이 있다. 본 발명의 전형적인 양자 점은 셀렌화 카드뮴, 황화 카드뮴, 비화 인듐, 인화 인듐카드뮴 같은 이원 합금으로 만들어진다. 하지만, 양자 점은 일부 실시예에서 황화 셀렌화 카드뮴과 같은 삼원 합금으로도 만들어질 수 있다. 이들 양자 점은, 양자 점 볼륨 내에서 원자 직경이 10 내지 50인 원자를 겨우 100 내지 100,000 만큼 적게 포함할 수 있다. 이것은 약 2 내지 10 nm에 해당하다.
본 발명에 따르면, 콜로이드 합성의 여러 방법, 또는 다른 방법으로 양자 점의 다양한 모집단 밀도(populations)를 생산하고, 그리고 상기 모집단 밀도를 결합하여, 식물 재배에 필요한 발광 스펙트럼을 제공하는 크기 분포를 산출할 수 있다.
실시예(10)은 본 발명에 따라 종래의 LED와 함께 사용될 수 있음을 주목해야한다. 실시예(10)은 또한 어두운 성장 공간 및/또는 챔버, 또는 주위 빛이 낮은 수준의 공간에서 적어도 하나의 식물을 위한 조명 소스로서 사용하기 적합하다.
또한, 실시예(10)은 임의의 실시예 (20, 30, 31, 40, 50, 60, 70 및/또는 80)와 쉽게 치환되거나 및/또는 결합할 수 있는 것에 또한 주목해야한다.
도 2는 예를 들어, 온실 또는 성장 챔버 환경에서 본 발명의 양자 점을 사용하는 조명 장치의 동작을 보여준다. 단계 200에서, 발광은 조명 장치로부터 적어도 하나의 식물을 향한다.
단계 210에서, 전력은 조명 장치와 조명 장치 내의 적어도 하나의 양자 점에 제공되어, 전기장을 발생한다. 전기장은 양자 점 내의 전자를 여기시켜 단계 220에서 에너지 상태를 더 높게 한다.
전자가 더 낮은 에너지 상태로 이완되면, 단계 230과 240에서 여기 상태와 이완 상태 사이의 에너지 차이에 의해 발생한 파장을 갖는 광자를 방출한다. 이들 방출되는 광자는 조명 장치로부터 전달되는 방출 스펙트럼을 발생한다. 본 발명의 LED는 일반적인 방식으로 동작한다.
일부 실시예에서, 250-400 nm의 범위의 UV/블루 광, 400-600 nm의 범위의 그린 및/또는 옐로우 광, 600-700 nm의 레드 광, 및/또는 700-800 ㎚의 대역에서의 먼 레드 광이 본 발명의 방법에서 LED 및/또는 다른 크기의 양자 점에 의해 방출된다. 일반적으로 더 큰 양자 점은 본 발명의 일부 실시예에서 더 긴 파장의 레드 광과 더 짧은 파장의 더 작은 양자 점 및/또는 LED의 블루 광을 방출한다.
실시예(20)은 본 발명에 따라 종래의 LED와 함께 사용할 수 있음을 주목해야한다. 실시예(20)은 또한 어두운 성장 공간 및/또는 챔버, 또는 주위 빛이 낮은 수준의 공간에서 적어도 하나의 식물을 위한 조명 방법으로서 사용하기 적합하다.
또한, 실시예(20)은 임의의 실시예 (10, 30, 31, 40, 50, 60, 70 및/또는 80)와 쉽게 치환되거나 및/또는 결합할 수 있는 것에 또한 주목해야한다.
도 3은 본 발명의 인공 온실 조명 장치 및 방법의 다른 사용 구성 실시예(30, 31)를 보여준다. 하나의 실시예(30)에서, 식물(311)은 투명한 벽(301)을 갖는 온실의 바닥에서 재배된다. 적어도 하나의 LED 및/또는 양자 점을 갖는 조명 장치(322)는, 조명 장치에 의해 방출된 광자가 가능한 최대의 방출 플럭스(flux)를 갖고 많은 식물(311)에 도달할 수 있는 위치에 위치한다. 일부 실시예에서, 조명 장치의 방출 스펙트럼(350)은 벽(301)을 통해 전달되는 햇빛인 자연적인 빛 스펙트럼을 구현하도록 조정된다. 일부 실시예에서, 조명 장치(322)는 본 발명에 따른 온실 벽에 의해 필터링되거나 및/또는 감쇄되는 파장을 전달하도록 배열된 양자 점을 포함할 수 있다.
