6.220.800 Kammern im vierten Aggregatzustand - Das Geheimnis hinter dem Plasma-TV

Wer kennt ihn nicht, den Plasma-Fernseher? Aber was genau passiert hinter der Glasscheibe eigentlich? Was ist Plasma und was macht es im Fernseher? In meinem heutigen Technik-Blog möchte ich euch die Funktionsweise eines Plasma-TVs näherbringen.

Warum? Weil ich kürzlich ein Chemie-Referat zu diesem Thema gemacht habe, da wir Farben und Farbstoffe besprochen hatten. Da dachte ich mir, warum nicht auch hier das Referat reinstellen, damit ihr auch etwas davon habt? ;)

Aber Vorsicht - da es sich hier um ein Chemie-Referat handelt, ist mit Sicherheit nicht bei allen das Interesse und das Verständnis für diesen Blog gegeben, einfach weil vielleicht die nötigen Grundkenntnisse fehlen. Aus Rücksicht habe ich hier nicht das komplette Referat hineingeschrieben, sondern eine vereinfachte Version, möglichst "unchemisch", damit möglichst viele etwas davon haben.

Los geht's!


Bei einem Plasma-Bildschirm befinden sich hinter der Glasscheibe ganz viele kleine Kammern. Drei Kammern zusammengenommen bilden ein Pixel. Bei einer Auflösung von 1.920 x 1.080 Pixeln ergibt das 2.073.600 Pixel, und damit 6.220.800 Kammern - in einem Plasma-TV.



Auf dem Bild sehen wir, dass es pro Pixel eine rote, eine grüne und eine blaue Kammer gibt. Die Farbe, die ein einzelnes Pixel also nachher hat, entsteht durch additive Farbmischung.

In jeder Kammer gibt es zwei Hauptbestandteile: Einmal ein Gasgemisch aus Neon und Xenon, zwei Edelgase, farblos und reaktionsträge. Zum anderen drei verschiedene Leuchtstoffe, einer für jede Kammer. Lasst euch an dieser Stelle von der Bezeichnung "phosphors" im Bild nicht irritieren, das bedeutet auf deutsch einfach nur "Leuchtstoffe" und hat mit dem Element Phosphor aus dem Periodensystem relativ wenig zu tun.

Doch wie funktioniert das Ganze denn nun?


Bei einem Plasma-Bildschirm gibt es eigentlich zwei hauptsächliche Schritte:

1. Zünden eines Transistors (Transistor: Bauelement zum Erzeugen elektrischer Signale), dadurch wird das Gasgemisch zum Plasma.

2. Das Plasma sendet UV-Strahlen aus, die die Leuchtstoffe anregen, dadurch entsteht für uns sichtbares Licht.

Doch bevor ich die zwei Schritte im Detail erkläre, möchte ich erstmal folgende Frage beantworten:


Plasma wird oft als der vierte Aggregatzustand bezeichnet (nach fest, flüssig und gasförmig kommt also Plasma). Das, was es auszeichnet, ist, dass es in seine Bestandteile aufgeteilt ist. Normalerweise hat man in der Chemie immer einen Atomkern und um diesen herum befinden sich Elektronen. Nicht so beim Plasma, dort sind die Elektronen vom Atomkern getrennt, mit anderen Worten wabern die positiv geladenen Atomkerne getrennt von den negativ geladenen Elektronen umher. Diesen Zustand nennt man Plasma.

Und wo finden wir das? Im Universum. 99 % aller sichtbaren Materie im Universum ist im Plasma-Zustand. Zum Beispiel die Sonne, oder die Sterne. Auch andere Phänomene wie zum Beispiel ein Blitz oder Polarlichter - alles Plasma!

Aber wie funktioniert das denn jetzt? Also...


Im ersten Schritt wird das Gasgemisch in der Kammer unter Spannung gesetzt - und zwar gleich von zwei Seiten. Oben im Bild seht ihr die "display electrode" an der Frontseite und die "address electrode" an der Rückseite. Die address electrode der Rückseite gibt einen elektrischen Impuls von 80 Volt, die display electrode an der Vorderseite einen von 200 Volt. Und was passiert dadurch?

Es kommt mehr Schwung in die Geschichte. Die Atome schwirren im Gas nicht mehr so ganz entspannt umher, sondern werden immer schneller. Und immer schneller. Und irgendwann stoßen sie zusammen - so stark, dass dabei ein Elektron aus seiner Umlaufbahn um einen Atomkern herausgeschossen wird. Tada - man hat Plasma. Denn jetzt ist ja der Atomkern getrennt vom Elektron unterwegs. Die einzelnen Teilchen fliegen also weiter umher und verursachen weitere Zusammenstöße, es bildet sich immer mehr Plasma.

