KR20170058915A - 광합성 전자전달계를 작동시키는 광자 엔진 시스템 - Google Patents

광합성 전자전달계를 작동시키는 광자 엔진 시스템 Download PDF

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KR20170058915A
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지덴코 그라즈카
케빈 페인
피터 심코
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온스 이노베이션스, 인코포레이티드
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Abstract

광합성 전자전달계의 대사회전 시간에 비례한 비작동 시간으로 펄싱되는 조명 소자를 가지는 원예 시스템. 조명 소자는 식물 색소의 최대 흡수의 20 nm 내 파장에서 빛을 방출하고 식물이 필요로 하는 바와 같은 소정의 간격에서 빛을 제공하도록 제어되어 광합성을 야기하고 과잉의 비생산성 빛을 감소시킨다.

Description

광합성 전자전달계를 작동시키는 광자 엔진 시스템{PHOTONIC ENGINE SYSTEM FOR ACTUATING THE PHOTOSYNTHETIC ELECTRON TRSPORT CHAIN}
우선권의 주장
본 출원은 제목이 "Light Sources Adapted to Spectral Sensitivity of Plants"이고 2014년 7월 21일에 출원된 미국 가출원 일련 번호 62/027,049, 제목이 "Photonic Engine System for Actuating the Photosynthetic Electron Transport Chain"이고 2014년 10월 9일에 출원된 미국 가출원 일련 번호 62/061,933, 및 제목이 "Photonic Engine System for Actuating the Photosynthetic Electron Transport Chain"이고 2015년 1월 13일에 출원된 미국 가출원 일련 번호 62/102,637에 대한 우선권을 주장하고 이들을 기반으로 하며, 본 출원은 이들 각각의 우선권의 이익을 주장하고, 이들 각각은 본 명세서에 전체가 참고로 포함되어 있다.
기술분야
본 발명은 식물 성장에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 광합성을 향상시기키 위해 식물에 방사하는 방법 및 조립체에 관한 것이다.
광합성 공정 동안 식물이 다양한 주파수의 광을 흡수하여 광합성이 일어나게 한다는 것은 당업계에 잘 공지되어 있다. 특히, 광합성 유효 방사선(photosynthetically active radiation; PAR)은 대략 400 나노미터(nm) 내지 700 nm 스펙트럼 범위의 방사선이다. 또한, 가장 풍부한 식물 색소이면서 식물 대사에 관여하는 색소인 엽록소는 적색광 및 청색광을 포획할 때 가장 효율적임이 당업계에 공지되어 있다.
광합성 동안 식물의 엽록소 색소는 광자를 흡수하여 대사 공정을 구동하고 광자 내 기타 다른 에너지를 소산시킨다. 동시에 적색광/근적외선 및 청색광/UV-A 및 UV-B 광센서 또는 광수용체인 기타 다른 색소는 화학적으로 반응하여 식물의 거동 및 발달을 조절한다. 따라서, 적색 및 청색 스펙트럼 광을 제공함으로써, 식물은 증가된 속도로 성장하는 것으로 나타났다.
추가적으로, 또한 식물은 대사회전(turn over), 또는 암기의 시간을 필요로 한다는 것이 당업계에 공지되어 있다. 특히, 색소가 광자를 수용하고 대사 공정을 거치고 있을 때, 색소는 추가적인 광자를 수용할 수 없다. 또한, 추가적인 광자가 식물에 들어갈 때, 색소는 대사를 계속 시도하게 되어 따라서 식물을 혹사시키거나 피로하게 할 것이다. 구체적으로, 광저해는 식물의 광합성 능력의 감소를 유도하는 광 현상, 즉 광화학계 II(PSII)에 대한 광-유도 손상이다. 광화학계 II는 빛의 세기에 관계없이 빛에 의해 손상을 입으며, (통상적인 고등 식물의 잎에서) 손상 반응의 양자 수율은 10-8 내지 10-7의 범위이다. 하나의 PSII 복합체는 차단되는 매 천만 개 내지 1억 개 광자에 대해 손상을 받으며, 따라서 광저해는 모든 빛의 세기에서 일어나고 광저해의 속도 상수는 제곱미터 당 줄(Joule)로 측정되는 식물의 방사 조사량 또는 플루엔스에 직접 비례한다. 광 전자 전달 효율은 손상 속도가 PSII 단백질 합성을 필요로 하는 복구 속도를 초과할 때에만 현저하게 감소한다.
광합성 장치가 산소 생성 또는 CO2 고정 과정에서 효율적으로 이용될 수 없는 광자를 흡수할 때 2차 손상이 일어난다. 과잉 광자의 에너지는 비동화성 광화학에 의해 소산되며, 이의 정도는 광합성 복합체의 능력을 초과하는 빛의 세기로 선형적으로 증가할 것으로 예상된다. 과잉 광자는 반응 산소종(reactive oxygen species; ROS)을 생성함으로써 산화 스트레스를 생성한다. 낮은 광 수준에서는, ROS-소거 효소(수퍼옥사이드 디스뮤타제, 아스코르베이트 퍼옥시다제) 및 다수의 산화방지제(β-카로틴, α-토코페롤)를 포함하는 산화방지 시스템에 의해 용납가능한 수준으로 ROS의 수준을 감소시킬 수 있다. 그러나, ROS의 생성은 가속화되고, 높은 수준의 ROS는 상당한 산화 스트레스를 야기한다. ROS는 PSII에 대한 광 손상을 가속화하지 않지만, 대신에 PSII의 복구를 저해한다.
그러므로, 본 발명의 주된 목적은 광원을 사용하여 식물에서 성장 특징을 향상시키는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 식물 성장을 향상시키는 비용 효과적인 조명을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 다수의 식물에서 사용되는 조명 조립체를 제공하는 것이다. 이들 및 기타 다른 목적, 특성 및 이점은 명세서의 나머지 부분으로부터 명백하게 될 것이다.
식물 색소의 최대 흡수의 20 nm 내 파장에서 빛을 방출하는 인공 조명 소자를 가지는 인공 조명 하에서 식물을 성장시키기 위한 원예 시스템. 조명 소자는 식물에 대하여 간격을 두고 배치되어 광합성을 위해 식물이 방출되는 빛을 흡수하도록 한다. 추가적으로, 조명 소자는 펄싱되어 동시에 발생하지 않는 소정 간격의 명기와 암기를 제공하고, 대신에 광합성 전자전달계의 대사회전 시간에 비례하는 암기 간격을 제공한다. 식물 색소의 최대 흡수의 20 nm 내 파장에서 유사하게 빛을 방출하고 광합성 전자전달계의 대사회전 시간에 비례하여 다시 펄싱되어 식물 성장을 가져오는 추가적인 조명 소자가 또한 사용된다.
본 개요는 본 특허 출원의 주제의 개요를 제공하기 위한 것이다. 이는 본 발명의 배타적이거나 완전한 설명을 제공하기 위한 것이 아니다. 본 특허 출원에 관한 정보를 추가로 제공하기 위해 상세한 설명이 포함되어 있다.
반드시 축척대로 그려진 것은 아니지만, 도면에서 같은 숫자는 상이한 도면에서 유사한 구성요소를 설명할 수 있다. 상이한 문자 접미사를 가지는 같은 숫자는 유사한 구성요소의 상이한 경우를 나타낼 수 있다. 도면은 일반적으로 본 문서에서 논의된 다양한 구현예를 제한하지 않고 예로서 예시한다.
도 1은 식물을 성장시키기 위한 제어된 환경에서 조명 조립체의 측면 사시도이다.
도 2는 식물을 성장시키기 위한 조명 조립체의 블록 다이아그램이다.
도 3은 식물을 성장시키기 위한 조명 조립체의 트레이의 상부 평면도이다.
도 4는 식물을 성장시키기 위한 조명 조립체에 대한 회로의 개략도이다.
도 5는 파장 범위에 걸쳐서 엽록소 A, 엽록소 B 및 카로티노이드에 의해 흡수되는 빛의 양을 나타내는 그래프이다.
도 6은 식물을 성장시키기 위한 조명 조립체에 대한 회로의 개략도이다.
도 7은 도 6의 회로에 대하여 전압 및 입력 전류에 대한 파형을 나타내는 그래프이다.
도 8은 원예 시스템용 조명 장치의 회로의 개략도이다.
도 9는 도 8의 상이한 조명 소자에 대한 시간의 함수로서 입력 전압을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 광합성 동안 일어나는 화학 반응에 추점을 맞추며, 엔진으로서 빛을 사용하여 광합성 반응을 효율적으로 야기하고 궁극적으로 광합성의 광화학 반응을 일시적으로 저해하고 속도를 늦추는 보조 광화학 반응으로 생기는 원치않는 광저해를 최소화시킨다.
광합성 동안, 2 가지 복합체, 즉 광화학계 I 및 주로 광화학계 II가 광합성 전자전달계(photosynthetic electron transport chain; PETC)를 제공하여 물의 산화, 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드 인산(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate; NADP+)의 환원, 및 세포가 전기적으로 대전된 상태를 유지하는 것에 관여하고 또한 식물 및 동물 모두에 있어서 생명의 에너지 통화로 공지된 화학물질인 아데노신 삼인산(Adenosine triphosphate; ATP)의 생성을 유발하는 사이토크롬 βf와 반응한다.
과학자들은 광화학계 II(PSII)가 빛이 반응하여 이러한 광화학 반응을 야기하는 중요한 복합체라는 것을 알아내었다. 특히 광화학계 II 복합체는 일차 및 이차 퀴논인 QA 및 QB를 가지는 상호연결된 D1-폴리펩티드 및 D2-폴리펩티드를 포함한다. D1-폴리펩티드는, 또한 일차 전자 공여체 및 수용체인 P680과 페오피틴에 대한 결합 부위를 가지면서, 이차 퀴논 수용체인 QB에 결합한다. P680은 680 nm에서 최적으로 빛을 흡수하는 2 개의 엽록소 α 분자로 형성된다. D1-폴리펩티드는 또한 망간 복합체 MN4Ca와 P680+/Pheo- 라디칼쌍 상태 사이의 산화환원 중간체인 티로신 잔기를 가진다. D1-폴리펩티드는 또한 P680 및 D2-폴리펩티드를 가지는 망간 복합체와 함께 비헴철(non-haem iron)(Fe)을 공유한다. 또한 광화학계 II 복합체를 형성하는 것은 사이토크롬 b559, 집광성 엽록소 CP43 및 CP47, β-카로틴 및 외인성 단백질 16, 23 및 33이다.
