Licht, Beleuchtung, LED, Großstadt, Berlin
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Die Chemie sorgt für Licht!

Elektrisches Licht ist eine Grundlage modernen Lebens. Innovationen der Chemie haben dessen erhellende Entwicklung erst möglich gemacht. Von nostalgischen Neonröhren über Glühbirnen und Energiesparlampen bis hin zu modernen LEDs und Autorückleuchten mit OLED-Technologie.

Edelgas Neon – chemisches Element als Deko-ArtikelEdelgas Neon – chemisches Element als Deko-ArtikelEdelgas Neon – chemisches Element als Deko-Artikel

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Neon-Nostalgie

Das war neu (griech. „neos“)! 1898 war es erstmals ...gelungen, das Edelgas Neon zu isolieren. Einige Jahre später folgte seine populärste Anwendung: die Neonröhre, die das eigentlich transparente Neongas in sattem Rot leuchten lässt. Für dieses erhellende und werbewirksame Farbspiel wandern durch Strom freigesetzte Elektronen zwischen zwei Elektroden durch eine Glasröhre. Sie regen das dort eingefüllte Gas zum Leuchten an. Vom Gas hängt auch die Farbe des ausgesandten Lichts ab. Helium leuchtet weiß, Argon und Xenon violett, Krypton gelb-grün. Die gläserne Hülle dieses Urtyps aller Gasentladungslampen begegnet uns oft in verspielten Formen. Bis heute erstrahlen die so gefertigten Werbeschriften, Kunstobjekte und Deko-Artikel mit nostalgischem Retro-Charme.

Erfindung der Glühbirne – bis heute ein Klassiker Erfindung der Glühbirne – bis heute ein Klassiker Erfindung der Glühbirne – bis heute ein Klassiker

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Da glüht der Draht

Mit Wolfram wurde es schon etwas besser. In filigrane ...Wendelform gebrachte Glühdrähte aus dem hochfesten Metall leuchteten heller als die seit Mitte des 19. Jahrhunderts gebräuchlichen Kohlefäden. Um die Lampen-Lebensdauer zu verlängern, verrichteten die Wolframdrähte ihren Dienst lange Zeit in einem Vakuum. Im luftleeren Innern der Glühbirnen verdampften die Wolfram-Atome aber schnell und setzten sich auf dem Birnenglas ab. Das verschlechterte die Lichtausbeute. Mehr Klarheit lieferte eine Entdeckung aus dem Jahr 1913: Befüllte man die Glühbirnen mit reaktionsträgem Stickstoff oder einem Argon-Stickstoff-Gemisch, steigerte das die Lebensdauer der Lampe erheblich. Und mit ihr – für damalige Verhältnisse – ihre Wirtschaftlichkeit. Doch wo Licht ist, ist auch Schatten. Bis heute produzieren Glühbirnen mehr Abwärme als Licht.

Energiesparlampe – Der Start Strom zu sparen | IhrEnergiesparlampe – Der Start Strom zu sparen | IhrEnergiesparlampe – Der Start Strom zu sparen | Ihr

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So strahlt der Sparfuchs

Die Zahl spricht für sich: Bis zu 80 % weniger Strom ...als Glühbirnen verbrauchen Energiesparlampen. Das Licht erzeugen sie so: Legt man elektrische Spannung an, regen Elektronen den Quecksilberdampf in dem mit Edelgas (meist Argon) gefüllten Leuchtmittel dazu an, UV-Licht auszusenden. Aber erst ein auf die Innenseite des Glaskolbens aufgebrachter fluoreszierender Leuchtstoff wandelt das UV-Licht in sichtbares Licht um. Dieser Leuchtstoff bestimmt dabei die Lichtfarbe von „warmweiß“ bis „kalt“. Der Durchbruch der „Kompaktleuchtstofflampe“ für ihre Verwendung im Haushalt befindet sich jedoch im Fuß der Lampe. 1985 gelang es, das für den Betrieb unabdingbare Vorschaltgerät im handelsüblichen Schraubsockel der Lampe unterzubringen. Es schaltet die Lampe, reguliert den Strom und macht Energiesparlampen jüngeren Datums dimmbar.

LED-Lampen –  Leuchtstoffe führen zu bunten FarbenLED-Lampen –  Leuchtstoffe führen zu bunten FarbenLED-Lampen –  Leuchtstoffe führen zu bunten Farben

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Bunt kann jetzt auch weiß

Eine Leuchtdiode (LED) ist ein Halbleiter-Bauteil, ...das Licht aussendet, sobald Strom hindurchfließt. Die Grundfarbe der LED hängt dabei vom verwendeten Halbleitermaterial ab: LEDs aus Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Galliumphosphid (GaP) leuchten rot. LEDs aus Galliumnitrid (GaN) blau oder grün. Für weißes Licht bedarf es eines Umwegs: Hierzu wird einer blauen LED ein gelber Leuchtstoff auf Silikat- oder Granat-Basis beigefügt. Der Leuchtstoff wandelt einen Teil des blauen Lichts in gelbes Licht um. Zusammen lassen die beiden Farben Blau und Gelb die LED in einem Weiß erstrahlen, das dank moderner Leuchtstoffe aus der Chemie heute warm und angenehm wirkt. Richtschnur für die Lichtqualität ist das Tageslicht mit dem höchstmöglichen Wert von 100 auf dem allgemeinen Farbwiedergabeindex. Mit einem Referenzwert von über 90 kommen moderne LEDs dem schon sehr nahe.

