(57)【要約】本発明は、波長のアップコンバージョン特性を有し、かつ温室環境における植物栽培に適した半導体発光の解決策を有する照明装置に関する。本発明の最良の形態は、青色ＬＥＤで光合成有効放射（ＰＡＲ）スペクトルと同様の発光スペクトルを発生させるよう配置されたコロイド合成法により作製された波長アップコンバージョン二元合金量子ドット（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０）を備えた少なくとも１つの青色ＬＥＤ（１０１）を有する照明装置と考えられる。本発明の方法および配置は、植物栽培に使用される光の発光スペクトルのより正確なスペクトル同調を可能にする。したがって、本発明は、植物成長の光形態形成制御および植物（３１０、３１１）産生において予測しない状態で改善する。本発明は、特に、すでに受け継いだＬＥＤシステムを有する温室に特に利点を有する。これらのＬＥＤシステムは、しばしば、本発明の照明の解決策に達するために、本発明の量子ドットアレイを追加することによりアップグレードされる。【選択図】図１Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのＬＥＤ（１０１）を含む植物栽培のための照明装置であって、
前記照明装置（１００）が、より長い波長へとＬＥＤ光をアップコンバートするために配置された粒径の異なる複数の量子ドット（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０）を含むことを特徴とする、照明装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つのＬＥＤ（１０１）および前記複数の量子ドット（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０）の粒径分布を、前記発光スペクトルが緑黄色光（５００〜６００ｎｍ）の非常に低い強度を除去または提供し、かつ前記赤外光の７００〜８００ｎｍのバンドにおける高いスペクトル強度の特性を含むように配置されていることを除き、光合成有効放射（ＰＡＲ）と同様の発光スペクトルの集合を発生させるように配置することを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記量子ドットが植物（３１０、３１１）において、ある光形態形成効果を備えた前記光子スペクトルにおけるバンドにおいて光子を吸収しかつ光子を除去するように配置されるように、前記量子ドット（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０）の少なくとも１つの少なくとも１つの粒径が調整されることを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
【請求項４】
前記可変的光形態形成効果が、異なる時点または収穫する成熟期での前記植物（３１０、３１１）の重量、葉の枚数、根の質量、茎の高さ、（ビタミン、ミネラルならびに／または養分含量および／または濃縮物などの）化学組成物の生物学的パラメータのいずれかであることを特徴とする、請求項３に記載の照明装置。
【請求項５】
前記量子ドット（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０）の少なくとも１つが、セレン化カドミウム、硫化カドミウム、ヒ化インジウム、リン化インジウムおよび／または硫セレン化カドミウムのいずれかの合金から作製されることを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
【請求項６】
前記量子ドット（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０）の粒径分布が、１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内の異なる粒径の量子ドットを含むことを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
【請求項７】
前記量子ドット（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０）の少なくとも１つが、コロイド合成法により生成されることを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
【請求項８】
前記量子ドット（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０）の少なくとも１つの粒径が、赤色または赤外色の６００〜８００ｎｍのバンド中で発光するために調整されることを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
【請求項９】
植物栽培のための照明方法であって、
少なくとも１つの植物（３１０、３１１）および粒径の異なる複数の量子ドット（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０）を少なくとも１つのＬＥＤ（１０１）で照射するステップと、
光が、前記粒径の異なる複数の量子ドット（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０）により吸収されるステップと、
光が、前記吸収した照射より長い波長で前記粒径の異なる複数の量子ドット（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０）により発光されるステップと
を含む、照明方法。
【請求項１０】
前記複数の量子ドット（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０）の粒径分布および前記少なくとも１つのＬＥＤ（１０１）が、前記発光スペクトルが緑黄色光（５００〜７００ｎｍ）の非常に低い強度を除去または提供し、かつ６００〜８００ｎｍの赤色および赤外色の高いスペクトル強度の特性を含むことを除き、光合成有効放射（ＰＡＲ）と同様の発光スペクトルの集合を発生させることを特徴とする、請求項９に記載の照明方法。
【請求項１１】
前記量子ドット（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０）の少なくとも１つの粒径が、植物（３１０、３１１）におけるある光形態形成効果を備えた光子スペクトルの予め設定した相対強度を有するバンドまたは多様なバンドの前記光子を得る結果となるように選択されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記可変的光形態形成効果が、異なる時点または収穫する成熟期での前記植物（３１０、３１１）の重量、葉の枚数、根の質量、茎の高さ、（ビタミン、ミネラルならびに／または養分含量および／または濃縮物などの）化学組成物の生物学的パラメータのいずれかであることを特徴とする、請求項１１に記載の照明方法。
【請求項１３】
前記量子ドット（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０）の少なくとも１つが、セレン化カドミウム、硫化カドミウム、ヒ化インジウム、リン化インジウムおよび／または硫セレン化カドミウムのいずれかの合金から作製されることを特徴とする、請求項９に記載の照明装置。
【請求項１４】
前記量子ドット（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０）の少なくとも１つが、コアシェル量子ドットであり、かつセレン化カドミウム、硫化カドミウム、ヒ化インジウム、リン化インジウムおよび／または硫セレン化カドミウムのいずれかの合金から作製されることを特徴とする、請求項９に記載の照明方法。
【請求項１５】
前記量子ドット（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０）の粒径分布が、１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内の粒径の異なる複数の量子ドットを含むことを特徴とする、請求項９に記載の照明方法。