빛이 광화학계 II에 들어가면, 빛은 광 활성화 P680을 반응시키고 물 분자에서 4 개의 전자를 제거한다. 구체적으로, P680은 전자를 페오피틴으로 전달한다. 이 때, P680 상에 양전하가 형성되어 망간에 결합된 물에서 전자를 추출하는 P680+을 제공한다. 이는 4 개의 전자가 2 개의 물분자로부터 전달되어 부산물인 O2를 생성할 때까지 반복된다. 한편, 전자는 페오피틴에서 일차 퀴논인 QA로 전달된다. 그 다음, 전자는 이차 퀴논인 QB로 전달되어 스트로마에서 2 개의 전자를 포착하여 플라스토퀴놀, 즉 PQH2를 형성한다. 그 다음 형성된 플라스토퀴놀은 전자를 사이토크롬 βf를 통한 전자전달계를 통하여 광화학계 I 복합체로 전달한다.
광화학계 I은 2 가지 주요 구성성분, 즉 psaA 및 psaB를 가지고, 광화학계 II와 유사하게 광화학계 I은 빛을 흡수하는 2 개의 엽록소 α 분자를 포함하지만, 680 nm에서 최적으로 빛을 흡수하는 대신에, 이들 엽록소 α 분자는 700 nm에서 최적으로 빛을 흡수하고, 따라서 P700이다. PSI는 또한 결합형 퀴논 QA, 및 4Fe-4S 클러스터 세트를 포함한다.
광자가 식물에 들어갈 때, P700 전자는 4Fe-4S 클러스터로 전달되고, 전자는 스트로마에서 페레독신(Fd)으로 전달되어 양전하를 가지는 P700, 즉 P700+을 생성한다. 페레독신은 4 개의 시스테인 잔기에 배위된 2Fe-2S 클러스터를 가지는 수용성의 이동성 전자 운반체이다. 그 다음, 플라스토시아닌은 전자를 P700+으로 전달한다. 그 다음, FAD를 포함하는 향미 단백질은 환원효소로서 작용하여 페레독신으로부터 전자를 수용하고, 그 다음 수소화물을 NADP+로 전달하는 FADH2를 형성하여 NADPH를 형성하며, 따라서 당업계에 공지된 바와 같은 ATP 합성을 구동한다. 따라서, 전자전달계를 통하여 전자가 물로부터 전달되어 ATP 합성을 초래한다.
이러한 자연의 기적은 식물 생활의 대부분을 위한 기반이지만; 그러나 비효율성이 계속 남아있다. 특히, 예를 들어 PSII 복합체 내에서 P680+은 매우 반응성이 강하며, 과도하게 생성되면 기타 다른 화학물질, 예컨대 이용가능한 엽록소, chl670 및 β-카로틴과 반응하여 광 유도 손상을 초래한다. 특히, D1-폴리펩티드가 P680+을 형성하여 필요한 전자 전달을 수행할 때, D1-폴리펩티드의 단백질 가수분해가 일어나서 D1-폴리펩티드, 결과적으로 PSII를 복구하여 다시 전자 전달에 PSII를 사용할 수 있게 하는 D1-단백질 합성을 요구한다. 이러한 단백질 가수분해 및 궁극적으로 D1-단백질 합성 기간 동안, 과잉의 P680+은 기타 다른 화학물질, 예컨대 chl670 및 β-카로틴과 반응하여 이로부터 전자를 추출하여 P680+이 적절하게 기능하지 않게 하고 식물에 대한 손상 또는 광저해를 야기하게 한다. 특히, 식물은 PSII 시스템에서 산화방지제로서 작용하는 다기능성 카로테노이드를 합성한다. 이러한 방식으로, 산화방지제는 산화방지제의 형성을 통하여 PSII 및 식물에 대한 손상을 방지하는 면역계로서 기능한다. 이러한 공정은 엄청난 양의 에너지가 광합성 반응을 최대화시키는 데 사용되는 대신에 낭비되게 한다. 따라서, PSII로 전달되는 양성자의 양을 조절하여 과잉의 P680+ 생성 및 과잉의 chl670 화학물질과의 화학 반응을 최소화시킴으로써, 광 유도 손상을 최소화하고 식물 성장을 최대화시킨다. 이 영역에서 에너지 사용을 제거함으로써, 에너지는 거의 독점적으로 성장에 사용될 수 있다. 특정 식물 내 영양가가 산화방지제를 요구하는 경우, 식물을 성장시키는 보다 효율적인 방법은 전체 성장 주기 동안 이러한 산화방지제의 형성을 방지하는 것이며, 이 후 성장 주기의 종료시 식물은 일정한 빛을 받아 성장이 가장 이상적으로 저해되는 때에 산화방지제가 형성되게 할 수 있다.
식물이 필요로 하는 광자의 양을 결정하는 첫 번째 방법은 PSII 내 S-상태 전이를 살펴보는 것이다. 제3, 제7, 제11 섬광 후 섬광이 산소 방출을 야기하는 것으로 나타나서, 암기에 있는 식물은 S1 상태에 있고 각각의 섬광은 광자가 PSII에 의해 수용되도록 하여 화학 반응을 야기하며, 제3 섬광 또는 광자는 부산물인 O2를 생성한다(이는 2 개의 물 분자에서 4 개의 전자가 전달되어 전자 전달이 완료됨을 나타냄)는 이론을 과학자들이 제시하게 하였다. 유사하게, 이후 제4 섬광이 단일 광자를 제공하고, 4 번의 모든 섬광이 4 개의 전자가 공여되게 할 때까지 또 다른 제5 섬광이 일어나는 S0 상태에 PSII가 놓이며, 따라서 제7 및 그 다음 제11 섬광 후 부산물인 O2를 생성하게 된다. 이는 Kok 주기로 공지되어 있다.
기본적인 수준에서, 제1 섬광 동안, 제1 상태 S1에서, 망간 복합체 MN4Ca에서 티로신 잔기로 전자 전달을 수반하여 티로신 라디칼을 형성하는 제2 상태 S2로의 전이가 있다. 제2 섬광 또는 추가적인 광자가 도입되는 시점에서, S2에서 S3 상태로의 전이가 일어나며, 이는 티로신 라디칼의 형성 후 및 MN 복합체의 산화 전에 MN 복합체에서 광자의 방출을 야기한다. 제3 섬광 또는 또 다른 광자의 도입으로, S3 상태로부터 S4로의 전이 및 후속적으로 S4에서 S0으로의 전이가 일어나서 이산소(dioxygen) 방출이 일어난다. 구체적으로, MN 복합체의 양성자 방출 후, 광자는 MN 복합체에서 다시 티로신 잔기로의 전자 전달, 그 다음 물 산화 및 MN 환원의 신속한 개시를 야기하고, 또 다른 양성자가 MN 복합체에 의해 방출된다. 마지막으로, 제4 섬광은 MN 복합체의 산화 및 MN 복합체의 탈양자화의 결과로서 S0 상태로부터 S1 상태로 다시 전이가 일어나게 한다.
S-상태 전이 및 기능은 성질에 있어서 여전히 이론적인 반면, 일단 광자가 PSII 복합체에 들어가면, 초기 화학 반응이 일어나고, 화학 반응이 새로운 전이 상태에 도달하고 추가적인 광자가 요구되기 전에 소정 시간이 걸린다는 전이의 중요성은 인식되어 있다. 구체적으로 PSII 복합체가 S1과 S2 단계 사이에서 전이하는 데 걸리는 시간은 대략 70 μs이고, S2와 S3 단계 사이에서 전이하는 데 걸리는 시간은 대략 190 μs이며, S3과 S4 단계 사이에서 전이하는 데 걸리는 시간은 대략 200 μs이고, S4와 S0 단계 사이에서 전이하는 데 걸리는 시간은 대략 1.1 ms 내지 1.6 ms이며, S0과 S1 단계 사이에서 전이하는 데 걸리는 시간은 대략 30 μs 내지 60 μs이다. 유사하게, 광합성 공정 동안, PSI 복합체에서 안테나의 광화학 붕괴는 15 ps 내지 40 ps 및 5 ns 내지 6 ns이다. 즉, 광합성 공정 동안, 상이한 화학 반응은 상이한 시간 간격으로 광자를 필요로 하고, 일어나는 각각의 화학 반응은 과잉의 광자가 불필요한 상기 화학 반응과 연관된 소정의 기간을 가진다. 대신에, 과잉의 광자는 단지 PSI 및 PSII 복합체에서 반응 중심, 예컨대 P680에, P680이 PSII 내에서 기타 다른 화학물질과 반응하는 메커니즘을 제공하는 추가적인 포텐셜 에너지를 제공하고, 상기 기재한 바와 같이 식물에 해를 끼친다.
PSII 내 광합성 전자 전달이 선형으로 간주되는 한편, 일단 반응이 β-카로틴을 통해 PS1로 전자를 전달하면 순환 전자 전달이 PS1 주위에서 작동한다. 구체적으로 양성자 및 전자 전달은 트랜스틸라코이드 양성자 포텐셜(pmf)의 형성을 초래하여 ATP의 형성을 구동시킨다. 고등 식물에서, 이러한 경로는 페레독신 퀴논 산화환원효소(FQR)-의존성 경로 및 NAD(P)H 탈수소효소(NDH)-의존성 경로로 이루어진다. 이러한 순환 경로의 결과로서, PSI 주위의 전자 흐름은 루멘의 양성자화를 향상시켜 전자 전달을 제한하고 따라서 ROS의 형성을 제한함으로써 PSII를 보호한다. 따라서, PSI에 대한 적절한 조명을 향상시키거나 제공하여 PSI의 기능을 향상시키는 것은 또한 손상을 야기하는 ROS를 감소시키는 것으로 기능한다. 따라서, 소정 세기에서 PSI의 반응성 P700 중심에 대하여 소정 기간 동안 700 nm 내지 720 nm의 파장에서 적절한 선량의 빛을 제공함으로써, PSI의 순환 흐름 기능을 최대화시켜, 다시 PSII를 손상시키고 식물의 광합성의 효율을 감소시키는 불필요한 화학 반응을 제한한다.
