1. 國(guó)內(nèi)外主流植物照明封裝廠技術(shù)及產(chǎn)品研究現(xiàn)狀
隨著LED照明技術(shù)的發(fā)展，眾多企業(yè)紛紛從競(jìng)爭(zhēng)慘烈的通用照明市場(chǎng)轉(zhuǎn)戰(zhàn)植物、UV LED等特種照明應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外照明巨頭也紛紛布局植物照明領(lǐng)域，其應(yīng)用市場(chǎng)逐漸成為L(zhǎng)ED行業(yè)發(fā)展的新方向。目前，LED植物照明應(yīng)用市場(chǎng)主要集中在歐美、日本等LED技術(shù)前沿以及從事農(nóng)業(yè)人員較少的國(guó)家 ， 國(guó)內(nèi)緊跟其后。國(guó)外公司主要包括：德國(guó)Osram、西門子，美國(guó)Cree、Lumileds，日本日亞、三菱、夏普等;國(guó)內(nèi)公司主要包括：臺(tái)灣億光、鴻海、臺(tái)積電， 大陸中科三安、鴻利、瑞豐、添光彩、巨宏光電等也一直在進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。
LED植物照明應(yīng)用被認(rèn)為是21世紀(jì)解決世界資源、人口和環(huán)境問(wèn)題的重要途徑。1949年，美國(guó)園藝學(xué)家和植物學(xué)家在加州建立了第一座人工氣候室，其出現(xiàn)就是植物工廠的早期模型，為植物工廠的發(fā)展和完善進(jìn)行了成功的探索和實(shí)踐，并引發(fā)了模擬生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域里的一場(chǎng)風(fēng)暴。隨后，日本和前蘇聯(lián)也先后建立了這種人工氣候室。
從某種意義上說(shuō)，1957年丹麥在哥本哈根市郊約克里斯頓農(nóng)場(chǎng)真正建起了世界上第一座真正意義上的植物工廠，因?yàn)槠湟?guī)模達(dá)到了1000m?，采用人工光和太陽(yáng)能并用技術(shù)，從播種到收獲采用全自動(dòng)傳送帶流水作業(yè)，且產(chǎn)400萬(wàn)袋水芹(100萬(wàn)kg)，而這些是植物工廠的重要特征。2009年，中環(huán)易達(dá)在吉林長(zhǎng)春建成200m?植物苗工廠，此植物苗工廠采用LED光源。2010年，日本三菱化學(xué)用大型集裝箱改造植物工廠，并以LED光源進(jìn)行農(nóng)作物的光合作用，2012年首套LED照明的植物工廠系統(tǒng)用來(lái)栽培萵苣和嫩葉菜，并于當(dāng)年開(kāi)始銷售，從而拉開(kāi)LED植物照明的帷幕。2014年松下在新加坡啟動(dòng)了該國(guó)政府批準(zhǔn)的首座室內(nèi)蔬菜工廠，生產(chǎn)品種為紅葉生菜等10種蔬菜，年產(chǎn)量3.6噸。2015年，中科三安在福建安溪擬建植物工廠，2016年6月運(yùn)用自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)建成國(guó)際上單體面積最大的首棟1萬(wàn)平方米的生長(zhǎng)環(huán)境全智慧控制的植物工廠并正式投產(chǎn)，日產(chǎn)綠色無(wú)污染、高質(zhì)量蔬菜1.5噸，7月，首條金線蓮生產(chǎn)線投產(chǎn)，標(biāo)志中科三安開(kāi)始藥用植物工廠種植的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。2017年10月，飛利浦將HPS頂光照明和Philips GrennPower LED植株間照明模組高輸出型結(jié)合，為新建溫室安裝超過(guò)26000個(gè)GreenPower LED植株間照明模組，覆蓋10.6公頃總面積。目前，人工光源技術(shù)在植物照明領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是LED以其光效高、發(fā)熱低、體積小、壽命長(zhǎng)、調(diào)光技術(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在植物照明領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。
植物燈的光譜主要為紅(660nm)藍(lán)(450nm)以及遠(yuǎn)紅(730nm)配合，常規(guī)光源光譜變化大，分布不均，而LED光源的光譜可以根據(jù)種植工藝要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)，LED光源的光譜可以通過(guò)調(diào)光技術(shù)實(shí)現(xiàn)可變光譜的控制，是目前唯一可以實(shí)現(xiàn)可變光譜的植物燈光源，可變光譜技術(shù)主要是針對(duì)光形態(tài)控制，普通植物燈通過(guò)光周期的調(diào)整也是可以調(diào)節(jié)，但應(yīng)用成本會(huì)提高很多。隨著植物照明快速發(fā)展，準(zhǔn)確客觀地評(píng)價(jià)照明產(chǎn)品以及現(xiàn)場(chǎng)照明環(huán)境越來(lái)越受到關(guān)注，有必要從兩點(diǎn)出發(fā)考慮對(duì)植物照明的評(píng)價(jià)，一是植物健康生長(zhǎng)需求，二是充分節(jié)能環(huán)保的照明。
在植物照明封裝領(lǐng)域，封裝器件種類繁多而無(wú)統(tǒng)一測(cè)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)體系，涉及此領(lǐng)域的廠家包括深圳阿凡達(dá)旗下子公司添光彩的2835/5730系列單色光和白光產(chǎn)品等，深圳瑞豐光電子的PCT2835單色光以及XC3535紅、藍(lán)單色光產(chǎn)品等。臺(tái)灣地區(qū)廠家包括各種尺寸的高功率、中功率及低功率產(chǎn)品，如億光的2835/3030單色光與3535單色光和白光產(chǎn)品。國(guó)外大廠主要在大功率、COB和模組方向，兼顧植物照明白光系列，結(jié)合植物生長(zhǎng)特性和人性化照明環(huán)境，較國(guó)內(nèi)產(chǎn)品，其在可靠性、光效、不同植物不同生長(zhǎng)周期光合輻照特性研究等方面有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
Lumileds推出LUXEON SunPlus3030/2020/COB植物照明系列LED芯片，導(dǎo)入光合作用光子通量(Photosynthetic Photon Flux，PPF) 以確保能夠系統(tǒng)設(shè)計(jì)出植物生長(zhǎng)燈─提供特定的波長(zhǎng)作為溫室、垂直農(nóng)場(chǎng)和其他植物生長(zhǎng)應(yīng)用。歐司朗光電半導(dǎo)體的陶瓷3030借助Oslon Square Hyper Red原型的660nm波長(zhǎng)，再加上450nm的深藍(lán)光和730nm的遠(yuǎn)紅光，Oslon系列完美涵蓋了植物生長(zhǎng)的整個(gè)過(guò)程。2017年在美國(guó)費(fèi)城舉辦的照明展上，歐司朗光電半導(dǎo)體展示一款能促進(jìn)植物健康生長(zhǎng)的LED原型：Oslon Square Hyper Red，這款第三代2W級(jí)LED發(fā)射特性得到改善，光輸出更高，耐腐蝕性出眾，采用Oslon Square Hyper Red的植物照明系統(tǒng)具有很高的性價(jià)比。臺(tái)灣億光在美國(guó)也展示了開(kāi)發(fā)的波長(zhǎng)涵蓋完整的PAR 450nm ～ 730nm全系列農(nóng)業(yè)LEDs，當(dāng)中包括了各式不同尺寸的高功率、中功率及低功率產(chǎn)品，以滿足各種植物在不同生長(zhǎng)環(huán)境的需求，期望達(dá)到植物成長(zhǎng)最大化及節(jié)能的目標(biāo)。
芯片外延片作為植物照明封裝領(lǐng)域的重要組成部分，其大量的核心專利仍掌握在日本日亞、美國(guó)科銳等早期領(lǐng)跑企業(yè)手中，國(guó)內(nèi)芯片廠商仍缺乏具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的專利產(chǎn)品。其中三安光電開(kāi)發(fā)的基于Si襯底的AlGaInP R6(650-670nm)、R7(680-700nm)、R8(720- 740nm)系列植物照明應(yīng)用封裝芯片。臺(tái)灣晶元AlGaInP 660nm芯片調(diào)整磊晶結(jié)構(gòu)提升量子井發(fā)光效率外，在晶片制程端亦導(dǎo)入新的技術(shù)平臺(tái)，提高外部發(fā)光效率，開(kāi)發(fā)出WPE≈40～44%660nm LED產(chǎn)品 (BRPN42B)，將產(chǎn)品效能再提升。國(guó)外芯片廠商利用核心專利擁有很大的市場(chǎng)占有率，同時(shí)很多公司在植物照明封裝芯片領(lǐng)域也在開(kāi)發(fā)新的技術(shù)，如歐司朗基于薄膜技術(shù)令芯片緊密地封裝在一起，創(chuàng)造出大面積照明表面，將波長(zhǎng)660nm的高效LED節(jié)能40%。
目前涉及植物照明產(chǎn)業(yè)鏈的公司和機(jī)構(gòu)如下圖所示：
植物照明雖是新興市場(chǎng)，但國(guó)外巨頭已開(kāi)發(fā)得較為成熟，并早已在專利方面進(jìn)行嚴(yán)密的布局，尤其是上游芯片領(lǐng)域的核心專利。在開(kāi)發(fā)模式上，則基本是LED光源公司與植物工廠相配合的模式進(jìn)行。
日本的LED技術(shù)在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位，且擁有完善的LED產(chǎn)業(yè)鏈，同時(shí)，日本的生物技術(shù)水平較高，因此在結(jié)合LED和生物的應(yīng)用領(lǐng)域，擁有其他國(guó)家和地區(qū)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。歐司朗作為持續(xù)關(guān)注LED技術(shù)的發(fā)展的跨國(guó)公司，目前已經(jīng)形成了外延芯片、LED器件、熒光材料、應(yīng)用等全產(chǎn)業(yè)鏈的布局。近年來(lái)，歐司朗逐漸將旗下LED聚焦在植物燈的應(yīng)用層面，全力搶攻農(nóng)業(yè)市場(chǎng)。這些國(guó)際大廠在全球LED市場(chǎng)有較完整的專利布局，如果聯(lián)合控股的下游廠家或者與研究機(jī)構(gòu)合作進(jìn)入植物照明領(lǐng)域?qū)⒕哂休^強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。國(guó)內(nèi)植物照明領(lǐng)域的發(fā)展可以說(shuō)是剛剛開(kāi)始，植物工廠概念在近幾年才逐漸被人們接受，國(guó)內(nèi)一些大廠雖然均已開(kāi)發(fā)植物照明產(chǎn)品，但由于大部分是“重LED，輕植物”的發(fā)展模式，缺少技術(shù)人才、投入成本高、核心專利缺失、產(chǎn)品出口難度大等因素制約，進(jìn)度緩慢。
2. 植物照明單色光封裝器件的技術(shù)及產(chǎn)品現(xiàn)狀
植物照明單色光(主要450nm、660nm、730nm) 封裝器件，國(guó)內(nèi)外多家公司均涵蓋，而國(guó)內(nèi)產(chǎn)品種類較為繁雜，規(guī)格較多，國(guó)外廠家產(chǎn)品較為標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)在光合光子通量、光效等上國(guó)內(nèi)與國(guó)外封裝大廠仍存在很大差距，并且在其他波段單色光方面，國(guó)內(nèi)外都在進(jìn)行新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，部分國(guó)內(nèi)外封裝廠單色光產(chǎn)品如下：
Lumileds和Osram植物照明單色光光譜如下圖4、5，兩家產(chǎn)品B(Blue)、DR(Deep Red)產(chǎn)品光譜分布相似，峰值波長(zhǎng)分別為450nm和660nm;FR(Far Red)光譜分布兩者略有差別，Osram峰值波長(zhǎng)725nm，Lumileds峰值波長(zhǎng)735nm，并且半波寬略長(zhǎng)。
圖 4 Lumileds單色光光譜圖
圖 5 Osram 單色光 B/DR/FR 光譜圖
植物照明單色光封裝器件除了主要波段450nm、660nm、730nm產(chǎn)品，很多廠家也在開(kāi)發(fā)其他波段的新產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品完整的PAR(450nm-730nm)波長(zhǎng)涵蓋。如Osram的3030單色光芯片470nm、528nm、590nm、617nm、623nm植物照明彩光系列;Lumileds的采用450nm芯片加熒光粉調(diào)配的2020/3535/COB Purple、Lime色光植物產(chǎn)品，規(guī)格參數(shù)和光譜如下：