실시예(31)에서, 재배되는 식물은 온실(300) 내의 성장 챔버(360)에 적재된다. 일부 실시예에서, 각각의 성장 챔버는 조명 장치(321)를 갖는다. 비록 식물이 투명한 성장 챔버에 적재되는 경우에도, 광자 중 일부는 하나 이상의 투명한 벽을 통해 전달되기 때문에 실시예(30)에서 보다 더 큰 햇빛의 감소 및/또는 감쇄가 있다. 따라서, 양자 점을 갖는 조명 장치(321)는 일반적으로 위에서와 같이 다중으로 전달되는 자연적인 빛 스펙트럼을 구현하거나, 또는 불투명 챔버의 경우에는 식물(310)에 모든 방사선 광을 제공한다. 일부 실시예에서는, 성장 챔버를 위한 전용 조명 장치와 하나 이상의 성장 챔버(360)에서 하나 이상의 식물(310)에 의해 공유되는 적어도 하나의 조명 장치(320) 모두가 있다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 LED 및/또는 양자 점은, 전달된 스펙트럼(340)이 광합성 활성 방사(PAR) 스펙트럼과 유사하게 결합할 때 방출 스펙트럼을 발생하도록 배치된다. 더욱 바람직하게는, 상기 발생된 방출 스펙트럼은 그린 옐로우(500-600) nm에서 생략되거나 매우 낮은 세기를 제공하고, 일부 실시예에서 어두운 성장 챔버에서 식물에 비추어지는 먼 레드 700-800 nm의 대역에서 높은 세기의 스펙트럼 특성을 포함한다. 이 스펙트럼은 본 발명에 따라 어두운 성장 챔버에서 성장하는 식물을 위한 유일한 광 소스로 사용될 때 특히 바람직하다.
일부 실시예에서, 조명 장치 내의 적어도 하나의 LED 및/또는 양자 점은 식물에서 특정 광 형태형성 효과를 갖는 대역인 광자 스펙트럼의 대역에서 방출되게 선택된다. 영향받는 상기 광 형태형성의 변수는 서로 다른 시점에, 또는 수확 적기에 있는 식물(310, 311)의 중량, 잎 수, 뿌리 무게, 줄기 높이, 화학적 성분(비타민, 미네랄, 및/또는 영양소 함량 및/또는 농도 등)등의 생물학적 파라미터 중 하나일 수 있다.
실시예(30)은 본 발명에 따라 종래의 LED와 함께 사용될 수 있음을 주목해야한다. 실시예(30, 31)는 특정 레벨의 불투명도 또는 투명도의 성장 챔버(360)로 구현하기에 적합하다.
또한, 실시예(30, 31)는 임의의 실시예 (10, 20, 40, 50, 60, 70 및/또는 80)와 쉽게 치환되거나 및/또는 결합할 수 있는 것에 또한 주목해야한다.
도 4에서, 반도체 LED 및/또는 양자 점 칩 방출 주파수는 25 nm의 반치 전폭(FWHM)의 방출 피크를 갖는 457 ㎚의 파장에서 피크를 갖는다. 이 경우, 파장 업-변환은 두 개의 업-변환 재료를 사용하여 수행된다. 이들 두 개의 파장 업-변환 재료는 660 nm와 604 nm에서 각각의 방출 피크를 갖는다. 이들 재료들은 일부 실시예에서 양자 점 또는 다른 재료일 수 있다. 도 4는 101 ㎚의 반치 전폭(FWHM)의 방출 피크를 갖는 651 nm의 파장에서 피크를 형성하는 이들 두 개의 파장 업-변환 재료로부터 결합된 방출 피크를 보여준다. 이 경우, 반도체 LED 및/또는 양자 점 칩 방출의 약 40% (피크 세기로부터 계산됨)는, 두 개의 개별적인 업-변환 재료에 의해 651 nm의 방출로 업-변환된다.
일부 실시예에서는 업-변환이 사용되지 않으며, 더 긴 파장의 스펙트럼 특성이 전력에 의해 구동되는 적어도 하나의 LED 및/또는 양자 점에 의해 방출된다.
스펙트럼(40)은 종래의 LED와 함께 사용 및 구현될 수 있음을 주목해야한다. 스펙트럼(40)은 본 발명에 따른 적어도 하나의 양자 점과 적어도 하나의 LED를 조합하여 또는 적어도 하나의 양자 점만으로 구현될 수 있다. 스펙트럼(40)은 특히 어두운 성장 공간, 또는 주위 빛이 낮은 수준의 공간에서 적어도 하나의 식물을 조명하는데 사용되기 적합하다.
또한, 실시예(40)는 임의의 실시예 (10, 20, 30, 31, 50, 60, 70 및/또는 80)와 쉽게 치환되거나 및/또는 결합할 수 있는 것에 주목해야한다.
도 5에서, 반도체 LED 및/또는 양자 점 칩 방출 주파수는 30 nm의 반치 전폭(FWHM)의 방출 피크를 갖는 470 ㎚의 파장에서 피크를 갖는다. 이 경우, 파장 업-변환은 두 개의 업-변환 재료를 사용하여 수행된다. 이들 두 개의 파장 업-변환 재료는 660 nm와 604 nm에서 각각의 방출 피크를 갖는다. 이들 재료들은 일부 실시예에서 양자 점 또는 다른 재료일 수 있다. 도 5는 105 ㎚의 반치 전폭의 방출 피크를 갖는 660 nm의 파장에서 피크를 형성하는 이들 두 개의 파장 업-변환 재료로부터 결합된 방출 피크를 보여준다. 이 경우, 반도체 LED 칩 방출의 약 60% (피크 세기로부터 계산됨)는, 두 개의 개별적인 "업-변환" 재료에 의해 660 nm의 방출로 업-변환된다.
일부 실시예에서는 업-변환이 사용되지 않으며, 더 긴 파장의 스펙트럼 특징이 전력에 의해 구동되는 적어도 하나의 LED 및/또는 양자 점에 의해 방출된다.
스펙트럼(50)은 종래의 LED와 함께 사용 및 구현될 수 있음을 주목해야한다. 스펙트럼(50)은 본 발명에 따른 적어도 하나의 양자 점과 적어도 하나의 LED를 조합하여 또는 적어도 하나의 양자 점만으로 구현될 수 있다. 스펙트럼(50)은 특히 어두운 성장 공간, 또는 주위 빛이 낮은 수준의 공간에서 적어도 하나의 식물을 조명하는데 사용되기 적합하다.
또한, 실시예(50)는 임의의 실시예 (10, 20, 30, 31, 40, 50, 60, 70 및/또는 80)와 쉽게 치환되거나 및/또는 결합할 수 있는 것에 주목해야한다.
도 6에서, 반도체 LED 및/또는 양자 점 칩 방출 주파수는 25 nm의 반치 전폭(FWHM) (도 6에는 도시되어 있지 않음)의 방출 피크를 갖는 452 ㎚의 파장에서 피크를 갖는다. 이 경우, 파장 업-변환은 한 개의 업-변환 재료를 사용하여 수행된다. 이 재료는 일부 실시예에서 양자 점 또는 다른 재료일 수 있다. 도 6은 80 ㎚의 반치 전폭의 방출 피크를 갖는 658 nm의 파장에서 피크를 형성하는 업-변환 재료로부터의 방출 피크를 보여준다. 이 경우, 반도체 LED 및/또는 양자 점 칩 방출의 약 100% (피크 세기로부터 계산됨)가 업-변환 재료에 의해 658 nm의 방출로 업-변환된다. 이것은 LED 및/또는 양자 점 장치를 여기시키는 452 nm의 방출이 없는, 도 6으로부터 알 수 있다.
일부 실시예에서는 업-변환이 사용되지 않으며, 더 긴 파장의 스펙트럼 특징이 전력에 의해 구동되는 적어도 하나의 LED 및/또는 양자 점에 의해 방출된다.
스펙트럼(60)이 종래의 LED와 함께 사용 및 구현될 수 있음을 주목해야한다. 스펙트럼(60)은 본 발명에 따른 적어도 하나의 양자 점과 적어도 하나의 LED를 조합하여 또는 적어도 하나의 양자 점만으로 구현될 수 있다. 스펙트럼(60)은 특히 어두운 성장 공간, 또는 주위 빛이 낮은 수준의 공간에서 적어도 하나의 식물을 조명하는데 사용되기 적합하다.
또한, 실시예(60)는 임의의 실시예 (10, 20, 30, 31, 40, 50, 70 및/또는 80)와 쉽게 치환되거나 및/또는 결합할 수 있는 것에 주목해야한다.
도 7에서, 반도체 LED 및/또는 양자 점 칩 방출 주파수는 25 nm의 반치 전폭(FWHM)의 방출 피크를 갖는 452 ㎚의 파장에서 피크를 갖는다. 이 경우, 파장 업-변환은 한 개의 업-변환 재료를 사용하여 수행된다. 이 재료는 일부 실시예에서 양자 점 또는 다른 재료일 수 있다. 도 7은 78 ㎚의 반치 전폭의 방출 피크를 갖는 602 nm의 파장에서 피크를 형성하는 업-변환 재료로부터의 방출 피크를 보여준다. 이 경우, 반도체 LED 및/또는 양자 점 칩 방출의 약 95% (피크 세기로부터 계산됨)가 파장 업-변환 재료에 의해 602 nm의 방출로 업-변환된다.
