Informations- und Kommunikationstechnik

Allgemeines zur Plasmabildschirmtechnik

Mit der Plasmatechnologie lassen sich sehr große Bildschirme bis 50 Zoll (127 cm) bei einer geringen Bautiefe um 10 cm herstellen. Dazu wurden zwei verschiedene Plasmatechniken entwickelt. Zum einen die Plasma Adressed Liquid Crystal (PALC) Technik der Firma Sony. PALC funktioniert wie ein LCD-TFT-Paneel. Zur Ansteuerung werden keine Poly-Silizium (p-Si) Transistoren verwendet sondern Plasma. Der weitere Aufbau entspricht fast dem einer LCD-Anzeige.

Die zweite Technik ist das eigentliche Plasma Display Panel (PDP). Der Plasmabildschirm besteht aus vielen einzelnen Bildpixeln, die sich zwischen zwei Glasschichten befinden. Drei Kammern für die Grundfarben Rot, Grün und Blau (RGB) bilden ein Bildpixel. Jedes Pixel ist (0,65 ... 1) mm groß (bei Fujitsu misst eine Kammer 0,22 mm × 0,66 mm). Jede Kammer mit einer Bauhöhe von rund 0,1 mm ist eine winzige mit Edelgasen gefüllte Glaszelle. Meistens werden Mischungen von Neon und Xenon verwendet. Einige Hersteller setzen noch Helium zu. Diese Gase bilden beim ständigen Wechsel des Aggregatzustands zwischen Plasma und Gas keine sogenannten Rückstände.

In den Kammern befindet sich die Gasmischung unter vermindertem Druck. Die Wände und die Bodenfläche sind mit einem Luminophor, der Leuchtschicht versehen. Bei entsprechender Anregung senden diese anorganischen Verbindungen rotes, grünes oder blaues Licht aus. Damit entspricht jede einzelne Bildzelle einer winzigen Leuchtstoffröhre. Die gesamte Bauhöhe liegt bei 6 mm. Durch die Wahl der Gasmischung, den Gasdruck und die Strukturdicke der einzelnen Zellenschichten, deren Zusammensetzung wie auch durch Zellengeometrie und Elektrodenform lassen sich Lichtausbeute, Lichtstrom und elektrischer Leistungsbedarf beeinflussen.

Das Funktionsprinzip eines PDP-Plasmadisplays

Auf die Zeilen- und Halte-Elektroden, auch BUS-Leitungen genannt, wird zur Ansteuerung großer Displays eine Wechselspannung um 500 V und 50 kHz gelegt. Durch den Unterdruck in der Kammer und wegen der kleinen Kammerabmessungen ergeben sich geringe Elektrodenabstände. Zwischen diesen baut sich im Inneren der Kammer eine hohe Feldstärke auf. Die Spannung zwischen den BUS-Leitungen ist noch unterkritisch und reicht zur Plasmabildung gerade nicht aus. Zur Zündung der einzelnen Bildzelle genügt dann ein kleiner zusätzlicher elektrischer Impuls auf der Spalten- oder Datenleitung. Er erzeugt freie Elektronen, die durch das elektrische Feld beschleunigt werden.

Treffen die Elektronen auf Neon oder Xenon Atome, so werden die Edelgasatome durch die Stöße angeregt, einige dabei sogar ionisiert. Bei der Stoßionisation entstehen weitere Elektronen, die den Vorgang unterstützen. Die Gasmischung ist zum Gasplasma geworden, das Plasma ist gezündet. Wegen der ständigen Potenzialänderungen auf den BUS-Leitungen wandern Edelgasionen und Elektronen immer wieder aufeinander zu. Sie werden dabei kontinuierlich regeneriert und aktiviert, sodass der Plasmazustand erhalten bleibt. Erst durch einen Löschimpuls auf der Datenleitung wird das Plasma deaktiviert.