Osram470nm單色光 Osram528nm單色光 Osram590nm單色光
Osram617nm單色光 Osram623nm單色光
圖 6 Osram 其他色光光譜
圖 7 Lumileds 2020/3535Purple、Lime 色光光譜圖
圖 8 Lumileds COB Purple色光光譜圖
3. 植物照明全光譜封裝器件的技術(shù)及產(chǎn)品現(xiàn)狀
由于每種植物在生長(zhǎng)階段的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并不完善，單色光LED植物生長(zhǎng)燈并非適用于任何植物的生長(zhǎng)，全光譜LED的優(yōu)勢(shì)因此而凸顯，因?yàn)樗m合于大多數(shù)植物的補(bǔ)光需求。植物生長(zhǎng)照明設(shè)備的全光譜首先要達(dá)到可見(jiàn)光全光譜400-700nm全覆蓋，另外要提高470nm-510nm藍(lán)綠光、660nm-700nm深紅光兩處波段表現(xiàn)，綠光及黃光屬于配色用于提高 CRI/Ra表現(xiàn)，400nm以下UV波段則根據(jù)客戶需求添加。用普通LED藍(lán)光或者紫外芯片搭配熒光粉做到“全”光譜，其光合效率各有高低，行業(yè)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)。植物單色光封裝器件很多國(guó)內(nèi)外廠商都有涉及，而在植物照明全光譜封裝器件上主要還是國(guó)內(nèi)大廠、日韓和歐美企業(yè)，比如深圳瑞豐光電子、德國(guó)歐司朗、日本日亞，韓國(guó)三星、首爾等，其主要產(chǎn)品規(guī)格如下：
植物照明白光封裝器件大部分廠家采用Blue chip+熒光粉實(shí)現(xiàn)全光譜，如深圳瑞豐光電子的2216/2835/3528小功率產(chǎn)品、日亞、三星的中高功率產(chǎn)品3030、COB等，Ra均在90 以上。其中瑞豐產(chǎn)品顯色指數(shù)可做到97以上，并且增加660-700nm深紅光段的表現(xiàn)，更有利于植物生長(zhǎng)(圖9)。三星和日亞產(chǎn)品470nm-510nm藍(lán)綠光波段表現(xiàn)較佳(圖10、11)，在2018法蘭克福展上，三星展示的White+Red植物照明產(chǎn)品，并將其光譜與普通植物照明的白光光譜及Blue+Red光譜進(jìn)行比對(duì)，凸顯了其對(duì)植物生產(chǎn)所需光譜的契合程度(圖12)。歐司朗植物照明EQ白光產(chǎn)品，在470nm-510nm藍(lán)綠光、660nm-700nm深紅光的缺失，非真正意義上的全光譜，其白光產(chǎn)品更注重高光效、補(bǔ)光與人性化的工作環(huán)境(圖13)。首爾半導(dǎo)體聯(lián)手Yeelight，采用Sunlike技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)的紫光LED芯片技術(shù)與TRI-R熒光粉技術(shù)，從而生成的光譜非常接近自然光，包含了405nm的紫光波段和730nm的遠(yuǎn)紅光波段，同時(shí)減少了對(duì)人眼有害的過(guò)量藍(lán)光，顯色指數(shù)更高達(dá)97(圖 14)。主要廠家產(chǎn)品光譜如下圖：
圖 9 瑞豐全光譜產(chǎn)品光譜圖(Bchip+熒光粉Ra95)
圖 10 日亞植物照明產(chǎn)品光譜圖(Bchip+熒光粉Ra90/95)
圖11三星Mid power 植物照明產(chǎn)品光譜圖
圖 12 三星植物照明(White+Red)產(chǎn)品光譜圖
圖 13 歐司朗植物照明EQ白光產(chǎn)品光譜(Bchip+熒光粉Ra70)
圖 14 首爾半導(dǎo)體sunlike系列光譜圖(UVchip+熒光粉Ra97)
4. 植物照明調(diào)光類封裝器件的技術(shù)及產(chǎn)品現(xiàn)狀
