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Geschichte der Entstehung und Entwicklung der Leuchtdiode
Lumineszenz von Siliciumkarbidkristallen in der Strömung des elektrischen Stroms
Die Geschichte der Leuchtdiode setzt zu Beginn des 20. Jahrhunderts ein als im Jahre 1907 der englische Forscher Henry Raund eine Technologie vorschlägt, auf der die Leuchtdiode beruht. Er stellte eine Lichtemission rund um den Kontakt eines arbeitenden Detektors fest. Im britischen Labor Marconi wurde zum weltweit ersten Mal die Lumineszenz von Siliciumcarbid fixiert. Später, im Jahre 1923, entdeckte der russische Oleg Wladimirowitsch Lossew den Zusammenhang dieser Erscheinung. Er beobachtete im Nischegoroder Labor bei seiner Erforschung des Phänomens der strahlenden Rekombination das Leuchten von Siliziumcarbidkristallen. Lossew bewies als weltweit erster Wissenschaftler die Elektrolumineszenz von Halbleitern, d.h. ihre Lichtemission unter elektrischer Spannung. Dies war der erste Schritt auf dem Weg zur Entstehung der Leuchtdiode. Allerdings fand die damalige Entdeckung im Verlauf der folgenden Jahrzehnte keine praktische Verwendung.
Die industrielle Entwicklung der Halbleiterlampen begann erst im Jahre 1951. In den USA wurde unter der Leitung des Physikers und Erfinders Kurt Lehovec ein Zentrum für die Entwicklung von „Halbleiterlampen“, die nach dem Prinzip des „Lossew-Effekts“ funktionieren, gegründet. Im Jahre 1955 verkündete Rubin Braunstein von Radio Corporation of America das Vorhandensein von Infrarotstrahlung im Galliumarsenid (GaAs) in der Kombination mit anderen Halbleiterlegierungen. Braunstein beobachtete die Infrarotstrahlung, die von einer einfachen Diodenstruktur auf der Basis von Galliumantimonid (GaSb), Galliumarsenid, Indiumphosphid (InP) und Siliziumgermanium (SiGe) bei Raumtemperatur generiert wird.
In den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts wurden erste Leuchtdioden aus GaP, die rot und gelb-grün leuchteten, entwickelt. Die Wellenlänge, die diese Geräte ausstrahlten, befand sich an der oberen Grenze des menschlichen visuellen Wahrnehmungsvermögens (500-600 nm). Deshalb war sie für die Anzeige dieses gelb-grünen Leuchtens völlig ausreichend. Die Lichtausbeute dieser Leuchtdioden betrug etwa 1-2 lm/W.
Im Jahre 1962 wurden an der University of Illinois in den USA unter der Leitung von Nick Holonyak die ersten für die Industrie vorgesehenen Leuchtdioden auf der Basis der GaAsP/GaP-Struktur entwickelt. Ebendieser Nick Holonyak gilt als Vater der modernen Leuchtdioden.
Im Jahr 1968 wurde die erste LED-Lampe für den Indikator des Unternehmens Monsanto hergestellt. Im selben Jahr produzierte und veröffentlichte in den USA das Unternehmen Hewlett- Packard den weltweit ersten LED-Werbebildschirm. Es war ein Display mit einem sehr schwachen Lichtstrom, auf dem die Informationen nur mittels roter Farbe dargestellt wurden. Bis zum Beginn der 70er Jahre waren die sichtbaren und Infrarot-Leuchtdioden mit bis zu 200$ pro Stück sehr teuer und wurden deshalb nur wenig in der Praxis verwendet. Im Jahre 1968 organisierte Monsanto als erste Gesellschaft eine Serienausgabe der sichtbaren Leuchtdioden aus Galliumarsenidphosphid um eine für die Indikatoren geeignete rote Leuchtdiode zu produzieren.
