Plasmabildschirm

Ein Plasmabildschirm ist ein Bildschirm, der Licht mithilfe von Phosphoren erzeugt, die durch Plasma-Entladungen angeregt werden. Plasmabildschirme bieten ein helles Bild und ein großes Farbspektrum, außerdem können sie in Größen von bis zu 150 cm (ca. 60 Zoll) in der Diagonale hergestellt werden.

Verwendung findet der Plasmabildschirm hauptsächlich als Fernseh-Anzeigegerät, hier konkurriert er mit der Kathodenstrahlröhre, dem Flüssigkristallbildschirm sowie dem OLED-Bildschirm.

Funktionsweise

Plasma (von griechisch "Gebilde") ist die Bezeichnung des vierten Aggregatzustandes. Dabei handelt es sich um ein ionisiertes Gas, das neben neutralen Teilchen auch freie Ionen und Elektronen enthält. Ein typisches Plasma wird als "quasi-neutral" bezeichnet, d. h. es hat im Mittel gleich viele positive wie negative Teilchen. Merkliche Abweichungen treten nur selten auf. Man nennt ein Plasma vollständig ionisiert, wenn es praktisch keine neutralen Teilchen mehr enthält. Jedes Plasma ist diamagnetisch, d. h. es passt sich dem umgebenden Magnetfeld an (polt sich grundsätzlich entgegengesetzt).

Beim Plasmabildschirm macht man sich die Lichterzeugung und Emission von UV-Strahlen zu Nutze. Die Funktionsweise ähnelt der der Leuchtstoffröhre: Zwei erwärmte Kathoden geben Elektronen ab, die dann auf Quecksilberdampf treffen. Dieser wird dadurch zur Emission von ultraviolettem Licht angeregt. Dieses Licht bringt nun eine Phosphorschicht (gr. „phōs-phóros“ – „lichttragend“ (zu gr. „phōs“ – „Licht“ und gr. „phérein“ – „tragen“)) zum Leuchten.

Aufbau des Bildschirms

Der Aufbau von Plasmabildschirmen ist relativ einfach. Zwischen zwei Glasplatten befinden sich sehr viele kleine Kammern. Immer drei Kammern ergeben einen Bildpunkt, ein so genanntes Pixel.

Jede der drei Kammern leuchtet in einer der drei RGB-Farben (rot, grün und blau). Die Farben werden im additiven Verfahren erzeugt, das heißt durch Mischung aus den drei Farben (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 Edelgasgemisch aus Neon und Xenon (manche Hersteller verändern dieses Gemisch, indem sie Helium beimengen) gefüllt. Der Anteil von Xenon beträgt ca. 3 % – 5 %.

Um nun ein Bild zu erzeugen, wird jede Kammer individuell mit dem zugehörigen Transistor "gezündet", d. h. der Aggregatzustand wird kurzzeitig geändert. Die Grundfarben in den Kammern werden durch verschiedene Leuchtstoffe (Phosphore) erzeugt, sobald die Phosphore mit der Strahlung aus dem VUV-Bereich (Vakuum-Ultravioletter Bereich, 140 bis 190 nm), die vom Plasma emittiert wird, in Kontakt kommt. Der VUV-Bereich liegt außerhalb des für den Menschen sichtbaren Spektralbereichs. Die Leuchtstoffe wandeln die VUV-Strahlung in sichtbares Licht mit der je nach angeregtem 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). Da man aber nicht nur die diskreten Zustände "an" (gezündet) und "aus" erreichen will, sondern auch die dazwischen liegenden Helligkeitsstufen, bedient man sich eines Tricks: wenn man die Kammern in kurzen Abständen (Intervallen) zündet (die Dauer einer Zündung hängt von der gewünschten Helligkeit ab), erscheint die Farbe für das Auge dunkler. Umso länger also eine Kammer gezündet ist, umso heller erscheint die Farbe.

Zwischen den beiden Glasplatten herrscht ein Vakuum. Dadurch sind niedrigere Temperaturen für die Erzeugung des Plasmas möglich und folglich muss man auch nur eine kleinere Spannung anlegen (mehrere hundert Volt). Auf der unteren dielektrischen Schicht (ein Nichtleiter, also eine Isolationsschicht) sitzt eine Adresselektrode, die die präzise Ansteuerung der Kammer ermöglicht (jede Kammer besitzt eine Adresselektrode). In der Kammer selbst befindet sich der Leuchtstoff (aufgetragen auf die dielektrische Schicht und die Barrieren) und das Gasgemisch bzw. das Plasma. Die Schutzschicht hat die Aufgabe, die obere dielektrische Schicht und die dort befindlichen Elektroden zu schützen. Die beiden Elektroden können die dielektrische Schicht beeinflussen und somit die Helligkeit bzw. die abgestrahlte Farbe verändern. Sie sind wichtig bei der präzisen Steuerung der Intervalle.

Plasmabildschirme werden im Sandwich-Verfahren gefertigt.

Die Adresselektroden sind horizontal und die oberen Elektroden vertikal angeordnet. Durch das so entstehende Gitter ist eine präzisere Steuerung der einzelnen Kammern 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 machbare Größe im Vergleich zur geringen Tiefe. Weitere Vorteile sind die Unempfindlichkeit gegen Störstrahlung und die Helligkeit (dadurch lässt sich ein Plasmabildschirm auch in sehr hellen Umgebungen problemlos einsetzen). Außerdem sind sie flimmerfrei, da das Bild nicht zeilenweise aufgebaut, sondern kontinuierlich verändert wird.

Nachteile

Plasmabildschirme haben eine eingeschränkte Lebensdauer, da nach und nach die Farben nicht mehr korrekt dargestellt werden können. Das blaue Leuchtmittel hat eine geringere Stabilität unter VUV-Bestrahlung. Der grüne Phosphor leidet hingegen unter der ebenfalls erzeugten Strahlung aus dem orangeroten Spektralbereich. Um eine ausreichende Farbsättigung zu erreichen, muss der Leuchtstoff deutlich höher im Farbdiagramm liegen als 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 extrem hohe Stromverbrauch (300 - 500 W) ist nicht gerade positiv zu bewerten. Des weiteren kann man aus Plasmadisplays keine kleinen, hochauflösenden Bildschirme herstellen. Selbst bei den großen Bildschirmen lässt die Auflösung zu wünschen übrig. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass man je Bildpunkt mindestens drei Kammern benötigt.

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 einer geringeren Helligkeit zu kämpfen hat. Bei Bildschirmen am PC wird es wohl noch eine Weile dauern, bis Plasmadisplays eine Alternative darstellen. Momentan sollte man ihnen auf jeden Fall die LCD-Bildschirme (engl. Liquid Crystal Display - Flüssigkristallbildschirme) oder die schon etwas betagten CRT-Bildschirme (engl. Cathode Ray Tube - Kathodenstrahlröhre) vorziehen. Der CRT-Bildschirm eignet sich nicht als Großbildleinwand, da er in den Ecken Konvergenzfehler (Verzerrungen) aufweist, die mit der Größe des Bildschirms zunehmen. Es gibt auch noch einige exotischere Bildschirmvarianten, die hauptsächlich in Spezialanwendungen eingesetzt werden.

Geschichte und Zukunft

Die Technologie der Plasmabildschirmforschung kann auf eine noch recht junge Geschichte zurückblicken. Erst die Winterspiele von Nagano 1998 brachten den Durchbruch für die Plasmabildschirme (ein japanischer TV-Sender wollte große Bildschirme für das hauseigene HDTV-Angebot).

Auch sind die Forscher sich einig, dass Plasmaforschung (und daraus resultierende Produkte) einen Zukunftsmarkt darstellen. So geht das Bundesministerium für Forschung und Bildung 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