植物照明封裝器件除了單色光和藍(lán)光或紫外芯片加熒光粉實(shí)現(xiàn)白光的封裝模式外，還有一種使用兩種或者以上波長(zhǎng)芯片復(fù)合封裝的模式，比如紅+藍(lán)/紫外、RGB、RGBW。這種封裝模式在調(diào)光方面有很大優(yōu)勢(shì)。對(duì)于R/B或者R/B/DR更多采用的模組封裝模式用于植物照明，如廣州巨宏光電的JH-50RB14G45系列植物生長(zhǎng)燈(圖15)，單顆多波段芯片復(fù)合封裝各廠家常采用RGB或者RGBW封裝模式。
圖16 天電光電EMC3030 3 in 1 RGB
圖 17 CREE XML RGBW5050
在調(diào)光類封裝器件領(lǐng)域，深圳市瑞豐光電子開(kāi)發(fā)的全球首創(chuàng)，擁有自主專利的5050五色合一產(chǎn)品(圖18)，此款產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，滿足燈珠密集排布，集成度高，可結(jié)合植物生長(zhǎng)光環(huán)境和人性化環(huán)境調(diào)節(jié)光色，一種產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)無(wú)限種可能。
圖 18 瑞豐 5050RGBWW
5. 植物照明封裝器件競(jìng)爭(zhēng)格局總結(jié)及目前的問(wèn)題點(diǎn)
植物照明是一項(xiàng)專業(yè)性、綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，植物照明系統(tǒng)應(yīng)用包括育苗技術(shù)、植保技術(shù)、植物生長(zhǎng)調(diào)控技術(shù)、植物品質(zhì)控制技術(shù)等，而目前國(guó)內(nèi)大部分植物燈僅僅是圍繞在植物生長(zhǎng)方面的應(yīng)用。而就植物生長(zhǎng)的應(yīng)用，也缺乏光質(zhì)、光量子、光周期的技術(shù)研究能力。此外國(guó)內(nèi)LED封裝器件廠一直都存在“重LED、輕植物”的問(wèn)題，光源企業(yè)的研發(fā)人員對(duì)植物及其栽培原理缺乏深刻的認(rèn)識(shí)，實(shí)際工作中往往以LED為主體，而不是以植物為主體，沒(méi)有從植物栽培原理的總體性需求綜合考量;而農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究人員對(duì)光合光源缺乏原理性深刻認(rèn)識(shí)，因而難以從光和光源的角度，為植物對(duì)光的合理需求并為光源研制應(yīng)用提供適宜的方案。同時(shí)隨著國(guó)內(nèi)大批企業(yè)紛紛涌入LED植物照明這篇新藍(lán)海，但市場(chǎng)并沒(méi)有制定一系列的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以至于目前市場(chǎng)較為混亂。與國(guó)外相比，政府對(duì)LED植物照明支持力度不夠，缺乏系統(tǒng)性的研究與推廣，LED植物照明產(chǎn)品評(píng)價(jià)和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)體系仍有待完善。
單從植物照明封裝器件領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外在單色光、全光譜、復(fù)合封裝均有布局，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品種類繁多，光效不高，往往單從封裝角度發(fā)展植物照明;國(guó)外大廠產(chǎn)品在光效、大功率產(chǎn)品、光合輻照度上擁有很大技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通常結(jié)合植物研究能提出自己完整的技術(shù)方案。植物照明封裝領(lǐng)域前沿技術(shù)仍掌握在歐美和日韓手里，如半導(dǎo)體芯片外延片大量的核心專利掌握在日本日亞、美國(guó)科銳等企業(yè)手中。國(guó)外照明封裝器件大廠往往布局整個(gè)植物照明產(chǎn)業(yè)鏈，結(jié)合植物研究，智能控制，芯片外延片等方面優(yōu)勢(shì)完善發(fā)展自己的植物照明技術(shù)方案，國(guó)內(nèi)植物照明領(lǐng)域發(fā)展仍然任重道遠(yuǎn)。
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