LED-Technologie erobert die Welt - DO-IT-WERKSTATT.CH

SCHULEkonkret 2/2010 «Erfindungen» LED-Technologie erobert die Welt
>
Technisches Gestalten
LED-Technologie erobert die Welt
Text: Christoph Brandenberger /
Thomas Stuber / he
Fotos: Christoph Brandenberger /
Thomas Stuber
Shuji Nakamura gilt als Tom Edison
des 21.Jahrhunderts: Er ist Elektroingenieur,
Professor an der University
of California in den USA, gehört zu den
besten Halbleiterphysikern der Welt und
ist und verantwortlich für entscheidende
Fortschritte in der Leuchtdioden-
Technologie.
Schüler/innen für die LED-Technologie begeistern.
Ein beleuchtetes Gravierbild entwerfen, planen und
herstellen.
28

LED-Leuchte im Bahnhof Zürich mit Computersteuerung
durch den Besucher/die Besucherin
Shuij Nakamura (www.milleniumprize.fi)
Die Glühbirne von Edison führte vor 120 Jahren zu einschneidenden
Veränderungen. Ihre Nachfolgerin, die
Leuchtdiode (LED, deutsch Licht emittierende Diode) ist
gerade dabei, zumindest einen Teil der Beleuchtungswelt
zu revolutionieren. So bedeutsam die Erfindung der Glühlampe
gewesen ist, das Ende ihres Einsatzes rückt näher. Die
Glüh birne ist ein Heizdraht, der nebenbei auch noch Licht
ab sondert, vor allem Abwärme produziert, also Energie
ver schwendet. Die LED­Technologie ist in den letzten Jahren
von grossen Fortschritten geprägt worden. Der japanische
Wissenschaftler und Erfinder Nakamura hat Mitte der
90­er Jahre blaue, grüne und weisse Leuchtdioden und die
ersten blaue Laserdiode auf der Basis des bis dahin kaum
gebräuchlichen Halbleiters Galliumnitrid und seinen
Le gie rungen mit Aluminium und Indium geschaffen. Die
bis dahin ge bräuch lichen Leucht dioden waren nicht hell
und nur in wenigen Farben herstellbar.
Bei einer LED wird nicht ein Draht wie bei der Glühbirne,
sondern ein Halbleiterkristall durch die Elektronen zum
Leuchten angeregt. Die Kristalle basieren auf Halbleiterverbindungen,
die den Strom direkt in Licht umwandeln.
Bezogen auf Grösse, Effizienz, Haltbarkeit und Lebensdauer
verhalten sich die Leuchtdioden zu konventionellen Glühlampen
wie Halbleiterdioden zu Röhrendioden. Sie werden
die Beleuchtungstechnik in ähnlicher Weise verändern, wie
die Halb leiter technologie schon die Elektronik verändert
hat.
Die Erfindung Nakamuras war dem japanischen Chemiekonzern
Nichia, wo der Wissenschaftler arbeitete und die
neuen LED entwickelte, zuerst nur 150 Dollar Prämie wert.
Nach seinem Umzug nach Kalifornien wurde Nakamura
von Nichia eingeklagt, damit er seine Erfindung nicht weiter
verwenden sollte. Im Gegenzug klagte Nakamura seinen
früheren Arbeitgeber ein. Ein Gericht entschied, dass die
Erfindung wegen der immensen Bedeutung 700 Millionen
Dollar wert sei. In einem Vergleich wurden Nakamura
schliesslich 7 Millionen Dollar zugesprochen.
SCHULEkonkret 2/2010 «Erfindungen» LED-Technologie erobert die Welt
Die Anwendung dieser Erfindung ist auch für die Architektur
von grosser Bedeutung. Zurzeit sind im Wohnbereich
LED­Leuchten erhältlich, die je nach Stimmung kälteres
oder wärmeres Licht erzeugen und so von den Benutzern
entsprechend ihrem eigenen Gemütszustand eingestellt
werden können. Entsprechende Experimente werden weltweit
gemacht, unter anderem auch am LED­Labor der
Hochschule für Künste in Zürich. In einer Ausstellung in
Winterthur wurden kürzlich erste Forschungsergebnisse
vorgestellt: Weisse oder farbige Wände lassen sich mit LED­
Beleuchtungen in verschiedenste Farbtöne verwandeln. Mit
der Helligkeit der verschieden farbigen LED­Lämpchen
lässt sich eine eher frische, kühle oder aber eine heimelige,
warme Stimmung erzeugen. So wird es in Zukunft beim
Hausbau nicht mehr nur darauf ankommen, in welchem
Farbton man die Wände streicht, sondern auch, wie diese
Wände beleuchtet werden. Weiterführende Informationen
und Ergebnisse in Form von Kurzvideos sind zu finden
unter www.led­colourlab.ch.