따라서, 식물에 의한 흡수를 위해 방출된 광자 사이에서 필요한 시간의 정확한 양을 결정하는 알고리즘이 개발된다. 추가적으로, 알고리즘은 개별적인 색소 및 식물의 사이토크롬 및 필요한 시간에 색소와 사이토크롬의 화학 반응을 야기하는 데 필요한 에너지 수준을 고려한다. 예를 들어, 색소 내에서 S0 상태에서 S1 상태로의 전자 도약을 야기하는 데 필요한 에너지의 양은 대략 1.84 전자볼트(eV) 또는 676 nm의 파장에서 빛에 의해 제공되는 에너지의 양이다. 따라서 대략 680 nm에서 에너지의 흡수가 최대 수준으로 나타난다. 빛의 파장이 680 nm에서 감소함에 따라, 에너지 수준은 증가한다. 따라서, 예를 들어 단지 550 nm에서 빛이 제공될 때, S0 상태에서 S1 상태로의 전이를 야기하기에 충분한 에너지가 제공되지만; 그러나, 상이한 파장에서 식물 형광 또는 빛을 재방출하는 것을 초래하는 과잉 에너지가 계속 남아있거나 과잉 열이 생성된다.
대략 445 nm에서 대략 2.8 eV의 에너지가 생성되며, 이는 S0 상태에서 S2 상태로 전자가 도약하게 하는 데 충분한 에너지이다. 그 다음, 전자는 전자 전달이 일어나는 S1 상태로 즉시 퀀칭한다. 이러한 퀀칭은 S1 상태로 바로 도약하게 하는 676 nm, 1.84 eV 에너지 수준에 비하여 일부 열의 낭비를 초래하지만; 그러나 기타 다른 파장, 단지 예를 들어 550 nm에서 제공되는 에너지에 비하여 과잉 에너지의 결과로서 에너지 손실을 최소화하는 제2의 흡수 피크를 나타낸다. 이러한 방식으로, 빛을 설계함에 있어서 676 nm의 빛을 생성하는 것이 445 nm 빛을 생성하는 것보다 상당히 더 비용이 든다면, 676 nm의 빛이 선호된다 하더라도 445 nm의 빛이 손실된 에너지의 영향을 최소화하는 데 사용될 수 있다.
추가적으로, 식물 내 사이토크롬은 또한 전자전달계에 영향을 미쳐 광합성을 초래한다. 예를 들어, 사이토크롬 βf는 주요 색소로 녹색광(파장 495 nm 내지 570 nm)을 흡수하는 카로틴을 가진다. 이러한 흡수는 더 높은 구배를 형성하여, 따라서 전자가 더 빨리 산화되게 하고, 따라서 광합성이 더 빨리 일어나게 한다. 이러한 방식으로, 녹색광은 신호를 제공하여 광합성을 조절한다. 이러한 방식으로, 전자전달계가 적색광 또는 청색광으로부터 시작한 후, 공정 속도를 증가시키기 위해 녹색광이 제공될 수 있다.
일반적으로, 대부분의 식물은 엽록소 A, 엽록소 B 또는 카로티노이드를 포함하고, 일부는 이들 3 가지의 조합을 포함한다. 구체적으로, 엽록소 A, 엽록소 B 및 카로티노이드는 식물 내에서 광합성에 관여하는 색소이다. 도 5는, 곡선(105(엽록소 A), 110(엽록소 B) 및 115(카로티노이드))으로 나타내어진 바와 같이 파장에 따라서, 엽록소 A, 엽록소 B 및 카로티노이드에 의해 흡수되는 빛의 예시적인 플롯(100)을 나타낸다.
도시된 도면에서, 곡선(105)은 엽록소 A의 수용성, 또는 상이한 파장의 빛의 흡수의 예시적인 표현을 제공한다. 흡수는 380 nm 내지 780 nm의 파장에서 명백한 피크를 가지는 것으로 보인다. 이러한 예에서, 엽록소 A의 제1 피크(120)는 약 400 nm 내지 410 nm에서 발생하고, 제2 피크(125)는 약 430 nm 내지 450 nm에서 발생하며, 제3 피크(130)은 약 670 nm 내지 685 nm에서 발생한다. 이들 예는 예시적인 것이며 제한적인 것이 아니다.
엽록소 B 흡수 곡선(110)에 있어서, 제1 피크(135)는 약 430 nm 내지 450 nm에서 발생한다. 제2 피크(140)는 약 470 nm 내지 490 nm에서 발생하며, 마지막 피크(145)는 약 665 nm 내지 670 nm에서 발생한다. 다시, 이러한 예는 예시적인 것이며 제한적인 것이 아니다.
카로티노이드 흡수 곡선(115)에 있어서, 제1 피크(150)는 약 415 nm 내지 420 nm에서 발생한다. 제2 피크(155)는 약 465 nm 내지 470 nm에서 발생하며, 제3 피크(160)는 약 510 nm 내지 525 nm에서 발생한다. 다시, 이러한 예는 예시적인 것이며 제한적인 것이 아니다.
엽록소 A, 엽록소 B 및 카로티노이드에 추가적으로, 광합성의 기타 다른 화학물질, 예컨대 PSII의 광합성, 분해 및 재구성에 필수적인 단백질, β-카로틴 등은 광 반응성 화학 반응 및 구체적인 빛의 흡수 파장을 가져서 이들 화학 반응을 야기한다.
추가적으로 식물은 이와 연관된 과도 특성을 자연적으로 가진다. 특히, 빛이 처음 식물에 도달할 때, 빛은 거의 자동적으로 흡수되지만, 빛이 추가적인 에너지를 계속 제공함에 따라, 식물의 자연적인 과도 특성의 결과로서 빛은 빠르게 흡수되지 않는다. 빛이 펄싱될 때, 다운 시간(downtime)이 각각의 펄스 사이에 존재하여, 식물에 대한 사실상의 재설정을 야기하며, 따라서 식물이 빛에 대하여 가지는 과도 효과의 최소화로 인하여 빛의 각각의 펄스가 효율적으로 흡수되게 한다. 이러한 방식으로, 더 적은 빛과 세기가 원하는 광화학 반응을 야기하는 데 요구된다. 따라서, 식물 내에서 효율을 최대화하기 위하여, 소정 간격으로 빛이 제공될 뿐만 아니라, 빛의 소정 간격 동안 빛은 고르게 펄싱되어 식물의 과도 특성을 최소화하고 광합성 효율을 증가시킨다.
따라서, 인공 빛이 태양에 의해 수신되는 빛을 대체할 뿐만 아니라, 설계자가 원하는 대로 식물의 광합성 및 성장을 조작하는 도구로서 설계되고 사용될 수 있다.
단지 예를 들어 도 1에 나타낸 원예 조립체(10)는 실외, 온실, 실내 등을 포함하여 임의의 장소에 있을 수 있다. 조립체(10)는 통상적으로 나란히 식재된 식물(14)이 위치하는 용기 또는 공간(12)을 포함한다. 일 구현예에서, 일 구현예에서 일반적으로 또한 평행하게 떨어져 있는 상부 및 하부벽(18 및 20)과 후면벽(22)에 고정된 평행하게 떨어져 있는 제1 및 제2 측벽(15 및 16)을 가져서 속이 빈 내부 공간(24)을 형성하는 장방형 형상인 인큐베이팅 장치인 용기(12)가 제공된다. 전면벽 또는 도어는 측벽(15 또는 16)에 경첩으로 고정되어 몸체(12)의 내부 공간(24)에 접근할 수 있게 한다. 다른 구현예에서 도어가 내부 공간(24)을 완전히 둘러싸더라도, 바람직하게 도어는 투명한 물질로 제조되어 내부 공간(24)이 보일 수 있게 한다.
내부 공간(24) 내에 모종(31)이 있는 복수의 토양체(30)를 수용하는, 개구부(29)를 가지는 복수의 회전가능한 유지 부재 또는 트레이(28)가 내부 공간(24) 내에 배치된다. 특히 토양체(30)는 트레이(28)의 개구부(29)에 의해 수용되고 유지되는 크기 및 형상을 가진다. 트레이(28)는 다양한 각도로 회전하거나 기울어져서 토양체(30) 및 모종(31)에 대한 빛의 완전한 범위를 보장한다.
복수의 조명 소자(32)는 각각의 트레이(28)에 고정되고 전기적으로 서로 연결된다. 바람직한 구현예에서, 복수의 조명 소자(32)는 AC 입력을 수신하는 발광 다이오드 소자이다. 특히 이러한 조립체는 특허 출원 미국 특허 공개 번호 2011/0101883(Grajcar); 미국 특허 공개 번호 2011/0109244(Grajcar); 미국 특허 공개 번호 2011/0210678(Grajcar); 미국 특허 공개 번호 2011/0228515(Grajcar); 미국 특허 공개 번호 2011/0241559(Grajcar); 미국 특허 공개 번호 2011/0273098(Grajcar); 미국 특허 출원 번호 13/452332(Grajcar); 또는 미국 가출원 번호 61/570,552(Grajcar)(이들 모두는 본 명세서에 전체가 포함되어 있음) 중 임의의 하나로부터의 AC 구동 LED 기술을 포함한다.
