LED-Technologie erobert die Welt - DO-IT-WERKSTATT.CH
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S<strong>CH</strong>ULEkonkret 2/2010 «Erfindungen» <strong>LED</strong>-<strong>Technologie</strong> <strong>erobert</strong> <strong>die</strong> <strong>Welt</strong><br />
><br />
Technisches Gestalten<br />
<strong>LED</strong>-<strong>Technologie</strong> <strong>erobert</strong> <strong>die</strong> <strong>Welt</strong><br />
Text: Christoph Brandenberger /<br />
Thomas Stuber / he<br />
Fotos: Christoph Brandenberger /<br />
Thomas Stuber<br />
Shuji Nakamura gilt als Tom Edison<br />
des 21.Jahrhunderts: Er ist Elektroingenieur,<br />
Professor an der University<br />
of California in den USA, gehört zu den<br />
besten Halbleiterphysikern der <strong>Welt</strong> und<br />
ist und verantwortlich für entscheidende<br />
Fortschritte in der Leuchtdioden-<br />
<strong>Technologie</strong>.<br />
Schüler/innen für <strong>die</strong> <strong>LED</strong>-<strong>Technologie</strong> begeistern.<br />
Ein beleuchtetes Gravierbild entwerfen, planen und<br />
herstellen.<br />
28
<strong>LED</strong>-Leuchte im Bahnhof Zürich mit Computersteuerung<br />
durch den Besucher/<strong>die</strong> Besucherin<br />
Shuij Nakamura (www.milleniumprize.fi)<br />
Die Glühbirne von Edison führte vor 120 Jahren zu einschneidenden<br />
Veränderungen. Ihre Nachfolgerin, <strong>die</strong><br />
Leuchtdiode (<strong>LED</strong>, deutsch Licht emittierende Diode) ist<br />
gerade dabei, zumindest einen Teil der Beleuchtungswelt<br />
zu revolutionieren. So bedeutsam <strong>die</strong> Erfindung der Glühlampe<br />
gewesen ist, das Ende ihres Einsatzes rückt näher. Die<br />
Glüh birne ist ein Heizdraht, der nebenbei auch noch Licht<br />
ab sondert, vor allem Abwärme produziert, also Energie<br />
ver schwendet. Die <strong>LED</strong><strong>Technologie</strong> ist in den letzten Jahren<br />
von grossen Fortschritten geprägt worden. Der japanische<br />
Wissenschaftler und Erfinder Nakamura hat Mitte der<br />
90er Jahre blaue, grüne und weisse Leuchtdioden und <strong>die</strong><br />
ersten blaue Laserdiode auf der Basis des bis dahin kaum<br />
gebräuchlichen Halbleiters Galliumnitrid und seinen<br />
Le gie rungen mit Aluminium und Indium geschaffen. Die<br />
bis dahin ge bräuch lichen Leucht dioden waren nicht hell<br />
und nur in wenigen Farben herstellbar.<br />
Bei einer <strong>LED</strong> wird nicht ein Draht wie bei der Glühbirne,<br />
sondern ein Halbleiterkristall durch <strong>die</strong> Elektronen zum<br />
Leuchten angeregt. Die Kristalle basieren auf Halbleiterverbindungen,<br />
<strong>die</strong> den Strom direkt in Licht umwandeln.<br />
Bezogen auf Grösse, Effizienz, Haltbarkeit und Lebensdauer<br />
verhalten sich <strong>die</strong> Leuchtdioden zu konventionellen Glühlampen<br />
wie Halbleiterdioden zu Röhrendioden. Sie werden<br />
<strong>die</strong> Beleuchtungstechnik in ähnlicher Weise verändern, wie<br />
<strong>die</strong> Halb leiter technologie schon <strong>die</strong> Elektronik verändert<br />
hat.<br />
Die Erfindung Nakamuras war dem japanischen Chemiekonzern<br />
Nichia, wo der Wissenschaftler arbeitete und <strong>die</strong><br />
neuen <strong>LED</strong> entwickelte, zuerst nur 150 Dollar Prämie wert.<br />
Nach seinem Umzug nach Kalifornien wurde Nakamura<br />
von Nichia eingeklagt, damit er seine Erfindung nicht weiter<br />