Jetzt kann es aber auch passieren, dass ein Elektron von einem Atomkern wieder eingefangen wird. Wenn das passiert, wird Energie frei, und zwar in Form von UV-Licht. Das können wir aber so nicht sehen, sichtbar wird es erst im zweiten Schritt gemacht.


Nun kommen die Leuchtstoffe ins Spiel, die "phosphors". Das UV-Licht, welches wir ja nicht sehen können, regt diese Leuchtstoffe an. Durch die Anregung springen in den Stoffen Elektronen zwischen unterschiedlichen Energiestufen umher, Lichtquanten werden ausgesendet und dadurch entsteht wieder Licht. Dieses Mal ist es allerdings sichtbar für uns. Die Leuchtstoffe haben also quasi das UV-Licht in für uns sichtbares Licht umgewandelt.

Und je nach Farbstoff sendet eine Kammer dann rotes, grünes oder blaues Licht aus, die Farbe des Pixels entsteht dann durch additive Farbmischung.

Blaues Licht entsteht durch Barium-Verbindungen: BaMgAl10O17:Eu2+
Grünes durch Zinn-Verbindungen: Zn2SiO4:Mn2+
Und Rotes durch Yttrium-Verbindungen: (Y,Gd)BO3:Eu3+ oder Y(V,P)O4:Eu3+ oder Y2O2S:Eu3+

Hier nochmal eine Schemazeichnung zum ganzen Prozess:



Jetzt müssen wir nur noch klären, wie unterschiedliche Helligkeiten entstehen, denn die unterschiedlichen Farben haben wir ja schon. Das kann auf zwei Arten geschehen:

- Dauer der Zündung: Je länger eine Kammer gezündet wird, desto heller leuchtet sie.
- Intervallzündungen: Eine Kammer wird nach bestimmten Zeitabständen immer wieder gezündet, durch die Variation der Zeitabstände variiert die Helligkeit.

Dadurch lässt sich auch der gute Schwarzwert eines Plasma-TVs erklären, denn bei ihm ist - im Gegensatz zum LCD-TV - kein Hintergrundlicht notwendig, denn die einzelnen Kammern leuchten ja quasi von alleine.

Es lässt sich auch der vom Bild abhängige Stromverbrauch erklären. Denn während ein dunkles Bild nur eine kurze Zündung in allen Kammern benötigt, braucht ein helles Bild erheblich längere Zündungen, oder viele kurze Zündungen hintereinander.

Die einzelnen Kammern werden übrigens von einem Netz der gelben Elektroden, die ihr ganz oben im Bild sehen könnt, gesteuert und koordiniert.

Und jetzt muss man sich nur noch vorstellen, dass bei einem Fernseher mit der 100 Hertz Technologie 100 Bilder pro Sekunde angezeigt werden. Das bedeutet, dass 100 Mal in der Sekunde jede einzelne Kammer in unterschiedlichen Zeitabständen und Längen gezündet wird, Plasma entsteht, UV-Licht ausgesendet wird und dieses dann in für uns sichtbares Licht umgewandelt wird. Ziemlich beeindruckend.

Fertig! So funktioniert ein Plasma-TV. Jetzt seid ihr ein wenig schlauer, wenn ihr das nächste Mal in der TV-Abteilung unterwegs seid.
In der Hoffnung, dass das jetzt nicht zu chemisch war, gibt es für euch nochmal eine Zeichnung dazu, dieses Mal auch in deutsch:



Das wars von mir heute. Für die wahren Chemiker unter euch gibts jetzt noch ein paar Zusatzinfos, Otto Normalverbraucher darf jetzt aufhören zu lesen :)

Das UV-Licht hat eine Wellenlänge von nur 140 bis 190 nm (= Nanometer), unser menschliches Auge kann Licht jedoch nur im Bereich von 400 bis 700 nm wahrnehmen. Das Licht, welches nachher von den Leuchtstoffen erzeugt wird, liegt in einem Bereich von 380 bis 780 nm.

Das oben angesprochene "Umherspringen zwischen verschiedenen Energiestufen" legt folgende Annahme zugrunde: Die Elektronen eines Atoms werden von unten nach oben auf verschiedene Energiestufen verteilt (einfach ausgedrückt). Zwei Stufen sind dabei unglaublich wichtig: Die höchste, besetzte Energiestufe und die niedrigste, unbesetzte Energiestufe. Durch die Anregung mit dem UV-Licht springt das Elektron von der höchsten besetzten in die niedrigste unbesetzte Stufe und ändert dabei seine Drehrichtung. Das ist der Triplett-Zustand. Wenn es dort verweilt, gibt es einen Wärmeaustausch, danach ändert es seine Drehrichtung in die ursprüngliche und springt zurück in seine normale Energiestufe. DIESES Zurückspringen verursacht das Phosphoreszieren, das Leuchten des Stoffes.

Das wars dann auch für die wahren Chemiker ;)

Bis bald!