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Ruth Haldemann, Stephanie Schmocker, PH Bern IVP NMS TECHNIK-­‐FACTS LED –eine Zukunftsperspektive? Geschichte der LED Die ersten Forschungen, die zur späteren Entwicklung der LED führten gehen auf Henry Joseph Round zurück. Der Brite entdeckte zufälligerweise, dass durch die elektrische Anregung eines Festkörpers Licht erzeugt werden kann. Obschon er auf Grund dieser Beobachtung vielerorts als Erfinder der Leuchtdiode anerkannt wurde, interessierte ihn das neu entdeckte Phänomen -­‐ das heute noch nach ihm genannt wird -­‐ kaum. Nach einer obligaten Veröffentlichung des Vorgangs in der wissenschaftlichen Zeitschrift „Electrical World“ wandte er sich, dem Zeitgeist entsprechend, wieder leidenschaftlich den Optimierungsmöglichkeiten von Funkortungsverfahren zu. Das Interesse der Forschung an Radiodetektoren überschattete die Neuentdeckung. Dies vermutlich eine Begründung dafür, warum der Round-­‐Effekt erst 1921 bis 1942 vom russischen Physiker Oleg Vladimirov Losev genauer untersucht und beschrieben wurde. Erst durch ihn wurde die Faszination und Spannweite der Dioden sichtbar. In der Periode von 1924 bis 1941 veröffentlichte Oleg Losev viele wissenschaftliche Artikel, die die Funktion der Dioden erklären und erweitern sollten. Der Forschungsdurchbruch bezüglich der Halbleiterkristalle gelang erst 1950, mit der Entwicklung des Transistors. Durch deren Verstärkungs-­‐ und Schaltfunktion von elektrischem Strom, ohne mechanische Bewegungen konnte die Lichtemission von Festkörpern wissenschaftlich fundiert erklärt werden. Dieser Meilenstein prägt die Halbleiterphysik bei heute. 1962 waren die Kenntnisse zu den Lumineszenzdioden so weit vorangeschritten, dass es Nick Holonyak von der General Electric gelang, die ersten LEDs auf den Markt zu bringen. Mit einer Lichtausbeutung von 0.1 Lumen pro Watt (Einheit des Lichtstroms) entsprach die erste marktfähige Leuchtdiode zwar keinesfalls der Effektivität der heutigen Modelle mit 100 Lumen pro Watt, doch war sie Wegbereiter einer immer wichtiger werdenden Lichtquelle, den heutigen LEDs. Bereits 1971 wurden nebst roten Lämpchen auch grüne, orange und gelbe zum Kauf angeboten. Aufbau von LED Industriell hergestellte Standard-­‐ Leuchtdioden fallen durch ihren zylindrisch geformten Grundkörper auf. Zu den Anschlussdrähten, der Kathode und Anode hin, ist der Grundkörper gradlinig und eben abgeschlossen. Auf der Seite des Lichtaustritts bildet er eine linsenförmige Halbkugel. Ruth Haldemann, Stephanie Schmocker, PH Bern IVP NMS Für den Aufbau der LED-­‐ Lichtquelle (light emitting diode) ist weiter die Reflektorwanne in der LED-­‐ Mitte charakteristisch. Sie befestigt den lichterzeugenden Halbleiterkristall, fokussiert durch ihre Form die Lichtstrahlen und dient durch Wärmeleitung der Kühlung des Halbleiterchips. Weiter stellt sie durch eine Kontaktstelle die Stromversorgung zur Kathode her. Die Anode wird durch einen feinen Draht direkt am Halbleiterkristall angeschlossen. Bei neu hergestellten LEDs werden Anode und Kathode durch die Drahtlängen unterschieden. Der Anschluss der Kathode (-­‐) ist kürzer als der der Anode. Durch diese Hilfestellung ist es jedermann möglich, die Verbindungsstellen korrekt an einen Stromversorger anzuschliessen. Herstellung von LEDs Der Ausgangspunkt zur Herstellung einer Leuchtdiode ist ein industriell erarbeiteter Halbleiterkristall. Durch ein ausgeklügeltes Schmelzverfahren, das dem Prinzip des „Kerzenziehens“ nahe kommt wird ein Impf-­‐ oder Keimkristall in eine Materialschmelze getaucht und unter dauerndem Drehen wieder herausgezogen. Es entsteht eine grobe Grundstrukturierung. Die Weiterverarbeitung