Funktionsweise von Fernsehbildröhre, Flüssigkristallanzeige und Plasmabildschirm

Bildschirm

Wer sich schon immer gefragt hat, wie eigentlich ein Fernseher oder ein Computer-Bildschirm funktioniert, findet hier Antworten! Ebenso kann man erfahren, warum ein TFT-Bildschirm für manches besser geeignet ist, als ein Plasmabildschirm und was es eigentlich mit der viel diskutierten Reaktionszeit von Flachbildschirmen auf sich hat…

Da der Text sehr lang ist und nach der Erklärung der physikalischen Grundlagen genau auf die einzelnen Details von Fernsehbildröhre, Flüssigkristallanzeige und Plasmabildschirm eingeht, sind kleine „Anker“ eingebaut, die per Klick wieder zurück zur Übersicht führen.

Übersicht

Grundlagen

Fernsehbildröhre

Flüssigkristallanzeigen

Plasmabildschirm

Grundlagen

Wellenverhalten des Lichts

Die Funktionsweise einer Flüssigkristallanzeige basiert auf dem elektromagnetischen Wellenverhalten des Lichts.

Nach diesem schwingt bei normalem, unpolarisiertem Licht ein elektrisches Feld – d.h. der Feldvektor, der die Feldstärke und Richtung beschreibt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Das Feld kann dabei jedoch in jeder Richtung, im Kreis, um den Wellenvektor ausgerichtet sein.

Linear polarisiertes Licht schwingt im Gegensatz dazu nur noch in einer ganz bestimmten Ebene.

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In optisch aktiven, anisotropen Materialien wie Flüssigkristallen wird die Neigung dieser Ebene verändert und der nämliche Winkel ist direkt messbar. Auch die Schwingungen normalen Lichts erfahren in optisch aktiven Stoffen eine Drehung, nur fällt diese nicht auf, da es nach wie vor in alle Richtungen schwingt.

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Additive Farbsynthese

Die additive Farbsynthese beschreibt das Mischverhalten von Lichtfarben.

Hauptsächlich werden die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau (so gennantes RGB-Modell) eingesetzt, durch deren Kombination sich ein großer Teil des vom Menschen wahrnehmbaren Farbspektrums erzeugen lässt.

Bei der additiven Farbsynthese ergibt sich Weiß als Summe aller eingesetzten Grundfarben, beziehungsweise Schwarz als Abwesenheit von Licht. Sämtliche erzeugbare Farben liegen dazwischen und gehen aus ungleichen Mischungsverhältnissen der Grundfarben hervor.

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Fernsehbildröhre

Aufbau und Funktion

Eine Fernsehbildröhre funktioniert nach dem Prinzip der Braun’schen Röhre. In einer Vakuum-Röhre werden an einer geheizten Kathode Elektronen emittiert und mit 20kV- 30kV zur ringförmigen Anode hin beschleunigt. Der durch eine Öffnung fliegende Elektronenstrahl kann dann von magnetischen Querfeldern horizontal und vertikal abgelenkt werden und trifft auf einen Punkt des gewölbten Leuchtschirms, der daraufhin an dieser Stelle leuchtet.

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Die Ablenkung erfolgt elektromagnetisch durch Strom führende Spulen, da diese weit größere Ablenkungswinkel als elektrische Felder ermöglichen, welche, um gleichwertig zu sein, mit sehr hohen Spannungen betrieben werden müssten.

Die Kathode ist von einem so genannten Wehnelt-Zylinder umgeben, aus dessen kreisförmigen Öffnung der Elektronenstrahl austritt.

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Helligkeit/Kontrast

Zudem liegt zwischen Wehnelt-Zylinder und Kathode eine Spannung an; der Minuspol liegt am Zylinder. Die daraus resultierende Abstoßung trägt zur Bündelung des Elektronenstrahls bei und vermindert den Stromfluss. Erhöht oder vermindert sich die angelegte Potentialdifferenz, so passieren entsprechend weniger oder mehr Elektronen die Öffnung und der Leuchtstoff am Schirm gibt weniger oder mehr Licht ab. So werden unterschiedliche Helligkeiten erreicht, aus denen das mögliche Kontrastverhältnis resultiert, welches die Helligkeit des hellsten Punktes mit der Helligkeit des dunkelsten Punktes in Bezug stellt.

