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Plasmabildschirm
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Ein Plasmabildschirm ist ein Farb-Flachbildschirm, der das verschiedenfarbige Licht mit Hilfe von Leuchtstoffen erzeugt, die durch von Gasentladungen erzeugtes Plasma angeregt werden.
Plasmabildschirme bieten ein helleres, kontrastreicheres Bild und ein größeres Farbspektrum als TFT-Bildschirme, außerdem können sie in Größen von bis zu 304 cm (ca. 120 Zoll) in der Diagonale hergestellt werden.
Verwendung findet der Plasmabildschirm hauptsächlich als Fernseh-Anzeigegerät. Das Plasma-Anzeigeverfahren konkurriert mit der Kathodenstrahlröhre, dem Flüssigkristallbildschirm, dem OLED-Bildschirm sowie zukünftig mit dem SED (Surface-Conduction Electron-Emitter Display, etwa Oberflächenleitendes Elektronen-Emitter Display), dem ZEUS-Display oder dem FED (Feldemissionsbildschirm).
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Funktionsweise
Plasma (von griechisch „Gebilde“) ist ionisiertes Gas, das neben neutralen Teilchen auch freie Ionen, angeregte Atome und Elektronen enthält. Plasmen senden aufgrund von spontaner Emission angeregter Atome Licht und Ultraviolettstrahlung aus.
Beim Plasmabildschirm macht man sich die Emission von UV-Strahlen durch ein Niederdruckplasma zu Nutze. Die Funktionsweise ähnelt der einer Leuchtstoffröhre. Leuchtstoffe werden hier durch Ultraviolettstrahlung des Quecksilberdampf-Plasmas zur Emission von sichtbarem Licht angeregt. Bei Plasmadisplays verwendet man dagegen Edelgase.
Aufbau des Bildschirms
Der Aufbau von Plasmabildschirmen ist relativ einfach. Zwischen zwei Glasplatten befinden sich sehr viele kleine Kammern. Jeweils drei Kammern ergeben einen Bildpunkt, ein so genanntes Pixel.
Jede der drei Kammern leuchtet in einer der drei Grundfarben rot, grün und blau. Die Farben werden durch additive Farbmischung erzeugt, das heißt durch Mischung der drei Grundfarben (z.B. gelb durch Mischung aus rotem und grünem Licht, was beim Plasmabildschirm durch das Leuchten der roten und grünen Kammer bewerkstelligt wird). Jede Kammer ist mit einem Edelgas-Gemisch aus Neon und Xenon gefüllt (manche Hersteller verändern dieses Gemisch, indem sie Helium beimengen). Der Anteil von Xenon beträgt ca. 3 % – 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 auf die Leuchtstoffe die vom Plasma emittierte Ultraviolettstrahlung (Vakuum-Ultravioletter Bereich, 140 bis 190 nm) 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, bedient man sich eines Tricks: 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 Adress-Elektrodenstreifen, der zusammen mit den oberen Elektroden die Ansteuerung jeder Kammer ermöglicht (jede Kammer sitzt am Kreuzungspunkt einer Adress- und einer oberen Elektrode). In der Kammer selbst befindet 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 durch die dielektrische Schicht hindurch das elektrische Feld in der Kammer beeinflussen und steuern somit die Helligkeit bzw. die abgestrahlte Farbe.
Plasmabildschirme werden im Sandwich-Verfahren gefertigt.
Die Adresselektroden sind horizontal und die oberen Elektroden vertikal angeordnet. Durch das so entstehende Gitter ist eine Steuerung der einzelnen Kammern mit dem Multiplexverfahren möglich. 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.
Vorteile
Der größte Vorteil des Plasmabildschirms ist seine große Bildfläche bei geringer Tiefe. Weitere Vorteile sind die Unempfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern, der hohe Kontrast (derzeit ca. 10000 : 1) und die Helligkeit (ca. 1300cd/m2) - dadurch lässt sich ein Plasmabildschirm auch in sehr heller Umgebung verwenden. Gegenüber LCDs ist der Betrachtungswinkel größer. Weiter können Plasma-Geräte gegenüber LCDs Tiefschwarz anzeigen.
Nachteile
Plasmabildschirme haben eine eingeschränkte Lebensdauer, da nach und nach die Farben nicht mehr korrekt wiedergegeben werden können. Allerdings entspricht die heute übliche Lebensdauer von 60.000 Stunden bei einem täglichen Fernsehkonsum von 8 Stunden Dauer einer Nutzungsdauer von 20 Jahren.
Ein Plasmabildschirm gilt als defekt, wenn sein Kontrastwert auf weniger als 50 % gesunken ist - er ist dann immer noch kontrastreicher als ein aktuelles LCD.