LED mit Kunststoffschale-Gehäuse
In den 70er Jahren beginnt die rasante Entwicklung dieses Industriezweiges. Die Leuchtdioden werden schnell in zwei Richtungen verbessert: der Strahlungsumfang wird erweitert und der Lichtstrom vergrößert. Außerdem werden unter Leitung des russischen Wissenschaftlers Schoress Iwanowitsch Alfjorow die durchlässigen Doppelheterostrukturdioden entwickelt, dank denen das aktive Gebiet der Rekombination eingegrenzt wurde, was die externe Quanteneffizienz vergrößerte. Es wurden Heterostrukturen auf der Basis von GaAs und seiner festen Lösungen vom Typ AlGaAs und anschließend auch auf der Grundlage anderer Halbleiterverbindungen vorgeschlagen und in der Praxis hergestellt. Dabei stiegen der rote Teil des Spektrums auf bis zu 15 % (Lichtausbeute bis zu 10 lm/W) und der Infrarotteil auf bis zu 30 % und höher. Jedoch wurde die Bedeutung dieser Entdeckung erst im Jahre 2000 anerkannt. Schores Iwanowitsch Alfjorow wurde der Nobelpreis verliehen. Ebenso wurden in den 70er Jahren in den Labors des Unternehmens IBM in den USA blaue Dioden auf der Basis von epitaktischen GaN-Schichten entwickelt. Aber die Laufzeit solcher Leuchtdioden war zu jenem Zeitpunkt sehr kurz.
Im Jahre 1976 entwickelte und veröffentlichte das Unternehmen Hewlett Packard rot-orangefarbene, gelbe und gelb-grüne Leuchtdioden auf der Basis von Aluminium-, Gallium- und Indium. Ihre Lichtausbeute erreichte 30 lm/W (was größer als bei Glühlampen war) und die externe Quanteneffizienz 55 %. Wenig später, zu Beginn der 80er Jahre stellten die Wissenschaftler der Staatlichen Lomonossow-Universität Michail Wassiljewitsch Tschukitschew und Gennadij Wassiljewitsch Saparin ein helles lumineszierendes Leuchten von Teilen des GaN-Musters mit Zinklegierung, wenn es unter Einwirkung eines Elektronenstrahls stand. Den Wissenschaftlern gelang es damals nicht, die Ursache dieses Phänomens zu verstehen.
Ab dem Jahr 1985 stieg der von den Leuchtdioden ausgestrahlte Lichtstrom auf 10 lm. Die Leuchtdioden wurden von nun an als selbständige Lichtelemente verwendet. Das Problem der Geräte hinsichtlich der Lichtemission im blauen Farbbereich konnte lange Zeit nicht gelöst werden. Erst am 28. März 1991 produziert das japanische Unternehmen Nichia Chemical blau leuchtende Leuchtdioden. Diesen Tag kann man als „den Geburtstag" der blauen Leuchtdioden ansehen. Zum Schöpfer dieser Erfindung wurde der japanische Wissenschaftler Dr. Shuji Nakamura. Ihm gelang es, dieses Problem mit Hilfe einer auf Indiumgalliumnidrit (InGaN) basierenden Heterostruktur zu lösen. Dank dieser Erfindung schloss sich „der RGB-Kreis". Ebenso wurde es möglich, die blauen, gelben und roten Kristalle in einer aus drei Kristallen bestehenden Leuchtdiode zu vereinen. Diese Erfindung ermöglichte es Leuchtdioden mit beliebigen Farbnuancen zu erhalten. Im Jahre 1993 begann das Unternehmen Nichia Chemical Industries mit der Massenproduktion von blauen Leuchtdioden auf GaN-Basis.
Zu Beginn der neunziger Jahre erreicht die Lichtausbeute der Leuchtdioden 30 lm. Im Jahr 1997 produzierte Fred Schubert die weltweit erste Leuchtdiode, die weiß leuchtet. Bereits im Jahre 1998 begann das Unternehmen Covert Lights in Russland Leuchtdioden der neuen Generation auf den Markt zu bringen. Zum Ende des 20. Jahrhunderts produzierten die weltweit führenden Hersteller von Leuchtdioden („Toyoda Gosei“, „Hewlett Packard“, „Nichia Chemical“, „Cree“) einige Dutzend Millionen blauer und grünen Leuchtdioden im Monat. Die Lichtausbeute der Leuchtdioden erreicht 60 lm/W. Ab dieser Zeit entwickeln sich die Leuchtdioden zu einer adäquaten Alternative zu Glühlampen. Die Gesamtmenge der produzierten Leuchtdioden näherte sich in Russland einer Stückzahl von 100 Millionen pro Jahr und weltweit einigen Dutzend Milliarden.
