Plasmabildschirm

Ein 103 Zoll Plasmabildschirm von Panasonic

152 Zoll Plasmabildschirm von Panasonic (2010)

Ein Plasmabildschirm ist ein Farb-Flachbildschirm, der das verschiedenfarbige Licht mit Hilfe von Leuchtstoffen erzeugt, die durch das von Gasentladungen erzeugte Plasma angeregt werden.

Plasmabildschirme werden hauptsächlich als große (ab Bildschirmdiagonale 42") Fernseh-Anzeigegeräte eingesetzt. Hier konkurrieren sie mit Flüssigkristallbildschirmen („LCD“); Kathodenstrahlröhren wurden nie in solchen Größen gebaut.

Funktionsweise

Plasma (von griechisch „Gebilde“) ist ionisiertes Gas, das neben neutralen Teilchen auch freie Ionen, angeregte Atome und Elektronen enthält. Plasmen senden aufgrund spontaner Emission angeregter Atome sichtbares Licht und Ultraviolettstrahlung aus.

Beim Plasmabildschirm macht man sich die Emission von UV-Strahlen durch ein Niederdruckplasma zunutze. Die Funktionsweise ähnelt der einer Leuchtstofflampe. Leuchtstoffe werden dort durch Ultraviolettstrahlung des Quecksilberdampf-Plasmas zur Emission von sichtbarem Licht angeregt. Bei Plasmadisplays verwendet man dagegen Edelgase.

Aufbau des Farbbildschirms

schematische Darstellung des Aufbaus eines Plasmabildschirmes

Zwischen zwei Glasplatten befinden sich sehr viele kleine Kammern. Jeweils drei Kammern ergeben bei dem Farbbildschirm einen Bildpunkt, ein sogenanntes Pixel.

Jede der drei Kammern leuchtet in einer der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau. Die Farben entstehen durch additive Farbmischung, das heißt durch Mischung der drei Grundfarben (z. B. Gelb durch Mischung aus grünem und rotem Licht, was beim Plasmabildschirm durch das Leuchten der entsprechenden Kammern bewerkstelligt wird). Jede Kammer ist mit einem Edelgasgemisch aus Neon und Xenon gefüllt, wobei der Druck wesentlich niedriger ist als der normale Luftdruck, es ist also ein „Beinahe-Vakuum“. Manche Hersteller mischen zudem Helium bei. Der Anteil von Xenon beträgt ca. 3% bis 5 %.

Zur Erzeugung eines Bildes wird jede Kammer individuell mit einem zugehörigen Transistor „gezündet“, d. h. das Gas wird kurzzeitig ionisiert, es wird zum Plasma. Die Grundfarben in den Kammern werden durch verschiedene Leuchtstoffe (Phosphore) erzeugt, sobald die vom Plasma emittierte Ultraviolettstrahlung (Vakuum-Ultravioletter Bereich, 140 bis 190 nm) auf die Leuchtstoffe trifft. Das Ultraviolett selbst ist nicht sichtbar. Die Leuchtstoffe wandeln die VUV-Strahlung in sichtbares Licht mit der je nach Leuchtstoff unterschiedlichen Farbe um.

Jede Farbe wird von einem anderen Leuchtstoff erzeugt: BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺ (blau), Zn₂SiO₄:Mn²⁺ (grün) und (Y,Gd)BO₃:Eu³⁺ (rot; kann auch von Y(V,P)O₄:Eu³⁺ oder Y₂O₂S:Eu³⁺ erzeugt werden). Um nicht nur die diskreten Zustände „an“ (gezündet) und „aus“, sondern auch dazwischen liegende Helligkeitsstufen zu erzeugen, macht man folgendes: Man zündet die Kammern in kurzen Abständen (Intervallen) und variiert die Dauer einer Zündung, um die Helligkeit zu variieren. Je länger eine Kammer gezündet ist, umso heller leuchtet sie.

Das Gas zwischen den beiden Glasplatten ist stark verdünnt, dadurch sind niedrige Plasmatemperaturen möglich. Zur Zündung sind Spannungen von einigen hundert Volt erforderlich. Auf der unteren dielektrischen Schicht (Glasplatte, also eine Isolationsschicht) sitzt ein Reihen-/Adress-Elektrodenstreifen, der zusammen mit den oberen Zeilenelektroden die Ansteuerung jeder Kammer ermöglicht (jede Kammer sitzt am Kreuzungspunkt einer Adress- und einer oberen Elektrode). In der Kammer selbst befinden sich der Leuchtstoff (aufgetragen auf die dielektrische Schicht und die Barrieren) und das Gasgemisch bzw. das Plasma. Eine Schutzschicht hat die Aufgabe, die obere dielektrische Schicht und die dort befindlichen transparenten Elektroden zu schützen. Die beiden Elektroden können aufgrund der sie schützenden dielektrischen Schichten nur mit einem an ihnen anliegenden Impuls eine Gasentladung in der Kammer erzeugen - die Impulsparameter bestimmen die Helligkeit der jeweils abgestrahlten Farbe.