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Elektrostatische Fokussierung

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Der unfokussiert aus dem Wehnelt-Zylinder (W) austretende Elektronenstrahl (e) weitet sich nach Passieren der Öffnung wieder auf (a,b). Hinter der beschleunigenden Anode fokussieren nun zwei ringförmig in die Röhre angebrachten Elektroden den Strahl.

Dieses Prinzip ist in der Abbildung erkennbar: Jeweils in die Richtung einer gewölbten Feldlinien im Zwischenraum der Elektroden wirkt eine Kraft auf die Elektronen und verändert deren Bahn.

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Farben

Zur Darstellung von Farben werden insgesamt drei Kathoden mit einem sie jeweils umgebendem Wehnelt-Zylinder verwendet. So kann durch additive Farbmischung aus Rot, Grün und Blau jede beliebige Farbe auf dem Schirm dargestellt werden, da die auf dem Schirm im Dreieck angeordneten Bildpunkte aus verschiedenen Stoffen bestehen und dementsprechend Licht unterschiedlicher Farbe abgeben.

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Ein so genanntes Tripel besteht aus den drei Grundfarben Rot, Grün, Blau.

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Lochmaske

Damit jedoch beispielsweise der Elektronenstrahl für Grün nicht auch auf benachbarte Bildpunkte trifft, befindet sich etwa zwei Zentimeter vor dem Leuchtschirm eine ungefähr 140- 250 µm dicke Lochmaske aus Stahl. Diese besitzt so viele Löcher, wie sich Farbtripel auf dem Bildschirm befinden.

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Die drei Elektronenstrahlen passieren gemeinsam das gleiche Loch und treffen daraufhin jeder auf den zugehörigen Leuchtpunkt.

Dies geschieht dadurch, dass die drei Elektronenkanonen im Röhrenhals im Dreieck angeordnet sind, also aus leicht verschiedenen Richtungen kommen. Sie werden, zumeist durch eine elektrostatische Linse, fokussiert und haben in der Lochmaske der Bildmitte ihren Brennpunkt, nach welchem sie sich wieder aufteilen.

Da die Elektronenstrahlen jedoch nie so genau gebündelt und genau sein können, um exakt die Ausmaße ihres Leuchtpunktes zu treffen, schattet die Lochmaske den Großteil jener „streuenden“ Elektronen ab, die typischerweise bis zu 83 Prozent betragen und somit eine hohe Abwärme an der Maske verursachen.

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Streifenmaske

Auch bekannt unter den geschützten Namen „Trinitron“ und „Diamondtron“

Eine kontraststärkere und effizientere Verbesserung der Lochmaske ist die Streifenmaske, die nur aus geschwärzten vertikal gespannten Drähten besteht, die aus Stabilitätszwecken von zwei horizontale Haltedrähten verbunden sind. Dennoch bleibt sie empfindlicher gegenüber Erschütterung. Gleich den waagerecht angeordneten Bildpunkten Rot, Grün und Blau befinden sich die drei Elektronenkanonen in der Röhre nebeneinander.

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Durch die Verwendung von nur vertikal gespannten Drähten resultiert eine geringere Maskenfläche und es erreichen nun etwa 23 Prozent der Elektronen den Leuchtschirm. Wegen der vertikal langen Bildpunkte müssen Bildschirme mit Streifenmaske nur noch eine Krümmung zur Breite hin aufweisen, sind flacher und verursachen weniger Reflexionen durch Umgebungslicht. Denn die am oberen und unteren Rand auf Grund des längeren Weges nicht mehr richtig fokussierten, streuenden Elektronenstrahlen werden durch die Streifenform besser ausgenutzt.

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Schlitzmaske

Auch bekannt unter dem Namen „Black-Matrix“
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Die Löcher der Schlitzmaske sind elliptisch oder rechteckig statt rund. Mit ihr werden die Vorteile der Streifenmaske und der Lochmaske verbunden, explizit die Stabilität mit einer annähernd gleichen Helligkeit. Sie ist heutzutage am gebräuchlichsten.