【請求項１６】
前記量子ドット（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０）の少なくとも１つが、コロイド合成法により生成されることを特徴とする、請求項９に記載の照明方法。
【請求項１７】
前記量子ドット（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０）の少なくとも１つの粒径が、赤色および赤外色の６００〜８００ｎｍのバンド中で前記量子ドットが発光するように調整されることを特徴とする、請求項９に記載の照明方法。
【請求項１８】
前記照明装置が、量子ドット（１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０）の少なくとも１つおよび少なくとも１つのＬＥＤ（１０１）を含むことを特徴とする、温室照明装置。
【請求項１９】
少なくとも１つの量子ドットおよび少なくとも１つのＬＥＤを含む園芸用照明装置であって、
ａ）６００〜７００ｎｍの範囲内の波長にピークを含み、少なくとも５０ｎｍ以上の半値全幅を示すピークを示すようにされた第１のスペクトル特性と、
ｂ）最大５０ｎｍの半値全幅を有し、かつ４４０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内のピーク波長を示すようにされた第２のスペクトル特性と、
ｃ）６００〜８００ｎｍの周波数における発光の全て又は一部が、前記少なくとも１つの量子ドットにより前記ＬＥＤチップ照射源の全体または部分的な波長アップコンバージョンを使用して発生されることと、
を有する、少なくとも１つの量子ドットおよび少なくとも１つのＬＥＤを含む園芸用照明装置。
【請求項２０】
少なくとも１つのＬＥＤおよび少なくとも１つの量子ドットを含む園芸用照明器具であって、
ａ）６００〜７００ｎｍの波長の範囲内にピークを含み、かつ少なくとも５０ｎｍ以上の半値全幅を示すようにされた第１のスペクトル特性と、
ｂ）最大５０ｎｍの半値全幅を有し、かつ４４０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内にピーク波長を示すようにされた第２のスペクトル特性と、
ｃ）５００〜６００ｎｍの波長での前記発光の少なくとも一部または全てが、４００〜５００ｎｍのバンド中の強度未満かつ６００〜７００ｎｍの強度未満に最小化および／または除去および／または低減されるように調整されていることと、
を有する前記ＬＥＤから発光した照射をアップコンバートするように配置された、少なくとも１つのＬＥＤおよび少なくとも１つの量子ドットを含む園芸用照明器具。
【請求項２１】
５００〜６００ｎｍの波長での前記発光の少なくとも一部または全てが、４００〜５００ｎｍのバンド内の強度未満かつ６００〜７００ｎｍのバンド中の強度未満に最小化および／または除去および／または低減されるようにされている、請求項１９に記載の照明器具。
【請求項２２】
前記量子ドットが、５００〜８００ｎｍの範囲内の波長に自由に調節可能なピークを備え、かつ少なくとも３０ｎｍの半値全幅を示すようにされたスペクトル特性を有する、請求項１９、２０、および／または２１に記載の照明器具。
【請求項２３】
前記ＬＥＤおよび／または量子ドットの前記第１、第２および任意選択の第３のスペクトル特性の前記発光強度が、調節可能にされている、請求項１９、２０、および／または２１に記載の照明器具。
【請求項２４】
最大５０ｎｍの半値全幅および４００〜５００ｎｍの範囲内のピーク波長を含む少なくとも１つのスペクトル特性および、任意選択で、４５０〜８００ｎｍの範囲内の自由に調節可能なピーク波長を有するようにされた第２および第３のスペクトル特性を有する第２のＬＥＤおよび／または量子ドットを含む、請求項１９〜２３のいずれか１項に記載の照明器具。
【請求項２５】
前記ワットあたりの前記器具のＰＰＦ値が、０．３５μｍｏｌｓ−１ｍ−２以上である、請求項１９〜２４のいずれか１項に記載の照明器具。
【請求項２６】
前記発光スペクトル特性、強度、ピーク波長および半値全幅を、量子ドットの粒径、数、および種類で制御する、請求項１９〜２５のいずれか１項に記載の照明器具。
【請求項２７】
ａ）前記第１の量子ドットが、６００〜７００ｎｍの波長の範囲内にピーク波長を含む第１のスペクトル特性を有し、かつ少なくとも５０ｎｍの半値全幅を示すように配置され、
ｂ）前記第１のＬＥＤが、４４０〜５００ｎｍの波長の範囲内にピークを含む第２のスペクトル特性をさらに有し、
ｃ）前記第１の量子ドットが、任意選択で、少なくとも３０ｎｍの半値全幅を示すようにされた５００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲内に自由に調節可能なピーク波長を有する、第３のスペクトル特性を有し、
ｄ）前記第１、第２および任意の第３のスペクトル特性の発光強度がいずれかの比で調節可能である、
請求項１９〜２６のいずれか１項に記載の照明器具。
【請求項２８】
最大５０ｎｍの半値全幅および４００〜５００ｎｍの範囲内のピーク波長を含む少なくとも１つのスペクトル特性を有し、かつ４５０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲内で自由に調節可能なピーク波長を有する任意の第２および第３のスペクトル特性を有する第２のＬＥＤおよび／または量子ドットを含む、請求項２７に記載の照明器具。
【請求項２９】
園芸用照明の発光構成要素であって、
発光ダイオード（ＬＥＤ）半導体チップと、
前記ＬＥＤ半導体チップに直近して配置される光波長アップコンバージョン量子ドットと
を含み、
前記構成要素が、２つの特徴的な発光ピークを発することができ、かつ前記５００〜６００ｎｍの波長での発光の少なくとも一部または全てが、前記４００〜５００ｎｍバンドにおける強度未満かつ６００〜７００ｎｍのバンドにおける強度未満に最小化および／または除去および／または低減されるようにされている、園芸用光の発光構成要素。
【請求項３０】
前記光波長アップコンバージョン量子ドットが、前記ＬＥＤチップの前記表面に直接配置され、かつ他の光学材料に離間される、請求項２９に記載の発光構成要素。
【請求項３１】
前記発光ダイオード（ＬＥＤ）半導体チップが、４４０〜５００ｎｍの範囲内の発光ピークを有する、請求項２９または３０に記載の発光構成要素。
【請求項３２】
前記波長アップコンバージョン量子ドットが、前記量子ドット半導体チップにより発光した前記発光エネルギーの一部を前記非常に高い６００〜７００ｎｍの波長へ変換するようにされている、請求項２９〜３１のいずれか１項に記載の発光構成要素。
【請求項３３】
前記２つの特徴的な発光ピークが、それぞれ４４０ｎｍ〜５００ｎｍおよび６００〜７００ｎｍにある、請求項２９〜３２のいずれか１項に記載の発光構成要素。
【請求項３４】
前記２つの特徴的な発光ピークが、少なくとも５０ｎｍに１つの半値全幅および最大５０ｎｍの別の半値全幅および異なる波長の範囲においてこの両方を有するスペクトル特性を除去する、請求項２９〜３３のいずれか１項に記載の発光構成要素。
【請求項３５】
環境光または前記単一の発光源として前記照明装置または照明器具を備えた暗室キャビティ中の少なくとも１つの植物を備えた前記少なくとも１つの植物に光を提供する、請求項１、１９、および／または２０に記載の照明装置または照明器具の使用。
【請求項３６】
環境光または前記単一の光源として前記照明装置または照明器具を備えた暗室キャビティ中の少なくとも１つの植物を備えた前記少なくとも１つの植物に光を提供する、請求項２９に記載の発光構成要素の使用。
【請求項３７】
請求項１、１９、および／または２０に記載の少なくとも１つの照明装置または照明器具が、環境光または前記単一の光源としての前記照明装置または照明器具を備えた暗室キャビティ中の少なくとも１つの植物を備えた前記少なくとも１つの植物に光を発する、植物成長を強化する方法。
【請求項３８】