일부 실시예에서는 업-변환이 사용되지 않으며, 더 긴 파장의 스펙트럼 특징이 전력에 의해 구동되는 적어도 하나의 LED 및/또는 양자 점에 의해 방출된다.
스펙트럼(70)은 종래의 LED와 함께 사용 및 구현될 수 있음을 주목해야한다. 스펙트럼(70)은 본 발명에 따른 적어도 하나의 양자 점과 적어도 하나의 LED를 조합하여 또는 적어도 하나의 양자 점만으로 구현될 수 있다. 스펙트럼(70)은 특히 어두운 성장 공간, 또는 주위 빛이 낮은 수준의 공간에서 적어도 하나의 식물을 조명하는데 사용되기 적합하다.
또한, 실시예(70)는 임의의 실시예 (10, 20, 30, 31, 40, 50, 60 및/또는 80)와 쉽게 치환되거나 및/또는 결합할 수 있는 것에 주목해야한다.
도 8은 식물에서 바이오매스 생산을 극대화하는 최적화된 스펙트럼(80)을 보여준다. 최적화된 스펙트럼은 본 출원에서 기술된 본 발명의 조명 장치로서 바람직하게 생산된다. 스펙트럼(80)은 성장 챔버가 어두운 챔버, 즉 햇빛 및/또는 주위 빛이 제로 또는 낮은 수준의 성장 챔버 재배에서 특별한 장점을 갖는다. 스펙트럼(80)을 발생시키는 본 발명의 조명 장치는 상기 챔버 내에 배치될 수 있고, 본 발명에 따라 바이오매스 생산을 극대화한다. 발명가는 바이오매스를 극대화하는 스펙트럼(80) 특성을 실험적으로 발견했다.
또한 실시예(80)는 임의의 실시예 (10, 20, 30, 31, 40, 50, 60 및/또는 70)와 쉽게 치환되거나 및/또는 결합할 수 있는 것에 주목해야한다.
사용되는 LED 및/또는 양자 점 재료와 크기는 LED 및/또는 양자 점 장치로부터 원하는 방출 스펙트럼을 성취하는 방식으로 선택되어야 한다.
요약하면, LED, 양자 점 종(species) 및/또는 크기 분포를 조정하여, LED 및/또는 양자 점 장치로부터 원하는 방출 스펙트럼을 조정할 수 있고, 양자 점 및/또는 LED 수를 조정하여, 발광 장치에 대한 원하는 양자 점 칩 방출 수량/방출량을 조정할 수 있다.
또한, 본 발명은 600 내지 700 nm의 파장 범위에 피크를 포함하는 스펙트럼 특성을 갖는 적어도 하나의 LED 및/또는 양자 점을 포함하는 식물의 성장을 촉진하기 위한 조명설비에 관한 것이다.
이 접근 방법을 사용하여, 광 소스는 기존 기술에 비해 우수한 PPF 및 와트 효율당 PPF, 우수한 성능, 매우 낮은 전력 소비 및 매우 긴 작동 수명에 도달하도록 설계될 수 있고, 이것은 광 소스를 어두운 성장 챔버에서 매우 유용하게 한다.
일부 실시예에서, 300-500 ㎚의 주파수에서의 방출은 반도체 LED 칩에 의해 발생하고, 400-800 ㎚의 주파수에서의 방출은 LED 칩 방사선 전력의 전체 또는 일부의 파장 업-변환을 사용하여 발생한다. 일부 파장 업-변환은 반도체 LED 칩 방사선의 5-95%, 바람직하게는 35-65%의 범위가 되도록 선택될 수 있다. 400-800 nm의 방사선을 발생시키는 파장 업-변환은 일부 실시예에서 LED 방출 소스 가까이에서 하나 이상의 업-변환 재료를 사용하여 달성된다.
이 응용에서, 상기에서와 같은 "조정 가능한(adjustable)" 피크 파장은 공장에서 조명 설비를 조립하는 동안 조정될 수 있는 피크 파장으로서 해석되고, 및/또는 또한, 현장에서의 피크 파장 조정을 위한 조명 설비의 조정 다이얼에서의 "조정 가능한"으로 해석된다. 또한, 장치의 제조 과정에서 LED 및/또는 양자 점의 피크 파장을 조절하는 것은 본 발명에 따르며, "조정 가능한"은 LED 및/또는 양자 점의 제조 과정 중에 형성된 조정을 또한 포함하는 것으로 해석되어야한다. 상기에서 언급된 모든 조정가능한 피크 파장의 실시예들, 또는 다른 조정가능한 광 소스, LED 및/또는 양자 점 변수는 본 특허 출원의 영역 내에 있다.