일 구현예에서, 각각의 조명 소자(32)는 청색 파장(450 nm 내지 495 nm)의 빛의 방출을 야기하며, 자외선 및 근자외선의 빛(350 nm 내지 450 nm), 적색광(620 nm 내지 750 nm) 또는 전자기 방사선이 이용된다. 구체적으로, 조명 소자(32)는 도 3에 조명 소자(32a 및 32b)로서 나타낸 바와 같이 동일한 트레이(28) 상에서 합하여진 전자기 방사선/자외선/청색 파장의 조명 소자 및 적색 파장 소자를 가진다. 일 구현예에서 이와 같은 청색 및 적색 파장 조명 소자(32a 및 32b)는 상이한 광 지속 기간을 가진다. 따라서, 예로서, 제1 청색 파장 조명 소자는 3 ms의 광 지속 기간을 가지는 반면, 적색 파장 조명 소자는 2 초의 광 지속 기간을 가진다.
대안적으로, 조명 소자(32a 및 32b)는 단지 시차를 둔 동일한 지속 기간을 가진다. 이러한 구현예의 예로서, 제1 청색 파장 조명 소자(32a)는 3 ms의 명기 및 3 ms의 암기의 지속 기간 또는 주기를 가진다. 또한 3 ms의 명기 및 3 ms의 암기의 지속 기간 또는 주기를 가지는 제2 적색 파장 조명 소자(32b)가 또한 트레이 상에 제공된다. 일 구현예에서, 제1 및 제2 조명 소자는 동시에 빛을 방출하거나 중첩을 제공한다. 다른 구현예에서, 제1 청색 파장 조명 소자가 빛을 생성하는 3 ms 동안, 제2 적색 파장 조명 소자는 암기이다. 그 다음, 제2 적색 파장 조명 소자가 3 ms 동안 빛을 생성하고 있을 때, 제1 청색 조명 소자는 암기이며 빛을 방출하지 않는다.
조명 소자(32)는 전력원(33)에 의해 전력이 공급되고 추가로 빛의 세기를 3 루멘 미만으로 감소되게 하는 조광 장치(34)를 가진다. 따라서 일정한 낮은 세기의 파장 빛은 용기(12) 전반에 걸쳐서 방출된다. 빛은 좁은 주파수 또는 단색을 가져서 원하는 정확한 파장의 빛을 유도할 수 있다. 추가적으로, 낮은 세기로 기재되었지만, 더 높은 세기의 파장 빛이 제공될 수 있다. 추가로, LED 조명 소자의 특성으로 인하여 LED 소자가 이용되는 구현예에서, 빛은 장시간 동안 남아있을 수 있다.
빛의 세기가 3 루멘 미만으로 감소될 수 있지만, 빛의 세기는 유사하게 800 루멘, 1000 루멘 또는 그 이상을 출력하도록 증가될 수 있다. 유사하게, 빛의 지속 기간은 장시간, 예컨대 수 일, 수 주 또는 수 개월 동안일 수 있지만, 명기와 암기 사이의 지속 기간은 또한 수 시간, 수 분, 수 초, 심지어 밀리초로 제어될 수 있다.
가습 장치(36)가 또한 내부 공간(24)과 결합되어 있으며, 바람직하게는 상부 벽(18)과 맞물려 있고, 도어(26)이 폐쇄될 때 내부 공간(24) 내에 습도를 증가시킬 수 있는 배관 요소를 가진다. 이러한 방식으로 내부 습도는 0% 습도 내지 100%의 임의의 상대 습도를 제공하도록 제어될 수 있어, 내부 공간(24)과 함께 습도가 미리 결정된다. 바람직하게 습도는 대략 50% 내지 80%이다. 가열 장치(38)가 또한 전력원(33)에 전기적으로 연결되어 있으며, 내부 공간(24) 내에 배치되어 내부 공간 내에 소정양의 열을 제공한다.
일 구현예에서, 자기장 공급 장치(40)가 인큐베이팅 장치(10)와 결합되어 있다. 일 구현예에서, 자기장 공급 장치(40)는 내부 공간 내에 있어 모종(31) 및 생성된 식물(14)에 영향을 주거나 이를 통해 소정의 자속을 형성한다.
추가적으로, 또 다른 고려사항은 각각의 조명 소자의 세기이다. 특히, 식물(14) 또는 모종(31)에 대한 세기 또는 루멘/m2 또는 럭스가 증가함에 따라, 식물(14) 또는 모종(31)에 공급되는 에너지의 양이 증가하고, 따라서 광화학 반응, 또는 광합성을 일으키는 데 필요한 적절한 선량, 또는 에너지를 제공하는 데 필요한 시간을 줄이게 된다.
추가적으로, 하루의 지속 기간 동안, 또는 광화학 반응을 야기하기 위해 빛이 제공되는 기간 동안, 화학 반응을 야기하는 데 필요한 에너지의 선량이 증가한다. 구체적으로, 광합성을 야기하는 데 필요한 선량은 역동적이다. 그러므로, 광화학 반응 또는 광합성을 야기하는 데 충분한 에너지를 제공하는 데 필요한 시간은 실제로 하루 동안 또는 시간 경과에 따라서 증가할 수 있어서, 점등 기간 초기에, 최적의 선량은 제1 소정량의 시간, 예컨대 3.5 ms로 제공되고, 예컨대 12 시간의 기간 후, 제2 소정량의 시간, 예컨대 14.5 ms의 빛이 요구된다.
따라서, 광주기를 제어하는 제어기(200)를 사용함으로써, 소정 시간, 예컨대 열두(12) 시간, 스물넷(24) 시간, 마흔여덟(48) 시간 또는 그 이상 시간 전반에 걸쳐서 조명 소자(32)의 주파수 또는 광주기를 구체적으로 맞추거나 동적으로 변화시키는 각각의 식물(14) 또는 모종(31)에 대한 알고리즘이 제공될 수 있다. 화학 반응 또는 광합성이 일어나는 필요조건을 동적으로 변화시키는 것에 상응하는 광주기를 동적으로 증가시킴으로써, 광합성 효율을 향상시키고 식물(14) 또는 모종(31)의 성장을 최적화시킨다.
유사하게, 전압을 증가 및 감소시키고, 따라서 광출력 세기를 증가 및 감소시키거나, 트레이(28)을 기계적으로 올리거나 내려서 조명 소자(32)가 식물(14) 또는 모종(31)에 더 가깝게 하거나 더 멀리 떨어지게 하는 트레이 액추에이터(39)에 전기적으로 연결된 제어기(200)을 포함함으로써, 빛의 세기를 제어기(200)에 의해 동적으로 변화시킬 수 있다. 추가적으로, 센서(41)는 제어기(200)에 전기적으로 연결되어 식물(14)의 높이를 결정하고, 식물(14)로부터 트레이(28)를 자동적으로 그리고 동적으로 이동시켜 정확한 세기가 항상 식물에 제공되는 것을 보장할 수 있다.
나란히 식재되어 있는 것으로 기재되어 있지만, 서로 임의의 관계로 식재된 단일 식물(14), 또는 복수의 식물(14)이 고려되며 본 개시 내용의 범위를 벗어나지 않는다. 일 구현예에서 조명 소자(32)는 식물(14)에 인접하여 배치되거나 장착되어 적어도 하나의 식물이 조명 소자(32)에 의해 방출되는 방사선을 수신한다.
조명 소자(32)는 조광가능하며, 미국 특허 출원 일련 번호 12/824,215(Grajcar) 및/또는 미국 특허 출원 일련 번호 12/914,575(Grajcar)(이들 모두 본 명세서에 포함되어 있음)에 기재된 바와 같이 구성된다. 주기적인 여기 전압을 수신하도록 조정되어 말단은 AC 전류 또는 동일한 크기 및 반대 극성의 전류를 수신할 수 있는 한 쌍의 입력 말단(50)을 가지는 하나의 조립체가 단지 예로서 도 4에 나타내어져 있으며, 상기 전류는 여기 전압에 응하여 흐름으로써 AC 입력을 제공한다. 그 다음, AC 전류는 바람직한 구현예에서 복수의 발광 다이오드(LED)(56)로 형성된 브리지 정류기인 정류 소자(55) 및 금속 산화물 바레지스터(MOV)(54)를 선택적으로 포함하는 구동 전기회로망(52)에 의해 조절된다.
발광 다이오드(LED)(56)는 제1 네트워크(58)에서 배열되며, 여기서 제1 네트워크(58)는 제1 네트워크(58)와 연관된 적어도 순방향 임계 전압을 초과하는 여기 전압에 응하여 전류를 전도하도록 배열된다. 선택적으로 구동 전기회로망(52)에 따라서, 저항기(60) 또는 복수의 저항기가 제1 네트워크(58)에 도달하기 전에 전류를 조절하는 데 사용될 수 있다. 제1 네트워크(58)의 LED(56)는 임의의 유형 또는 색상을 가질 수 있다. 일 구현예에서, 제1 네트워크(58)의 LED(56)는 대략 600 나노미터(nm) 내지 750 나노미터(nm)의 파장을 가지는 빛을 생성하는 적색 LED이다. 또 다른 구현예에서, LED의 제1 네트워크는 대략 350 nm 내지 500 nm의 파장을 가지는 빛을 생성하는 청색 LED이다. 대안적으로, 적색 및 청색 LED 모두 함께 제공될 수 있거나 기타 다른 색상, 예컨대 녹색 LED가 본 개시 내용의 범주를 벗어나지 않으면서 유사하게 사용될 수 있다.
복수의 LED(56)를 가지는 제2 네트워크(62)가 제1 네트워크(58)와 직렬로 추가적으로 제공된다. 제2 네트워크(62)의 LED(56)는 임의의 유형 또는 색상을 가질 수 있다. 일 구현예에서, 제2 네트워크(62)의 LED(56)는 대략 600 나노미터(nm) 내지 750 나노미터(nm)의 파장을 가지는 빛을 생성하는 적색 LED이다. 또 다른 구현예에서, LED의 제2 네트워크는 대략 350 nm 내지 500 nm의 파장을 가지는 빛을 생성하는 청색 LED이다. 대안적으로, 적색 및 청색 LED 모두 함께 제공될 수 있거나 기타 다른 색상, 예컨대 녹색 LED가 본 개시 내용의 범주를 벗어나지 않으면서 유사하게 사용될 수 있다.