Plasmabildschirme werden mittels Sandwichbauweise gefertigt.

Die Adress-Elektroden sind vertikal und die Line-Elektroden horizontal angeordnet. Durch das so entstehende Gitter (auch Matrix genannt) kann man die einzelnen Kammern mit dem Multiplexverfahren steuern. Während man bei nur einer Elektrodenschicht jeweils nur eine Reihe ansteuern könnte, ist es mit einem Gitter (jeder Kreuzungspunkt entspricht einer Kammer) möglich, jede Kammer separat zu steuern.

Der blaue Leuchtstoff hat unter VUV-Bestrahlung eine geringere Stabilität.

Geschichte und Zukunft

Plasmabildschirm des PLATO V (1981)

Der erste funktionsfähige Plasmabildschirm wurde im Jahre 1964 von Donald L. Bitzer und H. Gene Slottow für das Großrechnersystem Plato IV der University of Illinois entwickelt. Plasmaschirme hatten gegenüber Röhrenbildschirmen den Vorteil, dass sie direkt digital angesteuert werden konnten; zudem waren sie recht langlebig und platzsparend. Für einige Jahre wurden Plasmadisplays daher im Großrechner-Sektor häufig eingesetzt. Monochrome Plasmabildschirme bzw. Displays, wie der abgebildete Plasmamonitor des PLATO V, verwenden im Gegensatz zu farbfähigen Plasmabildschirmen keine verschiedenfarbigen Leuchtstoffe. Es wird pro Pixel nur eine Kammer verwendet, welche mit dem Edelgas Neon gefüllt ist. Dadurch ergibt sich der orange-rote Farbton. Die Funktionsweise beruht auf der Glimmentladung und ist identisch wie bei einer Glimmlampe.

Der technische Fortschritt und verringerte Herstellungskosten verhalfen in den 1970er Jahren jedoch dem Röhrenmonitor als Computer-Anzeigeeinheit zum Durchbruch. Plasmabildschirme wurden seitdem nur noch für wenige Spezialzwecke eingesetzt.

Als zu Beginn der 1980er Jahre die ersten Laptops entwickelt wurden, griffen einige frühe Hersteller, darunter GRiD, Toshiba und Chicony, zur Ausstattung ihrer tragbaren Rechner auf die Plasmaschirm-Technik zurück, da sie sehr flache und kompakte Gehäuseformen bei angemessen großer Bilddiagonale ermöglichte und unter ergonomischen Gesichtspunkten (Blickwinkel, Kontrast) den ersten Flüssigkristallbildschirmen weit überlegen war. Der hohe Stromverbrauch der Plasmadisplays machte allerdings einen netzunabhängigen Betrieb weitgehend unmöglich; zudem blieb ihr Einsatz aus Kostengründen auf teure Geräte beschränkt. Da hochauflösende Farb-Plasmaschirme technisch nicht zu realisieren waren und bei der Entwicklung besserer LCDs große Fortschritte gelangen, verschwanden die Plasma-Laptops um 1990 vom Markt.

Etwa zur gleichen Zeit begannen mehrere Unterhaltungselektronik-Konzerne mit der Entwicklung von Farb-Plasmabildschirmen für Fernsehgeräte. Das erste Farb-Plasmadisplay mit einer Bilddiagonale von 21 Zoll wurde 1992 von Fujitsu vorgestellt; bis zur Entwicklung marktreifer Displays vergingen allerdings einige Jahre.

Das erste Fernsehgerät mit Plasmabildschirm brachte Pioneer 1997 auf den Markt. Zum kommerziellen Durchbruch für die Technik trugen die Olympischen Winterspiele von 1998 bei: Ein japanischer Fernsehsender benötigte damals große Flachbildschirme für das hauseigene HDTV-Angebot.

Nach Berichten von Funkamateuren senden Plasmabildschirme breitbandige elektromagnetische Strahlungen aus, die im näheren Umkreis den Empfang im Mittel- und Kurzwellen-Bereich stören.^[1] Sie selbst sind - anders als Röhrengeräte - unempfindlich gegenüber Magnetfeldern. Deshalb kann man auch Lautsprechersysteme mit nicht-abgeschirmten Magneten unmittelbar neben dem Bildschirm platzieren, ohne Bildstörungen zu verursachen.

Der Stromverbrauch eines Plasmabildschirms hängt – anders als bei LCD-Fernsehern – stark vom dargestellten Bild ab und verhält sich dynamisch: ein dunkles Motiv verbraucht wesentlich weniger Strom als ein helles. Bei mehreren Tests, bei denen ein Film von 120 min Länge abgespielt wurde, stellte man fest, dass ein Plasmabildschirm über die gesamte Spielfilmlänge nicht mehr Strom verbraucht als ein LCD-Bildschirm. Die von den Herstellern auf den Typenschildern genannten Angaben sind jedoch bei Plasmabildschirmen tendenziell höher, da dort der maximale Strombedarf angegeben werden muss.

