CN114752380B - 植物照明蓝光发光器件、照明装置以及应用 - Google Patents
植物照明蓝光发光器件、照明装置以及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开了一种植物照明蓝光发光器件、照明装置以及应用，属于照明器件技术领域。植物照明蓝光发光器件包括激发芯片和光转化层；所述光转化层包括发光材料和有机胶体；所述发光材料包括蓝色荧光粉；所述蓝色荧光粉选自具有式Ⅰ所示物质中的任一种。本申请通过采用特定蓝色荧光粉封装的发光器件，增加了蓝光光谱半宽，满足植物生长所需蓝光的光谱范围需要，促进植物生长，提高产能。
Description
技术领域
本申请涉及照明器件技术领域，尤其涉及植物照明蓝光发光器件、照明装置以及应用。
背景技术
植物照明削弱了自然光环境对农业生产活动的制约，高效的植物光控方法能够促进植物生长发育，达到增产、高效、优质、抗病、无公害的目的，增强农业产出能力。植物照明应用领域主要包括温室补光、全人工光植物工厂、植物组织培养、大田补光、家庭蔬菜及花卉种植等。研究表明，生菜的生长一般要70天，植物工厂仅需21-25天，种植时间为天然的三分之一，植物工厂可以建十层以上，相同土地面积的产能是露地的40-100倍以上。因此，人工植物照明可以大大缩短植物的生长时间，提高产能。
通常来说，红光和蓝光是植物照明光谱中较为重要的组成部分。研究表明植物并不是利用太阳光的全部成分来进行光合作用的，红光和蓝光是植物生长较为重要的两种光谱。叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的主要吸收光谱集中在400-500 nm蓝光和600-700 nm红光。
目前LED灯具的植物照明中，蓝光强度主要是由LED氮化镓的蓝光芯片提供，LED氮化镓蓝光芯片的波长覆盖范围430nm~480nm，但芯片光谱半宽较窄，只有20nm左右，不能完全满足植物生长所需蓝光的光谱范围需要。
现有基于紫光LED激发的蓝色荧光粉，如Sr5(PO4)3Cl:Eu2+，具有较短的发射波长，在430~440nm左右，较短波长往往会导致植物类胡萝卜素产生量减少等问题，不能满足植物生长的需要。
另一些基于紫光LED激发的蓝色荧光粉，如Sr3MgSi2O8:Eu2+，BaMgAl10O12:Eu等，发射波长在450nm左右，通常采用380~420nm的紫光进行激发，一方面，现有荧光粉虽然对380-400nm左右的紫光可以有效吸收，但是紫光激发后的荧光粉的光合光子通量较低；另一方面，现有荧光粉对410-420nm的紫光吸收效率本身就较低，导致光合光子通量会更低。较低的光合光子通量使得单位面积需要更多的照明器件，降低了经济效益，提高了能耗。
发明内容
针对现有技术中的蓝色荧光粉对410-420nm的紫光吸收效率较低，使得蓝色荧光粉的发射光不能满足基于410-420nm紫光芯片的植物照明对蓝色荧光粉的需求，本专利提供了一种可用于植物照明蓝色发光荧光粉，荧光粉发射波长460-470nm可调，可以有效吸收410-420nm发射的紫光LED芯片发射的紫光，使用本发明的蓝色荧光粉，可以制备基于紫光LED芯片的与现有植物照明相比具有更高性能的植物照明，发光强度大于目前蓝色荧光粉方案的10-12%，植物生长速率与光照强度成正比关系，光照越强植物生长越快，同时抗老化性能更加优异。
本申请提供了一种植物照明蓝光发光器件，通过采用特定的蓝色荧光粉封装的发光器件，满足植物生长所需蓝光的需要，促进植物生长，缩短植物的生长周期，提高产能。
一种植物照明蓝光发光器件，包括激发芯片和光转化层；
所述光转化层包括发光材料和有机胶体；
所述发光材料包括蓝色荧光粉；
所述蓝色荧光粉选自具有式Ⅰ所示物质中的任一种：
（M3-a-x，Aa）Mg（Si2-b，Db）O8-aEa：xEu2+式Ⅰ
在式Ⅰ中，M包括Sr元素；
A选自碱金属元素中的至少一种；
D选择ⅣA族元素中的至少一种；
E选自卤素中的至少一种；
a的取值范围为0.001≤a≤0.3；
b的取值范围0≤b≤0.3；
x的取值范围0.001≤x≤0.4。
可选地，所述发光材料和有机胶体的质量比为0.5~2：1。
可选地，在所述式Ⅰ中，M为Sr元素；或者，M中还包括Ca元素、Ba元素中的至少一种。
可选地，在所述式Ⅰ中，A选自Na元素、K元素中的至少一种；和/或，
D选自Ge元素、Sn元素中的至少一种；和/或，
E选自Cl元素、F元素中的至少一种。
可选地，所述式Ⅰ所示物质属于空间群P21/a。
可选地，所述式Ⅰ所示物质的发射光谱的峰值所对应的波长在460nm至470nm范围内。
可选地，所述式Ⅰ所示物质的发射光谱的半峰宽在30nm至40nm范围内。
可选地，所述激发芯片的激发光谱的峰值所对应的波长在380nm至420nm范围内。
可选地，所述激发芯片的激发光谱的峰值所对应的波长在410nm至420nm范围内。
可选地，所述植物照明蓝光发光器件还包括支架，所述支架设有内凹槽，所述激发芯片安装在所述内凹槽中，所述光转化层位于所述内凹槽中且在所述激发芯片周围。
可选地，所述植物照明蓝光发光器件的光合光子通量为400~600umol/s。
可选地，所述植物照明蓝光发光器件用于对植物进行照明，所述植物包括农作物。优选地，所述农作物为经济作物。例如油料作物、蔬菜作物、果类、花、草、树木。
可选地，所述农作物包括草莓、番茄、生菜中的任一种。
根据本申请的第二方面，还提供了一种照明装置，所述照明装置包括上述任一项所述的植物照明蓝光发光器件。
根据本申请的第三方面，还提供了上述任一项所述的植物照明蓝光发光器件在植物生长过程中的应用。
本申请提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
（1）通过采用特定的蓝色荧光粉，相对比蓝光芯片而言，利用荧光粉发出的蓝光增加光谱半宽（30nm至40nm范围内）来改善植物照明中的光谱，促进植物生长，缩短生长周期。尤其对经济作物，例如油料作物、蔬菜作物、果类、花、草类的植物，可以显著促进其生长。
（2）使用本发明的蓝色荧光粉，可以制备基于紫光LED芯片的与现有植物照明相比具有更高性能的植物照明，光合光子通量大于现有技术中的蓝色荧光粉方案的10-12%，同时抗老化性能更加优异，因此可以减少单位面积使用的器件的数量，提高经济效益，且降低了能耗。
（3）本发明中的蓝色荧光粉，可以对410-420nm的紫光高效吸收，所以提高了光合光子通量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的植物照明蓝光发光器件的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的1#蓝色荧光粉的光谱图；
图3为本申请实施例提供的2#蓝色荧光粉的光谱图；
图4为本申请实施例提供的3#蓝色荧光粉的光谱图；
图5为本申请对比例1提供的蓝光芯片的光谱图；
图6为本申请实施例提供的植物照明蓝光发光器件现场实景图。
具体实施方式
本申请的植物照明蓝光发光器件，具体可以参考图1中的示意图。在图1中，LED支架3设有内凹的凹槽，凹槽的横截面可以为图1所示的梯形，当然也可以为其他合适的形状，例如长方形、正方形，或者椭圆形等等，本申请不做严格限定。激发芯片2放置在凹槽的内底面上，然后在凹槽内填满含有发光材料和有机胶体的混合物。
在使用时，激发芯片2固定在LED支架3上，芯片通电点亮后发光，芯片发出的光激发的荧光粉形成所需要的混合光。
所述发光材料包括蓝色荧光粉；所述蓝色荧光粉选自具有式Ⅰ所示物质中的任一种：（M3-a-x，Aa）Mg（Si2-b，Db）O8-aEa：xEu2+式Ⅰ
在式Ⅰ中，M包括Sr元素；A选自碱金属元素中的至少一种；D选择ⅣA族元素中的至少一种；E选自卤素中的至少一种；
a的取值范围为0.001≤a≤0.3；b的取值范围0≤b≤0.3；x的取值范围0.001≤x≤0.4。
优选地，在所述式Ⅰ中，M为Sr元素；或者，M中还包括Ca元素、Ba元素中的至少一种。即，蓝色荧光粉为（Sr3-a-x，Aa）Mg（Si2-b，Db）O8-aEa：xEu2+；或者蓝色荧光粉还可以为（（Sr，Ca）3-a-x，Aa）Mg（Si2-b，Db）O8-aEa：xEu2+、（（Sr，Ba）3-a-x，Aa）Mg（Si2-b，Db）O8-aEa：xEu2+或（（Sr，Ca、Ba）3-a-x，Aa）Mg（Si2-b，Db）O8-aEa：xEu2+。