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Bildaufbau

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Der Bildaufbau durch eine Fernsehbildröhre erfolgt zeilenweise von rechts nach links. Nach dem Abtasten einer Zeile setzen die Elektronenstrahlen aus (durchgehende Linien) und beginnen erst wieder rechts am Beginn der nächsten Zeile (gestrichelt). Nach Abtasten der untersten Zeile beginnt selbige wieder von oben.

Die Übertragung und Wiedergabe von Fernsehbildern erfolgt nach dem Zeilensprungverfahren, auch Interlacing genannt, bei dem erst die ungeraden Zeilen (1-3-5-) und dann die geraden Zeilen (2-4-6-) abgetastet werden.

So erhält man aus dem hiesig gebräuchlichen Fernsehstandard PAL (Phase Alternating Line = Phasenänderung pro Zeile) mit 625 Zeilen und 25 Bildern/ Sekunde bei geringer Datenrate des Fernsehsignals ein flimmerärmeres Bild mit 50 Halbbildern/Sekunde.

Bei so genanntem Progressive Scan erfolgt die Zwischenspeicherung der Halbbilder und es wird jeweils zweimal hintereinander das gleiche Vollbild wiedergegeben, was qualitativ besser ist und jegliches Zeilenflimmern ausbleibt. Die Leuchtpunkte zeigen außerdem eine leichte Phosphoreszenz, d.h. sie leuchten nach dem Elektronenbeschuss noch eine gewisse Zeit nach.

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Flüssigkristallanzeigen

Liquid Crystal Displays

Flüssigkristalle

Flüssigkristalle sind Substanzen, welche zwischen den Aggregatzuständen fest und flüssig eine oder mehrere Phasen aufweisen, die Eigenschaften beider Aggregatzustände in sich vereinigen.

In diesen Mesophasen (griech. mésos = Mitte) weisen sie das Fließverhalten von Flüssigkeiten nebst einer imperfekten Fern- oder Orientierungsordnung auf, was bei den meisten Mesophasen zur Richtungsabhängigkeit, Anisotropie, verschiedener physikalischer Eigenschaften führt, die denen kristalliner Festkörper entsprechen.

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Jene Moleküle, die bei bestimmter Temperatur, Druck oder Lösungsmittel Mesophasen bilden, werden Mesogene genannt.

Die einfachste Flüssigkristallphase, die so genannte nematische Phase, zeichnet sich durch eine Orientierungsordnung der polaren Moleküle aus. Das heißt die Moleküle zeigen im Mittel in die gleiche Richtung, wodurch sich eine nematische Phase wie ein optisch einachsiger Kristall verhält. Durch elektrische Felder lässt sich die molekulare Orientierung der polaren Mesogene beeinflussen, was folglich die optischen Eigenschaften mit verändert.

Am gebräuchlichsten in Flüssigkristallanzeigen sind nematische Phasen stäbchenförmiger kalamitischer Mesogene. Denn durch das Fehlen einer
Positionsfernordnung können sich die Moleküle weitaus schneller und einzeln ausrichten, als dies beispielsweise bei smektischen Phasen der Fall ist, in denen die Mesogene ungefähr in horizontalen Schichten geordnet sind.

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Twisted Nematic-Flüssigkristallzelle

Aufbau

Auf die Innenseiten zweier Glasplatten sind transparente Elektrodenschichten, zumeist aus dem Halbleiter Indium-Zinn-Oxid, aufgedampft. Dazwischen befindet sich der Flüssigkristall. Die Moleküle ordnen sich nahe einer beschichteten und in einer Vorzugsrichtung gebürsteten Oberfläche parallel zu dessen Maserung an. Die obere und untere sind, wie die auf den Glasplatten aufgetragenen Polarisationsfilter, um 90 Grad gegeneinander gedreht. Auf der Rückseite befindet sich, je nach Einsatzgebiet, entweder ein Spiegel, der das einfallende Licht zurückwirft, oder aber eine weiße Hintergrundbeleuchtung.

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Durch die verschiedenen Ausrichtungen der Moleküle an Ober- und Unterseite der Zelle weist der Flüssigkristall einen Verdrillwinkel von 90 Grad auf, weshalb man bei dieser Anordnung von TN = Twisted Nematic spricht.

