Le rayonnement électromagnétique produit par les lampes de culture horticoles dirigées cible le spectre actif de la photosynthèse, de la photomorphogenèse, de la photopériode et du phototropisme chez les plantes. Outre une efficacité énergétique élevée et des rendements accélérés, lampes de culture à led pour l'horticulture offrent un contrôle spectral sans précédent, ce qui est essentiel pour l'éclairage horticole.

Les lampes de croissance à led pour l'horticulture sont des sources lumineuses à l'état solide qui génèrent un rayonnement photosynthétiquement actif (PAR) dans la gamme spectrale de 400 à 700 nanomètres (nm) pour stimuler la photosynthèse des plantes. De plus, les lampes de culture à led pour l'horticulture peuvent être utilisées pour générer un rayonnement électromagnétique ciblant le spectre actif de la photomorphogenèse, de la photopériode et du phototropisme chez les plantes. Des systèmes d'éclairage horticole ont été développés pour fournir une lumière photopériodique supplémentaire dans un environnement de serre ou une seule source de lumière photosynthétique dans un environnement intérieur contrôlé. L'utilisation de la technologie LED à efficacité énergétique et spectrale dans lampes de culture à effet de serre a déclenché une révolution dans lampe plante d'intérieur.

Comment la lumière affecte-t-elle la croissance des plantes ?

La lumière est essentielle à la croissance des plantes. Toutes les plantes, y compris les plantes à fleurs, à fruits et potagères, sont des autotrophes qui ont évolué pour utiliser la lumière pour stimuler la photosynthèse. La photosynthèse est le processus utilisé par les plantes pour convertir l'eau et le dioxyde de carbone en glucides complexes (sucres) et en oxygène. Ces hydrates de carbone, tels que la cellulose ou le glucose, fournissent des blocs de construction métaboliques pour diverses voies de biosynthèse. Les glucides en excès sont utilisés pour la formation de la biomasse, y compris l'allongement de la tige, l'augmentation de la surface foliaire, la floraison, la formation des fruits, etc. Les photorécepteurs responsables de la photosynthèse sont la chlorophylle, bien que d'autres types de photorécepteurs antennaires (principalement les caroténoïdes) facilitent également la photosynthèse. En plus de piloter la photosynthèse, des longueurs d'onde spécifiques du rayonnement électromagnétique sont utilisées comme source d'informations pour piloter la photomorphogenèse (changements dans la morphologie des plantes causés par la lumière), la photopériode (réponse aux cycles lumière-obscurité) et le phototropisme (sens de croissance). Chaque type de photorécepteur est sensible à des longueurs d'onde spécifiques et entraîne un sous-ensemble différent de changements morphogénétiques de la lumière.

La chlorophylle est un photorécepteur clé des plantes vertes et se présente sous deux formes principales, A et B. La chlorophylle A est le principal pigment végétal, représentant environ 75% d'activité photosynthétique, avec des réponses d'absorption maximales à 430 nm et 680 nm. La chlorophylle B, avec des pics d'absorption à 460 nm et 640 nm, est un pigment auxiliaire qui collecte l'énergie et la transfère à la chlorophylle A. Par conséquent, la chlorophylle B n'est pas impliquée de manière indépendante dans la biosynthèse. De plus, le rapport 3: 1 de la chlorophylle A à B chez les plantes indique une dépendance majeure des plantes à la chlorophylle A dans la photosynthèse. Bien que les niveaux de chlorophylle augmentent sous un rayonnement électromagnétique dont les composantes spectrales sont riches en rouge (grandes longueurs d'onde) et en bleu (courtes longueurs d'onde), la chlorophylle reflète la plupart des longueurs d'onde dans la région verte (550 nm à 650 nm), là où les feuilles apparaissent. La raison est verte.

La famille des caroténoïdes comprend le bêta-carotène et les principales lutéines (zéaxanthine, violaxanthine et lutéine). Ces métabolites secondaires absorbent le plus fortement la lumière dans la plage de 450 nm à 550 nm. Les caroténoïdes sont jaunes à orange car ils réfléchissent ou transmettent la lumière dans le spectre de longueur d'onde d'environ 550 à 650 nm. Les caroténoïdes aident non seulement à la photosynthèse, mais protègent également la chlorophylle de la photo-oxydation en dissipant l'excès de lumière sous forme de chaleur lorsque la zone photosynthétique est surchargée d'énergie d'entrée.

Les plantes ont également des pigments d'antenne non photorécepteurs et non photomorphogènes, tels que les anthocyanes et les flavonoïdes. Ils agissent comme des écrans solaires et bloquent la production de superoxyde en réponse aux rayonnements bleus (400-500 nm) ou ultraviolets (300-400 nm) de haute intensité. Dans les plantes, les anthocyanes, les flavonoïdes et les caroténoïdes sont d'importants antioxydants bioactifs qui inhibent les radicaux libres et éliminent les composés pouvant entraîner un photoblanchiment et une inhibition de la croissance.

