혁신적인 유리-기반식물생장용 LED: 디자인, 성능 및 스마트 애플리케이션
소개
지속 가능한 농업 관행에 대한 수요가 증가함에 따라 실내 농업과 온실 재배가 큰 주목을 받았습니다. 발광 다이오드(LED)는-유망한 인공 광원으로 떠오르고 있습니다.식물의 성장에너지 효율성과 스펙트럼 조정 가능성으로 인해. 그러나 기존의 공장성장 LED식물 색소와의 스펙트럼 매칭이 낮고 광 추출 효율이 부족한 경우가 많습니다. 이 기사에서는 이러한 제한 사항을 효과적으로 해결하는 GRIN(경사 굴절률) 구조를 갖춘 유리- 기반 LED의 설계, 성능 및 응용을 살펴봅니다.
기술 혁신
인광체-실리콘 혼합과 같은 기존 LED 캡슐화 방법은 열 안정성이 낮고 광 출력이 낮은 경우가 많습니다. 이러한 과제를 극복하기 위해 연구자들은 경사 굴절률 구조를 갖춘 PIG(Phosphor{2}}in- Glass) 필름을 개발했습니다. 이러한 GRIN-PIG 필름은 재료 경계면에서 프레넬 반사와 내부 전반사를 최소화하여 광 추출 효율을 향상시킵니다.
주요 결과
Mn⁴⁺-도핑된 PIG가 포함된 빨간색 LED
몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 적색 LED의 최적 두께와 형광체 농도는 각각 0.15mm와 0.6g/cm3로 결정되었습니다.
제작된 Mn⁴⁺-도핑된 인산염 유리- 기반 LED는 692 nm에서 방출 피크를 나타냈으며 이는 피토크롬 PR 및 PFR의 흡수 스펙트럼과 완벽하게 일치합니다.
발광 효율은 96.74lm/W에 도달했는데, 이는 기존의 실리콘{1}}캡슐형 LED(59lm/W)[페이지 26, 표 2.1]보다 훨씬 높은 수치입니다.
Eu²⁺-도핑된 PIG가 포함된 파란색 LED
청색 LED의 경우 최적의 매개변수는 두께 0.15mm, 형광체 농도 0.5g/cm3였습니다.
Eu²⁺-도핑된 불화인산염 유리- 기반 LED는 451 nm에서 방출되며 엽록소 a, b 및 -카로틴의 흡수 피크와 일치합니다.
달성된 발광 효율은 69.85lm/W로 청색광 보완에 있어 탁월한 성능을 입증했습니다[페이지 35].
스마트 디밍 시스템
마이크로컨트롤러{0}}기반 지능형 조광 시스템은 제작된 빨간색과파란색 LED.
시스템에는 GY{3}}30 광 센서, STC89C52 MCU 및 PWM{4}} 구동 LED 모듈이 포함되어 있어 환경 조건에 따라 광도를 실시간으로 조정할 수 있습니다.
이 시스템은 기존의 정적 조명 방법에 비해 에너지 소비를 최대 40%까지 줄입니다[페이지 45, 그림. 4.12].
GRIN-PIG LED의 장점
높은 스펙트럼 매칭: GRIN-PIG의 방출 스펙트럼LED 정렬주요 식물 색소의 흡수 프로파일과 밀접하게 연관되어 광합성과 성장을 촉진합니다.
향상된 효율성: 경사굴절구조로 광자손실을 최소화하여 발광효율을 높였습니다.
열 안정성: 유리-기반 캡슐화로 고온 조건에서-장기적인 신뢰성을-보장합니다.
에너지 절약: 스마트 디밍 시스템으로 조명 사용을 최적화하여 불필요한 에너지 소비를 줄여줍니다.
응용
이러한 고급 LED는 다음 용도에 이상적입니다.
수직 농장 및 온실
식물 생리학을 연구하는 연구실
정밀한 조명 제어가 필요한 도시 농업 시스템
결론
GRIN-PIG 기술과 스마트 제어 시스템의 통합은 식물 성장 조명의 획기적인 발전을 의미합니다. 스펙트럼 매칭과 에너지 효율성을 개선함으로써 이 LED는 현대 농업 요구에 맞는 지속 가능한 솔루션을 제공합니다. 향후 연구는 특정 식물 종과 성장 단계에 대한 조명 레시피 데이터베이스를 확장하는 데 초점을 맞출 수 있습니다.
참고자료
왕 B. (2023).식물 램프용 유리 기반 LED의 설계, 성능 및 응용-. 난징 우편통신대학교 석사 논문.
윤, X., 외. (2022).발광 저널, 244, 118724.
진, L., 그 외 여러분. (2018).합금 및 화합물 저널, 738, 372–378.
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