Ab dem Jahr 2000 begannen die Unternehmen „Nichia Chemical“ und „Osram“ mit der Massenproduktion von Leuchtdioden. Im selben Jahr investierten die drei größten Konzerne „LumiLeds/Phillips“, „Osram/Cree“ und „GELcore/Uniroyal/GE“ über 70 Millionen Dollar in die Forschung, die mit der Entwicklung und den Möglichkeiten der Verwendung und der Herstellung von Leuchtdioden verbunden sind. Mit der Entstehung der Leuchtdioden begann sich die Werbeindustrie sehr schnell zu entwickeln.
Mitte 2006 erreichte die Zahl elektronischer Werbetafeln in den USA 200 Stück und verdoppelte sich bereits nach einem Jahr. Dank dieser Werbung erfolgte ein deutlicher Sprung in allen Sphären der Produktion und des Verkaufs.
Zum Ende des Jahres 2006 entwickelten sich die Leuchtdioden zu einem untrennbaren Bestandteil des modernen Marktes, und die Sphäre ihrer Verwendung dehnte sich wesentlich aus. Man begann die Leuchtdioden aktiv für die Produktion von mobilen Installationen, allerlei Schautafeln, Bildschirmen, Monitoren und Fahrzeugbeleuchtung zu verwenden.
Im Jahre 2008 informierte die Universität Bilkent in der Türkei darüber, dass im sichtbaren Lichtbereich einer auf einem Monokristall beruhenden Leuchtdiode eine Lichtausbeute von 300 lm erreicht wurde.
Im Jahre 2009 teilten Forscher der Cambridger Universität mit, dass sie einen technologischen Prozess gestartet haben, um für die direkte Herstellung von LEDs aus Silizium Galliumnitrid (GaN) zu züchten. Die Herstellungskosten konnten durch die Verwendung von sechszollangen Siliziumschichten anstatt von zweizolllangen Schichten aus Saphir um 90% gesenkt werden.
2010 informierte das Unternehmen Nichia über die Entwicklung von experimentalen Leuchtdioden, die dank einigen Verbesserungen in der Konstruktion und bei den Materialien einen großen Schritt vorwärts in der Erhöhung des Wirkungsgrades der Lichtquellen gemacht haben. Eine der entwickelten Leuchtdioden zeigte bei einer Stromstärke von 5 mА eine Rekordeffektivität von 265 lm/W, was schon sehr nah an der theoretischen Grenze für weiße Leuchtdioden liegt, die die japanischen Wissenschaftler auf 260–300 lm/W schätzen. Zum Vergleich: gewöhnliche Glühlampen geben 13–17 lm/W und Leuchtstofflampen 60-90 ab. Die Japaner bestätigen, dass die Experimente fortgesetzt werden, da es noch Reserven für die Erhöhung des Wirkungsgrades gibt. Obwohl die jetzigen Rekordmuster der Leuchtdioden zu teuer für die Massenproduktion sind, versprechen die Forscher von Nicha, dass die Preise in Zukunft sinken dürften.
Im Jahr 2010 betrug der Anteil der Verwendung von Leuchtdioden als alternatives Beleuchtungsmittel nicht mehr als 5 %, was etwa 200 Millionen Dollar ausmachte. Jedoch stieg diese Zahl bis zum Jahr 2011 auf 1 Milliarde Dollar, und nach Prognosen der Analytiker wird diese Zahl mit jedem Jahr steigen.
Grandiose LED - Projekte des 21. Jahrhunderts.