請求項２９に記載の少なくとも１つの発光構成要素が、環境光または前記単一の光源としての前記照明装置または照明器具を備えた暗室キャビティ中の少なくとも１つの植物を備えた前記少なくとも１つの植物に光を発する、植物成長を強化する方法。
【請求項３９】
前記発光装置、器具、および／または構成要素が、任意選択でふたで閉鎖されてもよい遮光キャビティで囲まれている、請求項１、１９、２０、および／または２９のいずれかに１項に記載の発光装置、器具および／または構成要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、植物栽培のための人工光を発生させるための改善された方法に関する。より詳細には、本発明は、温室環境における植物栽培に適した波長アップコンバージョン特性を有する半導体発光の解決策を有した照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地表に到達する放射線の約５０％のみが、光合成有効放射（ＰＡＲ）である。ＰＡＲは、電磁スペクトルの３００ｎｍおよび８００ｎｍの間の波長領域を有するものと解釈される。光周性、屈光性および光形態形成とともに、光合成が、放射線と植物との間の相互作用に関連する４つの代表的な工程である。以下の式が、光合成の単純化された化学式を示す。
６Ｈ２Ｏ＋６ＣＯ２（＋光子エネルギー）→Ｃ６Ｈ１２Ｏ６＋６Ｏ２
【０００３】
クロロフィルａ、クロロフィルｂおよびベータカロテンならびに２つに相互変換可能な形態（ＰｆｒおよびＰｒ）であるフィトクロムなどの最も一般的な光合成および光形態形成の光受容体の典型的な吸収スペクトルを図１Ａに示す。
【０００４】
光合成とは対照的に、光形態形成反応は、非常に少ない光量で達成することができる。この異なる種類の光合成および光形態形成の光受容体は、光合成、フィトクロム、およびクリプトクロムまたは青／ＵＶ−Ａ（紫外線―Ａ）の、３つの知られた光化学系に分類することができる。
【０００５】
光合成の光化学系において存在する色素は、クロロフィルおよびカロテノイドである。クロロフィルは、植物の葉の葉肉細胞中に位置するクロロプラストのチラコイド中に位置する。これらの色素の活性が集光に密接に関連するため、放射線の量およびエネルギーは最も重要な側面を有する。この２つの最も重要なクロロフィルの吸収ピークは、それぞれ６２５〜６７５ｎｍおよび４２５〜４７５ｎｍの赤色および青色領域中に位置する。さらに、近紫外線（３００〜４００ｎｍ）および遠赤外領域（７００〜８００ｎｍ）に局在した他のピークも存在する。キサントフィルおよびカロテンなどのカロテノイドは、植物細胞上の有色体の色素体である細胞小器官中に位置し、かつ、主に青色領域を吸収する。
【０００６】
フィトクロムの光化学系は、２つの相互変換可能な形態のフィトクロムであるＰｒおよびＰｆｒを含む。これら２つのフィトクロムは、それぞれ６６０ｎｍでの赤色領域および７３０ｎｍでの赤外領域中に感度ピークを有する。このフィトクロムにより媒介した光形態形成反応は、通常、赤外色光（ＦＲ）に対する赤色光（Ｒ）の比（Ｒ／ＦＲ）を介した光質の検出に関連する。葉部拡大、隣接知覚（ｎｅｉｇｈｂｏｕｒ  ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ）、日陰回避、茎成長、種子発芽、および開花誘導などが含まれる異なる生理反応によりフィトクロムの重要性を評価することができる。日蔭回避反応は、通常、Ｒ／ＦＲ比の検出を介したフィトクロムにより制御されるにも関わらず、青色光およびＰＡＲ値も同様に、関連した適応型形態学的反応中に含まれる。
【０００７】
青色光―およびＵＶ−Ａ（紫外線Ａ）−感応性光受容体は、クリプトクロムの光合成中において発見される。青色光吸収色素は、クリプトクロムおよびフォトトロピンの両方を含む。これらは、光の量、質、方向および周期性を管理するなどのいくつかの異なる役割を果たす。異なる群となる青色光およびＵＶ−Ａ感応性光受容体は、内因性リズム、組織配向（ｏｒｇａｎ  ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）、茎成長、気孔開口、発芽、葉部拡大、根成長および屈光性などの重要な形態学的反応を媒介する。フォトトロピンは、光合成器官および細胞小器官の色素含有量および位置を調節して集光および光抑制を最適化する。同様に、赤外線、青色光の連続的な照射にさらすことにより、クリプトクロムの光受容体の媒介を介して開花を促進させる。さらに、青色光―感応性光受容体（たとえば、フラビンおよびカロテノイド）は、近紫外線照射に感応性があり、３７０ｎｍ周辺の位置に感度ピークを見いだすことができる。
【０００８】
クリプトクロムは、全ての植物種に共通して存在するわけではない。クリプトクロムは、シロイヌナズナなどの植物の開花の概日リズムの同調を含む様々な光反応を媒介する。３００ｎｍ未満の波長の照射が、分子の化学結合およびＤＮＡ構造に非常に有害であるが、植物がこの領域における照射を吸収することも同様に有害である。ＰＡＲ領域内の照射量は、ＵＶ照射の有害な影響を低減させるために重要であってもよい。これらの光受容体は大方研究されており、したがって、これらの光合成制御および成長における役割は、当然よく知られている。しかしながら、他の光受容体が存在する証拠があり、これらの活性が、植物の重要な生理反応を媒介する重要な役割を有し得る。さらに、ある群の受容体間の相互反応および相互依存の性質は、あまり理解されていない。
【０００９】
多くの植物は、人工光を使用した温室栽培といった手段により、自然の生息地と異なる地理的位置において成長することができる。Ｚｕｋａｕｓｋａｓらによる国際出願第２０１０／０５３３４１号から、植物に光形態形成が必要な場合を満たすために、蛍光体変換器を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用できることが知られている。蛍光体変換器は、より長い波長の照射を吸収し、かつ再照射する蛍光体構成要素に近い短い波長で発光するＬＥＤなどの光が存在するように作動する。この光子がたとえば、茎の高さなどの、いくつかの形態学的な目的を満たすためのある方法において、植物を成長させることを提供するように、この照明装置の総計発光スペクトルを調整することができる。この文献は、参照として本明細書に引用される。
【００１０】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、日々その話題性が増加している。ＬＥＤに使用される新規かつ特有の構造は、この励起子がすべての３次元に閉じ込められる半導体である量子ドットという点にある。量子ドットは、量子ドットを含む多重量子ウェル構造（ＭＱＷ）を記載する国際出願第２００９／０４８４２５号における蛍光体を取り除くために使用されることが示唆されてきた。この公開によると、ＭＱＷを、赤色のない蛍光体および白色の窒化物系ＬＥＤを生成するために使用することができる。この文献も、同様に参照として本明細書に引用される。
【００１１】
従来技術はかなりの欠点を有する。従来技術のＬＥＤおよび蛍光体の配置では、十分に高い発光スペクトルの分解能を得ることができない。従来技術のＭＱＷおよび量子ドットの照明装置は、（リンなどの）建築的に欠点のある機構の代替物であることに主に焦点を当てられており、このことは、園芸家にとってほとんど有益ではない。
【００１２】
さらに、望ましくない技術機構を単に交換する以上のことを行う、すなわち栽培生産性を強化する、より洗練された植物照明技術が必要であることが極めて明白である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