优选地，在所述式Ⅰ中，A选自Na元素、K元素中的至少一种；和/或，
D选自Ge元素、Sn元素中的至少一种；和/或，
E选自Cl元素、F元素中的至少一种。
优选地，在式Ⅰ中，a的取值范围为0.02≤a≤0.2；和/或，
b的取值范围0≤b≤0.1；和/或，
x的取值范围0.01≤x≤0.2。
优选地，所述式Ⅰ所示物质属于空间群P21/a。
优选地，所述蓝色荧光粉的结晶度为90%~99.9%。
所述结晶度可以从荧光粉的X射线衍射谱中得出，其计算公式为
结晶度Xc=Ic/（Ic+Ia）
其中Ic为所有衍射峰的强度之和，Ia为非晶相的散射强度。
优选地，所述蓝色荧光粉的中值粒径为2~30μm。此处的中值粒径为D50。
可选地，所述发光材料为蓝色荧光粉。
下面介绍蓝色荧光粉的制备方法：
S100、按照满足式Ⅰ的化学计量比，将M源、A源、Mg源、Si源、E源和Eu源以及根据需要选择D源混合，得到混合物；
S200、在还原气氛下将所述混合物在1150℃~1500℃下灼烧1h~10h，即可得到所述荧光粉材料。
可选地，M源包括M氧化物、M碳酸盐中的任一种。
例如，M源可以为SrCO3、BaCO3、CaCO3、CaO、SrO、BaO。
可选地，A源包括A氧化物、A碳酸盐、A卤化物中的任一种。
例如，A源可以为NaCl、KCl、NaCO3、KCO3、K2O，Na2O等。
可选地，E源包括A卤化物、NH4盐卤化物中的任一种。
例如，E源可以为NaCl、KCl、NH4Cl等。
可选地，D源包括D氧化物。
例如，D源可以为GeO2，SnO2等。
在配料过程中，A元素与E元素等摩尔。
较好的配料方式：以A卤化物同时作为A源和E源，M源和D源选择非卤化物的形式。
可选地，所述灼烧的升温过程包括：
第一升温阶段：25℃~800℃温度区间，8℃/min≤升温速率≤20℃/min；
第二升温阶段：800℃~1100℃温度区间，4℃/min≤升温速率≤5℃/min；
第三升温阶段：1100℃以上温度区间，1℃/min≤升温速率≤5℃/min。
具体地，所述灼烧的升温过程包括：
第一升温阶段：25℃~800℃温度区间，升温速率的上限选自9℃/min、10℃/min、11℃/min、12℃/min、15℃/min、20℃/min中的任一值，升温速率的下限选自8℃/min、9℃/min、10℃/min、11℃/min、12℃/min、15℃/min中的任一值。
第二升温阶段：800℃~1100℃温度区间，升温速率的上限选自4.5℃/min、5℃/min中的任一值；升温速率的下限选自4℃/min、4.5℃/min中的任一值。
第三升温阶段：1100℃以上温度区间，升温速率的上限选自2℃/min、3℃/min、5℃/min中的任一值；升温速率的下限选自1℃/min、2℃/min、3℃/min中的任一值。
蓝色荧光粉即式Ⅰ所示物质的发射光谱的峰值所对应的波长在460nm至470nm范围内。
蓝色荧光粉即所述式Ⅰ所示物质的发射光谱的半峰宽在30nm至40nm范围内。本申请中，通过采用式Ⅰ所示物质，可以实现发射光谱的半峰宽在30nm至40nm范围内，增加了光谱半宽，可以有效促进植物的生长。
本申请中，有机胶体可以为硅胶、硅树脂、环氧树脂中的任一种。
发光材料和有机胶体的质量比为0.5~2：1。发光材料和有机胶体的质量比过高会导致发光材料胶体粘度太大无法进行LED点胶工作制作，而且有机胶体的浓度过大会降低发光器件的发光效率；二者比例过低会有导致LED芯片发出的光不能被荧光粉完全吸收从而降低了蓝光的强度。
优选地，发光材料和有机胶体的质量比为1：1。
可选地，所述激发芯片的激发光谱的峰值所对应的波长在380nm至420nm范围内。
优选地，所述激发芯片的激发光谱的峰值所对应的波长在410nm至420nm范围内。
植物照明产品往往需要蓝光、白光、红光、远红等不同发光器件的组合，达到整灯对功率、PPF、光谱比例、成本等要求。本植物照明蓝光发光器件是与其他颜色发光器件组合应用，具体光谱和照度会根据不同植物的生长周期制定调节。
申请中实施例中所用的原料如无特殊的说明，均可以通过商业途径购买得到。
实施例1 蓝色荧光粉的制备
1#蓝色荧光粉：（Sr2.8，Na0.1）MgSi2O7.9Cl0.1：0.1Eu2+