우회 경로(64)는 제1 네트워크(58)와 직렬이고 제2 네트워크(62)와 병렬인 조명 소자(32)에서 제공된다. 또한 우회 경로(64) 내에는 제어된 임피던스를 제공하는 소자가 존재하며, 상기 소자는, 단지 예를 들어 일 구현예에서 공핍 MOSFET인 트랜지스터(66)일 수 있다. 우회 경로(64)에서 제2 네트워크(62)로 부드럽고 연속적인 전이를 제공하는 전류를 조절하는 추가적인 트랜지스터, 저항기 등이 우회 경로(64) 내에서 사용될 수 있다.
따라서, 입력 여기 파형에 따라 이동하는 색온도가 LED 그룹 또는 네트워크(58 및 62)의 적절한 선택 및 하나 이상의 선택적인 전류 전환 조절 회로의 배열에 기반하여 구현되거나 설계되어 선택된 LED 네트워크(58 및 62) 주위의 우회 전류를 변조할 수 있음이 본 명세서의 개시 내용으로부터 이해된다. 각각의 그룹에서 다이오드의 수, 여기 전압, 위상 제어 범위, 다이오드 색상, 및 피크 세기 파라미터의 선택은 조명 적용 범위에 있어서 전기 및/또는 광출력 성능의 개선을 가져오도록 조작될 수 있다.
조명 소자(32)는 DC 전력원의 이용 없이 조광 장치(34)를 사용하여 변조될 수 있다. 나타낸 바와 같은 일 구현예에서, 조광 장치(34)는 리딩 에지 및 하강 에지 위상 절단 소자를 이용한다. 단지 예로서, 트라이액 조광기가 리딩 에지에서 위상 절단을 제공하는 반면, IGBT 조광기는 트레일링 에지에서 위상 절단을 제공한다. 이 구현예에서, 리딩 에지 및 트레일링 에지 위상 절단을 모두 가지는 조광 장치는 구동 전기회로망(52)와 전기 통신한다. 이러한 방식으로 조광 장치(34)에서 리딩 에지 및 트레일링 에지 위상 절단을 모두 이용함으로써, 전류가 없는 소정 기간이 제공된다. 따라서, 조광 장치(34)와 결합된 제어 장치가 전류가 없는 기간 및 이에 의해 암기 기간을 결정하는 데 사용될 수 있다.
또 다른 구현예에서, 조광 장치(34)는 적어도 하나의 SCR(실리콘 제어 정류기; silicon controlled rectifier)를 포함하고, 하나의 구현예에서 소정 기간 동안 제공되는 전류를 차단하는 데 이용되는 제1 및 제2 SCR을 포함한다. 차단은 0의 위상각 또는 대안적으로 특정 각에서 일어날 수 있다. 따라서, SCR을 이용함으로써, 조광 장치(34)는 조명 소자(32)의 제어가능한 온/오프 스위치로서 다시 기능한다. 구체적으로, 일 구현예에서 제어 장치, 예컨대 컨트롤 노브가 제1 및 제2 SCR과 통신하여 소정의 명기 및 암기 기간이 0 분 내지 30 분의 임의의 소정 기간으로 설정될 수 있게 한다. AC 입력이 제공되기 때문에, 제공되는 암기는 DC 기반 플리커와 달리 어떠한 전류도 제공되지 않는 결과로서 어떠한 광자도 생성되지 않는 완전한 암흑 상태이다. 이러한 방식으로, 명기 및 암기의 소정 지속 기간을 제어하여 구체적인 식물의 필요조건을 맞출 수 있다.
도 6은 상이한 조명 소자(32a 및 32b)의 스태거링을 허용하는 대안적인 구현예를 나타낸다. 이 구현예는, 일 구현예에서 적색 스펙트럼 출력을 제공하는 제1 복수의 조명 소자(32a)에서 입력을 공급하는 브리지 정류기(72)의 절반을 포함하는 구동 전기회로망(69)에 AC 전류를 제공하는 AC 입력(70)을 가지는 회로(68)를 나타낸다. 그 다음, 병렬로 제2 복수의 조명 소자(32b)는 다이오드(74), 예컨대 제너 다이오드를 통한 AC 입력으로부터 입력을 수신한다. 조명 소자(32a 및 32b)의 각각의 그룹은 또한 이러한 구현예에서 제어 저항기를 가지는 트랜지스터로서 제공되는 추가적인 전류 조절 소자를 가진다.
그러므로, 제1 및 제2 조명 소자(32a 및 32b)에 입력된 전류는 도 7에 나타낸 바와 같이 조절된다. 도 7은 회로(68)로부터 생성된 조명 소자(32a 및 32b)에의 전압 입력(80) 및 전류 입력(82 및 84)를 나타낸다. 제1 전류 입력(82)은 양의 전압이 회로에 인가될 때 최대 전류 입력(86)을 제공하고, 전압 입력(80)이 영(0) 미만으로 떨어질 때 어떠한 전류(88)도 제공하지 않는다. 한편, 제2 전류 입력(84)은 전압이 음, 또는 0 미만일 때 최대 전류 입력(90)을 제공하는 반면, 전압이 0 초과 또는 양일 때 어떠한 전류(92)도 제공되지 않는다.
결과적으로, 단일 전압원으로, 전류 소자(32a 및 32b)의 각각의 세트에 대한 전류 주파수는 오프셋이어서, 제1 조명 소자(32a)로 어떠한 전류도 흐르지 않아 제1 조명 소자(32a)에서 암흑 상태를 야기하는 기간 동안, 전류는 제2 조명 소자(32b)로 흘러서 제2 조명 소자(32b)에 의해 제공되는 명기를 야기하고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 이러한 방식으로 인간은 지속적인 빛을 감지하지만, 식물은 식물이 흡수하는 빛의 파장 기간, 그 다음 식물이 흡수하지 않는 빛의 기간을 수신하고, 따라서 개별적인 색소는 명기와 암기의 기간을 감지한다.
유사하게, 조명 소자(32a 및 32b)는 식물에 다양한 명기의 기간을 제공하도록 제어된다. 따라서, 단일 조명 소자(32a)는 제1 시점에 빛을 제공하도록 구동된 다음, 식물 내에서 일어나는 소정의 화학 반응에 요구되는 소정 시간에 기반하여 소정 시간 동안 식물에 의해 흡수될 수 있는 빛을 방출하지 않고, 그 다음 빛은 다시 조명 소자(32)에 의해 방출된 다음, 제2 화학 반응을 일어나도록 하는 제2 소정 시간 동안 식물에 의해 흡수될 수 있는 빛을 더 이상 방출하지 않는데, 여기서 제1 및 제2 소정 시간은 동일하거나 상이할 수 있고 각각은 식물 내에서 소정의 생물학적 효과를 야기한다. 따라서, 흡수가능한 빛을 방출하는 사이의 상이한 기간이 제공되며, 여기서 이와 같은 상이한 기간은 본 개시 내용의 범주를 벗어나지 않으면서 30 μs, 70 μs, 190 μs, 200 μs 또는 1.1 ms, 또는 15 ps 내지 40 ps 또는 5 ns 내지 6 ns를 포함하지만, 이로 제한되는 것은 아니다. 이러한 방식으로, 빛을 흡수하는 기간 대 화학 반응을 야기함으로써 흡수되지 않는, 암기를 포함한 출력의 기간을 맞추기 위하여 개별적인 식물의 요구에 기반한 알고리즘이 개발될 수 있다.
또 다른 예시적인 구현예에서, 도 8 및 9는 각각 대안적인 회로(201) 및 이의 파동 출력의 그래프를 나타낸다. 회로(201)는 정류기(204)에 의해 정류되고 서로 병렬로 제공되는 일련의 조명 소자(206, 208 및 210)에 제공되는 대립하는 크기의 전기 여기를 제공하는 입력(202)을 가진다. 제1, 제2 및 제3 조명 소자(206, 208 및 210)의 각각은 단일 다이오드로서 나타내어져 있지만, 당업자는 각각 도식적으로 나타내어진 조명 소자가 복수의 직렬 연결된 발광 다이오드를 포함함을 이해한다. 각각의 조명 소자(206, 208 또는 210)는 동일하거나 상이한 파장일 수 있으며, 바람직하게는 방출된 빛을 수신하는 식물(30)의 색소의 최대 흡광도 파장의 20 nm 내의 파장일 수 있다. 일 구현예에서, 제1 조명 소자(206)는 제1 파장인 반면, 제2 및 제3 조명 소자(208 및 210)는 상이한 파장이다.
바람직하게는 트랜지스터이고 보다 바람직하게는 MOSFET인 제1, 제2 및 제3 임피던스 소자(212, 214 및 216)는 저항기(217)을 가지는 회로(201) 및 우회 경로에 배열되어 도 9에 나타낸 출력을 제공한다. 특히 나타낸 바와 같이, 제1 조명 소자(206)는 전력을 수신하고, 제1 소정 시간 간격인 제1 명기 간격(218) 동안 빛을 방출한 다음, 소정 시간에 걸쳐서 제1 암기 간격(219)이 이어지고, 그 다음 제2 명기 간격(220)이 이어진다. 유사하게, 제2 조명 소자(208)는 제1 및 제2 명기 간격(218 및 220)의 소정 시간과 상이한 소정 시간인 제3 명기 간격(222), 그 다음 제2 암기 간격(223), 그 후 제4 명기 간격(224)을 제공한다. 한편, 제3 조명 소자(210)는 제3 암기 간격(225), 제5 명기 간격(226) 및 제4 암기 간격(227)을 제공한다. 추가적으로, 제5 암기 간격(229)은 제1 명기 간격(218)에 선행하여 일어나고, 제6 암기 간격은 제2 명기 간격(220) 다음에 일어난다. 따라서 명기 및 암기 간격은 비동기 또는 다양한 간격의 명기 및 암기를 제공하도록 조작될 수 있다. 특히 위상 절단 조광기가 제5 및 제6 암기 간격(229 및 231)을 제어하는 데 이용되어 명기 간격의 펄스 사이의 시간을 변화시키고, 이에 의하여 광합성 전자전달계의 대사회전 시간에 비례하는 비작동 시간 또는 암기 시간을 제공하여 광저해율을 감소시킨다. 유사하게, 명기 및 암기의 간격은 변화되어 식물의 과도 특성에 비례하는 명기의 기간을 단축시켜 이용되는 전력을 최소화하면서 최대의 빛 흡입을 제공할 수 있다.