研究に基づく本発明は、植物栽培のために最適化したスペクトルを発生させるための量子ドットを備えた効率的にアップコンバージョンするＬＥＤ発光のためのシステムおよび方法を目的とする。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、温室環境における植物栽培のために最適化したスペクトルを発生させる量子ドットを有したＬＥＤ発光を効率的にアップコンバージョンするためのシステムおよび方法に関し、選り分けられた太陽光は、本発明の人工光により補完される必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一態様において、この量子閉じ込めは、量子ドット、すなわち、３次元すべてにおける閉じ込め、または複数の量子ドットとしての実際の量子ドットとして認識される。量子ドットを使用することに加えて、一部の実施形態において、たとえば、この実施形態から１つ以上の量子ドットを交換することにより、量子細線（２Ｄ空間の閉じ込め）および量子ウェル（１Ｄ空間の閉じ込め）を使用して本発明を実行することができる。
【００１６】
本発明の一態様によると、少なくとも１つの従来のＬＥＤが異なる粒径の量子ドットを照射するために配置される。量子ドットにおいて、この粒径は、発光エネルギーと逆比例する関係、すなわち、量子ドットが小さくなるほど、高いエネルギーを発する。
【００１７】
この量子ドットは、ＬＥＤ、および実質的により長い波長の再発光子により発した光子を吸収するように配置される。本発明の一態様において、このＬＥＤおよび量子ドットの組み合わせにより発光し、人口光で栽培される植物のために適した光形態形成効果を生じさせるＬＥＤで、発光スペクトルの集合を生じさせるために量子ドットの粒径分布が選択される。
【００１８】
本発明の目的は、ＬＥＤおよびこのＬＥＤとアップコンバーターとしての量子ドットの組み合わせを使用して植物の成長を促進させる技術に関連する問題の少なくとも一部を除去し、かつ新規方法を提供するものである。
【００１９】
本発明の第１の目的は、光合成が良好に反応する単一の発光源系ＬＥＤおよび量子ドットを提供することである。
【００２０】
本発明の第２の目的は、光合成光量子束（ＰＰＦ）を最適化したＬＥＤおよび量子ドット装置に基づく温室栽培のための照明器具を提供することである。
【００２１】
本発明の第３の目的は、３００〜８００ｎｍの範囲内の波長で少なくとも２つの発光ピークを提供し、かつ少なくとも５０ｎｍ以上の半値全幅（ＦＷＨＭ）を提供するＬＥＤおよび量子ドットを有することである
【００２２】
本発明の第４の目的は、ＬＥＤおよび量子ドット系温室栽培照明器具を提供することであり、この２つの発光周波数、３００−５００ｎｍおよび６００−８００ｎｍの発光強度比は、１００００時間の作動中２０％未満に低減されることである。
【００２３】
本発明の第５の目的は、温室栽培に通常使用される従来の高圧ナトリウムまたはＬＥＤランプにより得られる値よりも良好なＷａｔｔあたりのＰＰＦ値（すなわち、使用した電源のワット数に対するＰＰＦ）を得ることであって、その結果、ここで使用される温室栽培工程のために効率的であるエネルギー光源および人口照明を提供することである。
【００２４】
本発明の第６の目的は、単一の発光源を提供することであって、この３００〜５００ｎｍの発光が半導体ＬＥＤチップから発生させられ、かつ６００〜８００ｎｍの周波数の発光が、アップコンバージョンした量子ドットチップを使用して発生させられることである。本発明は、たとえば、赤外光（７００〜８００ｎｍ）を含む本発明の園芸光を照射した場合、キュウリおよびレタスといった植物がより良好な長さおよび／質量に達することが発見された。
【００２５】
本発明の第７の目的は、単一の発光源を提供することであって、３００〜５００ｎｍの周波数の発光が半導体ＬＥＤチップにより発生され、かつ６００〜８００ｎｍの周波数の発光が量子ドットチップを使用して発生され、発光のための電流が部分的に駆動されるか、またはこのＬＥＤチップの波長アップコンバーターとして完全に作動する。この６００〜８００ｎｍの照射を発生させる波長アップコンバージョンを、ＬＥＤチップ発光源に近接した１つ以上のアップコンバージョン量子ドットを使用することにより得る。
【００２６】
本出願における、「アップコンバージョン」は、より長い波長の光を発するように入光する吸収光の波長を変化させることとされる。
【００２７】
本発明の第８の目的は、半導体ＬＥＤチップ照射の部分的または完全な波長アップコンバージョンの４００〜５００ｎｍ、６００〜８００ｎｍ、またはその両方の周波数の範囲を提供し、このチップは、３００〜５００ｎｍの範囲の発光範囲を有することである。この波長アップコンバージョンは、有機、無機または、その両方の種類の材料の組み合わせである量子ドットを使用することにより得られる。
【００２８】
本発明の第９の目的は、アップコンバージョンのためのナノ粒径粒子の材料を使用した波長アップコンバージョンを提供することである。
【００２９】
本発明の第１０の目的は、アップコンバージョンのための分子様材料を使用した波長アップコンバージョンを提供することである。
【００３０】
本発明の第１１の目的は、波長アップコンバージョンを提供したポリマーマトリックスと共有結合するポリマー材料を使用した波長アップコンバージョンを提供することである。
【００３１】
本発明の第１２の目的は、５００〜６００ｎｍのスペクトルバンドが抑制されるＬＥＤおよび量子ドット系照明器具を意味する。この抑制したバンドにおいて、すべてまたはほとんどすべての発光が存在せず、または４００〜５００ｎｍ、６００〜７００ｎｍの隣接するバンドのどちらかよりも小さな発光となる場合がある。この抑制は、４００〜５００ｎｍのバンドにおける主要な発光を全くまたはほとんど有さないことにより、かついずれかのアップコンバージョンが６００ｎｍより大きい波長をシフトする波長シフトを引き起こすことを確かにすることにより、本発明により達成される。この（緑色光およびその周辺の光の）照射は、光合成の転換のために吸収されるよりも植物から単に反射されるため、緑色植物は隣接するバンドの照射と同じく緑色光（５００〜６００ｎｍ）の照射を利用することができない。
【００３２】
本発明の第１３の目的は、所望の赤外光を提供することにより植物の同化成長を最大限にするＬＥＤおよび量子ドット系照明器具を表し、そのため、植物栽培の観点からエネルギーを浪費する照射である緑色光を最小限にする。この目的は、本発明の一態様において、赤外色光構成要素を有するが、緑色光構成要素（５００〜６００ｎｍ）を除去および／または最小限にする広範囲の赤色光スペクトル構成要素（６００〜８００ｎｍ）内へ発光した青色光（３００〜５００ｎｍ）の一部をアップコンバートする波長アップコンバージョン量子ドット装置を備えた青色ＬＥＤ光エミッタにより実行される。
【００３３】
本発明は、温室栽培に適したＬＥＤおよび量子ドットならびに関連する照明器具を提供する。本発明により、ＬＥＤおよび量子ドットの両方は、特定の発光周波数パターン、すなわち、少なくとも５０ｎｍ以上の半値全幅を備え、かつ６００〜７００ｎｍの範囲内のピーク波長を有する１つの発光ピーク、および５００ｎｍ未満のピーク波長を有する第２のスペクトル特性といった少なくとも２つのスペクトル特性を有する。このＬＥＤおよび量子ドットの発光ピークは、植物の光合成反応スペクトルと良好に一致し、したがって非常に効率的な人工照明に特に適する。
【００３４】
上述した本発明の利点のいくつかまたはすべては、この光形態形成に可変的に影響する発光スペクトルを最適化するＬＥＤおよび量子ドットの粒径分布から生じ、この可変的に影響するものとは、異なる時点または収穫の成熟期の、重量、葉の枚数、根の質量、茎の高さ、（ビタミン、ミネラルならびに／または養分含量および／または濃縮物などの）化学組成物の生物学的パラメータのいずれかとすることができる。
【００３５】
ＬＥＤを備える植物栽培用の照明装置は本発明に係るものであり、かつこの照明装置がより長い波長のＬＥＤ光をアップコンバートするために配置される粒径の異なる複数の量子ドットを含むことにおいて特徴づけられる。
【００３６】
植物栽培のための照明方法は、本発明に係り、かつ植物を照射するステップおよび少なくとも１つのＬＥＤを備える量子ドットが、
光が、粒径の異なる複数の量子ドットにより吸収されることと、
光が、この吸収された照射よりも長い波長で粒径の異なる複数の量子ドットにより発光されることと
を特徴とする。
【００３７】
植物栽培のための照明方法は、本発明に係り、かつ
少なくとも１つの植物および粒径の異なる複数の量子ドットが、少なくとも１つのＬＥＤで照射されるステップと、
光が、この粒径の異なる複数の量子ドットにより吸収されるステップと、
光が、この吸収された照射よりも長い波長で粒径の異なる複数の量子ドットにより発光されるステップと
を含む。
【００３８】
温室および／または成長チャンバ照明装置は本発明に係り、かつこの装置が少なくとも１つの量子ドットおよび少なくとも１つのＬＥＤを含むことを特徴とする。
【００３９】
園芸用照明器具は、本発明に係り、かつ、
ａ）６００〜７００ｎｍの範囲内の波長にピークを含み、かつ少なくとも５０ｎｍ以上の半値全幅を示すように配置される第１のスペクトル特性と、
ｂ）最大５０ｎｍの半値全幅を有し、かつ４４０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内にピーク波長を示すように配置される第２のスペクトル特性と、
ｃ）６００〜８００ｎｍの周波数でのすべてまたは部分的な発光であって、少なくとも１つの量子ドットによるＬＥＤチップ照射源の全体または部分的な波長アップコンバージョンを使用して発生される、発光と
を有する少なくとも１つの量子ドットおよび少なくとも１つのＬＥＤを含む。
【００４０】
園芸用照明器具は、本発明に係り、かつ
ａ）６００〜７００ｎｍの範囲内の波長にピークを含み、かつ少なくとも５０ｎｍ以上の半値全幅を示すように配置される第１のスペクトル特性と、
ｂ）最大５０ｎｍの半値全幅を有し、かつ４４０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内にピーク波長を示すように配置される第２のスペクトル特性と、
ｃ）５００〜６００ｎｍの波長の少なくとも一部または全ての発光であって、４００〜５００ｎｍのバンドにおける強度未満かつ６００〜７００ｎｍのバンドにおける強度未満に最小化および／または除去および／または低減されるように配置される、発光と、
を有するＬＥＤからの発光した照射をアップコンバートするようにされたように配置された少なくとも１つのＬＥＤおよび少なくとも１つの量子ドットを含む。
【００４１】
５つの先行する段落のいずれかの照明装置および照明器具の使用は、環境光または単一の光源として照明装置または器具を備えた暗室キャビティ内において少なくとも１つの植物を備える少なくとも１つの植物に光を提供することにおいて、本発明に係る。同様に、５つの先行する段落の植物成長を強化する方法は本発明に係り、少なくとも１つの照明装置または器具が、環境光または単一の光源として照明装置または器具を備える暗室キャビティ中に少なくとも１つの植物を備える少なくとも１つの植物に光を照射する。
【００４２】
園芸用光である発光構成要素であって、
発光ダイオード（ＬＥＤ）半導体チップと、
このＬＥＤチップに直近に配置した光波長アップコンバージョン量子ドットと
を含み、
この構成要素が、２つの特徴的な発光ピークを発することができ、かつ５００〜６００ｎｍの波長での発光の少なくとも一部または全てが、４００〜５００ｎｍのバンドにおける強度未満かつ６００〜７００ｎｍのバンドにおける強度未満に最小化され、および／または除去され、および／または低減されるように配置される。
【００４３】
先行する段落の発光構成要素の使用は、環境光または単一の発光源としての照明装置または器具を備える暗室キャビティにおいて少なくとも１つの植物を備える少なくとも１つの植物に光を提供することに関して本発明に係る。同様に、植物成長を強化する方法は本発明に係り、先行する段落の少なくとも１つの発光構成要素は、環境光または単一の発光源としての照明装置または器具を備えた暗室キャビティにおいて少なくとも１つの植物を備えた少なくとも１つの植物に光を発する。
【００４４】
本発明のＬＥＤエミッタおよび量子ドットアップコンバータ系器具は、発光スペクトルの非常に効率的なスペクトル同調を可能に、したがって非常に効率が良好となり、かつ人口光に依存した植物栽培において改良した光形態形成制御を可能とする。これらにより提供されるスペクトル同調として、アップコンバージョンのためのみに非常に良好な分布の量子ドットが従来のＬＥＤよりも優れている場合、この利点がさらに評価される。さらに、本発明の光装置を使用するとかなりの収穫量が改善され、このことにより、暗室成長チャンバまたは非常に限定された環境光でのチャンバにおける栽培に関連した多くの利点がもたらされる。たとえば、第１に、植物は、消費する場所により近くで、たとえば、大都市の住居の地下室で成長してもよく、それにより、輸送コストを除去することができる。第２に、植物は、たとえば、夏の砂漠の条件など、農業が伝統的に不可能な地形で成長してもよい。第３に、植物の量を改良するために、個々の植物の間の整合性が改善され、より簡易に収穫することができる。このことは、個人の関与がより少なくなり、かつ機械のビジョンに基づく収穫装置が、一貫した量、粒径または色を有する植物を認識することができるようになるためである。第４に、ほぼ全ての成長パラメータを制御することができ、それにより、特に、栽培する花または装飾用植物である場合に特に有利であるため、この植物の特性を制御した形式で変動してもよい。第５に、一定の光子線量を植物に毎日照射することにより、栄養量を毎年維持することができるため、栄養を管理することに役立つ。第６に、非常に晴れて暑い地形において、日光を反射する、暗く不透明な成長チャンバ中で植物を生育してもよい。本発明の人工的な照射で使用するエネルギーは、日光の下での空気調節または冷却において消費するであろうエネルギーよりも十分に少ない。
【００４５】
暗室キャビティとは、光子を発する本発明の人工光源がない状態で、日光および／または環境光が０または低いレベルを有する光が限定された空間として構成されるが、このキャビティは、顕微鏡を用いるほど小さい大きさ、植木鉢の粒径、１０ｍ２の住居／ビジネスの地下室、船舶の荷物用コンテナ、たとえばサッカー場の地下室などのサッカー場なみの大きさ、および／または１つ以上のフロアで都市全体用の野菜を生育するのに十分である２０のフロアを備えた超高層ビルなどのような大きさとすることもできる。
【００４６】
さらに上述の実施形態で生じる利益に関して、本発明の最良の形態は、発光スペクトルが、緑黄色（５００〜６００ｎｍ）における非常に低い強度を除去または提供し、かつ７００〜８００ｎｍバンドの赤外色における高い強度のスペクトルの特性を含むことを除く光合成有効放射（ＰＡＲ）と同様の他の発光スペクトルを発生させる量子ドットの粒径分布を生じさせるコロイド合成法により作成される、二元合金量子ドットを有する照明装置と考えられる。
【００４７】
以下に、添付の図面に係る例示的な実施形態に関してより詳細に記述する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１Ａ】緑色植物における最も共通した光合成および光形態形成の光受容体の相対的な吸光スペクトルを示す。
【図１Ｂ】本発明の照明装置１０の実施形態をブロック図として示す。
【図２】本発明に係る照明方法の実施形態２０をフローチャートとして示す。
【図３】本発明の照明装置の使用の実施形態３０および３１をブロック図として示す。
【図４】本発明に係る第１の単一発光源ＬＥＤおよび量子ドット装置の発光ピークを備えた実施形態４０を示す。
【図５】本発明に係る第２の単一発光源ＬＥＤおよび量子ドット装置の発光ピークを備えた実施形態５０を示す。
【図６】本発明に係る第３の単一発光源ＬＥＤおよび量子ドット装置を備えた実施形態６０を示す。
【図７】本発明に係る第４の単一発光源ＬＥＤおよび量子ドット装置を備えた実施形態７０を示す。
【図８】本発明に係る、植物のバイオマスを最大限にするために発見されたスペクトルを備えた実施形態８０を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
一部の実施形態は、独立請求項に記載される。
【００５０】