durch das Zonenschmelzverfahren bewirkt, dass der entstandene Kristall gereinigt und die Struktur durch die Temperatureinwirkung verfeinert wird. Die Kristallstruktur verbessert sich, doch kann der Kristall alleine kaum für die Herstellung einer Diode verwendet werden. Um die Funktionsweise zu sichern, wird er in abgemessene Scheiben, sogenannte Waffer, geschnitten. Auf entstandenen Scheiben werden zwei Schichten aufgetragen, eine n-­‐ und p-­‐ Schicht. Dieser np-­‐ Übergang, ein entstehender Grenzbereich zwischen zwei unterschiedlichen Materialien bewirkt, dass Elektronen nahe der Grenzbereiche ohne äussere Einwirkung von Spannung oder Strom zu wandern beginnen. Eine Ladungsträgerdiffusion, eine Halbleiterdiode entsteht. Nach mehreren Einzelverfahren werden die Halbleiterdioden auf das Leitermaterial legiert. Die Oberschicht wird dabei durch einen Golddraht mit der Anode verbunden, die Unterseite des LED-­‐ Chips wird zur Kathode. Schliesslich wird die Lumineszenddiode in Kunststoff eingegossen. Die Umhüllung dient als Schutz und bestimmt den Abstrahlcharakter der Diode. Weiter verbessert die die Lichtwiedergabe. Ruth Haldemann, Stephanie Schmocker, PH Bern IVP NMS Der Einsatz von Leuchtdioden und ein Blick in die Zukunft Wegen der erst geringen Farbauswahl und der nur schwachen Leuchtkraft wurden LEDs zuerst nur als Ersatz von kleineren Glühlampen bei Anzeigetafeln eingesetzt. Hand in Hand mit der zunehmenden Leuchtkraft und Farbvariationen ist die Repräsentation in unserem Leben inzwischen beachtlich; aus ästhetischen Gründen kommen sie beispielsweise in Form von Lichterketten und leuchtenden Deco-­‐Bildern vor oder sie erhellen uns in Taschenlampen den Weg. An der Kaffemaschine und dem Dartschild, das bei Treffern leuchtet, finden wir es als Signal. Auch im Verkehr sind Leuchtdioden inzwischen anzutreffen. Bei Rücklichter von Autos (siehe Bild) und Ampeln werden die kleinen Glühlampen immer häufiger durch LEDs ersetzt. Ebenfalls im Aufkommen ist der LED-­‐Fernseher, bei dem die Leuchtstoffröhre, also die Hintergrundbeleuchtung, durch LEDs ersetzt wird. Die Zukunft verspricht uns ein noch vermehrtes Aufkommen von Leuchtioden als Beleuchtung. Sie weisen deutlich mehr Vorteile als Nachteile auf. Eines der Hauptargumente für die Leuchtdioden ist, dass sie ohne Quecksilber hergestellt werden. Der Energiebedarf ist geringer als bei Glühlampen und es wird weniger Energie in Wärme umgewandelt. Weiter haben normale Leuchtdioden eine längere Lebensdauer, was bei Hochleistungsdioden noch nicht zutrifft. Sowohl bei der Produktion wie auch bei der Entsorgung und Wartung fallen nur geringe Kosten an und sie sind stoss-­‐ und vibrationsfest, was den Transport erleichtert. Dies sind nur einige Beispiele an Vorteilen von LEDs. Eine Frage, die man sich bei LEDs stellen muss, ist die nach der Energiebilanz: Der Energieverbrauch liegt zwar deutlich unter dem einer Glühbirne, doch auch die Leuchtkraft ist deutlich schwächer. Die geringe Lebensdauer von Hochleistungs-­‐LEDs und die fehlenden Standards bei den Bauformen von eben jenen sind Beispiele für die Nachteile einer LED-­‐Beleuchtung. Heute werden bereits teilweise LED-­‐Strassenleuchten eingesetzt. LEDs in der Schule LEDs sind gut in der Schule einzusetzen. Sie sind in der Lebenswelt der Kinder eingebettet und wirken anregend. Bereits auf der Primarstufe sind die Schülerinnen und Schüler in der Lage einen geschlossenen Stromkreislauf mit einem oder mehreren Leuchtdioden herzustellen. Quellenangaben: www.heirom.ch www.ledlook.de/geschichte.html www.led-­‐info.de/grundlagen/leuchtdioden.html www.swiss-­‐light-­‐team.ch http://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtdiode