Organische Leuchtdioden (OLEDs) besitzen enormes Zukunftspotenzial als energieeffiziente Beleuchtungsmittel. Neben einem deutlich geringeren Energieverbrauch als bei LED-Displays weisen OLEDs eine hervorragende Bildqualität und noch viele weitere Vorteile auf.Organische Leuchtdioden (OLEDs) revolutionieren derzeit die Beleuchtungsindustrie. Energiesparlampen und Halogenstrahler - in wenigen Jahren werden diese Lichtquellen vielleicht vergessen sein. Bei OLEDs handelt es sich um dünne Folien, die tagsüber transparent sind und nachts in allen denkbaren Farben leuchten. Organische Leuchtdioden sind hocheffiziente Lichtquellen, die viele positive Eigenschaften haben: sie sind äußerst energiesparend, leuchten großflächig, sind extrem dünn und außerdem voll dimmbar. Außerdem haben OLEDs keine Verzögerungszeit beim Einschalten und sie sind so flexibel und transparent herzustellen, dass man sie sogar in Fensterscheiben integrieren kann. Relevanz des Themas Die Unterrichtseinheit kann beispielsweise zu einer längeren Unterrichtsreihe in Physik zum Thema "Licht" eingegliedert werden. Zunächst müssen im Unterricht wichtige Grundlagen der Strahlen- und Wellenoptik sowie der Quantenphysik erarbeitet werden. Zu den vorab zu behandelnden Themen sollten unter anderem die Reflexion, Brechung, Brechungsgesetz, Beugung und Interferenz von Licht sowie der Welle-Teilchen-Dualismus des Photons gehören. Die Schülerinnen und Schüler sollen sich mit aktuellen Forschungsergebnissen zur Bedeutung von OLEDs für neue optische Licht- und Speichermedien auseinandersetzen und diese auswerten. Hintergrundinformationen zu OLEDs Hier finden Sie nähere Informationen zu OLEDs und Biolumineszenz von Leuchtkäfern sowie zu Perspektiven für die Medizinforschung. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen den Aufbau und das Funktionsprinzip einer Organischen Leuchtdiode verstehen und beschreiben können. ein Thema selbstständig recherchieren und beschreiben können. wichtige Anwendungsbereiche für OLEDs kennenlernen. in reduzierter Form wissenschaftliche Neuentwicklungen für OLEDs bewerten. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen eine interaktive Lernumgebung bedienen können. Informationen zur Thematik aus einem Text entnehmen, wesentliche Aussagen verstehen und in eigenen Texten wiedergeben können. die Nutzungsmöglichkeiten des Internets kennen- und anwenden lernen. Thema Organische Leuchtdioden aus Kohlenstoff Autorin Jana Haberstroh Fächer Physik, Chemie, Biologie, Technik, Naturwissenschaften Zielgruppe ab Klasse 7 Zeitraum circa 2-3 Unterrichtsstunden Technische Voraussetzungen Internetzugang (am besten für je 2 Personen), Beamer Der deutsche Chemiker Herbert Naarmann hat bereits 1969 Strom leitende Polymere - die Vorstufe der OLED - beobachtet, doch es sind noch ganze 21 Jahre vergangen, bis eine Forschergruppe in Cambridge erstmals eine Leuchtdiode herstellte. Die verwendeten organischen Halbleiterschichten waren nur etwa 100 Nanometer dick, also zehntausend Mal dünner als ein Millimeter. Alleine die Leuchteffizienz und Lebensdauer der OLEDs blieben jahrelang hinter der Konkurrenz zurück. Immer wieder entdeckten Forscher "Nebenwirkungen", wie zum Beispiel die Verkürzung der Lebensdauer durch kleinste Verunreinigungen. Auch der Aufbau wurde immer komplizierter. Um gegen Luftfeuchtigkeit resistent zu werden, müssen die OLEDs hinter Glas geschützt werden. Aufbau einer organischen Leuchtdiode Ein transparentes Substrat (Glas, Quarz oder Polymerfolie) dient als Basis für den Aufbau. Die Anode, eine ITO-(Indium-Zinn-Oxid-) Schicht ist elektrisch leitfähig und für sichtbares Licht durchlässig. Das Licht entsteht in den "aktiven" organischen Schichten, wenn dort Paare von Elektronen und "Löchern" rekombinieren und jeweils ein Photon erzeugen. Das Licht wird durch das optisch transparente Substrat abgestrahlt. Um eine hohe Effizienz zu erreichen, werden für den Transport von Ladungsträgern eine oder mehrere zusätzliche Schichten aufgebracht. Schließlich wird als Kathode ein optisch nicht transparenter Metallkontakt aufgedampft. Beim Anlegen einer äußeren Spannung von weniger als 5 Volt zwischen Kathode und Anode kommt es zur Emission von Licht, dessen Farbe von den eingesetzten aktiven Materialien abhängt. Die Chemie der OLEDs Die OLED basieren auf organischen Kohlenstoffmolekülen, also Verbindungen aus mehreren Kohlenstoffteilchen mit anderen Elementen. Setzen sich mehrere gleiche Molekülketten aneinander, dann entstehen sogenannte Polymere. Diese verhalten sich wie Halbleiter, was zur Folge hat, dass sie elektrischen Strom leiten. Und mit diesem bringt man die Folien zum Leuchten. Die Lichtfarben bestehen aus Kohlenstoff-Ringstrukturen, in die ein metallisches Zentralatom integriert wird - beispielsweise Edelmetalle wie Platin oder Iridium. Der OLED-Regenbogen Die OLEDs leuchten beim Anlegen einer Spannung, ob gelb, grün, rot oder blau - alle Farben sind möglich. Die Farbe der Emission wird anders als bei den anorganischen LEDs durch die Energielücke des Halbleiters bestimmt (durch die Energie, die frei wird, wenn ein Elektron und ein "Loch" zusammentreffen und rekombinieren). Diese Energie und damit die Farbe der Emission kann durch die Wahl des organischen Materials gezielt verändert werden. Innerhalb weniger Jahre hat man bereits sämtliche Farben von Rot über Grün bis Blau realisiert. Die Entwicklung ist bereits so weit fortgeschritten, dass erste vollfarbige Bildschirmprototypen hergestellt werden konnten. LED versus OLEDs Anders als bei den anorganischen LEDs wird weißes Licht durch Mischen der Grundfarben rot, blau und gelb erzeugt. Blau ist die Achillesferse der weißen OLED - dieser Farbstoff ist am kurzlebigsten. Multitalent OLED Der größte Markt für OLEDs ist der Bereich "Display", das heißt, OLEDs werden beispielsweise für Fernseher oder Displays von Mobiltelefonen eingesetzt. Displays aus organischen Leuchtdioden benötigen keine Hintergrundbeleuchtung und ermöglichen einen geringen Stromverbrauch. Sie ermöglichen zudem einen größeren Betrachtungswinkel. Zukunftsvision leuchtende Tapeten Organische Leuchtdioden dienen sogar als Basis für Tapeten, die Licht erzeugen und sogar, je nach Stimmung, die Farbe wechseln können. Diese gedruckte Elektronik wird im Fachjargon Polytronik genannt. Die Leuchtfolie emittiert ein für das Auge angenehmes, monochromatisches Kaltlicht, das auch bei Staub, Rauch oder Nebel besser sichtbar sein soll als jede andere Lichtquelle. Die Glühwürmchen sind die OLEDs des Tierreiches. Sie können ihr gelbliches Licht, welches in der Paarungszeit werbewirksam eingesetzt wird, ein- und ausschalten. Forscherinnen und Forscher haben die dahinter stehenden Grundlagen der Lumineszenz analysiert und festgestellt, dass einige natürliche Polymere Halbleitereigenschaften haben und somit für den Transport elektrischer Ladungen geeignet sind. Solche konjugierten Polymere können mittlerweile künstlich und genau spezifiziert hergestellt werden. Halbleiter und andere elektrische Bauteile sind also bald nicht mehr auf Kristallstrukturen angewiesen, sondern können aus Kunststoffen gefertigt werden. In der medizinischen Forschung benutzt man ebenfalls Zellen oder Bakterien mit integiertem Luciferase-Gen. Injiziert man beispielsweise einer Maus Salmonellen-Erreger, die das Luciferase-Gen tragen, so breiten sich die Erreger in ihrem Körper aus. Infusiert man eine Luciferinlösung, so kann man diese Ausbreitung durch das entstehende Licht von außen verfolgen, ohne die Maus zu töten. Analog verhält es sich mit markierten Karzinomen bei denen man die Metastasenbildung und Verbreitung optisch durch das emittierte Licht verfolgen kann.

Die EU hat kürzlich neue strenge Maßnahmen zur drastischen Einschränkung des Gebrauchs von Plastiktüten beschlossen. In dieser Unterrichtseinheit prüfen die Schülerinnen und Schüler, ob abbaubare Plastiktüten eine mögliche Alternative zu gewöhnlichen Plastiktüten darstellen.Um den Verbrauch von Plastiktüten einzuschränken, sehen neue Zielvereinbarungen der EU vor, dass jedes Land zur Reduzierung der Nutzung von Plastiktüten um bis zu 80 Prozent bis 2019 gezwungen wird. In dieser Unterrichtseinheit beurteilen die Schülerinnen und Schüler, ob abbaubare Plastiktüten eine mögliche Alternative zu gewöhnlichen Plastiktüten darstellen. Dazu stellen sie den zuvor ausgewählten Experten Fragen und treffen eine begründete Entscheidung zur Beantwortung der folgenden Frage: Können abbaubare Plastiktüten die durch gewöhnliche Plastiktüten entstandenen Probleme lösen? Bezug zum Lehrplan Wissenschaftliches Arbeiten Entwicklung wissenschaftlichen Denkens: Erklärung alltäglicher und technologischer Anwendung von Wissenschaft Chemische Bindung Beschreiben und Vergleichen der Art und Anordnung chemischer Bindungen in Polymeren. Ablauf Ablauf der Unterrichtseinheit "Weg mit den Plastiktüten" Der Ablauf der Unterrichtssequenz "Weg mit den Plastiktüten" ist auf dieser Seite übersichtlich für Sie zusammengestellt. Die Schülerinnen und Schüler entscheiden, ob gewöhnliche Plastiktüten durch abbaubare Tüten ersetzt werden können. lernen die Eigenschaften von Polymeren kennen. bewerten die Auswirkungen einer Lösung eines real existierenden Problems. Über das Projekt Das Projekt ENGAGE ist Teil der EU Agenda "Wissenschaft in der Gesellschaft zur Förderung verantwortungsbewusster Forschung und Innovation" (Responsible Research and Innovation, RRI). ENGAGE Materialien werden durch das von der Europäischen Kommission durchgeführte Projekt ENGAGE als Open Educational Resources herausgegeben. Einführung Zeigen Sie Folie 2 der PowerPoint-Präsentation um zu verdeutlichen, dass weggeworfene Plastiktüten Tiere töten können und die Umwelt verschmutzen. Weisen Sie darauf hin, dass die EU den Gebrauch von Plastiktüten einschränken will. Zeigen Sie Folie 3 und bitten Sie Schülerpaare, mögliche Alternativen zu Plastiktüten zu erarbeiten. Mögliche Antworten wären Papiertüten, Pappkartons, Stofftaschen und sogenannte "Taschen fürs Leben" aus extra haltbarem wiederverwendbarem Plastik. Anschließend zeigen Sie Folie 4 und teilen Ihren Schülerinnen und Schülern mit, dass sich diese Unterrichtslektion nur auf eine Alternative konzentriert - abbaubare Tüten. Betonen Sie die schwierige Frage: Können abbaubare Plastiktüten die durch gewöhnliche Plastiktüten entstandenen Probleme lösen? Zeigen Sie ihnen die Ziele (Folie 5 der PPT). Teil 1 Zeigen Sie Folie 6 der PPT, um die Schülerinnen und Schüler an die Struktur von Polyethylen zu erinnern. Betonen Sie, dass die Struktur und Bindung des Polyethylens die Eigenschaften des Materials ausmachen. Die Lernenden sollen über die folgende Frage am Ende der Folie diskutieren: Welche weiteren Eigenschaften machen Polyethylen für Tüten so geeignet? Zeigen Sie Folie 7 der PPT. Darauf wird der wichtigste Unterschied zwischen gewöhnlichen und abbaubaren Tüten aufgezeigt. Teil 2 Zeigen Sie als Hinweis auf die Kernaufgabe Folie 8 der PPT. Wählen Sie vier Lernende aus, die als Experten agieren. Geben Sie jedem Experten ein Exemplar von SI2 a, b, c oder d auf Folie 12 bis 15 der PPT. Sie sollen die ersten beiden Aufgaben auf dem SI bearbeiten. Verteilen Sie gleichzeitig an den Rest der Klasse SI1 auf Folie 11 der PPT. Paarweise sollen die Schülerinnen und Schüler den Anweisungen folgen und die Fragen nacheinander ordnen. Organisieren Sie anschließend ein Treffen, bei dem jedes Schülerpaar seine ausgewählten Fragen der Expertengruppe stellt und die Experten wiederum ihre Antworten geben. Danach bearbeitet jede Schülerin und jeder Schüler für sich allein die dritte Aufgabe auf Folie 8 der PPT. Sind biologisch abbaubare Plastiktüten die Lösung? Wenn die Lernenden mit der Aufgabe begonnen haben, zeigen Sie ihnen Folie 9 als Strukturierungshilfe für ihre Antworten. Zeigen Sie Folie 9 der PPT. Die Schülerinnen und Schüler bewerten gegenseitig ihre Antworten mit den vorgegeben Kriterien. Führen Sie eine Diskussion durch, damit alle Lernenden gemeinsam die Antworten reflektieren können. Dabei soll die Frage beantwortet werden, ob abbaubare Tüten insgesamt betrachtet eine gute Lösung für das Problem sind? Falls ja, welche Art: oxo-abbaubare oder biologisch abbaubare Tüten? Welche Gründe bekräftigen am besten die getroffenen Entscheidungen? Das Projekt ENGAGE ist Teil der EU Agenda "Wissenschaft in der Gesellschaft zur Förderung verantwortungsbewusster Forschung und Innovation" (Responsible Research and Innovation, RRI). ENGAGE Materialien werden durch das von der Europäischen Kommission durchgeführte Projekt ENGAGE als Open Educational Resources herausgegeben.