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Funktion

Einfallendes Licht wird also vor dem Eintritt in den Flüssigkristall polarisiert. Durch die Verdrillung der Molekülflächen folgt eine Drehung der Polarisationsrichtung des Lichts, wodurch wiederum das Licht den gegenübergesetzten Filter passieren kann und die Zelle hell erscheint. Im Ruhezustand ist die Anzeige also durchsichtig, man spricht vom Normally-White-Mode.

Legt man eine elektrische Spannung an die Elektroden ober- und unterhalb der Mesogene an, so richten sich diese unter Einfluss des elektrischen Feldes senkrecht zu den Elektrodenflächen. Somit passiert das Licht ohne Verdrillung und mit gleich bleibender Polarisationsrichtung nicht mehr den zweiten Polarisationsfilter. Die Anzeige bleibt dunkel.

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Helligkeit/Kontrast und Farben

Grautöne beziehungsweise unterschiedliche Helligkeiten werden durch geringere, variierende Spannungen erreicht.

Bei der Einsetzung in farbigen Anzeigen besteht ein Pixel aus je drei nebeneinander liegenden Subpixels, die ein jeder wie oben erklärt aufgebaut ist, jedoch zusätzlich Farbfilter für Rot, Grün oder Blau enthalten. Unteres Bild zeigt den Aufbau eines Pixels bei unterschiedlichen Spannungen und somit der erreichten Lichtdurchlässigkeit.

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Durch Additive Farbmischung erscheinen diese drei Farben, wenn gleich hell, ab einer bestimmten Entfernung für das menschliche Auge weiß.

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Ordnet man die Polarisationsfilter parallel an, sodass die Zelle ohne Spannung dunkel und mit angelegter Spannung hell ist, spricht man vom Normally-Black-Mode, der wegen schlechteren Kontrasts selten verwendet wird. Nach Wegfall der angelegten Spannung richtet sich der Flüssigkristall jeweils stets wieder passiv durch seine Elastizität in die zuvor gegebene Ausrichtung zurück. Dadurch ergibt sich die Reaktionszeit einer Flüssigkristallanzeige, die nach gängiger Norm die Zeit zur Änderung der Helligkeit eines Bildpunkts von 10% bis 90% angibt, beziehungsweise andersherum, wobei 0% und 100% Schwarz und Weiß repräsentieren.

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Ansteuerung der Flüssigkristallzellen

Während sich bei vergleichsweise schlichten, schwarz-weißen 7-Segment Taschenrechner und Digitaluhranzeigen jede Flüssigkristallzelle noch problemlos einzeln ansteuern lässt, ist dies bei stark verringerter Pixelgröße und zunehmender Auflösung, wie sie in anderen Bereichen gefordert ist, nicht mehr möglich. Nimmt man beispielsweise ein gängiges 15″ Zoll Flüssigkristallanzeige mit einer Auflösung von 1024x3x768 ≈ 2,4×106 Subpixels, so errechnen sich über 2500 anzusteuernde Zellen je cm2.

Dieses Problem wurde zunächst mit der Passiv-Matrix-Anzeige gelöst.

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Passivmatrix

Jeder Punkt liegt an der Kreuzung einer Spalte und einer Zeile, die als durchsichtige Leiterbahnen auf die Gläser der Flüssigkristallzelle gedampft sind. Entsprechend dem obigen Beispiel wäre dies 1024 horizontal verlaufenden Zeilen auf der einen Glasplatte und 768 Spalten auf der anderen. Wird an ein solches Zeilen/Spalten-Paar eine Spannung angelegt, so entsteht am Kreuzungspunkt ein elektrisches Feld. So ist es möglich, alle 2,4×106 Bildpunkte mit nur noch 1024×3+768= 3840 Leitungen anzusprechen, was den technischen Aufwand erheblich vermindert.

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Die zahlreichen Flüssigkristallzellen werden zeilenweise nacheinander angesprochen. Damit die Bildpunkte zwischen den Takten, während die Spannung abfällt, nicht zu sehr verblassen, muss die Rückstellung der Flüssigkristalle sehr träge ablaufen. Für schnelle Bildwechsel sind Passivmatrix-Bildschirme daher ungeeignet.

