Plasmabildschirm

Ein Plasmabildschirm (englisch PDP für Plasma Display Panel) ist ein Farb-Flachbildschirm mit selbstleuchtenden Pixel, der das verschiedenfarbige Licht mit Hilfe von Leuchtstoffen erzeugt, die durch das von Gasentladungen erzeugte Plasma angeregt werden. Plasmabildschirme wurden hauptsächlich ab 1997 als große (ab 42 Zoll Bildschirmdiagonale) Fernseh-Anzeigegeräte eingesetzt. Sie standen in Konkurrenz mit der LCD- und viel später mit der OLED-Technologie. Von 1997 bis 2005 waren Plasmafernseher die beliebteste Wahl für HDTV-Flachbildschirme und hatten die größten Marktanteile. Seit 2015 spielten sie im Fernsehermarkt keine Rolle mehr, da die Hersteller die OLED-Technologie mit deren ebenfalls selbstleuchtenden Pixel als deren legitimer Nachfolger auswählten und die Weiterentwicklung und Massenproduktion der Plasmabildschirme einstellten.

Funktionsweise

Plasma (von griechisch „Gebilde“) ist ionisiertes Gas, das neben neutralen Teilchen auch freie Ionen, angeregte Atome und Elektronen enthält. Plasmen senden aufgrund spontaner Emission angeregter Atome sichtbares Licht und Ultraviolettstrahlung aus.

Beim Plasmabildschirm macht man sich die Emission von UV-Strahlen durch ein Niederdruckplasma zunutze. Die Funktionsweise ähnelt der einer Leuchtstofflampe. In solchen Lampen werden Leuchtstoffe durch Ultraviolettstrahlung des Quecksilberdampf-Plasmas zur Emission von sichtbarem Licht angeregt. Bei Plasmadisplays verwendet man dagegen Edelgase.

Aufbau des Farbbildschirms

Schematische Darstellung des Aufbaus eines Plasmabildschirmes

Zwischen zwei Glasplatten befinden sich sehr viele kleine Kammern. Jeweils drei Kammern ergeben bei dem Farbbildschirm einen Bildpunkt, ein sogenanntes Pixel.

Jede der drei Kammern leuchtet in einer der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau. Die Farben entstehen durch additive Farbmischung, das heißt durch Mischung der drei Grundfarben (z. B. Gelb durch Mischung aus grünem und rotem Licht, was beim Plasmabildschirm durch das Leuchten der entsprechenden Kammern bewerkstelligt wird). Jede Kammer ist mit einem Edelgasgemisch aus Neon und Xenon gefüllt, wobei der Druck wesentlich niedriger ist als der normale Luftdruck, es ist also ein „Beinahe-Vakuum“. Manche Hersteller mischen zudem Helium bei. Der Anteil von Xenon beträgt ca. 3 % bis 5 %.

Zur Erzeugung eines Bildes wird jede Kammer individuell mit einem zugehörigen Transistor „gezündet“, d. h., das Gas wird kurzzeitig ionisiert, es wird zum Plasma. Die Grundfarben in den Kammern werden durch verschiedene Leuchtstoffe (Phosphore) erzeugt, sobald die vom Plasma emittierte Ultraviolettstrahlung (Vakuum-Ultravioletter Bereich, 140 bis 190 nm) auf die Leuchtstoffe trifft. Das Ultraviolett selbst ist nicht sichtbar. Die Leuchtstoffe wandeln die VUV-Strahlung in sichtbares Licht mit der je nach 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). Um nicht nur die diskreten Zustände „an“ (gezündet) und „aus“, sondern auch dazwischen liegende Helligkeitsstufen zu erzeugen, werden die Kammern in kurzen Abständen (Intervallen) gezündet. Dabei wird die Dauer einer Zündung variiert, um die Helligkeit zu variieren. Je länger eine Kammer gezündet ist, desto heller leuchtet sie.

Das Gas zwischen den beiden Glasplatten ist stark verdünnt, dadurch sind niedrige Plasmatemperaturen möglich. Zur Zündung sind Spannungen von einigen hundert Volt erforderlich. Auf der unteren dielektrischen Schicht (Glasplatte, also eine Isolationsschicht) sitzt ein Reihen-/Adress-Elektrodenstreifen, der zusammen mit den oberen Zeilenelektroden die Ansteuerung jeder Kammer ermöglicht (jede Kammer sitzt am Kreuzungspunkt einer Adress- und einer oberen Elektrode). In der Kammer selbst befinden sich der Leuchtstoff (aufgetragen auf die dielektrische Schicht und die Barrieren) und das Gasgemisch bzw. das Plasma. Eine Schutzschicht hat die Aufgabe, die obere dielektrische Schicht und die dort befindlichen transparenten Elektroden zu schützen. Die beiden Elektroden können aufgrund der sie schützenden dielektrischen Schichten nur mit einem an ihnen anliegenden Impuls eine Gasentladung in der Kammer erzeugen – die Impulsparameter bestimmen die Helligkeit der jeweils abgestrahlten Farbe.

Plasmabildschirme werden mittels Sandwichbauweise gefertigt.

Die Adress-Elektroden sind vertikal und die Line-Elektroden horizontal angeordnet. Durch das so entstehende Gitter (auch Matrix genannt) kann man die einzelnen Kammern mit dem Multiplexverfahren steuern. 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.

Der blaue Leuchtstoff hat unter VUV-Bestrahlung eine geringere Stabilität.

Geschichte

Plasmabildschirm des PLATO V (1981)

Der erste funktionsfähige Plasmabildschirm wurde im Jahre 1964 von Donald L. Bitzer und H. Gene Slottow für das Großrechnersystem Plato IV der University of Illinois entwickelt. Plasmaschirme hatten gegenüber Röhrenbildschirmen den Vorteil, dass sie direkt digital angesteuert werden konnten; zudem waren sie recht langlebig und platzsparend. Für einige Jahre wurden Plasmadisplays daher im Großrechner-Sektor häufig eingesetzt. Monochrome Plasmabildschirme bzw. Displays wie der abgebildete Plasmamonitor des PLATO V verwenden im Gegensatz zu farbfähigen Plasmabildschirmen keine verschiedenfarbigen Leuchtstoffe. Es wird pro Pixel nur eine Kammer verwendet, welche mit dem Edelgas Neon gefüllt ist. Dadurch ergibt sich der orange-rote Farbton. Die Funktionsweise beruht auf der Glimmentladung und ist identisch wie bei einer Glimmlampe.

Der technische Fortschritt und verringerte Herstellungskosten verhalfen in den 1970er Jahren jedoch dem Röhrenmonitor als Computer-Anzeigeeinheit zum Durchbruch. Plasmabildschirme wurden seitdem nur noch für wenige Spezialzwecke eingesetzt.

Als zu Beginn der 1980er Jahre die ersten Laptops entwickelt wurden, griffen einige frühe Hersteller, darunter GRiD, Toshiba und Chicony Electronics, zur Ausstattung ihrer tragbaren Rechner auf die Plasmaschirm-Technik zurück, da sie sehr flache und kompakte Gehäuseformen bei angemessen großer Bilddiagonale ermöglichte und unter ergonomischen Gesichtspunkten (Blickwinkel, Kontrast) den ersten Flüssigkristallbildschirmen weit überlegen war. Der hohe Stromverbrauch der Plasmadisplays machte allerdings einen netzunabhängigen Betrieb weitgehend unmöglich; zudem blieb ihr Einsatz aus Kostengründen auf teure Geräte beschränkt. Da hochauflösende Farb-Plasmaschirme technisch nicht zu realisieren waren und bei der Entwicklung besserer LCDs große Fortschritte gelangen, verschwanden die Plasma-Laptops um 1990 vom Markt.

Etwa zur gleichen Zeit begannen mehrere Unterhaltungselektronik-Konzerne mit der Entwicklung von Farb-Plasmabildschirmen für Fernsehgeräte. Das erste Farb-Plasmadisplay mit einer Bilddiagonale von 21 Zoll wurde 1992 von Fujitsu vorgestellt; bis zur Entwicklung marktreifer Displays vergingen danach einige Jahre.

