Plasmabildschirm

Fragestellungen

Plasma – Was ist das? (in diesem speziellen Fall)

Plasma_(Physik) (von gr. „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 (im Gegensatz zur Ionisierung, dort wird meistens eine positive bzw. negative Ladung herbeigeführt). Merkliche Abweichungen treten nur selten auf. Man nennt ein Plasma vollständig ionisiert, wenn es praktisch keine neutralen Teilchen mehr enthält. Jedes Plasma ist dimagnetisch, d.h. es passt sich dem es umgebenden Magnetfeld an (polt sich grundsätzlich entgegengesetzt). Auf diese Weise schirmt der äußere Bereich den inneren ab. Plasma besitzt eine hohe elektrische Leitfähigkeit und emittiert Licht außerhalb des menschlichen Wahrnehmungsfeldes (hauptsächlich ultraviolettes Licht). Im Gegensatz zum Gaszustand gibt es Kräfte, die zwischen bzw. auf die Ladungsträger wirken (dies ermöglicht kollektive Erscheinungen wie Schwingungen und Wellen, die im neutralen Gas nicht vorhanden sind). Es gibt „heiße“ Plasmen, die vollständig ionisiert sind und deren Temperatur mehrere 100eV (= Elektronenvolt) beträgt (1 eV entspricht einer Temperatur von ca. 11600 Grad). Dieses Plasma existiert z.B. im Inneren von Sternen, da dort der entsprechende Druck vorherrscht, der solche Temperaturen erzeugen kann. „Kaltes“ Plasma ist nur schwach ionisiert. Die meisten der Teilchen sind also Atome od. Moleküle. Es hat eine Temperatur von wenigen eV und eine Elektronendichte, die deutlich geringer ist als die von Neutralteilchen. Dieses Niedrigtemperaturplasma wird durch das Anlegen von Steuerungsströmen erzeugt.

Wozu braucht man Plasma überhaupt?

Die Eigenschaften von Plasma werden in Antrieben von Raketen, zum Schweißen und Trennen hochschmelzender Metalllegierungen u.a. genutzt. Außerdem ist extrem heißes und beständiges Plasma die Voraussetzung für die Kernfusion, da der Prozess sonst nicht lange genug selbstständig läuft. Niedrigtemperaturplasma findet Einsatz in der Technik. U.a. bei der Umwandlung von toxischen Stoffen in ungefährliche Verbindungen, der Lichterzeugung und der Konditionierung von Materialien (z.B. Härtung von Metallen oder Korrosionsschutz). Beim Plasmabildschirm macht man sich die Lichterzeugung und Emission von UV-Strahlen zu Nutze. Die Funktionsweise ähnelt der der Leuchtstoffröhre: der Quecksilberdampf wird (zwei erwärmte Kathoden geben Elektronen ab, die dann auf Quecksilberdampf treffen) zur Emission von ultraviolettem Licht angeregt, welches eine Phosphorschicht (gr. „phōs-phóros“ – „lichttragend“ (zu gr. „phōs“ – „Licht“ und gr. „phérein“ – „tragen“)) zum Leuchten bringt. Man sollte die Lichtemission nicht mit der Erzeugung von Röntgenstrahlen verwechseln, diese entstehen bei Beschuss einer Wolframscheibe mit Elektronen. Durch die Ablenkung beim Aufprall wird u.a. Energie in Form von Röntgenstrahlen frei.