Fallen die angeregten Edelgasatome in ihren Grundzustand zurück, so senden sie überwiegend ultraviolettes Licht aus. Das Xenon Plasma erzeugt eine UV-Strahlung mit Wellenlängen von 148 nm und 172 nm. Neon liefert zusätzlich die Lichtfarbe Orange. Die ultraviolette Lichtenergie des Plasmas dringt um 1 μm in die Leuchtschicht ein. Sie wird absorbiert und je nach Luminophor in sichtbares rotes, grünes oder blaues Licht transformiert und abgestrahlt. Die Abklingzeit der Leuchtdauer liegt zwischen (1 ... 10) ms. Zusätzliche Farbfilter optimieren das Farbspektrum und filtern die Orangekomponente des Neon Gases aus. Diese Technik erzeugt Bildpixel mit großer Helligkeit bei hohem Kontrast.

Jede Plasmazelle kann nur den Zustand Ein oder Aus einnehmen, folglich gibt es keine Helligkeitsabstufungen. Wird die Zelle durch Impulse gesteuert, so kann das Plasma getaktet ein- oder ausgeschaltet werden. Die Trägheit des menschlichen Auges interpretiert die Schaltintervalle dann als Helligkeitsunterschiede. Für diese Helligkeitssteuerung wird eine Pulscodemodulation mit einem 8-Bit-Rahmen verwendet. Bei 256 Helligkeitsabstufungen und den drei RGB-Farben erbeben sich 16,7 Mio. darstellbare Farbwerte.

Der innere Aufbau des Panels

Das folgende Bild zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Bildpixels bestehend aus den drei Plasmazellen für die Grundfarben:

Schematischer Aufbau einer Plasma-RGB-Zelle

Die Zeilen- und Spaltenelektroden verlaufen rechtwinklig zueinander. Mit einem Impuls auf der Datenelektrode wird das Gasgemisch der adressierten Zelle zum Plasma gezündet. Die Zelle sendet Licht aus, wie es oben für die Blau-Kammer skizziert ist. Ein gegenpoliger Impuls löscht die Zelle.

Ansteuerung eines Plasmadisplays

Der Zellenaufbau der PDPs wurde weiterentwickelt. Bei der ersten Generation war eine Trennung zwischen den RGB-Zellen nur in horizontaler Richtung durch Separator Ribs vorhanden. Nunmehr werden die Displays als allseitig geschlossene Zellen hergestellt. Dadurch erhält man an den vertikalen Ribs zusätzliche Flächen zum Aufbringen der Leuchtschicht und eine größere Lichtausbeute. Der gleiche Effekt ergibt sich auch durch eine Vergrößerung der Zellentiefe.

Die anfängliche Bauweise hatte technologische Gründe. Beim Exhaust-Process zum Evakuieren des Displays und dem nachfolgenden Einfüllen des Gasgemischs wirkte die streifenförmige Struktur wie ein Kamin. Der Vorgang dauerte dennoch einige Stunden bei einer Temperatur von mehreren Hundert Grad. Die geschlossene Zellenstruktur erschwert diesen Prozessschritt. Zur Durchführung mussten für die Zellen Kanäle vorgesehen beziehungsweise für die Separatoren poröse Materialien entwickelt werden. Das folgende Bild skizziert einen Ausschnitt aus einem modernen Plasmabildschirm mit geschlossenen Zellen.

Innere Struktur einesPDP

Einzelne Entwicklungstendenzen

Die Bildschirmgröße

Die ersten Prototypen der Plasmabildschirme konnte man 1995 auf der Internationalen Funkausstellung (IFA) in Berlin bewundern. Die Bildschirmdiagonale betrug rund 55 cm. Zur IFA 1997 wurden die ersten markttauglichen Geräte vorgestellt. Ihre sichtbare Diagonale lag bei 107 cm entsprechend 42 Zoll. Dieses Maß war gut gewählt, denn die Bildschirme waren damit größer als die der CRT-Fernsehgeräte mit 81 ... maximal 92 cm und nur wenig kleiner als die schon erhältlichen großen Rückprojektions-Fernseher mit 127 cm. Größere Zellstrukturen sind für Plasmabildschirme vorteilhafter. Von Anfang an wurde die Pixel-Auflösung von 852(3) x 480 Bildpunkten (Bildpunkte pro Zeile x Zeilen) gewählt, was zu einer Bildpunktgröße von etwa 1mm2 führt.