図１は、粒径の異なる複数の量子ドット１１０、１２０、１３０、１４０、１５０および１６０を含む照明装置１００を示す。この量子ドットの粒径分布は、２ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内の異なる粒径の量子ドット、すなわち、概して２００ｎｍの直径を有する量子ドット１１０および約２ｎｍの直径を有する量子ドット１６０を含む。同様に、この照明装置は、概してＬＥＤ１０１を含み、好ましくは、青色であり、または他のより短い波長の光を有する。
【００５１】
ＬＥＤ１０１は、光を発するため、発光した光子は、量子ドット１１０、１２０、１３０、１４０、１５０および１６０により吸収される場合もある。光子が吸収されるため、量子ドット１１０、１２０、１３０、１４０、１５０および１６０における電子は、高エネルギー状態まで励起する。より高いエネルギー状態およびより低いエネルギー状態の間の差異と等しい１つ以上の光子エネルギーを発することにより、より高いエネルギー状態からより低いエネルギー状態までこれらの電子が実質的に緩和する。
【００５２】
一部の実施形態において、量子ドット１５０、１６０は、２５０〜４００ｎｍの範囲内のＵＶ／青色光を伝送するように配置され、または完全に除去され、量子ドット１４０および１３０は、４００〜６００ｎｍの緑色光および／または黄色光を伝送または完全に除去するように配置され、または完全に除去され、量子ドット１２０は、６００〜７００ｎｍの赤色光を伝送するように配置され、量子ドット１１０は、７００〜８００ｎｍのバンド中の赤外光を伝送するように配置される。
【００５３】
ある粒径の量子ドット１１０、１２０、１３０、１４０、１５０および１６０の相対的発光強度および量子ドットの数は、一部の実施形態における光合成有効放射（ＰＡＲ）スペクトルと類似しおよび／または同一であるＬＥＤ１０１の発光スペクトルと組み合わせた発光スペクトルの集合を作製するように変動される。さらに好ましくは、ＰＡＲと類似する発光スペクトルが、緑黄色光（５００〜６００ｎｍ）における非常に低い発光強度を除去または提供し、かつ赤外色である７００〜８００ｎｍのバンドにおける高い発光強度の特性を含む。
【００５４】
量子ドット１１０、１２０、１３０、１４０、１５０および１６０のすべて／またはいくつかは、一部の実施形態において、セレン化カドミウム、硫化カドミウム、ヒ化インジウム、リン化インジウム、および／または硫セレン化カドミウムのいずれかの合金から概して製造される。
【００５５】
さらに詳細な実施形態において、量子ドット１１０、１２０、１３０、１４０、１５０および１６０の少なくとも１つの粒径は、量子ドットが植物のある光形態形成の効果を有するバンド中の発光を発生させるために選択される。一部の実施形態において、変動可能な光形態形成の効果は、異なる時点または収穫の成熟期の、重量、葉の枚数、根の質量、茎の高さ、（ビタミン、ミネラルならびに／または養分含量および／または濃縮物などの）化学組成物の生物学的パラメータのいずれかとすることができる。
【００５６】
一部の実施形態において、量子ドット１１０、１２０、１３０、１４０、１５０および／または１６０の少なくとも１つは、コロイド合成により生成される。コロイド合成において、コロイド半導体ナノ結晶は、伝統的化学工程のように、溶液中に溶解する前駆体化合物から合成される。概して、コロイド状量子ドットの合成は、前駆物質、有機界面活性剤、および溶媒から構成される３つの構成要素のシステムに基づく。この反応媒体を非常に高い温度まで加熱し、この前駆物質をモノマーへと化学的に変換する。モノマーが十分に高い過飽和レベルに達すると、ナノ結晶成長が核形成工程と共に開始する。
【００５７】
成長工程中の温度は、一部の実施形態におけるナノ結晶成長に最適な条件を決定する重要な要素の１つである。この温度は、概して、合成工程の間の原子の再配置およびアニーリングを可能とするよう十分に高く、対して、結晶成長を促進するためには十分に低い。ナノ結晶成長の間で制御される別の重要な要素は、一部の実施形態においてはモノマーの濃度である。
【００５８】
ナノ結晶の成長工程は、２つの異なるレジームにおいて起こり得、「フォーカス」および「デフォーカス」として記述される。高モノマー濃度では、この結晶の粒径（ナノ結晶が成長せず縮小しない粒径）は、相対的に小さく、ほぼ全ての粒子が成長するという結果となる。このレジームにおいて、大きな結晶はより小さな結晶よりも成長し、より多くの原子を必要とするため、結晶が小さい程大きな結晶よりも成長が早く、このことは、ほぼ単分散の粒子を得るために粒径分布を「フォーカス」するという結果となる。存在する平均ナノ結晶の粒径が、臨界粒径よりも常に若干大きいようにモノマー濃度を保つ場合、フォーカスする粒径は概して最適である。このモノマー濃度が成長の間に枯渇した場合、この臨界粒径は、存在する平均の粒径よりも大きくなり、この分布は、オストワルド成長の結果として「デフォーカス」する。
【００５９】
多くの異なる半導体を生成するためのコロイド合成法が存在する。本発明の典型的なドットは、セレン化カドミウム、硫化カドミウム、ヒ化インジウム、およびリン化インジウムなどの二元合金から作製される。しかしながら、さらにドットは、本発明の一部の実施形態において硫セレン化カドミウムなどの三元合金から作製されてもよい。これらの量子ドットは、１０〜５０原子の直径を備えた量子ドット量の内の１００〜１００，０００原子と同じ原子を含むことができる。これは、約２〜１０ナノメートルに対応する。
【００６０】
異なる方法のコロイド合成または他の方法による異なる量子ドットの集合を生成し、かつ、その後、１つ以上のＬＥＤとこの集合を組み合わせて植物栽培に好ましい所望の総発光スペクトルを提供する粒径分布を得ることが本発明に係る。
【００６１】
実施形態１０は、実施形態２０、３０、３１、４０、５０、６０、７０および／または８０のいずれかと容易に交換および／または組み合わせることができる。
【００６２】
図２は、たとえば温室環境における、本発明の照明装置の作動を示す。段階２００において、発光は、ＬＥＤから少なくとも１つの植物および少なくとも１つの量子ドットに向かって方向付けられる。
【００６３】
段階２１０では、量子ドットは光子を吸収し、概して、この光子は、ＬＥＤから発せられ、かつ２５０〜４００ｎｍの範囲内の波長を有する光子である。この光子は、段階２２０でより高いエネルギー段階まで量子ドット中の電子を励起する。
【００６４】
この電子は、より低いエネルギー段階まで緩和するため、段階２３０および２４０における励起状態および緩和状態の間の差異により指示された波長を含む光子が発せられる。これらの発せられた光子は、吸収されないＬＥＤの光子と共に最終的に植物に直接照射され、かつ照明装置から伝送した発光スペクトルを生成した。
【００６５】
一部の実施形態において、２５０〜４００ｎｍの範囲内のＵＶ／青色光、４００〜６００ｎｍの範囲内の緑および／または黄色光、６００〜７００ｎｍの赤色光、ならびに／または７００〜８００ｎｍのバンド中の赤外光が、本発明の方法における少なくとも１つのＬＥＤおよび異なる粒径の少なくとも１つの量子ドットにより発せられる。本発明の一部の実施形態において、概して、より大きな量子ドットからより長い波長の赤色光が発せられ、より小さな量子ドットおよびＬＥＤの青色光は、より短い波長の光を発する。したがって、好ましい波長アップコンバージョンの実施形態において、少なくとも１つのＬＥＤは、２５０〜４００ｎｍの範囲内のＵＶ／青色光を伝送し、かつ２５０〜４００ｎｍの波長の光子の全てまたはいくつかを吸収し、かつ４００〜６００ｎｍの範囲内の光、６００〜７００ｎｍの赤色光、および／または７００〜８００ｎｍのバンド中の赤外光を発するＬＥＤに関連するより大きな量子ドットが存在する。
【００６６】
実施形態２０は、実施形態１０、３０、３１、４０、５０、６０、７０および／または８０のいずれかと容易に交換および／または組み合わせることができることがさらに留意される。
【００６７】
図３は、本発明の人工温室照明装置および方法の実施形態３０および３１の異なる使用構成を示す。１つの実施形態３０において、植物３１１は、透明な壁３０１を備えた温室の床上で栽培される。ＬＥＤおよび複数の量子ドットを備えた照明装置３２２は、この装置から発せられた光子が、最大照射の束を可能な限り多くの植物３１１に達することができる位置に配置される。一部の実施形態において、照明装置の発光スペクトル３５０は、壁３０１を介して伝送される日光である天然光スペクトルを補完するために調整される。一部の実施形態において、照明装置３２２を本発明に係る温室の壁により漏れ出したおよび／または弱められた波長が伝送するように配置されたＬＥＤおよび量子ドットを含んでもよい。