본 발명의 하나의 특별한 예시적인 실시예에서, 대략 +/- 0.5nm 입자 크기 분포를 갖는 6.6 nm의 평균 입자 크기의 CdSe-ZnS(코어-쉘) 양자 점 나노 입자는 두 개의 구성 요소인 실리콘 밀봉재 수지(encapsulant resin)로 혼합되었다. 혼합 비율은 실리콘 수지 내에 나노 입자의 0.2 w/% 였다. 수지 함유 나노 입자는 플라스틱 리드 칩 캐리어(PLCC) 공간에서 InGaN 발광 다이오드를 구성하는 PLCC 안에 밀봉재로서 분포되었다. 발광 다이오드는 450nm의 파장 범위에서 전자 발광성 방출(electroluminescent emission)을 갖도록 결정되었다.
밀봉 재료를 함유하는 나노 입자를 갖는 InGaN 함유 PLCC 패키지는 3.2V의 순방향 전압과 350mA의 전류를 갖는 DC 전압 전원에 연결되었다. 장치의 광 방출 스펙트럼은 450nm의 파장 범위에서의 하나의 방출 피크와 660nm의 파장 범위에서의 두 번째의 발광 피크인 두 개의 방출 피크를 특징으로 한다. 반 최대로 660nm의 파장 범위의 방출 피크의 반치 전폭은 대략 60 nm 이상으로 되는 것이 관찰되었다. 450nm와 660nm 피크의 세기 비는 0.5:1 이였다. 앞서 언급한 실험은 출원인에 의해 실시되었다.
본 발명에 따르면, 결정된 성장 결과 또는 생리적 반응을 성취하는 바람직한 스펙트럼 방출을 제공하기 위해, 하나의 조명설비에서 다른 피크 방출을 갖는 LED 및/또는 양자 점을 포함하며, 이들을 제어하는 것이다. 이러한 방식으로, 조명 시스템은 조명 세기와 스펙트럼의 다양한 제어를 할 수 있다. 궁극적으로, CO2 농도, 온도, 일광 가용성 및 습도와 같은 다른 비생물학적 파라미터의 제어는 작물의 생산성과 온실의 전체적인 관리를 최적화하는 조명과 함께 동일한 제어 시스템 내에서 통합될 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예들을 참조하여 설명하였고, 여러 상업적 및 산업적 장점이 입증되었다. 본 발명의 방법과 장치는 식물 재배에 사용되는 빛의 방출 스펙트럼을 더욱 정확하게 스펙트럼 조정할 수 있게 한다. 본 발명은 따라서 식물 성장의 광 형태형성의 제어에서의 예상치 못한 개선 및, 특히, 지하실과 같은 어두운 성장 챔버에서 식물 생산의 추가적인 개선을 실현하고 있다. 또한, 본 발명은 인공 조명에 의존하는 식물 재배의 에너지 효율을 상당히 향상시킨다. 더욱이, 수확의 품질이 본 발명의 조명 장치에 의해 매우 개선되고 어두운 성장 챔버 또는 주위의 빛이 매우 제한된 챔버 내에서 재배와 관련된 많은 장점을 갖는데; 첫째로, 식물이 소비 지역과 가까운 곳에서 성장할 수 있는데, 예를 들어 큰 도시의 주거용 거주지에서 성장할 수 있고, 따라서 운송 비용을 제거하고, 둘째로. 농업이 전통적으로 가능하지 않은 지역, 예를 들면 여름에 뜨거운 사막 상태의 지역에서 식물이 지리적으로 성장될 수 있고, 셋째로, 식물의 품질이 향상되면 또한 개별적인 식물 간의 일관성이 향상되어 수확을 쉽게 하게 된다. 이것은 거부된 개체가 적고, 기계 비전 기반의 수확용 장비에 의한 수확이 일관된 품질, 크기 및 색상을 갖는 더 좋은 식물로 인식될 수 있기 때문이다. 넷째로, 거의 모든 성장 파라미터가 제어하에 있기 때문에, 식물의 특성이 통제된 방식으로 변경될 수 있고, 이것은 특히 꽃과 관상용 식물을 재배할 때 유용하다. 다섯째로, 영양분 투여가 일 년 내내 동일하게 유지될 수 있도록, 식물을 위한 광자를 매일 일정하게 투여하여 영양분의 관리에 도움이 된다. 여섯째로, 매우 덥고 햇빛이 있는 지역에서, 식물은 햇빛이 반사되는 어둡고 불투명한 성장 챔버에서 재배될 수 있다. 본 발명의 인공 조명에 소비되는 에너지는 햇빛 아래에서 식물을 에어컨 가동하거나 냉각하는데 소비되는 에너지보다 훨씬 적다.