Plasmabildschirme und wie sie funktionieren

Der Aufbau von Plasmabildschirmen ist relativ einfach. Zwischen zwei Glasplatten (front panel und rear panel) befinden sich sehr viele kleine Kammern. Immer drei Kammern ergeben einen Bildpunkt. (Bei einer Auflösung von 853 x 480 Bildpunkte (gute PAL-Auflösung) sind 1 228 320 Kammern notwendig.) Jede der drei Kammern leuchtet in einer der drei RGB – Farben (rot, grün und blau). Die Farben werden also (wie bei anderen Bildschirmen auch) im additiven Verfahren erzeugt, d.h. durch Mischung aus den drei (gelb entsteht z.B., indem man rotes und grünes Licht mischt. Beim Plasmabildschirm wird dies durch das Leuchten der roten und grünen Kammer bewerkstelligt). Jede Kammer ist mit einem Edelgasgemisch aus Neon und Xenon (manche Hersteller verändern dieses Gemisch, indem sie Helium beimengen) gefüllt. Der Anteil von Xe beträgt ca. 3% - 5%. Um nun ein Bild zu erzeugen, wird jede Kammer individuell mit dem zugehörigen Transistor „gezündet“, d.h. der Aggregatzustand kurzzeitig geändert. Die Grundfarben in den Kammern werden durch verschiedene Leuchtstoffe (auch „Phosphore“ genannt) 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 nicht sichtbare VUV – Strahlung in sichtbares Licht mit der je nach angeregtem Leuchtstoff unterschiedlichen Farbe um. Jede Farbe wird von einem anderen Leuchtstoff erzeugt: BaMgAl10O17:Eu (blau), Zn2SiO4:Mn (grün) und (Y,Gd)BO3:Eu (rot; rot kann theoretisch auch von Y(V,P)O4:Eu erzeugt werden). Da aber nicht nur die Farben benötigt werden, die man im Zustand „an“ (gezündet) und „aus“ erhält, sondern auch die dazwischen liegenden Farben, die sich durch Helligkeit unterscheiden, 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.

In Abb. 2 wird eine Kammer gezeigt, die blaues Licht emittiert. Zwischen den beiden Glasplatten herrscht ein Vakuum (ähnlich dem Vakuum der Leuchtstoffröhre). 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 (MgO) 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.

Demnach ist ein Bildpunkt, wie in Abb. 3 gezeigt, aufgebaut. Plasmabildschirme werden im sog. Sandwich – Verfahren gefertigt, wie in Abb. 4 zu sehen.

In Abb. 4 kann man auch erkennen, das die Adresselektroden horizontal und die oberen Elektroden vertikal angeordnet sind. Durch das so entstehende Gitter ist eine präzisere Steuerung der einzelnen Kammern möglich. Während bei nur einer „Elektrodenschicht“ man jeweils nur eine Reihe ansteuern könnte ist es mit einem Gitter (jeder Kreuzungspunkt entspricht einer Kammer) möglich, jede Kammer separat zu steuern.

Aber nicht alles ist positiv an Plasmabildschirmen. So haben sie eine sehr eingeschränkte Lebensdauer, da nach und nach die Farben nicht mehr korrekt dargestellt werden können. Das blaue Leuchtmittel hat eine geringere Stabilität als seine roten und grünen Kollegen unter VUV – Bestrahlung, da der blaue Aktivator Eu2+ zu Eu3+ oxidiert wird. Das hat zur Folge, dass Weiß zunehmend als Gelb erscheint. Der grüne Phosphor leidet hingegen unter der ebenfalls erzeugten Strahlung aus dem orangeroten Spektralbereich. Um eine ausreichende Farbsättigung zu erreichen (wie von den CRT – Bildschirmen bekannt), 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 ist nicht gerade positiv zu bewerten. Des weiteren kann man aus Plasmapanels 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.

Als vorteilhaft kann man die machbare Größe, die Unempfindlichkeit gegen Störstrahlung und seine Helligkeit (dadurch lässt sich ein Plasmabildschirm auch in sehr hellen Umgebungen problemlos einsetzen) sowie die Flimmerfreiheit anführen. (Kein zeilenweiser Bildaufbau! (In einer CRT (= Cathode Ray Tube/ Kathodenstrahlröhre) sorgt ein Elektronenstrahl für die Bilderzeugung. Er wird durch Magnete gebündelt und abgelenkt. Die Ablenkung ist notwendig, damit ein Strahl das ganze Bild aufbauen kann. Das Bild entsteht so, wie man eine Seite Papier beschreibt, nur viel schneller.) Jedes Bild wird ad-hoc erzeugt. Auch ein Dauereinsatz, Staub oder Vibrationen schaden Plasmabildschirmen nicht. Man kann sie als „wartungsfrei“ bezeichnen, da sie keine Lampen oder ähnliches enthalten.