Größtes LED-Display der Welt in Tokio
Das Unternehmen Mitsubishi Electric baute das größte Display der Welt, dessen Fläche so groß wie drei aneinandergereihte Tennisplätze ist. Für die gigantische Leinwand wurde die Technologie Aurora Vision verwendet. Ihre Oberfläche besteht aus mehreren Millionen hellen Leuchtdioden. Dabei wurde das sich wiederholende Muster aus Punkten der drei Grundfarben in einer solch scharfsinnigen Weise gewählt, das es mit der gegebenen Anzahl von Leuchtdioden erlaubt, eine maximale Farbbildauflösung zu erreichen. Die Neuheit, die auf der Pferderennbahn in Tokio installiert wurde, hat eine Höhe von 11,2 m und eine Länge von 66,4 m, so dass die Fläche etwa 744 m2 beträgt. Die Kosten der Leinwand beliefen sich auf 28 Millionen Dollar. Auftraggeber war das japanische Rennsportunternehmen JRA. Jetzt können Fans die Einzelheiten der Wettbewerbe in voller Schönheit und sogar noch gleichzeitig Details, die von mehreren Kameras aufgenommen wurden, beobachten.
In China befinden sich sehr viele Leuchtdioden in den Straßen, und einige der hellsten Objekte in der Nacht sind die riesige LED-Medienwand in Peking und der Fernsehturm in Guangzhou. Dies sind schöne Beispiele für die Kombination alternativer Energien mit einem LED-Medienträger.
Ebenso wurde in Peking eine Farb-LED-Leinwand riesigen Umfangs errichtet. Ihre Inbetriebnahme war zeitlich mit den Olympischen Spielen im Sommer 2008 abgestimmt. Die Leinwand ist in einem Schirm über der Fußgängerzone eingebaut und befindet sich in 24 m Höhe über dem Eingang des städtischen Einkaufszentrums. Die Kombination aus fünf LED-Leinwänden bildet eine ununterbrochene Oberfläche mit einem Umfang von 250 x 30 m und verfügt über eine Fläche von 7500 m2. Eine wirklich gigantische LED-Leinwand.
Das Kasino in Macao (Sonderverwaltungszone (SAR) China, ist dadurch bekannt, dass die blendenden Lichter und die extravaganten Bauten mit Las Vegas konkurrieren. Das Grand Lisboa Hotel installierte ein intelligentes Beleuchtungssystem, das eine programmierte Technologie von Daktronics verwendet, die äußere Beleuchtungseffekte kombiniert, die in der Lage sind aufgegebene Textmitteilungen, Zeitpläne, Animationen und Videos anzuzeigen. Das Design des Gebäudes Grand Lisboa Hotel ist von der gelben Blüte der Lotusblume, dem offiziellen Emblem der Sonderverwaltungszone Macao inspiriert. In Zukunft, nach Abschluss seines Baus, wird das Gebäude einen hohen Turm, der sich aus einem ovalen Podium erhebt, darstellen. Das ovale Podium selbst, das 56 Meter (184 Fuß) in der Höhe und 189 Meter (620 Fuß) in der Breite misst und eine Gesamtfläche von ungefähr 10 609 Quadratmeter umfasst, wird von mehr als 59 000 ProPixel-LED-Lampen von Daktronics beleuchtet.
New York, der bekannte Times Square. Die Leinwand des berühmten Studios "АВС". Ein vollwertiges LED-Display mit einer Fläche von mehreren Quadratmetern. Dieser Bildschirm wurde aus 16 Millionen LED-Elementen montiert.
Als einer der größten Leinwände, die chinesische Produzenten für den Export hergestellt haben, gilt die LED-Leinwand, die in der Stadt Neu-Gizeh in Ägypten installiert wurde. Ihre Fläche beträgt 1208 m2, die Tiefe der Leinwand 32 mm. Die Leinwand wurde an das heiße Klima und den Sandwind angepasst. Ihre Montage dauerte einen Monat.
Leinwand des „abc“-Studios
Leinwand in der Stadt Neu-Gizeh
LED-Leinwand im Stadion der Mannschaft Atlanta Braves
Die LED-Leinwand im Stadion der Mannschaft Atlanta Braves ist die weltweit größte Outdoor-Videoleinwand mit hoher Auflösung. Bis zu ihrer Inbetriebnahme in der HD-Klasse der LED-Leinwände war die Videoleinwand der Firma "Daktronics" im Stadion der Dolphins in Miami führend. Sie besteht aus zwei großen "ProStarВ®"-Displays mit einer Auflösung von je 1280 х 720 Pixel. Diese Videoleinwand verfügt über eine Fläche von 636 m2.