称取41.34g SrCO3，4.03g MgO，12.02g SiO2，0.584NaCl，1.76g Eu2O3，混合均匀后装入刚玉坩埚。置于箱式电炉中，密闭后通入流动的氮气和氢气的混合气体（氢气含量为75%），电炉的升温程序为：第一段25℃~800℃温度区间升温速率8℃/min；第二升温阶段：800℃~1100℃温度区间，5℃/min。第三阶段1100℃以上温度区间升温速率为5℃/min，升温至1350℃保温5h。自然降温后得到灼烧产物；将所述灼烧产物研磨成粉末，洗涤烘干后得到所述LED用蓝色荧光粉。分子式（Sr2.8，Na0.1）MgSi2O7.9Cl0.1：0.1Eu2+，发射波长460nm。
2#蓝色荧光粉：(Sr2.45Ba0.2Na0.2) MgSi1.9Ge0.1O7.8Cl0.2：0.15Eu2+
称取36.17g SrCO3，4.03g MgO，11.41g SiO2，1.17NaCl，2.64g Eu2O3,1.05g GeO2以及3.95g BaCO3混合均匀后装入刚玉坩埚。置于箱式电炉中，密闭后通入流动的氮气和氢气的混合气体（氢气含量为75%），电炉的升温程序为：第一段25℃~800℃温度区间升温速率15℃/min；第二升温阶段：800℃~1100℃温度区间，5℃/min。第三阶段1100℃以上温度区间升温速率为4℃/min，升温至1150℃保温10h。自然降温后得到灼烧产物；将所述灼烧产物研磨成粉末，洗涤烘干后得到所述LED用蓝色荧光粉。分子式(Sr2.45Ba0.2Na0.2)MgSi1.9Ge0.1O7.8Cl0.2：0.15Eu2+，发射波长465nm。
3#蓝色荧光粉：(Sr2.72Ba0.05Ca0.05K0.08)MgSi2O7.92F0.08：0.1Eu2+
称取40.15g SrCO3，4.03g MgO，12.02g SiO2，0.596KF，1.76g Eu2O3，0.5g CaCO3以及0.987g BaCO3混合均匀后装入刚玉坩埚。置于箱式电炉中，密闭后通入流动的氮气和氢气的混合气体（氢气含量为75%），电炉的升温程序为：第一段25℃~800℃温度区间升温速率10℃/min；第二升温阶段：800℃~1100℃温度区间，5℃/min。第三阶段1100℃以上温度区间升温速率为4℃/min，升温至1370℃保温4h。自然降温后得到灼烧产物；将所述灼烧产物研磨成粉末，洗涤烘干后得到所述LED用蓝色荧光粉。分子式(Sr2.72Ba0.05Ca0.05K0.08)MgSi2O7.92F0.08：0.1Eu2+，发射波长470nm。
4#蓝色荧光粉：（Sr2.8，Na0.1）MgSi2O7.9Cl0.1：0.1Eu2+
制备方法与1#蓝色荧光粉的制备方法相似，不同之处在于升温程序不同，升温程序为第一段25℃~800℃温度区间升温速率10℃/min；第二升温阶段：800℃~1050℃温度区间，5℃/min。第三阶段1100℃以上温度区间升温速率为6℃/min，升温至1350℃保温5h。
实施例2蓝色荧光粉光谱测试
分别对1#~4#蓝色荧光粉进行光谱测试，测试结果表明，发射光谱的半峰宽在30nm至40nm范围内。其中，以1#~3#蓝色荧光粉为典型代表：
图2为1#蓝色荧光粉的光谱图，可见光谱峰值波长为460nm，半宽为33nm；
图3为2#蓝色荧光粉的光谱图，可见光谱峰值波长为465nm，半宽为36nm；
图4为3#蓝色荧光粉的光谱图，可见光谱峰值波长为470nm，半宽为38nm。
实施例3 植物照明蓝光发光器件的制备
1#蓝光发光器件的制备
按照质量比1：1将1#蓝色荧光粉和有机硅胶混合，得到光转化层混合料；
采用激发波长为410nm的激发芯片，将激发芯片固定在支架的内凹槽中；
将得到的光转化层混合料涂覆在激发芯片周围，且填满支架的内凹槽，封装即可得到发光器件。
2#蓝光发光器件的制备
与1#发光器件的制备相似，不同之处在于：采用2#蓝色荧光粉，2#蓝色荧光粉与胶水的比例为0.9：1。
3#蓝光发光器件的制备
与1#发光器件的制备相似，不同之处在于：采用3#蓝色荧光粉；3#蓝色荧光粉与胶水的比例为0.8：1。
实施例4 植物照明蓝光发光器件的光合光子通量测试
测试方法：测试仪器厂家为杭州远方光电有限公司，仪器型号为HAAS2000光谱仪。