1997: Anfang der Massenproduktion

Das erste Fernsehgerät mit Plasmabildschirm brachten 1997 Philips und Pioneer auf den Markt. Zum kommerziellen Durchbruch für die Technik trugen die Olympischen Winterspiele von 1998 bei: Ein japanischer Fernsehsender benötigte damals große Flachbildschirme für das hauseigene HDTV-Angebot.

Im Jahre 1998 begann Samsung die Produktion und den Verkauf von Plasmafernsehern, im Jahr 2000 folgte Panasonic und war bis 2012 der Marktführer für Plasmafernseher.

2014: Ende der Massenproduktion

Anfang 2008 gab der TV-Hersteller Pioneer bekannt, künftig auch LCD-TVs anzubieten, seine Plasma-Panels nicht mehr selbst herzustellen und diese zukünftig von Panasonic (Matsushita) zu beziehen. Pioneers letzte Generation des High-End-Fernsehers Kuro wie beispielsweise der Pioneer Kuro KRP-600A gilt unter Experten unter allen Plasmafernsehern bis heute als Referenz für Bildqualität. Im September 2008 kündigte auch Hitachi an, die Panel-Fertigung einzustellen. Der japanische Elektronikhersteller Pioneer zog sich endgültig 2009 aus der Produktion von Plasma-Fernsehern zurück. Letztlich verblieb Panasonic als letzter japanischer Hersteller von Plasma-TVs. Mit der letzten Plasma-Fernseher-Generation von Panasonic, der 60er Serie wie dem TC-P60ZT60, TC-P60VT60 und TC-P60ST60 kündigte der Hersteller an, den Pioneer Kuro KRP-600A als Bildqualität-Referenz abgelöst zu haben. So wurden beispielsweise 2013 vom TV Shootout, einem jährlich Fernsehneugeräte-Wettkampf in Städten wie New York, London oder Las Vegas, von einer Jury von Experten und einem Publikum die Fernseherserien Panasonic ZT60 und die Samsung F8500 für die beste Bildqualität unter allen Neugeräten (LCD-, LED- und Plasmafernseher) am Markt geehrt. Der Panasonic erhielt vom Publikum sowie der Experten-Jury die bessere Schwarzwert- und Farbbewertung, der Samsung erhielt vom Publikum und der Panasonic von der Experten-Jury im Gesamtergebnis die beste Bewertung. 2013 stellte auch Panasonic die Produktion von Plasmafernsehern ein, 2014 folgten die koreanischen Hersteller Samsung und LG. Alle Hersteller begründeten den Stopp der Produktion mit der Weiterentwicklung und der viel höheren Nachfrage nach Flüssigkristall-LED-Fernsehern und OLED, weshalb sich die Weiterentwicklung und Produktion von Plasmabildschirmen für die Hersteller nicht mehr lohne, obwohl Panasonic, welche auch gleichzeitig LCD-Fernseher herstellten, die Plasma-Technologie, bis dahin und innerhalb ihrer Produkte, als die Referenz für Bildqualität angab.

2020: Objektiver Vergleich zu neuen OLED

In einem 21 minütigem Youtube zeigt der Fernsehexperte Vincent Teoh von der Firma HDTVTest eindrucksvoll, dass Plasmafernseher (Panasonic ZT65 aus 2013) immer noch mit OLED-Fernsehern (Panasonic HZ2000 aus 2020) mithalten können, teilweise und unter bestimmten Bedingungen diesen sogar noch überlegen sind. Als Fazit zählt er allerdings am Ende des Videos zusammenfassend die vielen Vorteile von OLED auf wie z. B. bessere Spitzenhelligkeiten, bessere Schwarzwerte und die weiter ansteigende Anzahl an 4K und 8K UHD HDR wide color gamut Inhalten, und verdeutlicht, dass er allgemein davon überzeugt ist, dass OLED-Bildschirme mittlerweile den Plasmabildschirmen überlegen sind.

Eigenschaften

Vorteile gegenüber LED-LCD

• Prinzipbedingter Vorteil der Plasma-Technologie ist der vertikal und horizontal nahezu unbegrenzt große Blickwinkel ohne Farb- und Kontrastbeeinträchtigungen.
• Ein weiterer Vorteil ist die extrem kurze Reaktionszeit der einzelnen Bildzellen, welche im Nanosekunden-Bereich liegt, wodurch die Bewegungsschärfe deutlich besser als bei Flüssigkristallanzeigen (LED-LCD) ist. Ein Grund warum sie als sehr geeignet für E-Sports angesehen wurden.
• Der deutlich höhere Kontrast und die tieferen Schwarzwerte galten lange Zeit als Hauptvorteil von Plasmabildschirmen. Durch die deutlich tieferen und detailreicheren Schwarzwerte der Plasmageräte werden diese in dunklen Räumen subjektiv als kontraststärker und Bilder mit dunklen Inhalten als detailreicher dargestellt empfunden. Dies ist heute allerdings nicht mehr allgemein gültig. Der statische Kontrast bei der letzten Generation Plasmafernsehern schwankte je nach Gerät zwischen 500:1 und 6.000.000:1 wie beim Panasonic Plasma TX-P60ZT60 aus dem Jahre 2013. Der statische Kontrast bei LCD-Fernsehern variiert ebenfalls von Gerät zu Gerät stark und kann heute zwischen 500:1 und 1.000.000:1 liegen wie beim LG 86 Zoll 8K QNED Mini LED TV mit 2.500 local dimming zones aus dem Jahre 2021. Der Grund dafür ist die Weiterentwicklung der LC-Schicht und der aufwändige Einsatz von Full Array Mini LED mit Local Dimming, denn mit genügend Dimmzonen der Hintergrundbeleuchtung können bei LCD-Fernsehern ebenfalls sehr hohe und detailreiche Kontraste mit tiefen Schwarzwerten erzielt werden. Weil aber die Anzahl der dimming zones deutlich kleiner als die Anzahl der Pixel ist, können erkennbare Blooming-Nebeneffekte entstehen und die Fernseher sind durch den komplexeren Aufbau teuerer.
• Die deutlich bessere Farbdarstellung galt lange Zeit als Hauptvorteil von Plasmabildschirmen. Dies ist heute allerdings nicht mehr allgemein gültig. Die Farbdarstellung der LCD-Bildschirme konnte sich in den letzten Jahren anhand von IPS-Panel und Quantum Dots deutlich verbessern.

Durch neue Entwicklungen und Technologien bei OLED- und Flüssigkristallanzeigen durch Full Array Local Dimming in Kombination mit Dual Layer und Quantum Dots, die etwa zwischen 2017 und 2021 eingeführt wurden, können nun mit LED-LCDs extrem hohe Kontraste, tiefe und detailreiche Schwarzwerte und eine sehr gute Farbdarstellung erzielt werden, sodass Plasma-Geräte, welche seit 2014 nicht mehr hergestellt werden, mittlerweile (2021) kaum noch Vorteile gegenüber sehr hochwertigen LCD-Geräten und fast keine Vorteile gegenüber OLED mehr haben.

Nachteile gegenüber LED-LCD

• Durch die deutlich höhere Leuchtkraft der LED-Hintergrundbeleuchtung können LCD-Geräte vor allem bei Tage subjektiv als kontraststärker empfunden werden.
• Früher wurde angegeben, dass Plasmadisplays nach durchschnittlich 30.000 Stunden sichtbar an Leuchtkraft verlieren (was einige Kaufinteressenten zu einem LCD tendieren ließ); im Jahr 2011 wurde ein Wert von 60.000 Stunden genannt. Dagegen verlieren LED-Bildschirme nach 20.000 Stunden nur leicht an Leuchtkraft.
• Der Stromverbrauch eines Plasmabildschirms hängt – anders als bei LCD-Fernsehern – stark vom dargestellten Bild ab und verhält sich dynamisch: Ein dunkles Motiv verbraucht wesentlich weniger Strom als ein helles. Tendenziell hatten 2014 LED-LCD-Geräte die deutlich niedrigeren Energieverbräuche und bessere Energielabels.
• Nachteile gegenüber LCD-Geräten sind u. a. die Gefahr einbrennender und das Nachleuchten statischer Bildinhalte. Dieses Problem haben auch OLED-Geräte.
• Plasmabildschirme sind durch das Plasmarauschen (unkontrollierte Gasentladungen der Pixel) minimal unschärfer als LED-LCD-Geräte.
• Es können in sehr seltenen Fällen Phänomene wie das line bleeding auftreten. Dies ist jedoch auch bei LCDs in selteneren Fällen zu beobachten.
• LCD-Geräte können ohne Glas gefertigt werden.
• Nach Berichten von Funkamateuren senden Plasmabildschirme breitbandige elektromagnetische Strahlungen aus, die im näheren Umkreis den Empfang im Mittel- und Kurzwellenbereich stören. Sie selbst sind – anders als Röhrengeräte – unempfindlich gegenüber Magnetfeldern. Deshalb kann man auch Lautsprechersysteme mit nicht abgeschirmten Magneten unmittelbar neben dem Bildschirm platzieren, ohne Bildstörungen zu verursachen.
• Bedingt durch das Zünden und der Gasentladung, u. a. realisiert mit einer Drosselspule, entstehen bei Plasmafernseher leichte Lärmgeräusche, die als "Surren, Sirren, Pfeifen" beschrieben werden, welche auch je nach Bildinhalt variieren können. Ähnliche Lärmquellen hat man manchmal bei Netzteilen, Leuchtstoffdeckenleuchten oder Grafikkarten.
• Zum letzten Entwicklungsstand konnten kleine hochauflösende Bildschirme nicht hergestellt werden, da die Pixel eine Mindestgröße benötigen. Auch Standardgrößen mit einer 4K UHD-Pixelauflösung konnten noch nicht realisiert werden.

Nachteile gegenüber OLED

• OLED-Bildschirme sind leichter und dünner im Vergleich zu Plasma-Displays.
• Niedrigere Helligkeiten.
• Etwas schlechtere Schwarzwerte, da die Pixel auch im ausgeschalteten Zustand während des Betriebs gezündet werden müssen, so dass diese ein sehr leichtes Restlicht emittieren. OLED-Pixel dagegen können auch im Betrieb komplett ausgeschaltet werden.
• Plasma-Bildschirme haben eine höhere Verlustleistung und dadurch einen höheren Stromverbrauch. Dieser Unterschied besteht ebenfalls zwischen hausgebräuchliche Leuchtstofflampen und LED-Lampen.
• OLED-Geräte können ohne Glas gefertigt werden.
• Es können in sehr seltenen Fällen Phänomene wie das line bleeding auftreten. Dies ist jedoch auch bei OLED in selteneren Fällen zu beobachten.
• Plasmabildschirme sind durch das Plasmarauschen (unkontrollierte Gasentladungen der Pixel) minimal unschärfer als OLED-Geräte.
• Bedingt durch das Zünden und der Gasentladung, u. a. realisiert mit einer Drosselspule, entstehen bei Plasmafernseher leichte Lärmgeräusche, die als "Surren, Sirren, Pfeifen" beschrieben werden, welche auch je nach Bildinhalt variieren können. Ähnliche Lärmquellen hat man manchmal bei Netzteilen, Leuchtstoffdeckenleuchten oder Grafikkarten.
• Zum letzten Entwicklungsstand konnten kleine hochauflösende Bildschirme nicht hergestellt werden, da die Pixel eine Mindestgröße benötigen. Auch Standardgrößen mit einer UHD-Pixelauflösung konnten noch nicht realisiert werden.