본 발명은 전술한 실시예를 참조하여 위에서 설명하였다. 그러나, 본 발명이 이들 실시예에 한정되지 않을 뿐만 아니라, 본 발명의 정신과 영역 내에서 그리고 다음 특허 청구의 범위 내에서 모든 가능한 실시예들을 포함하는 것이 명백하다.
110, 120, 130, 140, 150, 160: 양자 점
100, 320, 321, 322: 조명 장치
50, 340, 350: 스펙트럼
300: 온실
301: 투명한 벽
311: 식물
360: 성장 챔버

Claims (31)

  1. 적어도 하나의 LED 및/또는 양자 점을 포함하며 어둡거나 또는 그늘진 공간에 수용되는 원예용 조명 설비에 있어서,
    상기 적어도 하나의 LED 및/또는 양자 점은,
    a) 600 내지 700 nm의 파장 범위에 있는 피크를 가지며, 적어도 50 nm 이상의 반치 전폭(full width at half maximum)을 나타내도록 배열된 제1 스펙트럼 특성; 및
    b) 최대 50 nm의 반치 전폭을 갖고 440 내지 500 nm 범위에서 피크 파장을 나타내도록 배열된 제2 스펙트럼 특성을 포함하는 원예용 조명 설비.
  2. 적어도 하나의 LED 및/또는 양자 점을 포함하며 어둡거나 또는 그늘진 공간에 수용되는 원예용 조명 설비에 있어서,
    상기 적어도 하나의 LED 및/또는 양자 점은,
    a) 600 내지 700 nm의 파장 범위에 있는 피크를 가지며, 적어도 50 nm 이상의 반치 전폭을 나타내도록 배열된 제1 스펙트럼 특성; 및
    b) 최대 50 nm의 반치 전폭을 갖고 440 내지 500 nm 범위에서 피크 파장을 나타내도록 배열된 제2 스펙트럼 특성을 포함하며,
    c) 500-600 ㎚의 파장에서 방출의 적어도 일 부분 또는 전체는 최소화되거나 및/또는 생략되게 배치되고, 및/또는 400-500 nm 대역에서의 세기 이하로 그리고 600-700 nm 대역에서의 세기 이하로 감소하도록 배치되는 원예용 조명 설비.
  3. 청구항 1에 있어서,
    500-600 ㎚의 파장에서 방출의 적어도 일 부분 또는 전체는 최소화되거나 및/또는 생략되게 배치되고, 및/또는 400-500 nm 대역에서의 세기 이하로 그리고 600-700 nm 대역에서의 세기 이하로 감소하도록 배치되는 원예용 조명 설비.
  4. 청구항 1, 청구항 2 및/또는 청구항 3에 있어서,
    상기 LED 및/또는 양자 점은 500 내지 800 nm에서의 파장 범위에서 자유롭게 조절가능한 피크를 기지며, 적어도 30 nm의 반치 전폭을 나타나게 배치되는 스펙트럼 특성을 가지는 원예용 조명 설비.
  5. 청구항 1, 청구항 2, 청구항 3 및/또는 청구항 4에 있어서,
    상기 LED 및/또는 양자 점의 제1, 제2 및 선택적인 제3 스펙트럼 특성의 방출 세기는 조절되도록 배치되는 원예용 조명 설비.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 LED 및/또는 양자 점을 포함하며, 상기 제2 LED 및/또는 양자 점은 최대 50 nm의 반치 전폭을 갖고 400 내지 500 nm 범위에서 피크 파장을 나타내는 적어도 하나의 스펙트럼 특성과, 선택적으로 450 nm 내지 800 nm의 범위에서 자유롭게 조절가능한 피크 파장을 가지도록 배치되는 제2 및 제3 스펙트럼 특성을 갖는 원예용 조명 설비.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    와트당 설비의 PPF 값은 0.35 μmols-1 m-2 이상인 원예용 조명 설비.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    스펙트럼 방출 특성; 세기, 피크 파장 및 반치 전폭은 양자 점의 크기, 개수 및 종(species)에 의해 제어되는, 원예용 조명 설비.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 제1 LED 및/또는 양자 점은 600 내지 700 nm의 파장 범위 내에 피크 파장을 가지며, 적어도 50 nm의 반치 전폭을 적어도 나타내도록 배열되는 제1 스펙트럼 특성을 가지며,
    b) 제1 LED 및/또는 양자 점은 또한 440 내지 500 nm 파장 범위에서 피크를 포함하는 제2 스펙트럼 특성을 가지며,
    c) 제1 LED 및/또는 양자 점은 적어도 30 nm의 반치 전폭을 나타내도록 배열된 500 nm 내지 800 nm의 범위에서 자유롭게 조절가능한 피크 파장의 제3 스펙트럼 특성을 선택적으로 가지며,
    d) 제1, 제2 및 선택적인 제3 스펙트럼 특성의 방출 세기는 임의의 비율로 조정가능한 원예용 조명 설비.