Der blaue Leuchtstoff hat eine geringere Stabilität unter VUV-Bestrahlung. Die grüne Farbwiedergabe leidet hingegen unter der vom Plasma ebenfalls erzeugten Strahlung im orangeroten Spektralbereich. Um eine ausreichende Farbsättigung zu erreichen, muss der Leuchtstoff deutlich höher im Farbdiagramm liegen, als z.B. der bei Röhrenbildschirmen (CRTs) eingesetzte Leuchtstoff. Dies erkauft man sich allerdings mit einer längeren Abklingzeit. Manche Hersteller begegnen diesem Problem auch damit, dass sich ein Bildpunkt aus vier Kammern (zweimal grün, einmal rot und einmal blau) zusammensetzt.
Auch der hohe Stromverbrauch (300 - 580 W) ist ein Nachteil, wobei die tatsächliche Leistung von der momentanen Helligkeit des dargestellten Bildes abhängt. Außerdem hat der Plasmabildschirm eine hohe Wärmeabgabe, weshalb ein Lüfter benötigt wird.
Der Preissprung für einen hochauflösenden Bildschirm (z.B. 50 Zoll), von 1366x768 auf 1920x1080 Pixel, ist noch beachtlich(Stand 2007). Dieses ist vor allem darauf zurückzuführen, dass die Herstellung eines Full-HD-Screen technisch wesentlich aufwendiger ist.
Da die Kammern zum Erreichen unterschiedlicher Helligkeiten in Intervallen gezündet werden, sieht der Betrachter außerdem Schattenumrisse in bewegten Bildern (False Contour).
Die Herstellerangaben zu Kontrastverhältnis und Reaktionszeiten der jeweiligen Bildschirme sind schlecht vergleichbar, da keine einheitlichen Messverfahren angewendet werden.
Ein großer Nachteil ist die sogenannte Einbrenngefahr: Da die meisten TV-Produktionen noch im 4:3 Format gesendet werden, Plasmaschirme jedoch bereits ein Seitenverhältnis von 16:9 haben, bleiben auf dem Bildschirm links und rechts zwei vertikale Balken dunkel. Dort altert der Bildschirm daher weniger. Das führt schon nach relativ kurzer Zeit dazu, dass breitformatige, den ganzen Schirm ausfüllende Kinofilme links und rechts im Bereich der Balken heller sind. Gleichartige Probleme ergeben sich durch horizontale Balken oben und unten beim vorrangigen Betrachten von Kino-Breitwandfilmen.
Manche Hersteller schaffen Abhilfe, indem sie das Bild elektronisch jeweils bis zum Rand dehnen; so erscheint zwar alles verzerrt, aber die Abnutzung des Plasmaschirms verläuft gleichmäßig. Einige Geräte erzeugen für ein gleichmäßiges Altern des Plasmaschirms außen graue Streifen. Einbrände zeigen sich auch nach Dauerbetrieb mit kontrastreichen Standbildern, vor allem bei neuen Bildschirmen. Meistens ist dann auch ein Nachleuchten (After-image) zu beobachten. Einige Hersteller verwenden zur Minimierung dieses Einbrenneffektes ein Verfahren, in dem das Bild in regelmäßigen Abständen um einige Pixel verschoben wird (Pixel-shift).
Plasmadisplays dürfen nicht liegend transportiert werden, da sich mechanische Schwingungen der elektronischen Baugruppen im Inneren des Gerätes auf das Panel übertragen und dadurch Plasmakammern reißen und funktionsuntüchtig werden können.
Alternativen zu Plasmabildschirmen
Bevor man eine Alternative für ein Plasmadisplay vorschlagen kann, muss man den Verwendungszweck kennen. Bei Großbildschirmen z. B. ist es nur schwer möglich, den Plasmabildschirm durch einen anderen Bildschirm zu ersetzen. Hier böte sich lediglich die Projektion (Laser oder Normallicht) an, wobei man mit geringerem Kontrast rechnen muss.
Es wird wohl noch eine Weile dauern, bis Plasmadisplays eine Alternative zu anderen Technologien darstellen. Plasmabildschirme sind vergleichsweise sehr teuer und werden gegenwärtig nur in sehr geringen Stückzahlen verkauft.
Momentan sind die LCD-Bildschirme (engl. Liquid Crystal Display - Flüssigkristallbildschirme) oder die herkömmlichen CRT-Bildschirme (engl. Cathode Ray Tube - Kathodenstrahlröhre) führend.
CRT-Bildschirme können jedoch nicht für große Formate hergestellt werden, da nicht nur Konvergenzfehler (Farbverschiebungen) und Linearitätsfehler (Verzerrungen) zunehmend schwerer zu beherrschen sind, sondern die zum Erreichen der mechanischen Stabilität erforderliche Bildschirmmasse (Glasdicke) stark zunimmt.
Bei sehr großen Bildformaten werden auch LED-Bildschirme eingesetzt.
Bei PALC (plasma-adressed liqid crystal) werden Plasmaschalter statt wie beim TFT-Bildschirm Transistoren zur Ansteuerung eines LCD verwendet, es ist daher kein Plasmabildschirm im eigentlichen Sinne.
Geschichte und Zukunft
Die Plasmaschirm-Technologie kann auf eine noch recht junge Geschichte zurückblicken.
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. Gegenüber Röhrenbildschirmen wiesen Plasmaschirme den Vorteil auf, dass sie direkt digital angesteuert werden konnten; zudem waren sie recht langlebig und platzsparend. Für einige Jahre wurden Plasmadisplays daher auf dem Großrechner-Sektor relativ häufig eingesetzt.
Der technische Fortschritt und verringerte Herstellungskosten verhalfen in den 1970er Jahren jedoch dem Röhrenmonitor als Computer-Anzeigeeinheit zum Durchbruch. Der Einsatz von Plasmabildschirmen beschränkte sich in der Folgezeit auf wenige Spezialzwecke.
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-Technologie zurück, da sie sehr flache und kompakte Gehäuseformen bei angemessen großer Bilddiagonale ermöglichte und unter ergonomischen Gesichtspunkten (Blickwinkel, Kontrast) den ersten LCD-Bildschirmen weit überlegen war. Der hohe Stromverbrauch der Plasmadisplays machte allerdings einen netzunabhängigen Betrieb weitgehend unmöglich; zudem blieb ihr Einsatz aus Kostengründen auf Geräte der höchsten Preiskategorie 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 wieder vom Markt.
Etwa zur gleichen Zeit begannen mehrere Unterhaltungselektronik-Konzerne mit der Entwicklung von Farb-Plasmabildschirmen zum Einsatz in Fernsehgeräten. Das erste Farb-Plasmadisplay mit einer Bilddiagonale von 21 Zoll wurde 1992 von Fujitsu vorgestellt; bis zur Entwicklung marktreifer Displays vergingen allerdings noch mehrere Jahre.
Das erste Fernsehgerät mit Plasmabildschirm brachte Pioneer im Jahre 1997 auf den Markt. Zum kommerziellen Durchbruch für die Technologie trugen die Olympischen Winterspiele von 1998 bei: ein japanischer TV-Sender benötigte damals große Flachbildschirme für das hauseigene HDTV-Angebot.
Einige Jahre lang galten Plasmaschirm-Systeme aufgrund der leuchtkräftigen, kontrastreichen Anzeige und der Möglichkeit großer Bilddiagonalen als leistungsfähigste Flachbild-Fernseher, obwohl sie infolge hoher Gerätepreise, beträchtlichen Stromverbrauchs und begrenzter Lebensdauer stets nur für eine begrenzte Käuferschicht interessant waren. In jüngster Zeit wächst die Konkurrenz durch alternative Bildschirm-Technologien. Trotzdem wird angenommen, dass Plasmaforschung und aus ihr resultierende Produkte einen Zukunftsmarkt darstellen. So ging das Bundesministerium für Bildung und Forschung von einem Marktvolumen von 50 Mrd. Euro im Jahr 2005 aus.
Literatur
- Polak, L. S.: Plasma chemistry, Cambridge International Science Publications, 1998, ISBN 1-89832-622-3
- Glück, Joachim: Mit a-Si:H-Dünnschichttransistoren angesteuerte flache Flüssigkristall-Bildschirme für Direktsicht und Projektion, 1995, Stuttgart, Univ., Diss.
- Kaufmann, Michael: Plasmaphysik und Fusionsforschung, Stuttgart, Leipzig, Wiesbaden, Teubner 2003, ISBN 3-519-00349-X
- Macaulay, David & Ardley, Neil: Macaulay's Mammut-Buch der Technik, 1988, Tessloff Verlag, Nürnberg,
Weblinks
- Datenbank aller am Markt erhältlichen Plasma-Fernseher
- "Alles über Plasma TV - Technik, unabhängige Kaufberatung, Fachwortlexikon, Diskussionsforum"
- "Plasmadisplays – Das Fernsehen der Zukunft hat begonnen"
- "Kaufberatung für Plasmafernseher: Technologie, Kaufstrategie, Fachbegriffe"
- "Was ist Plasma-Technologie?"
- "Schäden Vermeiden beim Betrieb eines Plasma-Bildschirmes"
- Röhrenfernseher versus Flachbildschirme
- "Vorteile / Nachteile von Plasma, LCD und Bildröhre"
- "Leuchtstoffe für aktive Displays" (PDF-Datei, 423 KB)
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