La photomorphogenèse est médiée par les phytochromes, les cryptochromes et les photorécepteurs phytochromes. Il existe deux isomères de phytochromes, appelés Pr et Pfr, qui répondent respectivement au rayonnement rouge de 660 nm et au rayonnement infrarouge de 735 nm. Différentes réponses photomorphogénétiques médiées par les phytochromes sont envoyées aux voies métaboliques des plantes qui régulent la germination des graines, le développement des racines, la formation des tubercules et des bulbes, l'expansion des feuilles, l'allongement des tiges, la dormance, la floraison et la production de fruits. Les cryptochromes qui absorbent la lumière dans la plage de 340 nm à 520 nm empêchent l'allongement de l'hypocotyle et assurent la médiation de l'entraînement des rythmes circadiens chez les plantes à fleurs. Les phototropines sont des protéines kinases localisées dans la membrane plasmique qui régulent le phototropisme, l'accumulation de chloroplastes, la taille des pores stomatiques, l'aplatissement des feuilles et l'inhibition de l'expansion des feuilles.

Quels sont les avantages de la LED dans l'éclairage horticole ?

Une efficacité énergétique élevée et une longue durée de vie sont les avantages caractéristiques de la technologie LED. Dans l'éclairage horticole, l'efficacité a une autre interprétation. Traditionnellement, les systèmes d'éclairage horticole utilisaient des lampes au sodium haute pression (HPS), aux halogénures métalliques (MH) ou, dans certains cas, des lampes fluorescentes. Cependant, le rendement de conversion énergétique de ces sources lumineuses est très faible (généralement inférieur à 20%). En comparaison, l'efficacité de la prise murale des puces LED est aussi élevée que 66%, tandis que l'efficacité radiante des LED converties au phosphore est bien supérieure à 40%.

Dans cette industrie, l'efficacité de la source lumineuse ou du système est convertie en efficacité photonique, qui quantifie l'efficacité d'une LED à produire un flux de photons photosynthétiques (PPF) par joule d'énergie électrique utilisée, plutôt que de la décrire dans l'œil humain. PPF est la quantité totale de photons photosynthétiquement actifs produits par une source lumineuse, mesurée en micromoles par seconde (µmol/s). L'efficacité photonique des LED horticoles se mesure en PPF/W et en µmol/J. En pratique, les lampes de culture à LED peuvent atteindre une efficacité photonique de 3,2 PPF/Watt, tandis que les lampes de culture HPS typiques ne peuvent atteindre que 1,7 PPF/Watt.

L'ingénierie spectrale est un thème central de l'éclairage horticole depuis le début. Comme mentionné précédemment, la bande passante optique entre 400 et 700 nm est une partie importante du spectre électromagnétique et peut stimuler les phytochromes pour la photosynthèse. Même dans le spectre PAR, toutes les longueurs d'onde de la lumière ne sont pas aussi efficaces pour stimuler la photosynthèse des plantes. Les longueurs d'onde rouges et bleues sont les plus efficaces pour stimuler la photosynthèse et contrôler la morphologie des plantes, tandis que les longueurs d'onde qui se situent dans la partie verte de la gamme PAR ont des effets très limités sur la croissance des plantes.

L'efficacité spectrale décrit dans quelle mesure la densité de puissance spectrale (SPD) d'une source lumineuse chevauche le spectre d'action requis pour la réponse photosynthétique la plus efficace. L'efficacité spectrale des lampes HPS, MH et fluorescentes est médiocre car leurs SPD contiennent une part importante de lumière photosynthétiquement inactive, telle que le rayonnement infrarouge (IR) et le rayonnement ultraviolet (UV). Le SPD fixe de ces sources à large spectre signifie que le rayonnement photosynthétiquement actif peut être sursaturé à certaines longueurs d'onde et sous-saturé à d'autres.

Un meilleur contrôle spectral est l'un des avantages fondamentaux que les LED conservent par rapport aux systèmes d'éclairage horticole traditionnels. Les LED sont essentiellement des sources lumineuses monochromatiques, émettant dans une bande spectrale étroite, produisant une lumière colorée telle que le rouge, le bleu ou le vert. Le spectre à bande passante étroite émis par la LED peut être facilement réglé pour correspondre au pic photosynthétique de la courbe PAR. Les LED à bande étroite peuvent être converties en lumière polychromatique par des luminophores pour un spectre plus large afin de soutenir la croissance en cycle complet des plantes. Les LED multicanaux dans les combinaisons RVB, RGBA ou RGBW peuvent être superposées et mélangées pour créer n'importe quelle couleur dans la LED, permettant une flexibilité et une efficacité spectrales sans précédent.