verwenden sollte. Im Gegenzug klagte Nakamura seinen<br />
früheren Arbeitgeber ein. Ein Gericht entschied, dass <strong>die</strong><br />
Erfindung wegen der immensen Bedeutung 700 Millionen<br />
Dollar wert sei. In einem Vergleich wurden Nakamura<br />
schliesslich 7 Millionen Dollar zugesprochen.<br />
S<strong>CH</strong>ULEkonkret 2/2010 «Erfindungen» <strong>LED</strong>-<strong>Technologie</strong> <strong>erobert</strong> <strong>die</strong> <strong>Welt</strong><br />
Die Anwendung <strong>die</strong>ser Erfindung ist auch für <strong>die</strong> Architektur<br />
von grosser Bedeutung. Zurzeit sind im Wohnbereich<br />
<strong>LED</strong>Leuchten erhältlich, <strong>die</strong> je nach Stimmung kälteres<br />
oder wärmeres Licht erzeugen und so von den Benutzern<br />
entsprechend ihrem eigenen Gemütszustand eingestellt<br />
werden können. Entsprechende Experimente werden weltweit<br />
gemacht, unter anderem auch am <strong>LED</strong>Labor der<br />
Hochschule für Künste in Zürich. In einer Ausstellung in<br />
Winterthur wurden kürzlich erste Forschungsergebnisse<br />
vorgestellt: Weisse oder farbige Wände lassen sich mit <strong>LED</strong><br />
Beleuchtungen in verschiedenste Farbtöne verwandeln. Mit<br />
der Helligkeit der verschieden farbigen <strong>LED</strong>Lämpchen<br />
lässt sich eine eher frische, kühle oder aber eine heimelige,<br />
warme Stimmung erzeugen. So wird es in Zukunft beim<br />
Hausbau nicht mehr nur darauf ankommen, in welchem<br />
Farbton man <strong>die</strong> Wände streicht, sondern auch, wie <strong>die</strong>se<br />
Wände beleuchtet werden. Weiterführende Informationen<br />
und Ergebnisse in Form von Kurzvideos sind zu finden<br />
unter www.ledcolourlab.ch.<br />
<strong>LED</strong> haben einen viel besseren Effizienzwert als Glühbirnen.<br />
Diese wandeln 95% der zugeführten Energie in<br />
Wärme um und nur 5% in Licht, bei den <strong>LED</strong>s sind es<br />
zurzeit etwa 50% Wärme und 50% Licht, wobei Erfinder<br />
Nakamura in absehbarer Zeit <strong>LED</strong> in Aussicht stellt, <strong>die</strong><br />
bis 90% der Energie in Licht umwandeln sollen. Da inzwischen<br />
auch sehr helle <strong>LED</strong> hergestellt werden können, sind<br />
Leuchtdioden als Leuchtmittel der Zukunft zu bezeichnen.<br />
Im Jahr 2006 erhielt Shuji Nakamura für seine Erfindungen<br />
den Millenium Technology Preis. Dies auch, weil sich<br />
seine <strong>LED</strong><strong>Technologie</strong> zur Reinigung von verschmutztem<br />
Wasser verwenden lässt. Dazu braucht es eine Stromquelle<br />
und UltraviolettLeuchtdioden (UV). Bei den UV<strong>LED</strong><br />
fügte Nakamura zusätzlich Aluminium bei. Das UVLicht<br />
tötet <strong>die</strong> Bakterien im Wasser. Mit wenig Geld kann in<br />
ab sehbarer Zeit in der dritten <strong>Welt</strong> Wasser bakteriell und<br />
ohne Ver wendung von Chemikalien gereinigt werden.<br />
Einen grossen Teil des Preisgeldes von einer Million Euro<br />
spendete Nakamura übrigens zwei Organisationen, <strong>die</strong> <strong>die</strong><br />
<strong>LED</strong><strong>Technologie</strong> inklusive Stromerzeugung mit Solarpanels<br />
in Dritt<strong>Welt</strong>Ländern einführen.<br />
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1<br />
5<br />
9<br />
1 Leuchtdiode (Makroaufnahmen)<br />
2 <strong>LED</strong>-Beleuchtung: Ausstellung in Winterthur<br />
(Foto: www.gewerbemuseum.ch)<br />
5 Gebäudehülle in Las Vegas<br />
2<br />
6<br />
10<br />
Anwendung von Leuchtdioden im Unterricht<br />
Im Technischen Gestalten lassen sich <strong>LED</strong>s gut einsetzen.<br />
Es besteht <strong>die</strong> Chance, mitten in <strong>die</strong>sem Prozess der<br />
Entwicklung eines neuen Leuchtmittels dabei zu sein<br />
und <strong>die</strong> Schülerinnen und Schüler zu begeistern für eine<br />
Erfindung, <strong>die</strong> in absehbarer Zeit unsere <strong>Welt</strong> noch stärker<br />
prägen wird.<br />
Je nach Bezugsquelle kosten helle weisse und auch farbige<br />
<strong>LED</strong> in etwa gleichviel wie <strong>die</strong> vergleichbare Glühlämpchen<br />
<strong>Technologie</strong>. Es gilt insbesondere zu beachten, dass <strong>die</strong><br />
Spannung mit Hilfe eines Widerstands genau auf <strong>die</strong><br />
Stromquelle und auf <strong>die</strong> <strong>LED</strong> angepasst werden muss. Auf<br />
ledstore.ch steht ein Widerstandsrechner zur Verfügung,<br />
auch lässt sich dort günstig einkaufen inkl. Widerständen<br />
und weiterem Zubehör. Die Energieeffizienz der <strong>LED</strong><br />
soll auch im Technischen Gestalten ein Thema sein. Ein<br />
Vergleich: Ein <strong>LED</strong>Nachttischlämpchen mit einer 4.5<br />
Volt Flachbatterie leuchtet ca. 100 Stunden, wogegen das<br />
gleiche Lämpchen mit einer Glühbirne nur ca. 10 Stunden<br />
S<strong>CH</strong>ULEkonkret 2/2010 «Erfindungen» <strong>LED</strong>-<strong>Technologie</strong> <strong>erobert</strong> <strong>die</strong> <strong>Welt</strong><br />
3<br />
7<br />
11<br />
3 / 4 Aquatic-Center Peking; Millionen von <strong>LED</strong> beleuchten <strong>die</strong><br />
Gebäudehülle und können durch Computer gesteuert Farbe und<br />
Helligkeit variieren. (Fotos: www.picasaweb.google.com)<br />
6 – 12 do-it-Aufgabe Gravur-Lämpchen und Variationen<br />
leuchten würde. Die Stromaufnahme der gebräuchlichen<br />
Leuchtdioden ist mit 0.02 Ampère zehnmal kleiner als bei<br />
einem Glühlämpchen mit 0.2 Ampère Stromaufnahme.<br />
Auf den folgenden Seiten ist eine doitAufgabe für Mittel<br />
und Oberstufe vorgestellt. Schülerinnen und Schüler<br />
gestal ten eine Platte eines <strong>LED</strong>Lämpchens. Eine Botschaft,<br />
ein Bild lässt sich gestalterisch umsetzen und wirkt durch<br />
<strong>die</strong> <strong>LED</strong>Beleuchtung plötzlich speziell. Geeignet sind insbesondere<br />
<strong>die</strong> Verfahren Bohren und Gravieren.<br />
Auf der Homepage doitwerkstatt.ch sind in der Ru brik<br />
Tech nikverständnis gratis weitere Hinter grund in for mationen,<br />
sogenannte Technikfacts zu <strong>LED</strong> und zu Bat te rien,<br />
aber auch zu Werkstoffen wie Polystyrol und Acrylglas<br />
sowie deren Verarbeitung zu finden.<br />
Quellenangaben<br />
Quellen Text: www.heise.de/tr/artikel/Licht-fuer-<strong>die</strong>-welt-278907.html<br />
4<br />
8<br />
12<br />
30
Beleuchtetes Gravierbild Schwachstrom 18 <strong>LED</strong><br />
+ Acrylglas-Platte, Dicke 8 - 10 mm<br />
+ Polystyrol- oder Acrylglas-Platte ,<br />
Dicke 3 mm<br />
+ Batterie, Schalter, Leuchtdiode und<br />
Widerstand, Schaltdraht<br />
4<br />
1<br />
2<br />
5<br />
Bildlegende<br />
1 Abwicklung einer Halterung<br />
2 Gravieren mit dem Gravierwerkzeug<br />
3 Graviertes Sujet<br />
4 - 6 Sujetgestaltung mit dem Verfahren<br />
Bohren; 4 und 5 mit vereinfachter Halterung<br />