LED 조명 소자(32)가 인큐베이션 챔버 유형의 구조와 함께 기재되었지만, 인공광이 식물을 성장시키는 데 사용되는 임의의 환경에 다양한 파장의 빛 또는 상이한 광주기를 전달할 수 있는 임의의 유형의 광원이 본 개시 내용에서 고려되며, 이와 같은 구현예는 본 개시 내용의 범위를 벗어나지 않는다. 이는 식물에 빛을 비추기 위한 백열등, 고압 나트륨, 소형 형광등, AC LED, DC LED 등과 결합한 제어기의 사용을 포함하지만, 이로 제한되는 것은 아니다. 이는 또한 구동기의 주파수를 변조하여 식물의 소정의 생물학적 반응을 변화시키는 것과 연관된 소정 시간을 변화시키는 것과 일치하는 출력의 변화를 제공하는 제어기와 함께 PWM 구동기를 사용하는 것을 포함하지만, 이로 제한되는 것은 아니다.
특히, 빛의 파장 또는 색상과 관련하여, 식물의 특징, 예컨대 성장, 수확량, 뿌리 성장 등을 향상시키는 식물에 대한 광 파장 또는 색상을 결정한다. 구체적으로, 구체적인 식물 내의 엽록소 또는 카로티노이드에 따라서, 소정 시간에 680 nm 또는 700 nm에서 빛을 필요로 하여 식물에 유해한 ROS 유형 반응에 사용될 수 있는 과잉의 680 nm 및 700 nm의 빛을 최소화하는 것에 추가적으로, 식물 내 엽록소 또는 카로티노이드에 의해 흡수되기에 적합한 빛이 제공되어 광합성을 향상시키는 화학 반응을 위해 식물에 추가적인 에너지를 제공한다. 이러한 방식으로, 엽록소에 의해 흡수되는 파장에서의 빛은 또한 보다 효율적인 광합성을 향상시키고 촉진시킨다.
작동 중에, 식물의 특징, 예컨대 성장, 수확량 등을 향상시키는 식물에 대한 소정의 광 파장 또는 색상과 함께 구체적인 식물에 대한 소정의 명기 및 암기의 기간을 연구하고 결정할 수 있다. 일 구현예에서 이러한 파장은 680 nm이고 또 다른 구현예에서는 700 nm이다. 그 다음, 조명 소자(32)가 제조되어 소정의 광 파장을 제공하고, 조광 장치(34)는 향상된 성장을 위하여 소정의 명기 및 암기 기간을 제공하도록 조정될 수 있다.
일단 조명 소자의 소정의 파장이 선택되고 명기 및 암기의 지속 시간이 각각의 조명 소자에 대해 결정되면, 지속 기간이 달성되는 방식이 또한 선택된다. 이 때 식물은 다시 분석되어 추가적인 색소가 식물 내에 존재하는지 여부를 결정한다. 따라서, 엽록소 A가 존재하는 구현예에서, 식물은 재분석되어 엽록소 B가 또한 존재하는지 여부를 결정한다. 엽록소 B가 또한 존재하면, 제2 조명 소자 또는 복수의 조명 소자가 선택될 수 있다. 제1 조명 소자와 마찬가지로, 식물 내 색소(엽록소 A, 엽록소 B 또는 카로티노이드)의 피크(120, 125, 130, 135, 140, 145, 150, 155 또는 160)와 관련된 파장의 좁은 대역을 가지는 제2 조명 소자가 선택된다.
그 다음, 제1의 선택된 조명 소자와 유사하게, 광합성의 화학 반응을 완료하는 데 필요한 빛의 선량 또는 양에 대한 지속 시간이 결정된다. 이 점에서 상기 기재된 바와 같이, 명기 및 암기의 필요한 지속 기간을 제공하는 방법이 제2 조명 소자에 제공된다. 이러한 방식으로, 제1 및 제2 조명 소자 모두 정확한 파장의 빛 및 식물 내에서 필요한 색소로서 명기 및 암기의 지속 기간을 제공하고, 따라서 식물 성장을 향상시킨다. 이러한 방법은 유사하게 카로티노이드 색소 및 식물 내 기타 다른 화학물질과 관련하여 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 다수의 상이한 파장이 주기의 상이한 기간에서 이용되어 광합성을 향상시키기 위한 조명 처리에 도달한다.
결과적으로, 주어진 식물 내 화학 반응 및 이러한 반응을 야기하는 데 필요한 빛의 파장을 분석하고, 광합성 공정 동안 빛은 상기 반응을 야기하는 데 필요하다. 따라서, 소정 파장 및 소정 기간에서 빛이 제공되어 소정 화학 반응을 야기하며, 원하는 방식으로 광합성에 도달한다.
일단 식물의 화학적 구성이 분석되면, 어떤 빛의 파장이 제공되고 특정 조명 소자에 대한 암기 또는 비반응성 기간이 제공되기 전에 빛이 특정 식물에 제공되는 소정 기간을 결정하는 알고리즘이 개발된다. 예를 들어, P680 활성화 중심을 야기하여 반응하는 세기, 또는 플루엔스 및 제1 시간 또는 지속 기간에서 680 nm 파장의 빛을 제공하는 제1 조명 소자가 제공될 수 있고, 그 다음 광합성 전자전달계를 따라서 전자의 이동 또는 화학 반응이 순방향으로 이동하는 동안 일어나는 보조 화학 반응을 출력이 최소화하는 세기 또는 플루엔스에서 빛이 제공되지 않거나 제공되는 특정 조명 소자에 대한 제2 시간 또는 지속 기간이 제공된다.
그 다음 해당 680 nm 파장에서의 제2 시간 또는 지속 기간 후 빛이 다시 광합성 전자전달계를 따른 반응이 추가로 일어나는 추가적인 화학 반응을 야기하는 세기 및 제3 시간 또는 지속 기간으로 제공된 다음, 어떠한 빛도 제공되지 않거나 세기가 보조 화학 반응을 최소화하는 제4 시간 또는 지속 기간이 이어지며, 여기서 제4 시간은 추가적인 화학 반응이 광합성 전자전달계를 따라서 일어나는 시간 길이에 의해 결정된다. 이러한 제4 기간은 본 개시 내용의 범위를 벗어나지 않으면서 설계 목적의 용이를 위해 동일한 기간의 제2 기간을 가질 수 있는 한편, 상기 기간은 또한 상이한 길이의 시간을 제공할 수 있다. 그 다음, 680 nm를 제공하는 이러한 제1 조명 소자는 앞서 기재된 바와 같이 명기 및 암기의 추가적인 기간을 제공하도록 제어될 수 있다.
동시에, 제1 조명 소자에 인접한 제2 조명 소자가 동일한 장치에 있는지 여부와 관계없이 제1 조명 소자와 상이한 파장이 제공된다. 제2 조명 소자는 광합성을 향상시키기 위한 빛의 양을 제공하는 세기 및 제1 시간으로 제2 파장을 제공한다. 제2 조명 소자에 대한 이러한 제1 시간은 제1 조명 소자에 대한 제1 시간 동안일 수 있고, 제1 시간과 중첩할 수 있거나, 어떠한 빛 또는 제한된 세기가 제공되지 않을 때 제1 조명 소자의 제2 시간 동안일 수 있다. 따라서, 일 구현예에서, 제1 파장, 예컨대 단지 예를 들어 410 nm 또는 500 nm에서 제1의 더 낮은 세기에서 제1의 일정한 배경 조명이 연장된 시간 동안, 예컨대 단지 예를 들어 적어도 1 분, 대안적으로 적어도 1 시간 또는 대안적으로 24 시간 동안 제공된다. 동시에 이러한 연장된 시간 동안 제2 조명 소자는 또 다른 파장, 예컨대 단지 예를 들어 펄싱된 680 nm를 제공하거나, 빛은 1초 미만, 그리고 일 구현예에서 Kok 주기 내 시간과 관련된 다양한 시간의 소정 기간 동안 온 및 오프로 제공된다.
일 실시형태에서, 광자 방출 사이의 시간은 광원이 어떠한 광자를 방출하지 않는 암기의 기간 또는 시간으로서 표현될 수 있는 한편, 광자가 수용될 준비가 되어 있는 기간 사이의 시간은 또한 PSII 또는 PSI 복합체 내 반응성 성분에 의해 흡수되지 않는 세기 또는 파장에서 방출되는 빛으로 채워질 수 있다. 단지 예를 들어, P680은 680 nm파장의 빛을 흡수하여 원하는 광화학 반응을 초래하지만; 그러나, 450 nm의 청색 또는 심지어 450 nm 미만이고 UV 범위 100 nm 내지 400 nm에 속하는 파장은 식물 내 기타 다른 화학 반응을 야기하는 데 이용되고 P680에 의해 흡수되지 않을 수 있어, 이와 같은 빛은 본 개시 내용에 의해 고려되는 광 손상을 야기하지 않는다. 그러므로, 흡수되는 제1 파장을 제공하고 PSII 복합체를 반응시키는 광원은 흡수되지 않고 PSII 복합체를 반응시키지 않는 파장을 즉시 또는 심지어 동시에 제공하여 본 개시 내용의 범주를 벗어나지 않으면서 광합성의 원하는 향상을 초래하였다.
구체적으로, 식물을 분석하여 식물이 광합성에 대한 것 대신에 보호되거나 손상을 복구하는 데 에너지를 사용하는 것을 야기하는 유해한 화학 반응을 다시 최소화하기 위하여 존재하는 기타 다른 화학물질 및 P680과 같은 식물 내 기타 다른 반응성 중심 상에 제2 파장의 빛의 영향을 결정한다. 이러한 방식으로, 제2 파장에서 빛은 식물에 유해한 세기 또는 플루엔스 및 시간으로 제공될 수 있지만; 그러나, 식물에 에너지를 제공하는 것을 초래하는 향상 또는 개선은 전반적인 공정을 보다 효율적으로 만들고 광합성을 향상시킨다.