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“, mit 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.

Abschlussbemerkung

Die Technologie der Plasmaforschung 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). Trotzdem sind schon viele positive Anwendungen zu verzeichnen. 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. Zum Schluss möchte ich auch noch einen kleinen Überblick über verschiedene (praktisch eingesetzte) Plasmen geben:

Anhand von Abb. 5 kann man erkennen, dass es eine Vielzahl von Plasmen gibt, die uns häufig (unbemerkt) umgeben (z.B. Gewitterblitze) oder deren Auswirkungen wir spüren können (z.B. Sonnenwinde). Manchmal sind wir sogar ständig im Kontakt mit einigen Erfindungen aus der Plasmaforschung: der Energiesparlampe (Wirkungsgrad 30% gegenüber 5% bei einer normalen Glühbirne), den konditionierten Materialien wie z.B. Sitzbezüge im Auto oder in der Medizin (Prothesen werden plasmabehandelt, Katheter werden mit Plasmastrahlen sterilisiert). Und in einem sind sich die Forscher einig: mit Plasmen kann man noch viel mehr machen als uns heute bekannt ist...

Quellennachweis

“Plasma chemistry” / ed. by L. S. Polak – 1. publication – Cambridge: Cambridge International Science Publications, 1998, ISBN 1-89832-622-3

“Mit a-Si:H – Dünnschichttransistoren angesteuerte flache Flüssigkristall – Bildschirme für Direktsicht und Projektion“, vorgelegt von Joachim Glück, 1995, Stuttgart, Univ., Diss.

„Plasmaphysik und Fusionsforschung“, Michael Kaufmann, 1. Aufl. – Stuttgart, Leipzig, Wiesbaden, Teubner 2003, ISBN 3-519-00349-X

„Macaulay’s Mammut – Buch der Technik“, David Macaulay & Neil Ardley, 1988, Tessloff Verlag, Nürnberg

„Plasmadisplays – Das Fernsehen der Zukunft hat begonnen“ http://www.camgaroo.com/modules.php?name=News&file=article&sid=88

„IT für Führungskräfte – Ein- und Ausgabegeräte“ http://wwwi.wu-wien.ac.at/Studium/Abschnitt_2/LVA_ss02/IT_FK_SS02_Folien/ea_geraete.ppt

„Referat ‚Aktuelles Angebot von Bildschirmen’“ http://www.wu-wien.ac.at/usr/h96d/h9651207/Bildschirme.html

„Großbild- und Beamertechnologie“ - http://www.uni-weimar.de/~tauscher/vortrag.html

„Was ist Plasma – Technologie?“ - http://www.beamer.de/produkte/plasmabildschirme/technik.html (Mirror: http://www.heimkino.net/info/fernseher.html)

„Arten von Monitoren“ http://cs.fh-vorarlberg.ac.at/mtg/lehre/files/semester1/Vorlesung5_WS0203/MT-Monitore.doc

„Referat über Bildschirme“ http://www.bgmoedling-keim.ac.at/faecher/inf/material/2000/Referate/Monitore/monitore.htm

„Leuchtstoffe für aktive Displays“ - http://www.pro-physik.de/Phy/pdfs/ISSART12039DE.PDF

„Plasmaphysik – was ist das?“ - http://www.ilp.physik.uni-essen.de/doebele/vorwort.html

„Das Spektrum des Lichts“ http://www.faszinationlicht.de/download/service/downloadcenter/plakate/23_Poster.pdf

„Optisches Spektrum des Lichts“ http://www.digitalefolien.de/biologie/mensch/sinne/spektrum.html

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