Industrie

Fallbeispiele

Wie Kupfer organische Leuchtdioden effizienter macht

Der Einsatz von Kupfer als Leuchtstoff ermöglicht kostengünstige und umweltverträgliche organische Leuchtdioden (OLEDs). Dabei sorgt die thermisch aktivierte verzögerte Fluoreszenz (TADF) für eine hohe Lichtausbeute.  Organische Leuchtdioden gelten als Lichtquelle der Zukunft. Sie geben Licht gleichmäßig in alle Betrachtungsrichtungen ab, liefern brillante Farben und hohe Kontraste. Da OLEDs (Organic Light Emitting Diodes) sich auch transparent und flexibel herstellen lassen, eröffnen sie neue Anwendungs- und Gestaltungsmöglichkeiten, wie flächige Lichtquellen auf Fensterscheiben oder rollbare Displays. OLEDs bestehen aus ultradünnen Schichten organischer Materialien, die als Emitter dienen, zwischen zwei Elektroden. Beim Anlegen einer Spannung werden Elektronen von der Kathode sowie Löcher (positive Ladungen) von der Anode in den Emitter injiziert. Dort treffen Elektronen und Löcher zu gebundenen Elektronen-Loch-Paaren zusammen. Bei diesen sogenannten Exzitonen handelt es sich um Quasiteilchen im angeregten Zustand. Sie zerfallen anschließend in ihren Ausgangszustand und geben dabei Energie frei.  Allerdings können die Exzitonen zwei verschiedene Zustände annehmen: Singulett-Exzitonen zerfallen sofort wieder und senden Licht aus, während Triplett-Exzitonen ihre Energie als Wärme freigeben. In OLEDs treten gewöhnlich 25 Prozents Singuletts und 75 Prozent Tripletts auf. Um die Energieeffizienz einer OLED zu erhöhen, müssen auch die Triplett-Exzitonen zur Lichterzeugung genutzt werden. Dies geschieht in herkömmlichen organischen Leuchtdioden durch die Beimischung von Schwermetallen wie Iridium oder Platin, die teuer und nur begrenzt verfügbar sind sowie aufwendige Herstellungsverfahren bedingen.  Eine kostengünstigere und umweltverträglichere Möglichkeit besteht im Einsatz von Kupferkomplexen als Emittermaterialien. Kupfer als Leuchtstoff erreicht mit TADF eine Effizienz von 100 Prozent.  Quelle: www.kit.edu

Kupfer macht Batterien sicherer

Viele der Gegenstände im Haushalt, wie zum Beispiel Rasierer, Mixer, TV-Fernbedienungen, Kameras und Taschenlampen wären ohne die Alkali-Batterien, die sie mit Energie versorgen, völlig nutzlos. Für diejenigen unter uns mit Kindern kann das Fehlen von Batterien für Spielzeuge, Spielkonsolen und andere technische Spielereien schon mal eine Familienkrise hervorrufen. Batterien werden auch im Freien für Gartenausrüstung sowie in Büros und Schulen verwendet. Es fällt schwer, sich eine Welt ohne sie vorzustellen. Mithilfe eines neuen, innovativen Batteriedrahtes konnte der grundlegende mechanische Aufbau der Alkali-Batterie nun noch weiter vereinfacht werden, wodurch sie sicherer und umweltfreundlicher wird und noch dazu die Leistung verbessert. Aus diesem Grund setzen sich große Batteriehersteller dafür ein, dass dieser Draht in ihren Endprodukten zum Einsatz kommt. Der Betrieb der Alkali-Batterie basiert auf der Leitfähigkeit von Kupfer, wobei sogenannte Batterienägel als Anoden-Stromableiter fungieren. Ursprünglich bestand der Draht in Batterienägeln aus einer Kupfer-Zink-Legierung, die mit einem dünnen Überzug aus Zinn beschichtet war, um die Entstehung von Wasserstoffgas zu verringern. Das Zinn wurde mithilfe eines elektrogalvanischen Verfahrens aufgetragen. Während der Verwendung entsteht, als Teil des natürlichen Oxidationsprozesses, Wasserstoffgas, das sich unter bestimmten Umständen mit der Luft zu einem explosiven Gemisch vermischen kann. 