【００６８】
実施形態３１において、栽培される植物は、温室３００における成長チャンバ３６０中で重ねられる。一部の実施形態において、各成長チャンバは照明装置３２１を有する。たとえ植物が透明な成長チャンバ中に重ねられていても、いくつかの光子が１つ以上の透明な壁を介して伝送する必要があるため、実施形態３０よりも大きく低減および／または弱められる。したがって、少なくとも１つのＬＥＤおよび量子ドットを備えた照明装置３２１は、概して上記のように複合的に伝送する天然光スペクトルを補完し、または不透明のチャンバの場合、植物３１０にすべての光照射を提供する。一部の実施形態において、成長チャンバ専用の照明装置および１つ以上の成長チャンバ３６０中の１つ以上の植物に共有される少なくとも１つの照明装置の両方が存在する。
【００６９】
一部の実施形態において、少なくとも１つのＬＥＤおよび量子ドットは、伝送したスペクトル３４０と組み合わせたスペクトルが、光合成有効放射（ＰＡＲ）スペクトルと類似する場合の発光スペクトルを発生させるように配置される。さらにより好ましいスペクトル３４０は、ＰＡＲと類似するものであるが、緑黄色光（５００〜６００ｎｍ）の非常に低い強度を除去または提供し、かつ７００〜８００ｎｍの赤外光のバンド中の高いスペクトル強度の特性を含む。一部の実施形態において、照明装置の少なくとも１つのＬＥＤおよび／または量子ドットは、バンドが植物においてある光形態形成効果を有する光子スペクトル中のバンドにおける光子を発するために選択される。この変動可能な光形態形成効果は、異なる時点または収穫の成熟期の植物３１０、３１１の重量、葉の枚数、根の質量、茎の高さ、（ビタミン、ミネラルならびに／または養分含量および／または濃縮物などの）化学組成物の生物学的パラメータのいずれかとすることができる。
【００７０】
同様に実施形態３０、３１は、いずれかの程度である不透明また透明な成長チャンバ３６０で実行するために適している。
【００７１】
同様に、実施形態３０および３１は、実施形態１０、２０、４０、５０、６０、７０および／または８０のお互いにおよび／またはいずれかと容易に交換および／または組み合わせることができる。
【００７２】
図４において、半導体ＬＥＤチップの発光ピークの周波数は、２５ｎｍの半値全幅（ＦＷＨＭ）の発光ピークを備えた４５７ｎｍの波長をピークとする。この場合、波長アップコンバージョンは、２つの量子ドットアップコンバージョン材料を使用することにより行われる。これら２つの波長アップコンバージョン材料は、６６０ｎｍおよび６０４ｎｍで個々に発光ピークを有する。図４は、１０１ｎｍの発光ピークＦＷＨＭを備えた６５１ｎｍの波長にピークを有するこれら２つの波長アップコンバージョン材料から組み合わせた発光ピークを示す。この場合、（ピーク強度から計算された）半導体ＬＥＤチップの発光の約４０％が、２つの各アップコンバージョン量子ドット材料により６５１ｎｍの発光までアップコンバートされる。
【００７３】
スペクトル４０は、従来のＬＥＤと共に使用しかつ実行することができる。スペクトル４０を、本発明に係る組み合わせにおいて少なくとも１つの量子ドットおよび少なくとも１つのＬＥＤにより実行することができる。このスペクトル４０は、暗室成長キャビティまたは低いレベルの環境光を備えたキャビティ中の少なくとも１つの植物に照射するための使用に特に適している。
【００７４】
同様に、実施形態４０は、実施形態１０、２０、３０、３１、５０、６０、７０および／または８０のいずれかと容易に交換および／または組み合わせることができる。
【００７５】
図５において、半導体ＬＥＤチップ発光の周波数は、３０ｎｍの半値全幅（ＦＷＨＭ）の発光ピークを備えた４７０ｎｍの波長にピークを有する。この場合、波長のアップコンバージョンは、２つの量子ドットアップコンバージョン材料を使用することにより行われる。これら２つのアップコンバージョン材料は、６６０ｎｍおよび６０４ｎｍで個々に発光ピークを有する。図５は、１０５ｎｍの発光ピークＦＷＨＭを備えた６６０ｎｍの波長にピークを有するこれら２つの波長アップコンバージョン材料から組み合わせた発光ピークを示す。この場合、（ピーク強度から計算された）半導体ＬＥＤチップ発光の約６０％が、２つの各量子ドット「アップコンバージョン」材料により６６０ｎｍの発光までアップコンバートされる。
【００７６】
スペクトル５０を、従来のＬＥＤと共に使用しかつ実行することができる。同様に、スペクトル５０を、本発明に係る組み合わせにおける少なくとも１つの量子ドットおよび少なくとも１つのＬＥＤにより実行することができる。スペクトル５０は、暗室成長キャビティまたは低いレベルの環境光を備えたキャビティ中の少なくとも１つの植物に照射するための使用に特に適している。
【００７７】
さらに、実施形態５０は、実施形態１０、２０、３０、３１、４０、６０、７０および／または８０のいずれかと容易に交換および／または組み合わせることができることがさらに留意される。
【００７８】
図６において、半導体ＬＥＤチップ発光周波数は、２５ｎｍの半値全幅（ＦＷＨＭ）の発光ピークを備えた４５２ｎｍの波長にピークを有する（図６には示されない）。この場合、波長アップコンバージョンは、１つのアップコンバージョン量子ドット材料を使用することにより行われる。図６は、８０ｎｍの発光ピークＦＷＨＭを備えた６５８ｎｍの波長にピークを有するこのアップコンバージョン材料からの発光ピークを示す。この場合、（ピーク強度から計算された）半導体ＬＥＤチップ発光の約１００％が、量子ドットのアップコンバージョン材料により６５８ｎｍまでアップコンバートされる。ＬＥＤおよび量子ドット装置が存在する４５２ｎｍの発光がないことを図６において示すことができる。
【００７９】
スペクトル６０を従来のＬＥＤと共に使用しかつ実行することができることが示される。同様に、スペクトル６０を、本発明に係る組み合わせにおける少なくとも１つの量子ドットおよび少なくとも１つのＬＥＤにより実行することができる。スペクトル６０は、暗室成長キャビティまたは低いレベルの環境光を備えたキャビティ中の少なくとも１つの植物に照射するための使用に特に適している。
【００８０】
実施形態６０は、実施形態１０、２０、３０、３１、４０、５０、７０および／または８０のいずれかと容易に交換および／または組み合わせることができる。
【００８１】
図７において、半導体ＬＥＤチップの発光周波数は、２５ｎｍの半値全幅（ＦＷＨＭ）の発光ピークを備えた４５２ｎｍの波長にピークを有する。この場合、波長アップコンバージョンは、１つのアップコンバージョンを使用することにより行われる。図７は、この７８ｎｍの発光ピークＦＷＨＭを備えた６０２ｎｍにピークを有するアップコンバージョン材料からの発光ピークを示す。この場合、（ピーク強度から計算された）半導体ＬＥＤチップ発光の約９５％が波長アップコンバージョン量子ドット材料により６０２ｎｍの発光までアップコンバートされる。
【００８２】
スペクトル７０を従来のＬＥＤと共に使用しかつ実行することができることが示される。同様に、スペクトル７０を、本発明に係る組み合わせにおいて少なくとも１つの量子ドットおよび少なくとも１つのＬＥＤにより実行することができる。このスペクトル７０は、暗室成長キャビティまたは低いレベルの環境光を備えたキャビティ中の少なくとも１つの植物に照射するための使用に特に適している。
【００８３】
同様に、実施形態７０を、実施形態１０、２０、３０、３１、４０、５０、６０および／または８０のいずれかと容易に交換および／または組み合わせることがさらに示される。
【００８４】