유사하게, 식물의 유전적 또는 화학적 구성에 따라서, 상이한 원하는 화학 반응에 상응하는 추가적인 시간에 대한 추가적인 파장을 제공하는 추가적인 조명 소자가 고려된다. 단지 예를 들어, PS1의 반응 중심의 최대 흡수 수준에 상응하는 700 nm 또는 720 nm의 파장에서 빛을 제공하는 제3 조명 소자가 유사하게 이용된다. 특히, 개별적인 식물을 연구하고 식물 내 유해한 화학 반응을 최소화하고 화학물질의 성능 및 화학 반응을 최대화하여 조명 장치의 사용을 통해 광합성을 향상시키기 위해 상이한 시간 및 세기로 상이한 파장의 빛을 제공한다.
따라서, 식물의 지속적인 성장을 자극하는 명기와 암기의 소정 기간이 제공된다. 본 출원의 내용에서 사용될 때, 명기와 암기의 소정 기간은 식물(14)에 의해 감지될 수 있는 것에 의해 측정되거나 결정되며, 명기 또는 암기가 인간에 의해 감지될 수 없지만, 조명 소자(32)에 의해 어떠한 빛도 방출되지 않는 기간을 나타낸다. 따라서, 플리커 및 인간에 의해 감지되지 않는, 감지할 수 없는 존재하는 플리커는 본 개시 내용의 내용 내에서 명기 및 암기의 소정 기간을 제공하는 것으로 고려된다. 광합성 전자전달계(PETC)의 대사회전 시간에 비례하는 비작동 시간으로 빛을 펄싱하는 것을 사용함으로써 광저해 속도를 감소시키고 광합성 효율을 증가시킨다.
출원인에 의해 수행된 실험에서, 3 가지의 상이한 조명 처리를 담배에 제공하였다. 동일한 토양, 비료, 토양 용기, 설정 온도, 유지 온도, 설정 Rh 습도 및 유지 Rh를 가지는 3 개의 동일한 챔버를 제공하였고, 심지어 대략적인 플루엔스, 조명 파장 및 에너지를 모두 일정하게 유지하였으며, 단지 차이점은 시간의 기간 또는 양이고, 각각의 파장의 빛을 식물에 전달하였다. 각각의 챔버는 진홍색(대략 650 nm 내지 670 nm 또는 720 nm 내지 740 nm), 로열 블루(대략 440 nm 내지 460 nm) 및 라임빛 녹색(대략 566 nm 내지 569 nm)을 사용하였다. 제1 챔버에서 진홍색, 로열 블루 및 라임빛 녹색은 각각 4 회의 펄스 간격으로 동시에 펄싱되었으며, 각각의 펄스 폭은 대략 30 μs이고 제1 펄스 후 대략 85 μs의 어떠한 빛도 30 μs의 제2 펄스 전에 제공되지 않았다. 그 다음 대략 230 μs의 어떠한 빛의 기간도 제3의 30 μs의 펄스 전에 제공되지 않았다. 그 다음 대략 240 μs의 어떠한 빛도 30 μs의 제4 펄스 전에 제공되지 않았다. 마지막으로, 대략 1360 μs의 어떠한 빛의 기간도 이러한 주기가 재시작하고 식물이 완전히 성장할 때까지 24 시간 동안 이러한 패턴으로 유지되기 전에 일어나지 않았다.
제2 챔버에서, 앞의 단락에서 기재된 바와 같은 동일한 시간에서 발생하는 4 개의 펄스 간격으로 제1 챔버와 동일한 진홍색 및 로얄 블루가 출력하였다. 그러나, 제2 챔버에서, 라임빛 녹색 광원은 진홍색 및 로얄 블루 광원과 동일한 간격으로 펄싱하지 않았다. 대신에 라임빛 녹색 광원은 1200 μs에 대한 주기 당 1회 펄싱하였고, 진홍색 및 로얄 블루 광원의 (4 회의 펄스 주기의 종료 및 4 회의 펄스의 새로운 주기의 시작 사이에 1360 μs 간격 또는 기간 내에서) 제4의 30 μs 펄스 종료 후 80 μs에 시작하였고, 4 회 펄스의 다음 주기의 제1의 30 μs 펄스 전 80 μs에 종결하였다. 그 다음, 이러한 패턴은 24 시간 동안 유지되었다.
마지막 챔버는 24 시간 동안 진홍색, 로얄 블루 및 라임빛 녹색의 일정한 DC 광을 제공하는 제어 챔버이었다. 진홍색에 비하여 20% 로얄 블루 및 20% 라임빛 녹색이 있었고, 전류는 제1 및 제2 챔버에서와 같이 대조군 식물에 도달한 빛의 정확하게 동일한 양을 보장하도록 조정되었다.
실험에서, 식물 새순(단위: 인치), 길이, 습윤 중량, 건조 중량 및 뿌리 건조 중량에서 더 큰 성장을 나타내는 측정을 수행하였다. 챔버 1의 측정은 모든 카테고리에서 가장 큰 것을 나타내었고, 그 다음에는 챔버 2이었다. 챔버 1 및 2는 습윤 및 건조 중량에서 대조군에 비하여 상당한 증가가 있었고, 챔버 1 및 2 모두 대조군보다 2 배 내지 3 배 더 큰 중량을 나타내었다. 따라서, 단지 Kok 주기를 기반으로 하여 1360 μs 이하의 어떠한 빛의 간격을 제공하지 않음으로써, 식물은 간격을 제공하지 않는 조명에 비하여 상당한 중량 증가로 하루 24 시간 동안 성장할 수 있다.
다른 실험에서, 모델 식물로서 옥수수를 사용하여, PETC 동조 펄싱된 빛은 평균 광합성 효율을 증가시키고, 따라서 식물의 성장 속도를 증가시킨다는 가설을 뒷받침하는 초기 발견으로 3 가지 증거의 개념 시험을 수행하였다.
따라서, 다양한 파장의 빛 및 다양한 기간의 생성한 빛을 제공할 수 있는 조명 소자(32)를 이용하여 식물에 단지 기능적인 빛을 제공하는 원예 시스템이 제공된다. 따라서 구체적으로, 각각의 광자는 소정의 화학 반응이 일어나는 데 필요한 시점에 제공되고 식물을 손상시키는 화학 반응에서 사용되는 과잉의 광자는 제거되지 않는 경우 최소화된다. 손상을 최소화함으로써, 성장은 향상되어 더 빠르게 성장하고 더 푸르게 하며 더 양호한 발전된 식물 생활을 야기한다.
구체적으로 식물의 지속적인 성장을 자극하는 명기와 암기의 소정 기간을 제공하여 광합성 전자전달계(PETC)의 대사회전 시간에 비례하는 비작동 시간을 제공함으로써 광저해 속도를 감소시키고 광합성 효율을 증가시킨다.
그러므로, 어떤 빛의 파장이 필요한지와 함께 명기 및 암기의 주기적인 기간이 식물에 의해 요구될 때를 결정하는 알고리즘이 개발될 수 있을 뿐만 아니라, 식물의 과도 특성을 최소화하기 위한 간격으로 유사하게 빛이 제공될 수 있다.
광합성 효율을 최대화함으로써, 추가적인 탄소 및 이에 따른 이산화탄소 필요조건을 제공한다. 따라서, 식물 광합성에 이용가능한 CO2를 증가시킴으로써, 식물의 성장, 색상 및 영양분을 최대화시키는 것을 추가로 향상시킨다. 따라서, 최신 기술에 대하여 개선시킨 더 빠르고 더 건강한 식물을 제공한다.
전반적으로, 주어진 식물의 상이한 특징이 향상될 수 있다. 따라서, 식물의 중량 및 밀도를 증가시키거나, 잎 크기를 증가시킬 수 있거나 뿌리 구조를 증가시키거나 감소시키거나 또는 식물의 소정의 특징을 조작하여 재배자의 요구를 충족시키는 식물의 맞춤 성장을 제공하는 조명 처리가 제공된다. 이는, 식물 내 영양분을 증가시키는 것, 소비자를 위한 최종 제품인 식물의 부분의 더 빠른 성장 및 식물의 색상 및 외관을 포함하지만, 이로 제한되는 것은 아니다.
따라서 복수의 식물(14)에 조명을 비추기 위한 방법 및 조립체(10)가 또한 제공된다. 조립체(10)는 식물에 대해 소정양의 암기 또는 대사회전 시간을 포함하는 조명 주기 또는 위상을 제공하는 조명 소자(32)를 포함한다. 그 결과 식물(14)은 대사 공정의 완결 동안 식물 스트레스 및 변형을 완화하기 위해 필요한 휴식을 취한다. 이 시점에서, 그 다음 식물(14)은 광합성 공정에서 대사를 계속하기 위해 더 많은 빛을 흡수할 준비가 된다.
한편, 광합성을 야기하는 데 필요한 복합체 및 화학 반응을 기반으로 빛의 파장을 선택함으로써 대사 및 광합성이 최대화된다. 구체적으로, LED는 LED의 상이한 네트워크(58 및 62)를 포함하여 특정 식물(14)에 대한 이상적인 PAR에 따라서 식물(14)에 의해 수신되는 빛에서 간헐적인 UV, 근자외선, 청색광 및/또는 적색광을 형성할 수 있다. 결과로서, 24 시간의 일정한 빛 성장 주기를 가질 수 있을 뿐만 아니라, 추가적으로 식물의 성장이 최대화된다. 결과는 식물에 한 더 빠른 성숙 및 더 큰 수확량이다.
추가적으로, 조립체(10)는 원예 조립체를 다르게는 식물(14)에 인접하게 장착 또는 배치함으로써 신규 및 기존의 원예 조립체로 용이하게 제조 및 통합된다. 마지막으로, 전류는 이용되는 AC 입력으로부터 조절되고 펄스 폭 변조가 제거되기 때문에, 조명 소자(32)와 연관된 비용은 크게 감소된다. 따라서, 적어도 모든 명시된 목적이 충족되었다.