LED haben einen viel besseren Effizienzwert als Glühbirnen.
Diese wandeln 95% der zugeführten Energie in
Wärme um und nur 5% in Licht, bei den LEDs sind es
zurzeit etwa 50% Wärme und 50% Licht, wobei Erfinder
Nakamura in absehbarer Zeit LED in Aussicht stellt, die
bis 90% der Energie in Licht umwandeln sollen. Da inzwischen
auch sehr helle LED hergestellt werden können, sind
Leuchtdioden als Leuchtmittel der Zukunft zu bezeichnen.
Im Jahr 2006 erhielt Shuji Nakamura für seine Erfindungen
den Millenium Technology Preis. Dies auch, weil sich
seine LED­Technologie zur Reinigung von verschmutztem
Wasser verwenden lässt. Dazu braucht es eine Stromquelle
und Ultraviolett­Leuchtdioden (UV). Bei den UV­LED
fügte Nakamura zusätzlich Aluminium bei. Das UV­Licht
tötet die Bakterien im Wasser. Mit wenig Geld kann in
ab sehbarer Zeit in der dritten Welt Wasser bakteriell und
ohne Ver wendung von Chemikalien gereinigt werden.
Einen grossen Teil des Preisgeldes von einer Million Euro
spendete Nakamura übrigens zwei Organisationen, die die
LED­Technologie inklusive Stromerzeugung mit Solarpanels
in Dritt­Welt­Ländern einführen.
29

1
5
9
1 Leuchtdiode (Makroaufnahmen)
2 LED-Beleuchtung: Ausstellung in Winterthur
(Foto: www.gewerbemuseum.ch)
5 Gebäudehülle in Las Vegas
2
6
10
Anwendung von Leuchtdioden im Unterricht
Im Technischen Gestalten lassen sich LEDs gut einsetzen.
Es besteht die Chance, mitten in diesem Prozess der
Entwicklung eines neuen Leuchtmittels dabei zu sein
und die Schülerinnen und Schüler zu begeistern für eine
Erfindung, die in absehbarer Zeit unsere Welt noch stärker
prägen wird.
Je nach Bezugsquelle kosten helle weisse und auch farbige
LED in etwa gleichviel wie die vergleichbare Glühlämpchen­
Technologie. Es gilt insbesondere zu beachten, dass die
Spannung mit Hilfe eines Widerstands genau auf die
Stromquelle und auf die LED angepasst werden muss. Auf
ledstore.ch steht ein Widerstandsrechner zur Verfügung,
auch lässt sich dort günstig einkaufen inkl. Widerständen
und weiterem Zubehör. Die Energieeffizienz der LED
soll auch im Technischen Gestalten ein Thema sein. Ein
Vergleich: Ein LED­Nachttischlämpchen mit einer 4.5
Volt Flachbatterie leuchtet ca. 100 Stunden, wogegen das
gleiche Lämpchen mit einer Glühbirne nur ca. 10 Stunden
SCHULEkonkret 2/2010 «Erfindungen» LED-Technologie erobert die Welt
3
7
11
3 / 4 Aquatic-Center Peking; Millionen von LED beleuchten die
Gebäudehülle und können durch Computer gesteuert Farbe und
Helligkeit variieren. (Fotos: www.picasaweb.google.com)
6 – 12 do-it-Aufgabe Gravur-Lämpchen und Variationen
leuchten würde. Die Stromaufnahme der gebräuchlichen
Leuchtdioden ist mit 0.02 Ampère zehnmal kleiner als bei
einem Glühlämpchen mit 0.2 Ampère Stromaufnahme.
Auf den folgenden Seiten ist eine do­it­Aufgabe für Mittel­
und Oberstufe vorgestellt. Schülerinnen und Schüler
gestal ten eine Platte eines LED­Lämpchens. Eine Botschaft,
ein Bild lässt sich gestalterisch umsetzen und wirkt durch
die LED­Beleuchtung plötzlich speziell. Geeignet sind insbesondere
die Verfahren Bohren und Gravieren.