図８は、植物におけるバイオマスの産生を最大限にするために最適化されたスペクトル８０を示す。この最適化されたスペクトルは、好ましくは、本出願に記述した本発明の照明装置で発生される。スペクトル８０は、成長チャンバ栽培において優れた利点を有し、この成長チャンバは暗室キャビティ、すなわち、０または低いレベルの日光および／または環境光を有する暗室キャビティである。スペクトル８０を生成する本発明の照明装置は、このチャンバ内に配置され、かつ本発明に係るバイオマスの産生を最大限にする。本発明者は、スペクトル８０の特性を最大限にするバイオマスを実験的に発見した。
【００８５】
同様に、実施形態８０を、実施形態１０、２０、３０、３１、４０、５０、６０および／または７０のいずれかと容易に交換および／または組み合わせることがさらに示される。
【００８６】
使用したＬＥＤおよびアップコンバージョン量子ドットの材料および粒径は、ＬＥＤおよび量子ドット装置からの所望の発光スペクトルが得られる方法において選択されるものである。
【００８７】
要約すると、ＬＥＤ波長、ＬＥＤスペクトルおよび強度、量子ドットの種類、ならびに／または量子ドットの粒径分布を調整することにより、ＬＥＤおよび量子ドット装置からの所望の発光スペクトルを調整することが可能となり、かつ、量子ドット数を調整することにより、組み合わせられたＬＥＤおよび量子ドット装置の所望のアップコンバートされた量子ドットチップ発光量／総計を調整することが可能である。
【００８８】
同様に、本発明は、６００〜７００ｎｍの範囲内の波長にピークを含むスペクトル特性を有する少なくとも１つのアップコンバージョン量子ドットを含む植物成長を促進させる照明器具に関する。
【００８９】
この手法を使用することにより、従来の技術と比較して優れているＰＰＦおよびワット効率あたりのＰＰＦおよび性能および非常に低電力の消費および非常に長い稼働寿命に到達するようにこの光源が設計される。
【００９０】
一部の実施形態において、３００〜５００ｎｍの周波数での発光は、半導体ＬＥＤチップにより発生され、かつ、４００〜８００ｎｍの周波数での発光は、ＬＥＤチップ照射源の完全なまたは部分的波長なアップコンバージョンを使用して発生される。この部分的な波長アップコンバージョンを、半導体ＬＥＤチップ照射の５〜９５％、好ましくは、３５〜６５％の範囲内で選択することができる。一部の実施形態において、ＬＥＤ発光源に近接した１つ以上の量子ドットアップコンバージョン材料を使用することにより、４００〜８００ｎｍ照射を発生させるための波長アップコンバージョンを得ることができる。
【００９１】
本出願では、上述の「調節可能な」ピーク波長は、工場での照明器具の組立の間に調節することができるピーク波長として考えられ、および／または同様に、ピーク波長調節する場所で照明器具の調節可能なダイヤルとして「調節可能な」ピーク波長とみなされる。さらに、この装置の製造工程中のＬＥＤおよび／または量子ドットのピーク波長を調節することは、本発明に係るものであり、かつ、「調節可能な」ものは、ＬＥＤおよび／または量子ドットの製造工程の間に成される調節を含む。上述の全ての実施形態の調節可能なピーク波長、または他のいずれかの調節可能な光源または変動可能なＬＥＤおよび／または量子ドットは、本特許出願の範囲内である。
【００９２】
本発明の１つの特別な例示的な実施形態において、粒子の粒径分布が約±０．５ｎｍである６．６ｎｍの粒子の平均の粒径を備えたＣｄＳｅ−ＺｎＳ（コアシェル）量子ドットナノ粒子を、２つの構成要素のシリコン封止樹脂と混合した。この混合比は、シリコン樹脂のナノ粒子の０．２重量％であった。ＰＬＣＣキャビティ中のＩｎＧａＮ発光ダイオードを含む塑性リーデッドチップキャリア（ＰＬＣＣ）内へ封止剤としてナノ粒子を含む樹脂を適用した。４５０ｎｍの波長範囲で電気蛍光発光を有するようにこの発光ダイオードを決定した。
【００９３】
封止剤材料を含むナノ粒子を備えたＰＬＣＣパッケージ含有ＩｎＧａＮを、３．２Ｖの順電圧および３５０ｍＡの電流を備えたＤＣ電圧源に接続した。この装置の発光スペクトルは、第１のピークを４５０ｎｍの波長の範囲で第２のピークを６６０ｎｍの波長の範囲とする２つの発光ピークを得る結果となることを特徴とする。この６６０ｎｍの波長の範囲の発光ピークのＦＷＨＭは、約６０ｎｍより大きいことが観察された。４５０ｎｍおよび６６０ｎｍのピーク強度比は、０．５：１であった。上述の実験は、出願人により行われた。
【００９４】
所望の発光スペクトルを提供して所定の成長結果または生理学的反応を得るために、１つの照明器具において異なる発光ピークを有するＬＥＤおよび量子ドットを含み、これらを制御することが、本発明に係るものである。この方法では、この照明システムは、用途の広い、照射の強度およびスペクトルの制御を可能にするものである。究極的には、ＣＯ２濃度、温度、採光特性および湿度などの他の非生物的パラメータの制御を、照射することと共に、温室の作物生産性および総合的な管理を最適化する同一の制御システム内に統合し得る。
【００９５】
本発明は、上述の実施形態で説明されており、ならびにいくつかの商業的かつ工業的利点が説明されてきた。本発明の方法および配置は、植物栽培において使用される光の発光スペクトルのより正確なスペクトル同調を可能にする。したがって、本発明は、植物成長の光形態形成の制御における予測できない改善および植物生産におけるさらなる改善をなすことが理解される。同様に、本発明は、人工光により植物栽培のエネルギー効率をかなりの程度まで改善する。さらに、この収穫量は、本発明の照明装置によりかなり改善するものであり、このことにより、暗室成長チャンバまたは非常に限定された環境光を備えたチャンバに関連する複数の利点を引き起こす。第１に、植物は、たとえば、大都市の住居の地下室などの消費場所により近い場所において成長し、このことにより輸送コストを削減してもよい。第２に、農業が伝統的に可能ではない地形、たとえば、夏の暑い砂漠の条件などの地形で植物が成長してもよい。第３に、植物の量が同様に、個々の植物間の整合性が改善されるため、収穫をより簡易に行うことが可能となる。このことは、一貫した量、粒径および色を有する場合、個々および機械の視覚に基づく収穫器具が認識できる拒絶が少なくなる。第４に、ほぼ全ての成長パラメータが制御下におかれるため、植物の特性を形式的に制御するように変動してもよく、このことは、花および装飾植物を栽培する場合に特に有利である。第５に、植物に毎日一定の光子線量を与えることが、栄養の管理を維持することにつながり、この栄養量を毎年維持することができる。第６に、非常に熱く日差しが強い地形において、植物を、日光を反射する不透明な成長チャンバ中において成長させてもよい。本発明に係る植物の人工的照明で使用したエネルギーは、日光の下で植物を空気調整または空冷するために使用したエネルギーよりも非常に少ない。本発明は、すでに受け継いだＬＥＤシステムを有する温室に特に適している。これらのＬＥＤシステムは、しばしば、本発明の照明の解決策に達するために、本発明の量子ドットアレイを追加することによりアップグレードされる。
【００９６】
本発明は、上述の実施形態に関して説明されてきた。しかしながら、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の考えの精神および範囲ならびに以下の特許請求項の範囲内の全ての実行可能な実施形態をも含むことは明白である。
【００９７】
参考文献
国際出願第２０１０／０５３３４１号Ａ１，”Ｐｈｏｓｐｈｏｒ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ  ｆｏｒ  ｍｅｅｔｉｎｇ  ｐｈｏｔｏｍｏｒｐｈｏｇｅｎｅｔｉｃ  ｎｅｅｄｓ  ｏｆ  ｐｌａｎｔｓ”，  Ｚｕｋａｕｓｋａｓ  ｅｔ  ａｌ．  ２０１０．
国際出願第２００９／０４８４２５号Ａ１，  “Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｐｈｏｓｐｈｏｒ  ｆｒｅｅ  ｒｅｄ  ａｎｄ  ｗｈｉｔｅ  ｎｉｔｒｉｄｅ−ｂａｓｅｄ  ＬＥＤｓ”，  Ｓｏｈ  ｅｔ  ａｌ．  ２００９．
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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