Organische LEDs – Das  Licht unserer Zukunft | IhrOrganische LEDs – Das  Licht unserer Zukunft | IhrOrganische LEDs – Das  Licht unserer Zukunft | Ihr

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Licht aus der Fläche

OLEDs (= organische LEDs) markieren derzeit das Maximum ...an Miniaturisierung: Dünner kann eine Lichtquelle nicht werden. Und innovativer auch nicht. Denn in OLEDs werden weder Gas noch Draht oder Leuchtstoffe durch elektrische Spannung zum Leuchten gebracht. Stattdessen geben ultradünne Schichten organischer Halbleiter-Materialien Licht ab. Deren Molekülstruktur bestimmt auch die Farbe des Lichts, das diffus, blendfrei und (anders als bei Punktstrahlern wie LEDs) von der gesamten Fläche abgegeben wird. Die Leuchtschichten können auf Glas oder Folie aufgebracht werden und eröffnen durch ihre Flexibilität neue Möglichkeiten für Wohnraum-, Lampen- und Automobildesigner. Von Smartphones und TV-Geräten mit gekrümmtem Display kennt man OLEDs bereits, nun sind sie auch in Pkw-Heckleuchten zu finden.

 LEDs beleuchten das LCD-Panel  LEDs beleuchten das LCD-Panel  LEDs beleuchten das LCD-Panel

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Ein Alltag voller Kontraste

Auch beim heimischen TV-Gerät spielen LEDs eine erhellende ...Rolle. Sie beleuchten das bildgebende LCD-Panel von hinten und machen das Geschehen so erst sichtbar. Dabei können die LEDs ringsum im Rahmen des TV-Geräts sitzen („Edge-LED“) oder direkt hinter dem Panel. Beide LED-Technologien sind deutlich sparsamer als die bisherigen Leuchtstoffröhren. Sitzen die LEDs direkt hinter dem Panel, kann man sie über „lokales Dimming“, also punktuelles Verdunkeln, genau ansteuern: Helle Bildbereiche müssen mit viel Licht versorgt werden, die dunkleren mit weniger bis keinem. Bei Edge-LED-Geräten erscheint die gesamte Bildfläche heller oder dunkler. Die Chemie liefert für die LEDs neben Halbleitern (Galliumnitrid-Kristallplättchen) auch anorganische Leuchtstoffe. Letztere sind nötig, um Weißlicht für einen hohen Bildkontrast zu erzeugen.

Hintergrundbeleuchtung durch LEDsHintergrundbeleuchtung durch LEDsHintergrundbeleuchtung durch LEDs

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Mein TV hat'n Schatten!

Ohne Hintergrundbeleuchtung könnte selbst der modernste ...LCD-Fernseher nur Schemen und Schlieren zeigen. Denn dadurch wird das Geschehen auf dem bildgebenden LCD-Panel erst sichtbar. Heute sorgen LEDs für das richtige Licht im TV. Sie sitzen entweder ringsum im Rahmen des TV-Geräts („Edge-Backlight“) oder vollflächig direkt hinter dem LCD-Panel („Direct-Backlight“). Beide LED-Technologien verbrauchen deutlich weniger Energie als die bisher eingesetzten Leuchtstoffröhren. Sitzen die LEDs direkt hinter dem Panel, kann man sie über „lokales Dimming“, also punktuelles Verdunkeln, präzise ansteuern. Bei Edge-Backlight-LED-Geräten wird das Bild als Ganzes heller oder dunkler ausgesteuert. Die Chemie liefert unter anderem die Halbleiter (Galliumnitrid-Kristallplättchen) und die anorganischen Leuchtstoffe für die weißen LEDs der Backlight-Systeme.

LED steht für „light emitting diode“ LED steht für „light emitting diode“ LED steht für „light emitting diode“

LED

Licht ins Dunkel – wie funktionieren LEDs?

Die Abkürzung LED steht für „light emitting diode“ ...oder „Licht emittierende Diode“. Eine LED (auch: Leuchtdiode) ist ein Licht aussendendes Halbleiter-Bauteil. Fließt Strom durch die Diode, sendet diese Licht aus. Die Grundfarbe einer LED hängt vom Halbleitermaterial ab: LEDs aus Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Galliumphosphid (GaP) leuchten rot. LEDs aus Galliumnitrid (GaN) blau oder grün. Für weißes Licht wird der blauen Leuchtdiode zusätzlich ein gelber Leuchtstoff auf Silikat- oder Granat-Basis beigefügt. Durch Variation der Leuchtstoffzusammensetzung lässt sich je nach Wunsch ein kaltes oder warmes weißes Licht erzeugen.