Auf der Homepage do­it­werkstatt.ch sind in der Ru brik
Tech nikverständnis gratis weitere Hinter grund in for mationen,
sogenannte Technikfacts zu LED und zu Bat te rien,
aber auch zu Werkstoffen wie Polystyrol und Acrylglas
sowie deren Verarbeitung zu finden.
Quellenangaben
Quellen Text: www.heise.de/tr/artikel/Licht-fuer-die-welt-278907.html
4
8
12
30

Beleuchtetes Gravierbild Schwachstrom 18 LED
+ Acrylglas-Platte, Dicke 8 - 10 mm
+ Polystyrol- oder Acrylglas-Platte ,
Dicke 3 mm
+ Batterie, Schalter, Leuchtdiode und
Widerstand, Schaltdraht
4
1
2
5
Bildlegende
1 Abwicklung einer Halterung
2 Gravieren mit dem Gravierwerkzeug
3 Graviertes Sujet
4 - 6 Sujetgestaltung mit dem Verfahren
Bohren; 4 und 5 mit vereinfachter Halterung
für die Platte
3
6
Gestalte eine Acrylglasplatte mit dem Verfahren Gravieren. Erprobe das
Gravierwerkzeug auf Reststücken. Entwirf nun mehrere Sujets auf Papier, wähle
das beste aus und lege es unter die Acrylglasplatte. Übertrage die Konturen mit
Filzstift oder mit dem Japanmesser. Graviere dein Sujet auf die Platte. Säge oder
bohre eine Aussparung für die Leuchtdiode.
Im Anschluss entwickelst du aus Halbkarton eine Abwicklung für die Halterung
der Platte. Biege die Halterung nach der Vorlage und baue Leuchtdiode, Schalter
und Batterie ein. Am Schluss steckst du deine Platte in die Halterung.
+ Das Verfahren Gravieren üben und
anwenden, dazu Acrylglas exakt
bearbeiten, fachgerecht schleifen,
polieren und eine Leuchtdiode
einbauen.
+ Für eine bestimmte Funktion eine
eigene Lösung entwickeln und
umsetzen.
Beleuchtetes Gravierbild Schwachstrom 18 LED
Aufgabenstellung
Material Ziele Tüftelidee
© DO-IT-WERKSTATT.CH
SCHULEkonkret 2/2010 «Erfindungen» LED-Technologie erobert die Welt
+ Plane die Halterung so, dass du dein
Bild jederzeit auswechseln kannst.
Erprobe deine Halterung mit
Halbkarton und mit einer dünnen
Polystyrolplatte. Teste die Funktion.
+ Gestalte ein zweites Bild für dein
Lämpchen, so dass du je nach
Stimmung das Sujet austauschen
kannst.
Hinweise
+ Hintergrundinformationen zu Leuchtdioden, zu Acrylglas, Polystyrol und zur
Bearbeitung der Kunststoffe siehe Technikfacts unter do-it-werkstatt.ch ->
Technikverständnis.
+ Umgang mit LED siehe Phänomenales Gestalten: Schwachstrom - Magnetismus
Seite 115 oder Infoblatt LED.
+ Die Gravur erfolgt mit einem Gravierwerkzeug, z.B. Dremel, und einem feinen
Kugelkopf-Stift. Das Verfahren soll auf einem Musterstück zuerst erprobt und
geübt werden.
+ Um ein möglichst exaktes Bild mit scharfen Kanten zu erhalten, lässt sich das
Sujet auf Etikettenpapier zeichnen. Diese Etikette wird aufgeklebt und mit
einem Japanmesser ausgeschnitten. Soll die Gravur auf der Hinterseite erfolgen,
müssen Schriften spiegelverkehrt ausgedruckt werden.
+ Gravurähnliche Bilder lassen sich auch mit Schleifpapier herstellen. Die Platte
mit Isolierband überkleben, das Sujet aufzeichnen, mit dem Japanmesser
ausschneiden und mit feinem Schleifpapier sorgfältig schleifen.
Hinweise zur Tüftelidee
+ Die LED wird in der Halterung und nicht im Bild fixiert. Zudem wird die Halterung
so gebogen, dass das Gravurbild festgeklemmt werden kann. So lässt sich das
Sujet problemlos auswechseln.
+ Das Sujet kann statt mit dem Verfahren Gravieren auch mit Bohren gestaltet
werden (Fotos 4-6). Auch hier empfiehlt sich, das Verfahren an Reststücken zu
erproben.
***
31