测试结果：1#蓝光发光器件光合光子通量为500umol/s；
2#蓝光发光器件光合光子通量为420umol/s；
3#蓝光发光器件光合光子通量为587umol/s。
实施例5植物照明蓝光发光器件的效果测试
利用1#~3#蓝光发光器件作为蓝色光源对生菜进行照明处理，具体方法为用光合光子通量为500umol/s的发光器件照射生菜进行生长，其蓝光、红光、白光的光合光量子通量比例为0.3：0.5：0.2。
测试结果：1#蓝光发光器件照射的生菜生长周期为21天；
2#蓝光发光器件照射的生菜生长周期为20天；
3#蓝光发光器件照射的生菜生长周期为21天。
对比例1现有蓝光芯片作为光源
发光器件采用LED氮化镓蓝光芯片作为蓝色光源，发射光谱如图5所示，其峰波长为455nm，半宽为19nm。记作1#对比器件。
利用该对比1#发光器件对生菜进行照明处理，具体方法为用光合光子通量为500umol/s的发光器件照射生菜进行生长
测试结果：生菜生长周期为24天。
由此可见，利用本申请中的提供的植物照明蓝光发光器件对植物进行照明处理，可以明显缩短植物的生长周期。
对比例2 现有荧光粉作为光源
与1#蓝光发光器件的制备方法类似，不同之处在于，使用Sr3MgSi2O8:Eu2+蓝色荧光粉。采用激发波长为410nm的激发芯片。记作2#对比器件。
对该对比器件进行光合光子通量测试，测试结果为：光合光子通量为352umol/s。
将实施例1和对比例2发光强度数据，如表1所示
表1
抗老化性能测试
将实施例1和对比例2进行抗老化性能测试，测试结果如表2所示。
表2
以上所述的实施例仅仅是本申请的优选实施例方式进行描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请的设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案作出的各种变形及改进，均应落入本申请的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种植物照明蓝光发光器件，其特征在于，所述植物照明蓝光发光器件包括激发芯片和光转化层；
所述光转化层包括发光材料和有机胶体；
所述发光材料包括蓝色荧光粉；
所述蓝色荧光粉选自具有式Ⅰ所示物质中的任一种：
（M3-a-x，Aa）Mg（Si2-b，Db）O8-aEa：xEu2+式Ⅰ
在式Ⅰ中，M选自Sr元素、Ca元素、Ba元素中的至少一种，且M包括Sr元素；
A选自Na元素、K元素中的至少一种；
D选自Ge元素；
E选自Cl元素、F元素中的至少一种；
a的取值范围为0.001≤a≤0.3；
b的取值范围0≤b≤0.3；
x的取值范围0.001≤x≤0.4；
所述激发芯片的激发光谱的峰值所对应的波长在410nm至420nm范围内；
所述式Ⅰ所示物质的发射光谱的峰值所对应的波长在460nm至470nm范围内。
2.根据权利要求1所述的植物照明蓝光发光器件，其特征在于，所述发光材料和有机胶体的质量比为0.5~2：1。
3.根据权利要求1所述的植物照明蓝光发光器件，其特征在于，所述式Ⅰ所示物质属于空间群P21/a。
4.根据权利要求1所述的植物照明蓝光发光器件，其特征在于，所述式Ⅰ所示物质的发射光谱的半峰宽在30nm至40nm范围内。
5.根据权利要求1所述的植物照明蓝光发光器件，其特征在于，所述植物照明蓝光发光器件还包括支架，所述支架设有内凹槽，所述激发芯片安装在所述内凹槽中，所述光转化层也位于所述内凹槽中且在所述激发芯片周围。
6.根据权利要求1所述的植物照明蓝光发光器件，其特征在于，所述植物照明蓝光发光器件对植物进行照明，所述植物包括农作物。
7.根据权利要求6所述的植物照明蓝光发光器件，其特征在于，所述农作物包括油料作物、蔬菜作物、花、草或树木中的任一种。
8.根据权利要求6所述的植物照明蓝光发光器件，其特征在于，所述农作物包括生菜、果类中的任一种。
9.一种照明装置，其特征在于，所述照明装置包括权利要求1至8任一项所述的植物照明蓝光发光器件。
10.权利要求1至8任一项所述的植物照明蓝光发光器件在植物生长过程中的应用。
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