LED-Leinwand Viva Vision in Las Vegas
In Las Vegas in der Fremont Street ist die weltweit größte LED-Leinwand "Viva Vision" mit einem Preis von 17 Millionen Dollar in Betrieb. Länger als ein Jahr waren Arbeiter damit beschäftigt, fast 2 Millionen gewöhnliche Lämpchen durch 12,5 Millionen Leuchtdioden zu ersetzen. Die neuen Leuchtdioden, die auf einer Höhe von 30 m über der Erde angebracht wurden, sind in der Lage die Bildqualität um 900 % im Vergleich zu ihren Vorgängern zu verbessern. Daher ist die Bildqualität mit der Darstellung der HD-Fernseher der neuesten Generation vergleichbar. Das Unternehmen LG, der Initiator der einzigartigen LED-Leinwand, stimmte zu, das Projekt als Sponsor mit 2,25 Millionen Dollar zu unterstützen, unter der Bedingung dass ihm das Recht für die Vorführung seiner Produktwerbung vor jährlich 16 Millionen Zuschauer überlassen wird. Die Länge der gigantischen LED-Leinwand beträgt 1500 Fuß (ungefähr 500 m) und die Breite 90 Fuß (30 m). Um zu verstehen, wie eindrucksvoll der Umfang dieses Displays ist, kann man seine Fläche mit der Fläche von fünf Fußballfeldern vergleichen!
Wolkenkratzer „Podium“ in den VAE
Wo sonst außer in den Vereinigten Arabischen Emiraten kann sich ein Wolkenkratzer befinden, dessen eine Wand zu einer gigantischen LED-Leinwand wird? Das Projekt wurde Podium getauft und der Bau wurde auf dem Territorium eines großen Vergnügungsparks namens Dubailand freigegeben. Die LED-Wand mit einer Höhe von 33 Stockwerken wird eine ein wenig gekrümmte Form haben. Das Bild kann man aus einer Entfernung von anderthalb Kilometern erkennen.
Roboter-Show „Tanz der Kraniche“, Singapur
Die singapurische Erholungsanlage Resorts World Sentosa führte die grandiose Roboter-Show «Tanzende Kraniche» mit gigantischen LED - Leinwänden auf, die man praktisch von jedem beliebigen Punkt der Stadt aus sehen kann.
In der Aufführung werden zwei 30-meterlange Hebekräne, vergleichbar mit der Höhe eines zehnstöckigen Gebäudes eingesetzt. Das ist die weltweit höchste Animatronik-Show, an der Bioelektronik beteiligt ist. Die fast vollständig aus Stahl hergestellten Kräne wiegen je ca. 80 t. Doch beraubt es die tanzenden Kräne nicht ihrer Feinheit und Anmut, mit der sie die Hochzeitstänze der Kraniche wiedergeben.
Außer den Hebekränen wurden für die Schöpfung der „Tanzenden Kraniche“ LED-Leinwände, Licht-, pyrotechnische und akustische Effekte sowie Originalmusik verwendet. Die Arbeit an der Vorbereitung der Show dauerte drei Jahre. Ihr Autor ist der viermal mit dem „Emmy“ prämierte Jeremy Railton, der die Konzert-Szenographie für Weltstars wie Michael Jackson, Cher, Barbara Streisand und Diana Ross entwickelte.
Die LED-Beleuchtung ist im 21. Jahrhundert eine der aussichtsreichsten Richtungen in der „kleinen“ Energetik. Die Verwendung von LED-Leuchten und LED-Lampen in industriellen Unternehmen, Lagerhäusern, Einkaufszentren, Bürozentren, des städtischen Netzes von Straßenbeleuchtungen, auf Autobahnen und in jedem Haus erhöht die Energieeffizienz um ein Vielfaches. Heutzutage muss natürlich ernsthaft in die LED-Beleuchtung investiert werden, aber man kann mit aller Gewissheit sagen, dass die Stromersparnis, welche bis zu 90 % beträgt, alle Ausgaben schnell decken wird.
Die LED-Beleuchtung ist bereits kein Luxus mehr, sondern ein energieeffizientes Mittel um den Komfort und die Lebensqualität zu erhöhen!