  10. 청구항 9에 있어서,
    제2 LED 및/또는 양자 점을 포함하며, 상기 제2 LED 및/또는 양자 점은 최대 50 nm의 반치 전폭을 갖고 400 내지 500 nm 범위에서 피크 파장을 포함하는 적어도 하나의 스펙트럼 특성을 가지며, 450 nm 내지 800 nm의 범위에서 자유롭게 조절가능한 피크 파장을 가지는 선택적인 제2 및 제3 스펙트럼 특성을 가지는 원예용 조명 설비.
  11. 청구항 1 또는 청구항 2에 따른 식물 재배를 위한 식물 재배용 조명 장치에 있어서,
    상기 식물 재배용 조명 장치(100)는 다른 크기의 복수의 양자 점(110, 120, 130, 140, 150, 160)을 포함하는 것을 특징으로 하는 식물 재배용 조명 장치.
  12. 청구항 1, 청구항 2 및/또는 청구항 11에 있어서, 적어도 하나의 LED 및/또는 상기 복수의 양자 점(110, 120, 130, 140, 150, 160)의 크기 분포는, 방출 스펙트럼이 그린 옐로우(500-600)nm에서 생략되거나, 또는 매우 낮은 세기를 제공하며, 먼 레드(far red) 700-800 nm 대역에서 높은 세기의 스펙트럼 특성을 포함하는 것을 제외하고는, 광합성 활성 방사(photosynthetically active radiation)(PAR) 스펙트럼과 유사한 총 방출 스펙트럼(aggregate emission spectrum)을 발생시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 식물 재배용 조명 장치.
  13. 청구항 11에 있어서,
    적어도 하나의 상기 양자 점의 크기는 하나의 대역에서 또는 다양한 대역에서, 식물에서의 특정 광 형태형성 효과(photomorphogenetic effect)를 갖는 광자 스펙트럼에서 미리 설정된 상대적 세기를 갖는 광자를 방출하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 식물 재배용 조명 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 광 형태형성 효과에 의한 변수는 다음 생물학적 파라미터: 서로 다른 시점에서 또는 수확 적기에서 식물의 중량, 잎 수, 뿌리 무게, 줄기 높이, 화학적 성분(비타민, 미네랄, 및/또는 영양소 함량 및/또는 농도 등) 중 하나인 것을 특징으로 하는 식물 재배용 조명 장치.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 양자 점(110, 120, 130, 140, 150, 160)의 적어도 하나는 다음 합금: 셀렌화 카드뮴(cadmium selenide), 황화 카드뮴(cadmium sulphide), 비화 인듐(indium arsenide), 인화 인듐(indium phosphide) 및/또는 황화 셀렌화 카드뮴(cadmium selenide sulphide) 중 하나로 제조되는 것을 특징으로 하는 식물 재배용 조명 장치.
  16. 청구항 11에 있어서,
    양자 점(110, 120, 130, 140, 150, 160)의 크기 분포는 2 nm - 200 nm의 범위 내의 다른 크기의 양자 점을 포함하는 것을 특징으로 하는 식물 재배용 조명 장치.
  17. 청구항 11에 있어서,
    적어도 하나의 상기 양자 점(110, 120, 130, 140, 150, 160)은 콜로이드 합성 공정에 의해 생산되는 것을 특징으로 하는 식물 재배용 조명 장치.
  18. 청구항 1, 청구항 2 및/또는 청구항 11에 있어서,
    LED 및/또는 적어도 하나의 양자 점(110, 120, 130, 140, 150, 160)의 크기는 먼 레드 700-800 nm 대역에서 방출되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 식물 재배용 조명 장치.
  19. 청구항 1 또는 청구항 2에 따른 온실 및/또는 성장 챔버 조명 장치에 있어서,
    상기 조명 장치는 적어도 하나의 양자 점(110, 120, 130, 140, 150, 160)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 온실 및/또는 성장 챔버 조명 장치.