für <strong>die</strong> Platte<br />
3<br />
6<br />
Gestalte eine Acrylglasplatte mit dem Verfahren Gravieren. Erprobe das<br />
Gravierwerkzeug auf Reststücken. Entwirf nun mehrere Sujets auf Papier, wähle<br />
das beste aus und lege es unter <strong>die</strong> Acrylglasplatte. Übertrage <strong>die</strong> Konturen mit<br />
Filzstift oder mit dem Japanmesser. Graviere dein Sujet auf <strong>die</strong> Platte. Säge oder<br />
bohre eine Aussparung für <strong>die</strong> Leuchtdiode.<br />
Im Anschluss entwickelst du aus Halbkarton eine Abwicklung für <strong>die</strong> Halterung<br />
der Platte. Biege <strong>die</strong> Halterung nach der Vorlage und baue Leuchtdiode, Schalter<br />
und Batterie ein. Am Schluss steckst du deine Platte in <strong>die</strong> Halterung.<br />
+ Das Verfahren Gravieren üben und<br />
anwenden, dazu Acrylglas exakt<br />
bearbeiten, fachgerecht schleifen,<br />
polieren und eine Leuchtdiode<br />
einbauen.<br />
+ Für eine bestimmte Funktion eine<br />
eigene Lösung entwickeln und<br />
umsetzen.<br />
Beleuchtetes Gravierbild Schwachstrom 18 <strong>LED</strong><br />
Aufgabenstellung<br />
Material Ziele Tüftelidee<br />
© <strong>DO</strong>-<strong>IT</strong>-<strong>WERKSTATT</strong>.<strong>CH</strong><br />
S<strong>CH</strong>ULEkonkret 2/2010 «Erfindungen» <strong>LED</strong>-<strong>Technologie</strong> <strong>erobert</strong> <strong>die</strong> <strong>Welt</strong><br />
+ Plane <strong>die</strong> Halterung so, dass du dein<br />
Bild jederzeit auswechseln kannst.<br />
Erprobe deine Halterung mit<br />
Halbkarton und mit einer dünnen<br />
Polystyrolplatte. Teste <strong>die</strong> Funktion.<br />
+ Gestalte ein zweites Bild für dein<br />
Lämpchen, so dass du je nach<br />
Stimmung das Sujet austauschen<br />
kannst.<br />
Hinweise<br />
+ Hintergrundinformationen zu Leuchtdioden, zu Acrylglas, Polystyrol und zur<br />
Bearbeitung der Kunststoffe siehe Technikfacts unter do-it-werkstatt.ch -><br />
Technikverständnis.<br />
+ Umgang mit <strong>LED</strong> siehe Phänomenales Gestalten: Schwachstrom - Magnetismus<br />
Seite 115 oder Infoblatt <strong>LED</strong>.<br />
+ Die Gravur erfolgt mit einem Gravierwerkzeug, z.B. Dremel, und einem feinen<br />
Kugelkopf-Stift. Das Verfahren soll auf einem Musterstück zuerst erprobt und<br />
geübt werden.<br />
+ Um ein möglichst exaktes Bild mit scharfen Kanten zu erhalten, lässt sich das<br />
Sujet auf Etikettenpapier zeichnen. Diese Etikette wird aufgeklebt und mit<br />
einem Japanmesser ausgeschnitten. Soll <strong>die</strong> Gravur auf der Hinterseite erfolgen,<br />
müssen Schriften spiegelverkehrt ausgedruckt werden.<br />
+ Gravurähnliche Bilder lassen sich auch mit Schleifpapier herstellen. Die Platte<br />
mit Isolierband überkleben, das Sujet aufzeichnen, mit dem Japanmesser<br />
ausschneiden und mit feinem Schleifpapier sorgfältig schleifen.<br />
Hinweise zur Tüftelidee<br />
+ Die <strong>LED</strong> wird in der Halterung und nicht im Bild fixiert. Zudem wird <strong>die</strong> Halterung<br />
so gebogen, dass das Gravurbild festgeklemmt werden kann. So lässt sich das<br />
Sujet problemlos auswechseln.<br />
+ Das Sujet kann statt mit dem Verfahren Gravieren auch mit Bohren gestaltet<br />
werden (Fotos 4-6). Auch hier empfiehlt sich, das Verfahren an Reststücken zu<br />
erproben.<br />
***<br />
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