Der neue Batteriedraht verwendet eine modifizierte Kupferlegierung, die bereits Zinn enthält und dadurch das elektrogalvanische Verfahren überflüssig macht und den damit verbundenen Abfallstrom eliminiert. Der neue Draht erhöht die Sicherheit, indem er die Produktion des Wasserstoffgases halbiert. Außerdem ermöglicht er Kosteneinsparungen, begrenzt die Leckage und verlängert die Batterielebensdauer.

Wer auch immer den Ausspruch geprägt hat, dass man Bewährtes nicht ändern sollte, hat nicht verstanden, welche Vorteile Kupfer der wirtschaftlichen Entwicklung und dem menschlichen Dasein noch bieten kann, wenn es auf neue und innovative Art und Weise mit anderen Metallen, wie in diesem Fall mit Zink und Zinn, kombiniert wird.

Kupfer ermöglicht erschwingliche Solarenergie

Da die traditionellen Energieträger früher oder später erschöpft sein werden, wird derzeit nach der nachhaltigsten Alternative für die Energieversorgung gesucht. Die von der Sonne betriebene Photovoltaik-Technologie war sehr viel schneller ausgereift, als man ursprünglich angenommen hatte und hat mittlerweile die Erwartungen übertroffen. Solarmodule erfreuten sich schnell größerer Beliebtheit und wurden damit auch erschwinglicher.  Kupfer hat einen großen Teil dazu beigetragen.

Aufgrund der ihm innewohnenden Eigenschaften wie zum Beispiel die Leitfähigkeit, Verarbeitbarkeit, die Möglichkeit, es zu beschichten, und seine mechanischen Charakteristiken, war Kupfer stets die erste Wahl, wenn es darum ging, die Elektrizität aus der Solarzelle abzuleiten. In Silikonzellen kommt bevorzugt dickes, aber weiches Kupfer zum Einsatz, um die Brüchigkeit zu verringern, aber auch, weil weiches Kupfer einen schnelleren Durchsatz ermöglicht und eine geringe Streckgrenze aufweist.

Vor diesem Hintergrund haben die Hersteller ein neues kupferbasiertes Material entwickelt, mit dem die automatische Massenproduktion von Solarmodulen möglich ist. Das neue, auch PV-Verbindungsband genannte Material, besteht aus einer extrem reinen Art Kupfer, das in Form eines Runddrahtes flachgewalzt und anschließend mit Zinn beschichtet wird. Der wesentlichste Vorteil dieses Produkts liegt in seiner Festigkeit. PV-Bänder ermöglichen die Produktion dünnerer Wafer, verringern den elektrischen Widerstand, maximieren die abgegebene Leistung und führen zu einem deutlich stärker automatisierten Produktionsverfahren.

Diese Massenproduktion macht sie sehr viel erschwinglicher und erhöht die Marktdurchdringung dieser erneuerbaren Energietechnologie. Aber auch wenn dies einen größeren Anteil nachhaltiger Energieerzeugung, eine bessere CO2-Bilanz und geringere Treibhausgasemissionen bedeutet, wird dadurch leider nicht garantiert, dass die Sonne häufiger scheint.

Kupfer schützt Offshore-Anlagen

Da der Bedarf an einer alternativen Energieversorgung steigt, gewinnen Offshore-Anlagen wie zum Beispiel Windparks zunehmend an Bedeutung. Ähnlich wie bei den bereits bestehenden Öl- und Gasplattformen werden sie aufgrund ihres Standorts auf dem Meer jedoch starken Belastungen und einer äußerst korrosiven Umgebung ausgesetzt. Sie müssen Meerwasser und UV-Licht sowie den Gezeiten und der Bewegung der Wellen widerstehen. Der Schutz dieser Stahlstrukturen vor marinem Bewuchs hat die traditionellen Schutzmethoden schon immer vor eine Herausforderung gestellt, da ein Teil des Metalls nicht in ständigem Kontakt mit Meerwasser steht. Eine neue Art Schiffsanlegestelle, die von der Kupferindustrie speziell für Windparks entwickelt wurde, umgibt die anfälligen Bereich mit einem Schutzmantel und bietet so zuverlässigen Schutz gegen Feuchtigkeit, eine hohe Salzbelastung und marinen Bewuchs.

Die Schiffsanlegestelle ist vollständig mit einer Kupfer-Nickel-Legierung beschichtet, die sich als eine sehr kosteneffektive und langlebige Alternative zu herkömmlichen Beschichtungssystemen erwiesen hat. Sie ist seewasserbeständig und wird aufgrund ihrer hervorragenden Widerstandsfähigkeit gegenüber Bewuchs und Korrosion bereits für vielfältige marine Anwendungen verwendet. Außerdem absorbiert Kupfer-Nickel den durch die Andockmanöver der Wartungsschiffe verursachten Aufprall leichter. Diese Legierung lässt sich sehr leicht bearbeiten und weist hervorragende Schweißeigenschaften auf. Diese beiden Aspekte ermöglichen kürzere Installationszeiten und Wartungsarbeiten.
Sie ist kaum anfällig gegenüber Spannungsrisskorrosion, was zu einer langen Lebensdauer führt.

Kupfer erhöht die Energieeffizienz im Bereich der Klimatisierung

Klimaanlagen, die ursprünglich für öffentliche Bereiche und warme Regionen gedacht waren, erfreuen sich auch in unseren Büros, unseren Fahrzeugen und selbst in unseren Häusern einer immer größeren Beliebtheit. Infolgedessen ist auch die von diesen Anlagen verbrauchte Menge an Energie gestiegen. Als Reaktion darauf hat die HLK-Industrie damit begonnen, nach Lösungen zu suchen, die energieeffizienter sind, weniger Kühlmittel verbrauchen, einschließlich derer, die nicht schädlich für die Ozonschicht sind, und die insgesamt wirtschaftlicher sind.

Durch Innovationen im Aufbau von Kupferrohren konnten deutliche Leistungssteigerungen erreicht werden, die sich positiv auf die allgemeine Leistung von Klimaanlagen auswirken. Die neuen Rohre weisen einen kleineren Durchmesser auf und sind auf der Innenseite mit Mikrorillen versehen. Im Zusammenspiel verbessern diese Eigenschaften die Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und den Rohrwänden und damit auch die Energieeffizienz. Die Rohre benötigen weniger Material, ermöglichen die Verwendung geringerer Kältemittelfüllmengen und bieten eine verbesserte Designflexibilität. Die neue Rohrtechnologie ist weiterhin mit den in der HLK-Industrie verwendeten Produktionsverfahren und Ausrüstungen kompatibel, auch wenn von Kundenseite aus ästhetischen Gründen unter Umständen ein Redesign gewünscht werden könnte. Diese sogenannten MicroGroove-Rohre sind mit unterschiedlichen Legierungen erhältlich, um sicherzustellen, dass sie alle Marktbedürfnisse erfüllen können.

Mit Kupfer werden Klimaanlagen somit nicht nur cool, sondern auch groovy.

Kupfer macht Fahrzeuge sicher und komfortabel

Die Autos, die man heutzutage auf den Straßen sieht, unterscheiden sich stark von denen, die noch vor zehn Jahren gefahren wurden. Es ist außerdem recht wahrscheinlich, dass die Autos, die in weiteren zehn Jahren auf den Straßen unterwegs sind, heute nahezu undenkbar wären. Automobilhersteller sind stets darum bemüht, ihre Produkte kraftstoffsparender und umweltfreundlicher sowie komfortabler und attraktiver zu gestalten und neue Funktionen hinzuzufügen, die den Kunden faszinieren. Aber sie müssen all dies erreichen, ohne das Gewicht zusätzlich zu erhöhen.
In den Bereichen Automobilindustrie und Industrieausstattung wurden jahrzehntelang Messinglegierungen verwendet. Da die Betriebstemperaturen der Verbrennungsmotoren jedoch immer weiter gestiegen sind, mussten neue Legierungen die erforderliche Leistung erbringen.

Die Kupferindustrie hat eine innovative Messinglegierung entwickelt, die speziell darauf ausgelegt ist, die hohen Leistungsanforderungen bei Automobil- und Maschinenbauanwendungen zu erfüllen. Sie besteht aus 70 % Kupfer sowie kleineren Mengen Mangan, Aluminium, Silikon, Eisen und Zink.

Die neue Legierung ermöglicht es, leichtgewichtige Konstruktionen zu realisieren und Platz einzusparen und entspricht somit dem im Bereich der Motorentechnik vorherrschenden Trend hin zu kompakteren Motoren. Im Vergleich zu anderen zur Auswahl stehenden Materialien verfügt sie über eine deutlich bessere Hitzebeständigkeit und zeigt selbst bei bis zu 400 °C keine Anzeichen von Erweichung. Sie verfügt außerdem über eine hervorragende Verschleißfestigkeit und ist sowohl in der Produktion als auch bei der Endanwendung umweltfreundlicher, behält dabei aber dennoch die Vorteile anderer Messinglegierungen, wie die überlegene maschinelle Bearbeitbarkeit und Umformbarkeit, bei.

Kupfer macht Züge schnell und zuverlässig

Nun, da wir die Vorteile von Hochgeschwindigkeitszügen erlebt haben, die uns noch schneller und komfortabler an unseren Bestimmungsort bringen, als jemals zuvor, möchten wir sie nicht mehr missen. Dank der Kupferindustrie müssen wir uns deshalb keine Sorgen machen. Eine Fahrleitung der neuen Generation bietet eine überlegene Alternative zu der kostspieligen Kupfer-Silber-Fahrleitung, die normalerweise in den Oberleitungssystemen zum Einsatz kommt, und ist noch dazu umweltfreundlicher. Die neue Leitung, die aus > 99,9 % Kupfer besteht, enthält sehr geringe Anteile an Legierungen, welche die Verschleißfestigkeit um bis zu 50 % erhöhen, ohne dabei die Leitfähigkeit zu beeinträchtigen. Durch eine Anpassung der Legierungszusammensetzung ist es einem Hersteller möglich, die Leistungseigenschaften der Leitung auf spezifische Kundenanforderungen abzustimmen.

Ein wichtiger Faktor bei der Erhöhung der Höchstgeschwindigkeiten von Zügen ist es, den Stromabnehmer des Motors in kontinuierlichem Kontakt mit der Freileitung zu halten. Je mehr sich die Geschwindigkeit des Zuges erhöht, desto stärker fällt die Auf- und Abbewegung der Oberleitung aus. Dieses Phänomen wird auch als Wellenausbreitung bezeichnet. Die höhere Spannung der neuen Leitung reduziert diese Bewegungen und ermöglicht so eine Erhöhung der Höchstgeschwindigkeiten.

Im Vergleich zu den bestehenden, auf Kupfer-Silber basierenden Leitungen, ermöglicht die neue Leitung zudem Kosteneinsparungen von 40 % und einen um bis zu 50 % geringeren Verschleiß. Der geringere Verschleiß führt zu einer deutlich längeren Lebensdauer, macht weniger regelmäßige Wartungsarbeiten erforderlich und verbessert die Ressourceneffizienz, da weniger Ersatzleitungen benötigt werden. 

Kupfer schützt vor Schimmelpilzen in Gebäuden

Auch wenn Klimaanlagen dazu beitragen, das Leben der Menschen in heißen Sommern etwas angenehmer zu gestalten, stellen sie dennoch einen idealen Nährboden für Schimmelpilze und Bakterien dar. Schädliche Partikel in der Luft wie zum Beispiel Staub, Pollen, Schimmelsporen oder -pilze und Bakterien, werden häufig immer wieder durch das System geschleust, was sich möglicherweise schädlich auf die Gesundheit auswirken kann. Zumindest ist dies der Fall bei herkömmlichen Klimaanlagen, für die Aluminium verwendet wird. Kupfer verfügt über einzigartige antimikrobielle Eigenschaften und kann, wenn es in den Rohren einer Klimaanlage verwendet wird, das Wachstum dieser Organismen im Vergleich zu Aluminiumlamellen um bis zu 99,99 % bei Bakterien und 99,74 % bei Pilzen verringern. Außerdem stellt Kupfer die energieeffizienteste, umweltfreundlichste und am leichtesten anzuwendende Materiallösung dar und bietet eine überlegene Korrosionsbeständigkeit und Wiederverwertbarkeit.

Eine Kupferlösung mag mit höheren Anschaffungskosten verbunden sein, allerdings wird die Anfangsinvestition von den langfristigen direkten Kostenvorteilen, wie der geringeren Wartung, der längeren Produktlebensdauer und dem geringeren Energieverbrauch, mehr als ausgeglichen und ermöglicht zudem eine bessere CO2-Bilanz. Hinzu kommen noch die indirekten Vorteile, die sich aus dem gesünderen Lebensumfeld und den geringeren Kosten für die Gesundheitsversorgung derjenigen, die an einer Infektion erkranken, ergeben. 

Behalten Sie die Vorteile von Kupfer im Hinterkopf, wenn Sie an heißen Tagen und in wärmeren Regionen über das Thema Klimatisierung nachdenken.

Kupfer ermöglicht kleinere elektronische Geräte

Als Alexander Bell das Telefon erfand, war es sein Ziel, dass zwei Menschen miteinander sprechen konnten, ohne sich am gleichen Ort aufzuhalten. Was würde er wohl zu den heutigen Geräten sagen? Anrufe zu tätigen und zu empfangen macht nur noch einen sehr kleinen Teil dessen aus, wofür die heutigen (Mobil-)Telefone verwendet werden. Die Kunden verlangen einen großen Speicher, Kameras, Musik-Player, Sensoren und viele weitere Funktionen und das alles in einem sehr viel kleineren Paket. Der Trend hin zur Miniaturisierung erschwert das Mikrolöten von Golddraht oder zinnbasierten Flip-Chips extrem und infolgedessen hat man mit den traditionellen Drahtanschlussverbindungen zwischen den Chips und dem externen Schaltkreis die Grenze des Machbaren erreicht.

Die Industrie hat jedoch einen Weg gefunden, diese Grenze durch die Verwendung der Kupfersäulentechnologie zu überwinden. Dadurch wird das Problem des Mikrolötens behoben, da die Säulen durch das sogenannte „Bumping“ mit den Zinn-Silber-Lötkappen, welche die Verbindungen zwischen dem Chip und dem Substrat herstellen, direkt auf dem Wafer platziert werden. Diese Innovation ermöglicht, im Vergleich zum Mikrolöten, kleinere Entfernungen zwischen den Eingängen und Ausgängen und erhöht die Qualität und Zuverlässigkeit der Verbindungen. Für die Hersteller bedeutet dies Kosteneinsparungen, eine erhöhte Designflexibilität, Verarbeitbarkeit und Zuverlässigkeit sowie geringere Umweltauswirkungen. Die Kunden können sich hingegen an immer leistungsstärkeren Produkten erfreuen.

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