  20. 어둡거나 그늘진 공간에서 원예용 빛의 발광 구성 요소로서,
    - 발광 다이오드(LED) 반도체 칩; 및
    - LED 반도체 칩에 바로 근접하여 증착되는 광 파장 업-변환 양자 점(light wavelength up-conversion quantum dot) 또는 형광체(phosphor)를 포함하며,
    상기 발광 구성 요소는 두 가지 특성의 발광 피크를 방출할 수 있고, 500-600 ㎚의 파장에서 방출의 적어도 일부 또는 전부를 최소화하거나 및/또는 생략하고, 및/또는 400-500 nm의 대역 세기 이하로 그리고 600-700 nm의 대역 세기 이하로 감소되게 배치되는, 원예용 빛의 발광 구성 요소.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 광 파장 업-변환 양자 점 또는 형광체는 LED 칩의 표면에 직접 증착되거나 또는 다른 광학 재료와 떨어져서 증착되는, 원예용 빛의 발광 구성 요소.
  22. 청구항 20 또는 청구항 21에 있어서,
    상기 발광 다이오드 LED 반도체 칩은 440 내지 500 nm의 피크 방출 범위를 갖는, 원예용 빛의 발광 구성 요소.
  23. 청구항 20 내지 청구항 22 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 파장 업-변환 양자 점 또는 형광체는 LED 반도체 칩에 의해 방출된 발광 에너지의 일부를 600 내지 700 ㎚의 높은 파장으로 변환하도록 배치되는, 원예용 빛의 발광 구성 요소.
  24. 청구항 20 내지 청구항 23 중 어느 한 항에 있어서,
    두 개의 특성 발광 피크는 각각 440-500 nm 및 600-700 nm에 있는, 원예용 빛의 발광 구성 요소.
  25. 청구항 20 내지 청구항 24 중 어느 한 항에 있어서,
    두 개의 특성 발광 피크는 적어도 50 nm의 반치 전폭과 다른 최대 50 nm의 반치 전폭 중 하나의 스펙트럼 특성을 생략하고 다른 파장 범위에서는 스펙트럼 특성 둘 다 생략하는, 원예용 빛의 발광 구성 요소.
  26. 적어도 하나의 식물을 위해 빛을 제공하는 청구항 1 및/또는 청구항 2의 조명 장치 또는 설비의 사용 방법에 있어서,
    상기 적어도 하나의 식물은 주변 빛 또는 어두운 공간에서 유일한 광원으로서 조명 장치 또는 설비를 갖는, 조명 장치 또는 설비의 사용 방법.
  27. 적어도 하나의 식물을 위해 빛을 제공하는 청구항 20의 조명 장치 또는 설비의 사용 방법에 있어서,
    상기 적어도 하나의 식물은 주변 빛 또는 어두운 공간에서 유일한 광원으로서 조명 장치 또는 설비를 갖는, 조명 장치 또는 설비의 사용 방법.
  28. 식물의 성장을 향상시키기 위한 식물 성장 향상 방법으로서,
    청구항 1 또는 청구항 2의 적어도 하나의 조명 장치 또는 설비는 적어도 하나의 식물에 빛을 제공하며, 상기 적어도 하나의 식물은 주변 빛 또는 어두운 공간에서 유일한 광원으로서 조명 장치 또는 설비를 갖는 식물 성장 향상 방법.
  29. 식물의 성장을 향상시키기 위한 식물 성장 향상 방법으로서,
    청구항 20의 적어도 하나의 발광 구성 요소는 적어도 하나의 식물에 빛을 제공하며, 상기 적어도 하나의 식물은 주변 빛 또는 어두운 공간에서 유일한 광원으로서 조명 장치 또는 설비를 갖는 식물 성장 향상 방법.
  30. 청구항 1, 청구항 18, 청구항 19 및/또는 청구항 20 중 어느 한 항의 발광 장치, 설비 및/또는 구성 요소로서,
    상기 발광 장치, 설비 및/또는 구성 요소는 선택적으로 뚜껑(lid)으로 닫을 수 있는 빛 가림 공간(shading cavity)에 의해 둘러싸여 있는, 발광 장치, 설비 및/또는 구성 요소.
  31. 청구항 1, 청구항 18, 청구항 19 및/또는 청구항 20 중 어느 한 항의 발광 장치, 설비 및/또는 구성 요소로서,
    600-800 ㎚의 주파수에서 방출의 전체 또는 일부가 LED 및/또는 양자 점 칩 방사 전력의 전체 또는 부분적인 파장-업 변환을 사용하여 및/또는 다른 전기적으로 구동되는 양자 점에 의해 발생되는, 발광 장치, 설비 및/또는 구성 요소.
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