Contrairement aux lampes aux halogénures métalliques et au sodium haute pression, qui dissipent de grandes quantités d'énergie infrarouge (chaleur) dans leurs faisceaux rayonnants, les LED n'émettent pas d'énergie infrarouge thermique dans leur spectre. L'absence de chaleur rayonnante permet un rayonnement photonique maximal à proximité du couvert végétal, ce qui conduit finalement à une meilleure productivité photosynthétique tout en économisant de l'espace et de l'énergie. Le flux de chaleur rayonnant élevé de HPS lampe de culture nécessite une certaine distance entre la source lumineuse et les plantes, ces lampes ne peuvent donc être utilisées que dans des applications d'éclairage zénithal. La technologie LED permet de nouvelles stratégies, telles que l'interéclairage, pour obtenir un éclairement photosynthétique uniforme dans toute la canopée sans générer de chaleur inutile.

Comment sont fabriquées les lampes de culture à led pour l'horticulture ?

Les couches épitaxiales des lampes de culture à led pour l'horticulture sont constituées de semi-conducteurs à bande interdite directe car ils ont une probabilité de recombinaison radiative plus élevée que les semi-conducteurs à bande interdite indirecte. Les deux principales familles de semi-conducteurs sont les diodes nitrures et les diodes phosphures. Le nitrure d'indium et de gallium (InGaN) produit un rayonnement électromagnétique dans la partie la plus courte du spectre visible et est donc utilisé pour fabriquer des diodes blanches, vertes, cyan, bleues et bleu royal. La lumière rouge, orange-rouge et ambre peut être produite à l'aide de LED formées de semi-conducteurs de phosphure tels que le phosphure d'aluminium, d'indium et de gallium (AlInGaP), dont la petite bande interdite permet à la diode de générer un rayonnement de plus grande longueur d'onde.

Les épicouches InGaN sont développées sur des substrats de saphir, de carbure de silicium (SiC) ou de silicium (wafers), tandis que les épicouches AlInGaP sont développées sur des substrats d'arséniure de gallium (GaAs) ou de phosphure de gallium (GaP). Une croissance épitaxiale de haute qualité dépend de l'adaptation du réseau du matériau du substrat à la couche InGaN ou AlInGaP. Tout décalage entre le substrat et la couche semi-conductrice peut conduire à des microfissures (dislocations de fils). Ce type de défaut atomique provoque la recombinaison entre les électrons et les trous de manière non radiative, compromettant l'efficacité quantique interne (IQE) de la LED. Les dislocations de filetage se forment à la densité la plus élevée sur les LED GaN à base de silicium et de saphir. Par rapport aux puces avec des substrats en silicium ou en saphir, les substrats SiC génèrent beaucoup moins de dislocations et offrent un avantage d'efficacité de 5% à 10%.

Les lampes de culture à LED pour l'horticulture peuvent être divisées en deux catégories : les LED à spectre complet et les LED à bande étroite. Les LED à spectre complet (ou large) fournissent la composition spectrale de la lumière solaire sans rayonnement thermique ni perte de longueur d'onde. Les formulations de ces LED se concentrent sur les régions bleues et rouges tout en fournissant des longueurs d'onde supplémentaires telles que le rouge lointain et le vert pour soutenir la culture en cycle complet et le développement complet des plantes. Les LED à bande étroite fournissent une sortie monochromatique pour maximiser les longueurs d'onde de lumière les plus souhaitées. Ces LED sont disponibles en bleu profond (450 nm), ultra rouge (660 nm), rouge lointain (730 nm) et vert (530 nm). Les LED violettes ne sont ni des LED à spectre complet ni à bande étroite, mais combinent les principales longueurs d'onde du rouge et du bleu dans un seul boîtier et sont standard sur le marché. Les LED violettes peuvent également être mélangées avec des LED à large spectre de chaux pour augmenter le rendement (poids frais) et les niveaux d'antioxydants, tout en produisant une lumière blanche de haute qualité pour faciliter l'inspection visuelle et la récolte des plantes.

Les LED à spectre complet et les LED violettes utilisent la conversion de longueur d'onde et le mélange de couleurs pour obtenir le mélange de longueur d'onde souhaité. Les puces LED sont recouvertes ou dispensées d'un mélange de luminophores dont la fonction est de convertir à la baisse une partie des courtes longueurs d'onde en longueurs d'onde plus longues. Par conséquent, ces LED sont appelées LED à conversion de phosphore (PC-LED). Dans les architectures PC-LED, les pertes de Stokes dues à la conversion descendante du phosphore représentent une grande partie du gaspillage total d'énergie des LED. Les LED à bande étroite sont des émetteurs directs et ne subissent pas de conversion descendante du phosphore, elles ne souffrent donc pas de pertes Stokes.