Marktsituation 1997–2014

Bis Anfang der 2000er Jahre waren Plasmabildschirme die beliebteste Wahl für HDTV-Flachbildschirme, da sie viele Vorteile gegenüber damaligen LCDs hatten. Neben dem tieferen Schwarzwert hatten sie einen höheren Kontrast, eine schnellere Reaktionszeit, ein größeres Farbspektrum und einen breiteren Betrachtungswinkel. Außerdem wurden sie mit größeren Bildschirmdiagonalen als die verfügbaren LCDs angeboten. 2006 wurden in den USA mehr LCD- als Plasma-Flachbildfernseher verkauft. 2007 waren von den 4,4 Millionen verkauften Flachbildschirmen 3,9 Millionen LCDs. Im Jahr 2012 lag der Marktanteil von Plasmabildschirmen nur noch bei 5,7 %. Das entspricht einem Rückgang von 23 % seit 2011. Der geringe Marktanteil war auch dadurch bedingt, dass Plasmabildschirme erst ab einer Größe von 42 Zoll (etwa 106 cm) angeboten wurden.

War Panasonic im Jahr 2009 noch weltweit größter Hersteller von Plasmadisplays (39 % Marktanteil; es folgten Samsung mit 31 % und LG mit 22 %), betrug der Marktanteil im Jahr 2012 nur noch 16,5 % und somit weit abgeschlagen hinter dem Hauptkonkurrenten Samsung (51,9 %).

Alternativen zu Plasmabildschirmen

Mögliche Alternativen zum Plasmabildschirm hängen stark vom Verwendungszweck ab.

Als „normaler“ Fernseher sind LCD-Fernseher mit CCFL- oder LED-Hintergrundbeleuchtung eine häufig gewählte Alternative. Herkömmliche CRT-Bildschirme (engl.: Cathode Ray Tube) können nicht in derart großen Formaten hergestellt werden, da die zum Erreichen der mechanischen Stabilität erforderliche Bildschirmmasse (Glasdicke) stark zunimmt. Bei gegebener Bautiefe sind auch Konvergenzfehler (Farbverschiebungen) und Linearitätsfehler (Verzerrungen) zunehmend schwerer zu beherrschen.

Bei Großbildschirmen ist eine Alternative die Projektion (Beamer) auf eine weiße Wand oder eine spezielle Leinwand. Die so erzeugten Bilder haben einen geringeren Kontrast als die Bilder eines LCD- oder erst recht als die eines Plasmafernsehers.

Plasma Addressed Liquid Crystal (Abkürzung: PALC) ist eine Technik für Flachbildschirme, die Elemente der Plasmabildschirme und der LCDs (Liquid Crystal Displays) enthält bzw. in sich vereint. Sie verwendet Plasmaschalter (statt wie beim TFT-Bildschirm Transistoren) zur Ansteuerung eines LCD-Bildschirms.

2011 wurde die Bildschirmtechnik OLED durch einige Smartphones bekannt und gelten seither im Fernseherbereich als die Referenz für Bildqualität.

Etwa seit 2019–2021 wurde von den Herstellern neue Typen von LED-Fernsehern vorgestellt, die Dual-Cell, Mini-LED und Micro-LED Technologie, welche ebenfalls als Alternative zu Plasmafernseher und als Alternative zu OLED gelten.

Literatur

• L. S. Polak: Plasma Chemistry, Cambridge International Science Publications, 1998, ISBN 1-898326-22-3.
• Michael Kaufmann: Plasmaphysik und Fusionsforschung, Teubner, Stuttgart/Leipzig/Wiesbaden, 2003, ISBN 3-519-00349-X.
• David Macaulay, Neil Ardley: Macaulay’s Mammut-Buch der Technik, Tessloff Verlag, Nürnberg 1988.

Weblinks

 Commons: Plasmabildschirm – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Karl-Gerhard Haas: Plasma-TVs: Tolle Technik in der Sackgasse. In: Heise online. 15. Oktober 2021, abgerufen am 27. Oktober 2021. 

Videos

• OLED vs Plasma TV Comparison (Incl. Motion, Brightness, HDR vs SDR), HDTVTest (englisch), 2020 auf YouTube
• How do plasma TVs work? James May Q&A Head Squeeze. BBC Earth Lab (englisch), 2013 auf YouTube
• 2013 HDTV Shootout – Final Results. TV Shootout (englisch), 2013 auf YouTube
• LCD- und Plasmatechnik und deren Grundprinzip im Vergleich. GROBI.TV, 2010 auf YouTube