Zudem besteht, genau genommen, nicht nur an den Kreuzungspunkten, sondern auch entlang der aktiven Leiterbahnen ein schwaches elektrisches Feld – Crosstalk genannt -, das keine Probleme verursacht, sofern die Umorientierung der Flüssigkristalle erst abrupt ab einem bestimmten Schwellenwert des elektrischen Feldes erfolgt.

Möchte man aber viele Graustufen darstellen, so ist ein langsamerer Übergang in der Stäbchenreaktion auf geringe Änderungen der Feldstärke von Nöten, wodurch sich auch die schwachen Felder entlang der Leiter ausdrücken. Bei der hohen Taktfrequenz der Punktansteuerung wird somit der Kontrast des gesamten Bildschirms vermindert.

Eine Verbesserung dieser Methode ist die Doppel-Scan-Passivmatrix, bei welcher der Bildschirm und die Ansteuerung der Punkte in zwei Hälften unterteil ist. Dies erhöht in diesem Falle die benötigten Leitungen um das 1,8fache, verdoppelt dabei jedoch die effektive Bildwiederholungsfrequenz.

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Double-Super-Twisted-Nematic-Zelle

Untersuchungen hatten ergeben, dass durch eine Drehung der Flüssigkeitskristalle um 90° mehr Kontrast verloren geht, als durch eine Drehung um 180° – 270°. So dreht die Super Twisted Nematic – Zelle (STN-LCD) die Polarisation des Lichtes um 270° und bietet dabei weitaus mehr Kontrast, nämlich bis zu 15:1, was meint, dass ein abgeschalteter, heller Punkt maximal 15mal so hell ist wie ein dunkler.

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Durch die auch an den Flüssigkristallen typische Doppelbrechung (Δn) einfallender Strahlen in zwei Lichtstrahlen mit unterschiedlichem Brechungswinkel und Wellenlänge entsteht ein Dichroismus (griech. Dichroos = zweifarbig) und das austretende Licht erscheint nicht mehr rein weiß.

Dieser, bei der TN- Zelle nur leicht auftretende und mittels eines (dichroitischen) Filters (so genannte TN+Film Anzeigen) behebbare Effekt, ist bei STN-Zellen weit stärker. Statt den gewonnenen zusätzlichen Kontrast durch starke Filter wieder einzubüßen, entwickelte man die DSTN-Zelle.

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In dieser, hier im Normally-White-Modus betriebenen DSTN-Zelle, wird die Polarisation des Lichts im unteren LC (Liquid Crystal, Flüssigkristall) zunächst um 270° in eine Richtung gedreht. Im oberen LC wird die Lichtwelle wiederum um 270° gedreht, jedoch in entgegengesetzter Richtung. Die dortige, spiegelbildlich erfolgende Doppelbrechung hebt die in der unteren Zelle entstandene jedoch weit gehend auf und lässt das austretende Licht wieder weiß erscheinen. Die hinteren und vorderen Polarisatoren sind parallel zueinander.

Wird an die untere, aktive Zelle eine Spannung angelegt, so ist die Ausrichtung des unteren LC senkrecht und es erfolgt bloß eine Drehung um 270° in der oberen Zelle. Das Licht passiert so nicht den vorderen Polarisator und die Anzeige ist dunkel.

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Aktivmatrix / TFT-LCD

Die mögliche Auflösung und Kontrast sowie Helligkeit wurden durch die TFT-LCD stark verbessert. TFT steht für Thin Film Transistor, wovon jeweils einer in jeder LC Zelle aufgedampft ist. Ihre Fläche beträgt ungefähr lediglich ein Zehntel derer der Zellen, sodass die Menge des durchdringenden Lichts kaum beeinflusst ist.

Die nun beliebig geringen Steuerspannungen (Source) verursachen keinerlei Cross-Talk und ermöglichen sehr viel höhere Taktfrequenzen und somit verbesserte Reaktionszeiten, da diese erst an den Dünnschichttransistoren in zur Ausrichtung der Moleküle benötigten kurzen, starken Spannungen (Drain) verstärkt werden.