Les LED à conversion de phosphore et les LED à bande étroite sont généralement encapsulées dans du silicone. La différence est que dans les PC-LED, le luminophore est mélangé avec un polymère de silicone pour agir comme un convertisseur abaisseur et un encapsulant protecteur, tandis que dans les LED à bande étroite, un polymère de silicone transparent est utilisé pour empêcher les contaminants d'entrer et protéger la puce. choc. L'encapsulation de silicium a une stabilité thermique élevée, une stabilité à la lumière et une résistance chimique. Cependant, dans les applications pratiques, une protection supplémentaire des LED est nécessaire car la perméabilité élevée à l'humidité et aux gaz des silicones peut être un facteur de dégradation des diodes dans les environnements de culture à forte humidité.

Types de lampes de culture à led pour l'horticulture

Les LED de puissance moyenne de type PLCC (dispositifs montés en surface qui consomment moins de 1 watt) sont les sources lumineuses les plus populaires pour l'éclairage général et horticole en raison de leur efficacité relativement plus élevée et de leur coût inférieur à celui des autres types de boîtiers. Cependant, ce type de LED est très sensible à une dégradation accélérée des performances et à une défaillance prématurée. Par conséquent, des coûts initiaux très compétitifs ne se traduisent souvent pas par un bon retour sur investissement (ROI), de longues périodes de récupération et une tranquillité d'esprit. PLCC est l'abréviation de Plastic Leaded Chip Carrier. Les puces pour LED de moyenne puissance utilisant cette architecture sont montées sur une grille de connexion en métal revêtue d'argent (Ag) moulée dans un boîtier en plastique dans lequel une cavité réfléchissante est formée pour améliorer l'extraction de la lumière. La cavité est remplie d'un polymère de silicone hybride transparent ou phosphorescent pour encapsuler la puce. La connexion électrique et le chemin thermique entre la puce LED et la grille de connexion sont réalisés par liaison filaire. La cavité ou le boîtier en plastique des produits bon marché est en polyphtalamide (PPA) ou en polytéréphtalate de cyclohexyle (PCT), qui ont une faible résistance à la photooxydation et à la dégradation thermique. Le placage de la grille de connexion en argent est sensible à la corrosion en raison des interactions avec les contaminants contenant du soufre qui peuvent pénétrer dans la LED à travers l'encapsulation en silicone. Les liaisons filaires utilisées dans les packages PLCC peuvent se rompre. Des chemins de conduction thermique inefficaces peuvent conduire à une concentration de flux de chaleur qui peut introduire une contrainte thermique élevée dans la LED.

Les LED haute puissance fabriquées sur des substrats en céramique ont un chemin de conduction thermique robuste capable de fournir une densité de flux de photons photosynthétique élevée (PPFD) au couvert végétal. Les LED haute puissance peuvent être pilotées à des courants allant de centaines de milliampères à plus d'un ampère et produire des flux de photons photosynthétiques de plus de 10 µmol/s à partir d'un seul boîtier. De grandes puces ou des matrices multipuces sont montées sur un substrat en céramique qui est métallisé avec des vias thermiques pour une dissipation thermique efficace. L'excellente maintenance du PPF et la stabilité de la longueur d'onde justifient le coût plus élevé de ces LED horticoles à base de céramique.

Les LED à puce sur carte (COB) fournissent une grande surface émettrice de lumière (LES) qui fournit des valeurs PPFD élevées et uniformes sur toute la canopée. Les boîtiers LED COB consistent en un réseau dense de puces LED qui sont collées à une carte de circuit imprimé à noyau métallique (MCPCB) ou à un substrat en céramique. Ce grand substrat à faible résistance thermique permet un meilleur contact thermique avec un dissipateur thermique plat et propre. Le retrait du substrat intermédiaire réduit la résistance thermique du boîtier. Une conception thermique efficace permet aux boîtiers COB de fonctionner à des densités de courant élevées et de fournir des PPF jusqu'à des centaines de micromoles par seconde.

Les LED Chip Scale Package (CSP) éliminent les liaisons filaires et les sous-montages grâce à une architecture flip-chip. Cette technologie réduit considérablement la résistance thermique à l'intérieur de l'emballage, réduisant ainsi la taille et le coût de l'emballage. Les LED CSP traitent fondamentalement les facteurs de dégradation des performances des LED de moyenne puissance de type PLCC, ce qui en fait une solution attrayante pour l'industrie de l'éclairage horticole.