Claims (13)

  1. 적어도 하나의 조명 장치;
    적어도 하나의 조명 장치에 의해 방출되는 빛을 수신하는 적어도 하나의 조명 장치에 대하여 떨어져서 위치한 식물;
    식물의 색소의 최대 흡수의 20 나노미터(nm) 내에 있는 파장에서 빛을 방출하는 제1 조명 소자를 가지는 적어도 하나의 조명 장치;
    를 포함하되, 제1 조명 소자로부터의 빛은 광합성 전자전달계의 대사회전 시간에 비례한 비작동 시간으로 펄싱되어 광저해 속도를 감소시키는 것인 인공 조명 하에서 식물을 성장시키기 위한 원예 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 조명 소자는 655 nm 내지 740 nm의 파장에서 빛을 방출하는 것인 원예 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 조명 소자는 425 nm 내지 465 nm의 파장에서 빛을 방출하는 것인 원예 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 식물 색소의 최대 흡수의 20 nm 내에 있는 파장에서 빛을 방출하는 제2 조명 소자를 가지는 적어도 하나의 조명 장치를 추가로 포함하는 원예 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 조명 소자는 655 nm 내지 740 nm이고 제2 조명 소자는 425 nm 내지 465 nm인 원예 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 495 nm 내지 570 nm 범위의 빛을 방출하는 제2 조명 소자를 가져서 광합성의 속도를 빠르게 하는 적어도 하나의 조명 장치를 추가로 포함하는 원예 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 조명 소자는 제1 조명 소자의 제1 암기 간격 또는 제2 암기 간격 동안 빛을 방출하는 것인 원예 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 조명 소자는 발광 다이오드인 원예 시스템.
  9. 제5항에 있어서, 495 nm 내지 570 nm 범위의 빛을 방출하는 제3 조명 소자를 가져서 광합성의 속도를 빠르게 하는 적어도 하나의 조명 장치를 추가로 포함하는 원예 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제3 조명 소자는 제1 암기 간격 또는 제2 암기 간격 동안 빛을 방출하는 것인 원예 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3 조명 소자는 동일한 조명 장치에 있는 것인 원에 시스템.
  12. 적어도 하나의 인공 광원으로부터 제1 빛을 방출하는 단계이되, 상기 제1 조명은 식물의 색소의 최대 흡수의 20 나노미터(nm) 내 파장을 가지는 것인 단계; 및
    식물 내 광합성 전자전달계의 대사회전 시간에 비례한 비작동 시간으로 상기 제1 광을 펄싱하는 단계
    를 포함하는 식물 단계를 성장시키는 방법.
  13. 적어도 하나의 조명 장치;
    적어도 하나의 조명 장치에 의해 방출되는 빛을 수신하는 적어도 하나의 조명 장치에 대하여 떨어져서 위치한 식물;
    식물의 색소의 최대 흡수의 20 나노미터(nm) 내에 있는 파장에서 빛을 방출하는 제1 조명 소자를 가지는 적어도 하나의 조명 장치;
    를 포함하되, 상기 제1 조명 소자로부터의 빛은 제1, 제2 및 제3 조명 간격 동안 방출되며, 제1 암기 간격은 제1 및 제2 조명 간격 사이에 제공되고, 제2 암기 간격은 제2 및 제3 조명 간격 사이에 제공되며,
    상기 제1 암기 간격 및 제2 암기 간격은 시간이 상이한 인공 조명 하에서 식물을 성장시키기 위한 원예 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014011623A2 (en) 2012-07-10 2014-01-16 Zdenko Grajcar Light sources adapted to spectral sensitivity of plant
US10028448B2 (en) 2012-07-10 2018-07-24 Once Innovations, Inc. Light sources adapted to spectral sensitivity of plants
US10182557B2 (en) 2013-03-05 2019-01-22 Xiant Technologies, Inc. Photon modulation management system for stimulation of a desired response in birds
US11278009B2 (en) 2013-03-05 2022-03-22 Xiant Technologies, Inc. Photon modulation management system for stimulation of a desired response in birds
US9844209B1 (en) 2014-11-24 2017-12-19 Xiant Technologies, Inc. Photon modulation management system for stimulation of a desired response in birds
CN106413382B (zh) * 2014-04-17 2020-04-17 万斯创新公司 适应于植物的光谱灵敏度的光源
US10244595B2 (en) 2014-07-21 2019-03-26 Once Innovations, Inc. Photonic engine system for actuating the photosynthetic electron transport chain
MX2017002653A (es) 2014-08-29 2017-05-30 Xiant Technologies Inc Sistema de gestion de modulacion de fotones.
EP3284337A4 (en) * 2015-04-14 2019-02-20 Kowa Company, Ltd. LIGHTING SYSTEM FOR PLANT CULTURE
EP3143869A1 (en) * 2015-09-17 2017-03-22 Université d'Avignon et des Pays de Vaucluse Method for stimulating the resistance of plants to biotic stress by uv radiation exposure
CA3053242A1 (en) 2016-02-19 2017-08-24 Dignity Health Antibody fusion protein and related compositions for targeting cancer
US20170295727A1 (en) * 2016-04-19 2017-10-19 Suntracker Technologies Ltd. Temporally modulated lighting system and method
US11058889B1 (en) 2017-04-03 2021-07-13 Xiant Technologies, Inc. Method of using photon modulation for regulation of hormones in mammals
JP6885360B2 (ja) * 2017-04-28 2021-06-16 日亜化学工業株式会社 植物中のフェノール性化合物の増量方法
US10524433B2 (en) 2017-05-08 2020-01-07 Daniel S. Spiro Automated vertical plant cultivation system
US11617309B2 (en) 2017-05-08 2023-04-04 Urban Planter, Llc Automated vertical plant cultivation system
US11304390B2 (en) * 2017-05-08 2022-04-19 Urban Planter, Llc Automated vertical plant cultivation system
US11622510B2 (en) 2017-05-08 2023-04-11 Urban Planter, Llc Automated vertical plant cultivation system
JP7037036B2 (ja) * 2017-09-22 2022-03-16 日亜化学工業株式会社 発光ダイオード駆動装置及びこれを用いた植物栽培用照明
US11778955B2 (en) 2017-11-29 2023-10-10 Urban Planter, Llc Automated vertical plant cultivation system
US11483981B1 (en) * 2018-05-14 2022-11-01 Crop One Holdings, Inc. Systems and methods for providing a low energy use farm
US10764981B2 (en) 2018-08-10 2020-09-01 Rosstech, Inc Tunable LED light array for horticulture
US11291164B2 (en) 2018-08-24 2022-04-05 Seoul Viosys Co., Ltd. Light source for plant cultivation
US10820532B2 (en) 2018-08-24 2020-11-03 Seoul Viosys Co., Ltd. Light source for plant cultivation
LT3735822T (lt) * 2019-05-09 2022-01-10 O&N B.V. Vandens organizmų, galinčių vykdyti fotosintezę kontroliuojamoje vandeninėje aplinkoje, auginimo būdas

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61146122A (ja) * 1984-12-19 1986-07-03 三菱電機株式会社 植物育成用照明装置
US4749916A (en) * 1984-12-19 1988-06-07 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Illuminator for cultivating plant
US5012609A (en) * 1988-12-12 1991-05-07 Automated Agriculture Associates, Inc. Method and apparatus for irradiation of plants using optoelectronic devices
EP1269830A4 (en) * 2000-02-22 2005-09-28 Ccs Inc ILLUMINATOR FOR PLANT GROWTH
US8410725B2 (en) * 2007-06-05 2013-04-02 Koninklijke Philips Electronics N.V. Lighting system for horticultural applications
US8643308B2 (en) 2009-08-14 2014-02-04 Once Innovations, Inc. Spectral shift control for dimmable AC LED lighting
US8373363B2 (en) 2009-08-14 2013-02-12 Once Innovations, Inc. Reduction of harmonic distortion for LED loads
WO2011053708A1 (en) 2009-10-28 2011-05-05 Once Innovations, Inc. Architecture for high power factor and low harmonic distortion led lighting
PL2493723T3 (pl) 2009-10-29 2022-03-07 Signify North America Corporation Oświetlenie led do rozwoju zwierząt hodowlanych
GB201000593D0 (en) * 2010-01-14 2010-03-03 Morris Peter J Photo-bioreactor and method for cultivating biomass by photosynthesis
US8302346B2 (en) * 2010-01-26 2012-11-06 University Of Georgia Research Foundation, Inc. Biological optimization systems for enhancing photosynthetic efficiency and methods of use
PL2547954T3 (pl) 2010-03-17 2023-04-24 Signify North America Corporation Źródła światła przystosowane do czułości widmowej dziennych ptaków i ludzi
US8651691B2 (en) 2010-03-31 2014-02-18 Once Innovations, Inc. Integral conduit modular lighting
CN201846642U (zh) * 2010-08-23 2011-06-01 林清源 开放式利用人工光的非环境控制型家庭植物工厂
JP5729785B2 (ja) * 2011-08-05 2015-06-03 昭和電工株式会社 藻類培養方法及び藻類培養装置
JP2013106550A (ja) * 2011-11-18 2013-06-06 Sharp Corp 植物育成用照明装置
US20140069007A1 (en) * 2012-09-13 2014-03-13 Cashido Corporation Plant growth facilitating apparatus plant growth facilitating apparatus
US10602669B2 (en) * 2012-10-15 2020-03-31 Symbiotic Systems, Inc. Narrowband photosynthetically active radiation (“PAR”) substantially only at each of multiple emission wavelengths yields good photosynthesis at reduced energy cost
WO2014085626A1 (en) * 2012-11-27 2014-06-05 University Of Florida Research Foundation, Inc. Light modulation of plants and plant parts
CN104869807A (zh) * 2012-12-20 2015-08-26 赫利奥斯派克特拉股份公司 用于从胁迫中恢复植物的方法和照射系统
KR102107067B1 (ko) * 2013-03-05 2020-05-06 시안트 테크놀로지스 인코포레이티드 포톤 변조 관리 시스템

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