OLED-FernseherOLED-FernseherOLED-Fernseher

LED

OLED? Oh, là, là!

Vive la révolution! OLEDs, organische lichtemittierende ...Dioden, werden den Displaymarkt umkrempeln! Denn sie benötigen – anders als LCD-TVs – keine Hintergrundbeleuchtung, um ein Bild sichtbar zu machen. Hier leuchten die einzelnen Pixel, einmal unter Spannung gesetzt, selbst! So können OLED-Fernseher im TV- und Heimkinobereich extrem kontrastreiche Bilder bieten. Die Struktur der OLED-Moleküle bestimmt dabei die Farbe des Lichts, das sie nahezu ohne Wärmeabgabe aussenden. OLED-Panels sind hauchdünn, denn die OLED-Materialien, chemisch hergestellte Halbleitermoleküle oder -polymere, werden auf Glas oder Folie aufgetragen. Das geschieht entweder im Vakuum oder durch Druckverfahren – ähnlich einem Tintenstrahler. Die chemisch aktive, also bildgebende Schicht ist ca. 100-mal dünner als ein menschliches Haar. Einfach revolutionär!

Touchpad mit LEDTouchpad mit LEDTouchpad mit LED

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Es werde Licht!

Endlich klare Sicht – für eine optimale Bildqualität ...wird bei hochwertigen LC-Displays der gesamte Bildschirmbereich hinterleuchtet. Das Ergebnis kann sich sehen lassen: satte Farben, mehr Helligkeit, stärkerer Kontrast und eine gleichmäßige Ausleuchtung der Bildfläche. Dafür sorgen Lichtleiter und Leuchtdioden (LEDs). Als Lichtquelle dienen die LEDs. Sie sind langlebig, energiesparend und verbrauchen kaum Platz. Verschiedene Leuchtstoffe und Halbleitermaterialien aus der Chemie bringen Leuchtkraft und Farbe. Die Lichtleiter der Beleuchtungsmodule (Backlight Units) bestehen aus Kunststoffen wie Polymethylmethacrylat (PMMA). Sie lenken das Licht an die richtigen Stellen und verteilen es gleichmäßig. Der äußerst transparente und kratzfeste Kunststoff PMMA ist besser bekannt als Acrylglas.

 Produktion von LEDs Produktion von LEDs Produktion von LEDs

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Die haben den Hut auf!

Jede LED trägt eine „Haube“, die das Innenleben ...schützt und zugleich als Linse für das austretende Licht dient. Dieses Gehäuse besteht aus hochtransparentem Kunststoff oder Glas – für das Auge kaum zu unterscheiden. Der Kunststoff PMMI (Polymethylmethacrylimid) ähnelt Acrylglas, dem Ringstrukturen in die Polymerkette eingebaut wurden. Acrylglas liefert auch in heißeren Umgebungen sehr gute optische Leistungen und wird etwa in Linsen und Lichtleitern von Kfz-Scheinwerfern verwendet. Auch bei Glaslinsen ist Chemie mit im Spiel: Kieselsäure und Silane (zwei siliziumbasierte Verbindungen) werden im Ofen zu hochreinem Glas verdichtet. Linsen aus Silikon trüben bei hohen Lichtströmen ebenfalls nicht ein. Die Silikone können sogar direkt auf den LED-Chip aufgebracht werden. Anschließend genügt etwas UV-Licht zum Härten des Silikons.

LED StehlampeLED StehlampeLED Stehlampe

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Mit Erleuchtung sparen

Auch wenn ihr manch einer hinterher trauert – die ...„gute, alte“ Glühbirne ist eher alt als gut. Sie ist ein echter Energieverschwender. Etwa 20 Prozent des weltweit verbrauchten Stroms werden laut Bundesforschungsministerium für die Beleuchtung eingesetzt. Zwei Drittel davon ließen sich mit intelligent gemanagten LED-Lichtquellen einsparen. LED-Lampen haben eine bis zu 20-mal längere Lebensdauer als Energiesparlampen. Ihre Karriere begann bunt, d.h. in rot, gelb und grün, später auch in blau. Mittlerweile erzeugen LED-Lampen warmweißes Licht aus einem Halbleitermaterial, kombiniert mit einem Leuchtstoff. Der Durchbruch dafür gelang erst Mitte der 1990er, als die erste weiße LED mithilfe eines Leuchtstoffs entwickelt wurde. Heute sorgen sie Zuhause und im Freien für Sicht und Sicherheit – sei es als Gartenleuchte oder Straßenbeleuchtung.

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