Marktsituation

Heute spielen Plasmabildschirme gegenüber LCD-TVs am Markt eine geringe Rolle: von den 4,4 Millionen 2007 verkauften Flachbildschirmen waren 3,9 Millionen LCDs.^[2] Zudem werden Plasmabildschirme erst ab einer Größe von 37" (94 cm) angeboten. Anfang 2008 gab der TV-Hersteller Pioneer bekannt, künftig auch LCD-TVs anzubieten und seine Plasma-Panels nicht mehr selbst herzustellen^[3]; im September 2008 kündigte auch Hitachi dies an.^[4]

Die Elektronikmärkte nennen vor allem vier Eigenschaften von Flachbildschirmen: die Größe, den Preis, die maximale Auflösung (HD ready oder Full HD) und den Kontrast. Prinzipbedingte Vorteile der Plasma-Technologie sind der vertikal und horizontal nahezu unbegrenzt große Blickwinkel ohne Farb- und Kontrastbeeinträchtigungen und die extrem kurze Reaktionszeit der einzelnen Bildzellen, welche im Nanosekunden-Bereich liegt. Der höhere Kontrast galt lange Zeit als Hauptvorteil von Plasmabildschirmen, als diese einen Kontrast von 15.000:1 gegenüber maximal 1000:1 bei einem LCD erreichten. Heute erreichen Plasmabildschirme 500.000:1 und mehr.

Alternativen zu Plasmabildschirmen

Mögliche Alternativen zum Plasmabildschirm hängen stark vom Verwendungszweck ab.

Bei Großbildschirmen ist eine Alternative die Projektion (Laser oder Normallicht), wobei man mit geringerem Kontrast rechnen muss. Teilweise werden auch LED-Bildschirme eingesetzt, bei denen jeder Bildpunkt eine eigenständige LED ist. Der große Vorteil von LED-Displays ist, dass sich deren Größe ohne großen technischen Aufwand praktisch beliebig vergrößern lässt, beispielsweise kann man Videowände nur entweder als LED-Bildschirme oder als mehrere zusammengeschaltete herkömmliche Bildschirme realisieren.

Als „normaler“ Fernseher sind vor allem Flüssigkristallbildschirme („LCD-TV“) eine gängige Alternative. Herkömmliche CRT-Bildschirme (engl.: Cathode Ray Tube) können hingegen nicht in derart großen Formaten hergestellt werden, da die zum Erreichen der mechanischen Stabilität erforderliche Bildschirmmasse (Glasdicke) stark zunimmt. Bei gegebener Bautiefe werden auch Konvergenzfehler (Farbverschiebungen) und Linearitätsfehler (Verzerrungen) zunehmend schwerer zu beherrschen.

Bei PALC (plasma-adressed liquid crystal) werden Plasmaschalter statt wie beim TFT-Bildschirm Transistoren zur Ansteuerung eines LCD verwendet, es ist daher kein Plasmabildschirm im eigentlichen Sinne.

Literatur

• L. S. Polak,: Plasma chemistry. Cambridge International Science Publications, 1998, ISBN 1-898326-22-3.
• Joachim Glück: Mit a-Si:H-Dünnschichttransistoren angesteuerte flache Flüssigkristall-Bildschirme für Direktsicht und Projektion.Dissertation, Universität Stuttgart, Stuttgart 1995.
• Michael Kaufmann : Plasmaphysik und Fusionsforschung. Teubner, Stuttgart/Leipzig/Wiesbaden, 2003, ISBN 3-519-00349-X.
• David Macaulay, Neil Ardley: Macaulay’s Mammut-Buch der Technik. Tessloff Verlag, Nürnberg 1988.

Weblinks

 Commons: Plasmabildschirm – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Interaktives Plasma-Bildschirm-Pixel (Flash-Anwendung)

Einzelnachweise

1. ↑ Paul D. Sergi: Plasma TV -- Mother of All RFI Producers. eHam.net, 27. November 2002, Abgerufen am 12. September 2009 (Nachrichtenmeldung).
2. ↑ Volker Briegleb: Unterhaltungselektronik-Branche weiter auf Wachstumskurs. In: Heise-Online. 21. Februar 2008, Abgerufen am 12. September 2009 (Nachrichtenmeldung).
3. ↑ Nico Jurran, Jan-Keno Janssen: Bericht: Pioneer stellt keine Plasmadisplays mehr her. In: Heise-Online. 7. März 2008, Abgerufen am 12. September 2009 (Nachrichtenmeldung).
4. ↑ Ulrike Kuhlmann: Hitachi gibt Plasmapanel-Fertigung auf. In: Heise-Online. 18. September 2008 , Abgerufen am 12. September 2009 (Nachrichtenmeldung).