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Der Flüssigkristall ist durch die Größen Widerstand R1C und Kondensator C1C charakterisiert. Zusätzlich wird in jedem Pixelelement noch ein Kondensator Cst verwendet, der den Spannungsabfall (Leckströme durch bewegliche Ionen im Flüssigkristall und der (Polyimid) Orientierungsschicht; es gelten spez. Voltage Holding Ratios abhängig von Bau und Zusammensetzung des LC, Δε und der Zelle) während der Non-Select-Time (TS= (1/Horizontalfrequenz [s])/Zeilenanzahl; 60Hz ≈ 16,7 ms) vermindert, in welcher der Pixel nicht angesteuert wird. So bleibt auch die Helligkeit bis zur nächsten Select-Time (TF – TS) fast konstant und das Bild flimmerfrei.

Es können weniger träge Flüssigkristalle mit einer gesteigerten passiven Rückstellung (k) verwendet werden.

Dass TFT-LCD s eine dünnere nematische Schicht genügt, macht sie ebenfalls von vornherein wesentlich kontraststärker, weshalb bei ihnen bloßes Twisted Nematic ausreicht. Dies kommt beides wiederum den Reaktionszeiten zu Gute, da diese proportional zum Quadrat des Abstandes d (Typische Flüssigkristallschichtdicken betragen zwischen 4 und 5 m. Glasdicken liegen bei ungefähr 0,7mm) zwischen den Glasplatten sind.

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Wegen der Signalverstärkung in den einzelnen Zellen durch Dünnschichttransistoren werden derartige Anzeigen als aktiv bezeichnet.

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Plasmabildschirm

Ein Stoff mit einem hohen Anteil ionisierter Teilchen ist als Plasma bekannt und stellt den vierten Aggregatzustand dar. Bei Plasmabildschirmen nutzt man die dabei von den Teilchen ständig abgegebene UV-Strahlung.

Aufbau und Funktion

Jeweils ein Pixel zwischen zwei Glasplatten eines Plasmabildschirms besteht aus drei einzelnen Zellen, die in Rot, Grün und Blau leuchten. Jede dieser Zellen ist mit einem Edelgasgemisch gefüllt, das mittels einer je in der oberen und in der unteren Glasplatte eingelassenen Elektrode „gezündet“, ionisiert wird. Dabei emittiert das Plasma Vakuum-Ultraviolettes Licht (Bezeichnung für Licht mit λ < 200nm), welches unterschiedliche, an den Rändern aufgetragene Leuchtstoffe zum fluoreszieren anregt. Dieses abgegebene Licht ist dem Leuchtstoff entsprechend in einer bestimmten Farbe und für das Auge sichtbar. Es passiert die vorderste Glasplatte und bildet zusammen mit den etlichen anderen Zellen das Bild.

Dagegen sind gegen die stark schädliche UV-Strahlung neun Filterschichten vorgeschrieben, welche auch die Helligkeit des übrigen Lichtes verringern, die allerdings sehr hoch ist. Für Unterschiedliche Helligkeiten ist die Menge des emittierten Lichts entscheidend und somit die Entladungsdauer beziehungsweise die Anzahl der Entladungen.

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Die Ansteuerung der einzelnen Plasmazellen geschieht gleichfalls über eine Matrix und zum Erreichen der mehreren hundert Volt starken Entladungen befindet sich zusätzlich ein Transistor in jeder Zelle.

Plasmabildschirme sind sehr für große Flächen geeignet. So gibt es Modelle mit 91″ (=231cm) Bildschirmdiagonale. Sie sind allerdings nicht sehr für die Darstellung schneller Bewegungen geeignet und fertigungsbedingt sind nur sehr viel geringere Auflösungen möglich. So erreicht man zum Beispiel ein typischer Plasmabildschirm – im Vergleich zum XGA (eXtended Graphics Array; 1024×768 Bildpunkte) – Standard eines LCD, der 1024×768 Pixel auf 15″ fasst – bei einer Bildschirmdiagonalen von 50″ lediglich die verhältnismäßig wenig höhere Auflösung von 1368×768 Pixels.

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