Die Entwicklung bei der Bildpunktzahl

Wie die Bildschirmgröße so war auch die anfängliche Bildpunktauflösung gut gewählt. 480 Zeilen entsprechen in etwa der Zeilenzahl, die bei der NTSC- und 60 Hz Technologie auf den Schirmen angezeigt wird. Noch exakter entspricht es der Zeilenzahl beim Standard VGA, der Basisauflösung im Computerbereich. Da man sich von Anfang an für das Breitbildformat (16 : 9) entschieden hat, ergaben sich dann die 852(853) Bildpunkte pro Zeile aus der einfachen Multiplikation von 640 (VGA) x 1,33. Das ist der Faktor, um vom 4 : 3 Format auf 16 : 9 zu kommen. Das quadratische Bildpunktformat aus der IT-Branche blieb erhalten und die Bildpunktauflösung entsprach deren Anforderungen. Ein wichtiges Argument, denn anfangs gab es einen Markt für Plasmabildschirmgeräte fast nur für Präsentations- und Informationsdisplays. Die Skalierung von Grafiksignalen ist fast immer mit sichtbaren Verlusten verbunden. Die bandbreitenbegrenzten TV-Signale lassen sich dagegen ohne auffallende Verluste skalieren.

Mit größeren Bildschirmen konnten auch die Bildpunktzahlen erhöht werden. Bei gleicher Herstellungstechnologie mit unveränderten Zellenabmessungen ließen sich mehr Pixel auf die Bildschirmfläche bringen. Eine Erhöhung der Pixelzahl wurde notwendig, da bei größeren Pixeln durch das Auflösevermögen unserer Augen die Zellstrukturen des Bildschirms erkennbar werden und das Bild erscheint dann störend gerastert. Zur Berechnung gibt es eine Funktion, die auch vom Betrachtungsabstand abhängt. Je größer der Bildschirm ist, desto weiter wird man sich davon entfernt setzen. Bei großen Heimgeräten erlaubt die Zimmergröße aber nur selten den optimalen Abstand.

Zeilenzahl ≈ (2500 · Bildschirmhöhe) / Betrachtungsabstand

Die höchste Pixelauflösung im sogenannten Wide-XGA Format liegt bei 1365 Bildpunkten pro Zeile mit 768 Zeilen. Die Auflösung von 1280 × 768 ist ein Kompromiss zwischen TV- und IT-Anwendungen. Es ergibt sich eine gute Übereinstimmung zu XGA mit 1024 × 768 aus den PC-Anwendungen und zu HDTV mit dem Format 1280 × 720.

Der Fujitsu Konzern entwickelte mit ALIS, Alternate Lighting of Surface ein neues Verfahren für Plasmadisplays mit geringeren Bildschirmdiagonalen. Diese Technik führt auch bei kleineren Zellenstrukturen zu guten Darstellungsergebnissen. Die Displays haben eine in vertikaler Richtung offene Zellenstruktur. Bei gleicher Anzahl der Steuerelektroden wird der Vertikalbereich zwischen zwei Buselektrodenpaaren genutzt. Die untere Elektrode des Paares N und die obere Elektrode des Paares N + 1 bilden dabei ein weiteres Elektrodenpaar zur Plasmaerzeugung. Mit einem größeren elektronischen Aufwand ergibt sich durch die Zwischenzeilen- oder interlaced Ansteuerung theoretisch die doppelte Zeilenanzahl. Bei Displays mit sehr hoher vertikaler Auflösung kann das ALIS-Verfahren zu einem sichtbaren Zeilenflickern führen.

Die ALIS-Technik kann nur in vertikaler Richtung anwendet werden und ermöglicht Auflösungsdaten von 852 × 1024 und 1024 × 1024 (Bildpunkten pro Zeile × Zeilen). Generell gilt, dass sich Plasmadisplays für besonders große Bilddiagonalen eignen und die besseren Darstellungsdaten nur bei größerer Bildpunktstruktur erreicht werden. Das ist auch daran zu erkennen, dass Geräte mit einer Diagonalen unter 42 Zoll entweder ALIS Technologie benutzen oder über W-VGA mit 853 × 480 nicht hinauskommen, während Großgeräte bei sehr guter Bildqualität eher HDTV-Auflösung erreichen.

Vorteile der Plasmabildschirmtechnologie:

Nachteile der Plasmabildschirmtechnologie: