Von der TV Kathodenstrahlröhre zum LED Flatscreen

 Kathodenstrahl-Bildröhre der guten alten Röhrenzeit. Bitte beachten Sie das große Volumen bzw. das enorme Gewicht 

Saba Farbfernseher mit 4:3 Bildröhre und 7-fach Preomat zum Speichern von 7 TV Sendern

In der Vergangenheit wurde zur Darstellung von Bildern im Fernsehen die Kathodenstrahlröhre, auch als CRT (cathode-ray-tube) bekannt, verwendet. Diese Technologie wurde weitgehend von verschiedenen Flachbildschirm-Systemen abgelöst. Dennoch finden Kathodenstrahlröhren weiterhin Anwendung in vielen Labors für die Anzeige von Signalen, insbesondere in Oszilloskopen. Diese Geräte arbeiten mithilfe von Vakuumröhren, die spezielle Elektrodensysteme enthalten. Durch die Ablenkung eines Elektronenstrahls wird ein Bild erzeugt, indem der Strahl auf eine innenliegende leuchtende Beschichtung trifft und diese dazu bringt, sichtbares Licht abzugeben.

Demonstrationsmodell einer Kathodenstrahlröhre

Die folgende Grafik zeigt schematisiert das Elektrodensystem einer schwarz-weiß Fernsehbildröhre. Der Heizdraht mit den Anschlüssen H erhitzt indirekt den Belag der Kathode K. Im Betriebsfall erhält sie negatives Potenzial und sendet ungerichtet thermische Elektronen aus. Vorne rechts ist die Anode A mit sehr hohem positiven Potenzial. Monochromatische Elektronenstrahlröhren arbeiteten mit Anodenspannungen um 16 kV. Für Farbbildröhren und Monitore sind maximal 27 kV erlaubt. Oszilloskope werden mit ca. 10 kV Anodenspannung betrieben.

Das alte 4:3 Bildformat der Bildröhren wird zu 16:9 

Durch die Anwendung einer Hochspannung werden die Elektronen von der Kathode zur Anode beschleunigt. Direkt nach der Kathode befindet sich das Steuergitter G1, welches in der Kathodenstrahlröhre als Wehneltzylinder bezeichnet wird. Es handelt sich um ein zylinderförmiges Röhrchen mit einem kleinen Loch in Richtung der Anode, durch das die Elektronen austreten. Wenn das Potenzial des Steuergitters im Vergleich zum Kathodenpotenzial stark negativ ist, werden die ebenfalls negativen Elektronen daran gehindert, den Wehneltzylinder zu verlassen. Dadurch kann der Elektronenstrom zur Anode und somit seine Intensität gesteuert werden. Bei konstantem Kathodenpotenzial bestimmt das Potenzial am Wehneltzylinder die Helligkeit des erzeugten Bildes. Eine ähnliche Steuerung findet man in Verstärkern, die Elektronenröhren anstelle von Transistoren verwenden. Änderungen der Potenziale zwischen der ersten Gitterelektrode und der Kathode beeinflussen die Verstärkung der Röhre.

Elektrodensystem mit Focussierung

Nachdem die Elektronen den Wehneltzylinder passiert haben, verteilen sie sich in Richtung der Anode. Auf dem Weg zum Bildschirm ist es jedoch erforderlich, den Elektronenstrahl zu bündeln. Dies ist entscheidend für eine scharfe Darstellung des Strahls und eine präzise Signalwiedergabe auf dem Bildschirm. Die Gitteranordnungen, die auf den Wehneltzylinder folgen, bilden ein elektronenoptisches System zur Fokussierung des Strahls. Dabei handelt es sich um Metallzylinder mit den Bezeichnungen G2 bis G5, die unterschiedliche Potenziale aufweisen. Das Gitter G2, auch als Schirmgitter bezeichnet, hat eine positivere Ladung als G1, aber eine deutlich negativere Ladung als G3. G3 ist der erste Teil der Anode und ist leitend mit der eigentlichen Ringanode G5 verbunden. G5 wiederum ist über Kontaktfedern mit dem Anodeninnenbelag und dem äußeren Anodenanschluss der Bildröhre verbunden. Zwischen G3 und G5 befindet sich das Fokussiergitter G4. Sowohl die Spannung am Schirmgitter als auch die Fokusspannung können eingestellt werden.

Die statische Fokussierung des Strahls wird durch das Potenzial am Gitter G4 bestimmt. Wenn sich die Bildhelligkeit stark verändert, wirkt sich dies auf die eingestellte Fokussierung aus. Mit zunehmender Helligkeit wird G1 positiver, was dazu führt, dass die Elektronen stärker in das elektronenoptische System beschleunigt werden. In diesem Fall reichen die elektrostatischen Feldkräfte nicht mehr aus, um den Strahl präzise auf den optimalen Fokuspunkt vor der Leuchtschicht abzulenken. Dadurch wird der Leuchtpunkt zu einer unscharfen Kreisfläche. Um diesen Effekt auszugleichen, kann ein Regelkreis eingesetzt werden, der abhängig von der Bildhelligkeit dynamisch das Potenzial am Gitter G2, dem Schirmgitter, anpasst.

Nach der Fokussierung folgt die ringförmige Anode, auch als Gitter G5 bezeichnet. Dieses Gitter besitzt ein hohes positives Potenzial im Vergleich zur Kathode. Die Elektronen fliegen beschleunigt durch G5 hindurch und treffen fokussiert auf den Leuchtschirm.

 Symbolische Darstellung einer Bildröhre:

1. Elektrische Anschlüsse   2. RGB-Strahlengang   3. Statische bzw. magnetische Ablenkung   4. Ablenkspulen   
5. Anodenanschluss  6. Delta-Lochmaske   7. Phosphor-Leuchtschicht   8. RGB- Bildpunkte

 Aus einzelnen Roten, Grünen und Blauen Bildpunkten wird - bei gleicher Intensität - ein weißer Bildpunkt. Und aus den vielen Bildpunkten gleicher oder  unterschiedlicher Intensität wird der Bildgesamteindruck.

Um das Bild oder das Signal darzustellen, muss der Elektronenstrahl auf seinem Weg von Gitter 5 zur Leuchtschicht abgelenkt werden. Wenn die Elektronen eine niedrige Geschwindigkeit haben, reichen geringere Ablenkspannungen oder Ablenkströme aus. In Kathodenstrahlröhren wurde zusätzlich zur langen Strecke bis zur Leuchtschicht eine Nachbeschleunigung durch die Anodenhochspannung implementiert. Dieses Nachbeschleunigungssystem, das in Bildröhren als eigentliche Anode dient, besteht häufig aus einer spiralförmigen Grafitbeschichtung im Inneren des Röhrenkolbens. Diese Grafitbeschichtung fungiert gleichzeitig als Auffangelektrode für die Elektronen des Kathodenstrahls, nachdem sie auf dem Leuchtschirm aufgetroffen sind. Die elektrisch leitenden Gitter G3 und G5 sind über Federkontakte mit dieser Grafitbeschichtung verbunden. Ihr elektrischer Widerstand teilt die hohe Anodenspannung von bis zu 27 kV auf das niedrigere positive Potenzial von G5 herunter.

Strahlablenksysteme

Nachdem der Elektronenstrahl fokussiert wurde, trifft er ohne Ablenkung auf die Leuchtschicht in der Mitte des Bildschirms. Um das Bild oder das Signal darzustellen, muss der Strahl sowohl horizontal als auch vertikal schnell genug über den sichtbaren Bildschirm geführt werden. Wenn der Elektronenstrahl auf die Leuchtschicht trifft, wird der entsprechende Bildpunkt zum Leuchten angeregt. Aufgrund der kurzen Nachleuchtdauer bleibt der Punkt für unser relativ träge Auge sichtbar, bis der Strahl erneut über die Leuchtschicht geführt wird.

Die Ablenkung des Strahls kann sowohl durch elektrische als auch magnetische Felder erfolgen. Fernseh- und Monitorröhren haben einen großen Bildschirm mit einem kurzen Röhrenhals. In diesen Röhren wird der Elektronenstrahl durch starke magnetische Felder abgelenkt. Bei den deutlich kleineren Bildröhren in Oszilloskopen hingegen, die einen langen Hals haben, erfolgt die Ablenkung durch schwächere elektrische Feldkräfte.

Magnetisches Ablenksystem

Das Bild zeigt eine Ablenkeinheit für eine kleinere Schwarz-Weiß-Bildröhre. Auf einem gemeinsamen Ferritkörper sind zwei verschiedene Spulensysteme zu sehen. Diese Ablenkeinheit wird von außen auf den Hals der Röhre geschoben und vor dem Konus zum Bildschirm befestigt. Die horizontale Ablenkung wird durch die inneren Sattelspulen realisiert. Diese Spulen werden vom Ablenkstrom durchflossen, wobei der Strom in die gleiche Richtung fließt. Das erzeugte Magnetfeld steht senkrecht zur Ablenkrichtung.

Die Vertikalablenkung wird durch die Toroid- oder Ringspulen erzeugt, die sich unterhalb der Sattelspulen befinden und um den Ferritkern gewickelt sind. Diese Spulen werden vom Ablenkstrom in entgegengesetzter Richtung durchflossen. Dadurch liegen die gleichnamigen Magnetpole der Spulen zusammen und bilden ein horizontales Magnetfeld, das senkrecht zur vertikalen Ablenkrichtung steht.

Die Ablenkung durch Magnetfelder erfordert hohe Ablenkströme. Die Spulensysteme verbrauchen Leistung und funktionieren effektiv nur innerhalb eines engen Frequenzbereichs. Ein Nachteil besteht darin, dass die nutzbare Ablenkenergie nur in einem begrenzten Bereich gewährleistet werden kann. Mit zunehmender Ablenkfrequenz nimmt der induktive Widerstand der Ablenkspulen zu und verringert die nutzbare Ablenkenergie für den Elektronenstrahl. Ein Vorteil besteht darin, dass selbst bei einem großen Bildschirm die Länge der Bildröhre relativ kurz bleiben kann.

Die elektrostatische Ablenkung

Im Oszilloskop mit CRT (Kathodenstrahlröhre) erfolgt die Ablenkung des Elektronenstrahls durch elektrische Felder. Das Ablenksystem befindet sich innerhalb der Elektronenstrahlröhre und besteht aus Kondensatorplatten, durch die der Elektronenstrahl geführt wird. Die Leistung, die für die Ablenkung benötigt wird, ist vernachlässigbar gering, da bei Änderungen des elektrischen Feldes kaum Strom fließt. Die Ablenkung durch elektrische Felder ermöglicht große Bandbreiten. Die Ablenkempfindlichkeit wird als Verhältnis zwischen der Ablenkung in Millimetern und der Ablenkspannung in Volt definiert.

In Oszilloskopen sind die Y-Platten, die zur Darstellung der Amplitude dienen, in der Nähe der Kathode angeordnet. Das Potenzial des Elektrodensystems in diesem Bereich beträgt nahezu Null, wodurch hohe Ablenkempfindlichkeiten erreicht werden können. Die Kondensatorplatten der X-Ablenkung für die Zeitachse befinden sich näher zum Bildschirm. Die erreichbare Ablenkempfindlichkeit ist dort geringer, da die Elektronen durch das nachfolgende Nachbeschleunigungssystem mit zunehmender kinetischer Energie die Ablenkung durchlaufen. 

Das elektronenoptische System

Die Skizze veranschaulicht das Prinzip der Bündelung eines Elektronenstrahls durch elektrische Felder, die eine elektronenoptische Linse bilden. Es sind zwei ineinandergeschobene Röhrchen zu sehen, die unterschiedliche Gleichspannungspotenziale aufweisen. Die äußere Elektrode repräsentiert das Gitter G3 der Oszilloskop-CRT und hat eine positivere Ladung als die innere Elektrode, die das Fokussiergitter G2 darstellt. Die Feldlinien verlaufen von Plus nach Minus.

Wenn das elektrostatische Feld mit einer Messsonde untersucht wird und alle Punkte gleicher Potenziale miteinander verbunden werden, ergibt sich der Verlauf der Äquipotenziallinien. Diese Linien stehen senkrecht auf den Feldlinien. An den Stellen, an denen der Elektronenstrahl hindurchgeht, ähnelt das Muster der Äquipotenziallinien dem einer optischen bikonvexen Sammellinse. Genau wie eine Sammellinse Lichtstrahlen im Brennpunkt zusammenführt, führt das elektrische Feld die eintretenden Elektronenstrahlen im Brennpunkt zusammen. Durch Veränderungen der Potenziale kann der Brennpunkt in horizontaler Richtung verschoben werden.

Strahlablenkung – mathematische Betrachtung

Die thermischen Elektronen werden in x-Richtung zum Bildschirm hin beschleunigt durch die Anodenspannung. Sie erhalten ihre kinetische Energie aus dem elektrischen Feld zwischen Kathode und Anode. Mit der Geschwindigkeit vx gelangen sie in das elektrische Feld des Ablenkkondensators. In x-Richtung bleibt ihre gleichförmige Bewegung erhalten, da in dieser vereinfachten Betrachtung keine Nachbeschleunigung berücksichtigt wird. Das homogene elektrische Feld im Ablenkkondensator wird durch die Ablenkspannung und den Plattenabstand des Kondensators bestimmt. Die eintreffenden Elektronen werden durch die Feldkraft im Kondensator in y-Richtung beschleunigt. Die Flugzeit im elektrischen Feld hängt von der konstanten Horizontalgeschwindigkeit und der Länge der Kondensatorplatten ab.

Nachdem die Elektronen den Kondensator verlassen haben, bewegen sie sich gleichförmig in x- und y-Richtung, bis sie auf den Schirm treffen. Die Geschwindigkeitskomponenten in x- und y-Richtung bleiben konstant. Die Austrittsgeschwindigkeit kann aus der ersten Ableitung der Funktion y(t) nach der Zeit bestimmt werden. Die Flugzeit kann aus der Horizontalgeschwindigkeit und dem Abstand zum Schirm berechnet werden. Mit dieser Flugzeit kann die vertikale Strecke in y-Richtung ermittelt werden. Die Summe dieser beiden y-Werte ergibt die Gesamtauslenkung aus der Horizontalen.

In den letzten Jahren wurden neue Technologien entwickelt, die die Kathodenstrahlröhre (CRT) weitgehend abgelöst haben. Dazu gehören Techniken wie Elektrolumineszenz, Vakuumfluoreszenz, LED und Plasma, bei denen durch elektrische Felder und Entladungen Licht erzeugt wird. Besonders erfolgreich hat sich die Anzeigetechnologie mit Flüssigkristallen (LCD) bei TFT-LCD-Bildschirmen etabliert. Es werden sowohl die Funktionsweise einer LCD-Zelle mit passiver Matrix, die als Vorläufer der heutigen aktiven Matrix TFT-LCD-Zellen gilt, als auch die Arbeitsweise von TFT-LCD-Projektoren beschrieben.

Diese neuen Technologien haben viele Vorteile gegenüber CRTs, wie zum Beispiel dünnere Bauweise, geringerer Energieverbrauch, höhere Auflösung und breitere Betrachtungswinkel. Sie haben zu einer revolutionären Veränderung in der Display-Industrie geführt und sind heutzutage in den meisten Fernsehern, Monitoren, Smartphones und anderen elektronischen Geräten zu finden.

Die Flüssigkristalltechnik

Das LCD (Liquid Crystal Display) oder Flüssigkristallanzeige wurde in den frühen 1970er Jahren entwickelt und fand zunächst Anwendung in einfarbigen, monochromen Anzeigeeinheiten. Zu den ersten Einsatzgebieten gehörten Messgeräte, Armbanduhren und Taschenrechner. LCDs sind Reflexionsdisplays und können ohne Fremdlicht schwer lesbar sein. Das einfallende Licht durchläuft ein Polarisationsfilter und wird von einem rückwärtigen Spiegel reflektiert. Dazwischen befinden sich Flüssigkristalle in einer dünnen Zelle aus planparallelen Glasscheiben, die mit einem elektrisch leitenden Raster versehen sind. An den Kreuzungspunkten des Rasters befinden sich kleine Kondensatoren, deren Ladungszustand durch das Anlegen einer Steuerspannung verändert werden kann. Unter dem Einfluss elektrischer Felder ändert sich die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle, wodurch sie im einfallenden Licht transparent, undurchsichtig oder in anderen Farben erscheinen können. Auf dem Display wird ein elektrisch gesteuertes Bild dargestellt. LCD-Anzeigen erzeugen kein eigenes Licht.

Einige Flüssigkristalle reflektieren je nach Ausrichtung ihrer Moleküle die unterschiedlichen Wellenlängen des einfallenden Lichts und erscheinen dadurch farbig. Die Ausrichtung der Flüssigkristalle kann auch von der Temperatur abhängen, was eine Eigenschaft ist, die bei Folienthermometern genutzt wird.

Was sind Flüssigkristalle?

Es gibt tatsächlich eine gewisse Paradoxie im Begriff "Flüssigkristall", da Flüssigkristalle sowohl Eigenschaften von Flüssigkeiten als auch von Festkörpern aufweisen. Gemäß der konventionellen Physik werden Materialien normalerweise als fest, flüssig oder gasförmig klassifiziert. Flüssigkristalle sind jedoch eine besondere Art von organischen chemischen Verbindungen, die aus langgestreckten, stäbchenförmigen bis ovalen Molekülen bestehen, die in der Regel Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthalten.

Bei Raumtemperatur verhalten sich Flüssigkristalle wie Festkörper, bei denen sich die Moleküle relativ frei aneinander vorbei bewegen können, ähnlich wie in einer Flüssigkeit. Die Flüssigkristallteilchen haben jedoch eine Tendenz, sich untereinander gleichartig auszurichten, ähnlich wie in einem festen Kristallgitter.

Diese besonderen Eigenschaften treten nur innerhalb eines bestimmten Temperatur- und Druckbereichs auf. Bei höheren Temperaturen oder niedrigerem Druck geht die gerichtete Anordnung verloren und die Moleküle verhalten sich wie normale Flüssigkeiten. Bei niedrigen Temperaturen oder hohem Druck hingegen verlieren die Moleküle ihre Fähigkeit zur gegenseitigen Verschiebung und der Flüssigkristall erstarrt zu einem herkömmlichen Festkörper. Flüssigkristalle werden in verschiedene Klassen unterteilt, darunter cholesterische, nematische und smektische Phasen, die unterschiedliche räumliche Anordnungen der Moleküle beschreiben. Die Abbildung zeigt die grundlegende Anordnung der Flüssigkristallphasen. Die Moleküle ordnen sich in einer sehr regelmäßigen Struktur ähnlich einem Kristallgitter an, sind jedoch immer noch frei beweglich und zeigen flüssigkeitsähnliches Verhalten. In LCD-Displays findet insbesondere die nematische Phase aufgrund ihrer höheren Beweglichkeit und damit schnelleren Reaktionszeit Anwendung.

Nematische Phase

Die Moleküle sind ausgerichtet und bilden keine Schichtstrukturen.

Smektische Phase

Die Moleküle sind in Schichten angeordnet und dazu senkrecht ausgerichtet.

Cholesterinische (cholesterische) Phase

Die Moleküle sind schichtweise orientiert und die Schichten sind in sich schraubenartig verdreht.

Eine besondere Eigenschaft von Flüssigkristallen besteht darin, dass sie zusätzlich dazu neigen, sich entlang einer gegebenen Oberflächenstruktur auszurichten. Wenn zwei Platten mit einer Rillenstruktur rechtwinklig zueinander angeordnet werden, dann folgt die Ausrichtung der Kristalle kontinuierlich von einer Rillenstruktur zur anderen.

Die optischen Eigenschaften aller LC-Phasen lassen sich durch äußere elektrische und magnetische Felder beeinflussen.

LCD-Zelle mit passiver Matrix

Unpolarisiertes Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen, die in allen Raumebenen schwingen. Durch die Verwendung eines Polarisationsfilters kann eine bestimmte Schwingungsebene herausgefiltert werden, und man erhält linear polarisiertes Licht. Wenn dieses Licht auf einen zweiten Polarisationsfilter, auch als Analysator bezeichnet, trifft, hängt es von der Ausrichtung des Filters ab, ob das Licht durchgelassen wird oder nicht. Stehen die beiden Filter im rechten Winkel zueinander (90°), tritt kein Licht durch den Analysator hindurch. Die meisten Polarisationsfilter absorbieren die Schwingungsebenen des einfallenden Lichts, die sie nicht durchlassen, und wandeln diese Lichtenergie in Wärme um. Neuere Polarisationsfilter mit linearem Aluminiumgitter reflektieren den Großteil des Lichts, dessen Polarisationsebene nicht mit der des Filters übereinstimmt. Dadurch tritt kaum noch Erwärmung auf.

Jede LCD-Zelle besteht aus zwei Polarisationsfiltern, die im rechten Winkel zueinander stehen. Der erste Filter lässt nur linear polarisiertes Licht passieren, während der zweite Filter den Lichtaustritt blockiert. Zwischen den Filtern befindet sich eine Schicht aus Flüssigkristallen. Es ist eine natürliche Eigenschaft der Flüssigkristalle, die Schwingungsebene des Lichts zu drehen. Die Dicke der LC-Schicht ist so bemessen, dass sie in der Lage ist, das Licht zwischen den beiden Polarisationsfiltern um 90° zu drehen. Dadurch kann das Licht den zweiten Polarisationsfilter passieren und der entsprechende Bildpunkt erscheint hell. Wenn die Flüssigkristallmoleküle durch Anlegen eines elektrischen Feldes aus ihrer normalen Position gedreht werden, gelangt weniger Licht durch die Zelle, und der Bildpunkt liefert einen Grauwert. Ab einer bestimmten Feldstärke richten sich die Flüssigkristalle parallel zur Lichtrichtung aus, und kein Licht tritt mehr aus der Zelle aus. Der Bildpunkt erscheint nahezu schwarz.

Die LC-Zellen werden als TN-(twisted nematic), SNT-(super twisted nematic) und DSNT-(double super twisted nematic) Zellen hergestellt. Der Unterschied besteht in der Anzahl der Drehungen (twists) des Lichts innerhalb der LC-Schicht. Die folgende Skizze zeigt die elektrische Ansteuerung der einzelnen Zellen nach dem älteren Prinzip einer passiven Matrix. Oberhalb und unterhalb der Flüssigkristallzellen verläuft ein transparentes Elektrodengitter. An den Kreuzungsflächen entsteht dabei für jede einzelne Zelle ein Kondensator. Eine Steuerelektronik verändert den Ladezustand der Kondensatorzelle und die Kristalle richten sich entsprechend aus. Diese Technik wird bei modernen Flachbildschirmen nicht mehr verwendet.

Um die einzelnen Pixel in den An- bzw. Aus-Zustand zu schalten, wird auf die gesamte Zeilenelektrode ein positiver Impuls gelegt. Die Datenelektroden erhalten gleichzeitig einen positiven oder negativen Impuls. Die Zellen mit hoher Spannung oder entgegengerichteten Impulsen werden aktiviert. Zellen mit niedriger Spannung oder gleichartigen Impulsen sowie nicht adressierte Zeilenelektroden bleiben inaktiv und dunkel. Das hohe lokale elektrische Feld eines Kondensators kann auf nicht aktivierte Nachbarzellen Ladungen übertragen. Dadurch werden auch diese Zellen geringfügig aktiviert. Die sichtbaren Folgen machen sich als Kontrastverlust und als Nachzieheffekte bei schnell bewegten Bildern störend bemerkbar. Letztere werden als 'Crosstalk' bezeichnet.

LCD-Zelle mit aktiver Matrix – Die TFT-LCD Technik

Das aktuelle Prinzip der TFT (Thin Film Transistor)-Technik verwendet eine aktive Matrix für Flüssigkristallanzeigen. Eine dünne Siliziumschicht bedeckt das Flüssigkristallschicht und fungiert als elektrisch leitender Film, der die Eigenschaften eines Transistors für jede Pixelzelle besitzt. Die Transistoren und ihre Steuerelektroden sind auf demselben Substrat angeordnet, was eine präzisere und schnellere Ansteuerung jeder einzelnen Zelle ermöglicht.

Die Transistoren sind mit Adressleitungen für die Zeilen und Spalten verbunden. Das gegenüberliegende Glassubstrat ist mit einer großen transparenten Elektrode versehen, die als gemeinsamer Anschluss für alle Transistoren dient. Wenn eine Zeilenelektrode einen Impuls erhält, werden alle Transistoren in dieser Zeile aktiviert und für die folgende Adressierung vorbereitet. Ein entsprechender Impuls einer Spaltenelektrode schaltet dann die Zelle aktiv. Durch die Ladung des Kondensators bleibt die Zelle in ihrem Zustand, bis der Transistor in einem folgenden Impulszyklus ausgeschaltet wird.

Die Transistoren werden mit einer Sample-and-Hold-Schaltung gesteuert. Jedes Pixel kann im gleichen Schaltzustand gehalten oder verändert werden während des Bildwiederholzyklus. Dadurch werden Ghosting-Effekte vermieden, die Bilder erscheinen brillanter und der Betrachtungswinkel vor dem Display wird größer. Zwischen den Pixeln befindet sich eine undurchlässige Maske, die Streulicht verhindert und das Bild kontrastreicher wirken lässt.

Die Abbildung zeigt den schematischen Aufbau des dünnfilmtransistors als MOS-FET und die elektrische Verschaltung mit der Flüssigkristallzelle. Pixelfehler können auftreten, wenn die Isolierung zwischen den Zeilen- und Spaltenelektroden defekt ist. Im Gegensatz zu passiven Displays befinden sich diese Elektroden auf derselben Seite der Flüssigkristallschicht, wodurch es zu Kreuzungspunkten der Leitungen kommt. Wenn die Isolierung an einem Kreuzungspunkt defekt ist, bleibt der betreffende Bildpunkt entweder dauerhaft an oder aus.

Das dargestellte Bild zeigt einen Ausschnitt eines TFT-LCDs und verdeutlicht, wie farbige Bilder dargestellt werden können. Jedes einzelne Bildpixel besteht aus drei Subpixeln, die jeweils für die Grundfarben Rot, Grün und Blau stehen. Die Farben werden durch spezielle Farbfolien erzeugt, durch die das Licht der aktivierten Pixel fällt. Die RGB-Folie befindet sich unterhalb der Analysatorfolie. Die Farbe des Bildpixels entsteht durch die additive Farbmischung, wenn das Licht durch die drei Subpixel hindurchtritt.

Jedes Monitorpanel ist für eine bestimmte Auflösung entsprechend seiner Pixelzahl konstruiert. Es ist möglich, niedrigere Bildauflösungen darzustellen, aber die Bildschärfe leidet darunter, da die Herabstufung nicht linear erfolgt. Für höhere Auflösungen fehlen hingegen die entsprechenden Pixelzellen, und Softwarelösungen liefern keine zufriedenstellenden Ergebnisse. Ein 15-Zoll-Flachbildschirm hat in der Regel eine optimale Auflösung von 1024 × 768 Bildpunkten. Jeder dieser 786.432 Bildpunkte besteht aus drei Subpixeln, sodass sich insgesamt 2.359.296 Einzelpixel auf dem Display befinden. Es sind auch genau die gleiche Anzahl von Transistoren erforderlich, um sie anzusteuern. Wenn man den Bildschirm mit einer starken Lupe betrachtet, sind die Subpixel erkennbar. Dazwischen verläuft ein feines Liniennetz, das die elektrische Verdrahtung der Transistoren zeigt. Standardmäßig werden 16,7 Millionen Farben und 256 Graustufen unterstützt. Die Reaktionszeit wird mit weniger als 20 ms von Weiß auf Schwarz angegeben. Oftmals sind auch kürzere Reaktionszeiten von etwa 5 ms zu finden, die sich jedoch auf den Wechsel zwischen nicht genormten Grauzuständen beziehen.

Die Darstellungsfläche bei einer 15-Zoll-Bildschirmdiagonale beträgt etwa 70.000 mm². Jedes Subpixel nimmt somit eine Fläche von ungefähr 0,03 mm² ein. Der Transistor beansprucht etwa 10% der Zellenfläche. Die Strukturfeinheit ist enorm, da etwa 333 Transistoren gerade einmal 1 mm² Fläche einnehmen würden.

Die Plasmatechnologie bietet die Möglichkeit, große Bildschirme mit geringer Bautiefe herzustellen. Es gibt zwei verschiedene Techniken: PALC (plasma addressed liquid crystal) und PDP (Plasma Display Panel).

PALC funktioniert ähnlich wie ein LCD-TFT-Panel, verwendet jedoch Plasma anstelle von p-Si-Transistoren zur Ansteuerung. Der Aufbau ähnelt weitgehend dem einer LCD-Anzeige.

Beim PDP bestehen die Plasmabildschirme aus vielen einzelnen Bildpixeln, die sich zwischen zwei Glasschichten befinden. Jedes Pixel besteht aus drei Kammern für die Grundfarben Rot, Grün und Blau (RGB). Jede Kammer ist mit einer Gasmischung gefüllt, die unter vermindertem Druck steht. Die Wände und der Boden der Kammern sind mit Leuchtschichten versehen, die bei Anregung rotes, grünes oder blaues Licht aussenden. Jede Bildzelle funktioniert dabei ähnlich wie eine winzige Leuchtstoffröhre.

Die Lichtausbeute, der Lichtstrom und der elektrische Leistungsbedarf können durch die Auswahl der Gasmischung, den Gasdruck, die Schichtdicke und die Geometrie der Zellen sowie die Form der Elektroden beeinflusst werden.

Die Plasmatechnologie ermöglicht die Darstellung von großen Bildschirmen mit hoher Farbqualität und Kontrast. Sie war insbesondere für große Fernseher und Heimkinoprojektionen beliebt. Allerdings hat sich die LCD-Technologie in den letzten Jahren weiterentwickelt und größtenteils den Markt für Flachbildschirme dominiert. Plasmabildschirme sind seltener geworden und werden zunehmend von OLED-Technologie abgelöst.

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. Erfolgt die Aussendung der Lichtquanten allein durch Fluoreszenz, so sind die Abklingzeiten nach der Anregung mit (1 ... 100) ns sehr kurz. Haben die Luminophore auch geringe phosphoreszierende Eigenschaften, wie bei den Leuchtschichten der CRT und Leuchtstofflampen, kann die Nachleuchtdauer auch einige 100 μs bis 1 ms lang sein. 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

Unten sehen Sie eine Darstellung, die den grundlegenden strukturellen Aufbau eines Bildpixels veranschaulicht. Dieser besteht aus drei Plasmazellen, die jeweils für verschiedene Farben zuständig sind.

Die elektrischen Leitungen, die sich horizontal und vertikal kreuzen, sind in einem rechtwinkligen Muster angeordnet. Durch eine Impulsgebung auf der Datenleitung wird das Gemisch aus Gas in der angesteuerten Zelle zu einem Plasma entzündet. Die Zelle emittiert Licht gemäß der obigen Skizze für die Blau-Kammer. Durch einen entgegengesetzten Impuls wird die Zelle gelöscht.

Die PDP-Zellstruktur wurde weiterentwickelt, um Verbesserungen zu erzielen. In der ersten Generation gab es nur eine horizontale Trennung zwischen den RGB-Zellen durch Separator Ribs. Inzwischen werden die Displays als geschlossene Zellen hergestellt, die von allen Seiten abgedichtet sind. Dadurch entstehen an den vertikalen Ribs zusätzliche Flächen, auf denen die Leuchtschicht aufgebracht werden kann, was zu einer erhöhten Lichtausbeute führt. Eine ähnliche Wirkung kann auch durch eine größere Zellentiefe erzielt werden.

Die ursprüngliche Bauweise hatte technologische Gründe. Beim Exhaust-Process, bei dem das Display evakuiert und anschließend das Gasgemisch eingefüllt wurde, wirkte die streifenförmige Struktur wie ein Schornstein. Dieser Prozess dauerte mehrere Stunden bei hohen Temperaturen von mehreren Hundert Grad. Die geschlossene Zellenstruktur erschwert diesen Schritt. Um den Prozess dennoch durchführen zu können, mussten Kanäle für die Zellen vorgesehen werden, und es wurden poröse Materialien für die Separatoren entwickelt. Das folgende Bild zeigt einen Ausschnitt eines modernen Plasmabildschirms mit geschlossenen Zellen.

Die Bildschirmgröße

Auf der Internationalen Funkausstellung (IFA) in Berlin im Jahr 1995 wurden die ersten Prototypen von Plasmabildschirmen vorgestellt. Diese hatten eine Bildschirmdiagonale von etwa 55 cm. Auf der IFA 1997 wurden dann die ersten marktreifen Geräte präsentiert. Ihre sichtbare Diagonale betrug 107 cm, was etwa 42 Zoll entspricht. Dieses Maß wurde bewusst gewählt, da die Bildschirme damit größer waren als die CRT-Fernsehgeräte mit einer Diagonale von 81 bis maximal 92 cm und nur geringfügig kleiner als die bereits erhältlichen großen Rückprojektions-Fernseher mit 127 cm. Größere Zellstrukturen sind vorteilhaft für Plasmabildschirme. Von Anfang an wurde eine Pixel-Auflösung von 852 x 480 Bildpunkten (Bildpunkte pro Zeile x Zeilen) verwendet, was zu einer Bildpunktgröße von etwa 1 mm² führt.

Die Entwicklung bei der Bildpunktzahl - Stand 2020

Sowohl die anfängliche Bildschirmgröße als auch die gewählte Auflösung der Bildpunkte erwiesen sich als passend. Die 480 Zeilen entsprechen in etwa der Anzahl der Zeilen, die bei der NTSC- und 60 Hz-Technologie auf den Bildschirmen angezeigt wird. Genauer gesagt entspricht es der Zeilenzahl des Standard-VGA, der Basisauflösung im Bereich der Computer. Da von Anfang an das Breitbildformat (16:9) gewählt wurde, ergaben sich die 852 (oder 853) Bildpunkte pro Zeile durch die einfache Multiplikation von 640 (VGA) mit 1,33. Dies ist der Faktor, um von einem 4:3-Format auf 16:9 zu gelangen. Das quadratische Bildpunktformat aus der IT-Branche blieb erhalten und die Auflösung der Bildpunkte erfüllte deren Anforderungen. Dies war ein wichtiges Argument, da es anfangs einen Markt für Plasmabildschirme hauptsächlich für Präsentations- und Informationsdisplays gab. Die Skalierung von Grafiksignalen ist fast immer mit sichtbaren Verlusten verbunden. Die bandbreitenbegrenzten TV-Signale lassen sich dagegen ohne auffällige Verluste skalieren.

Mit größeren Bildschirmen konnte auch die Anzahl der Bildpunkte erhöht werden. Bei gleichbleibender Herstellungstechnologie und unveränderten Zellabmessungen konnten mehr Pixel auf die Bildschirmfläche gebracht werden. Eine Erhöhung der Pixelanzahl war notwendig, da bei größeren Pixeln die Strukturen des Bildschirms sichtbar wurden und das Bild rasterte. Die Berechnung erfolgt anhand einer Funktion, die auch vom Betrachtungsabstand abhängt. Je größer der Bildschirm ist, desto weiter entfernt man sich normalerweise davon. Bei großen Heimgeräten erlaubt die Raumgröße jedoch selten den optimalen Abstand. Die ungefähre Zeilenzahl lässt sich mit der Formel "Zeilenzahl ≈ (2500 × Bildschirmhöhe) / Betrachtungsabstand" abschätzen.

Im Wide-XGA-Format erreicht die höchste Pixelauflösung 1365 Bildpunkte pro Zeile mit 768 Zeilen. Die Auflösung von 1280 x 768 ist ein Kompromiss zwischen TV- und IT-Anwendungen. Sie bietet eine gute Übereinstimmung mit XGA (1024 x 768) für PC-Anwendungen und HDTV mit dem Format 1280 x 720.

Der Fujitsu-Konzern entwickelte das Verfahren ALIS (Alternate Lighting of Surface), das für Plasmadisplays mit kleineren Bildschirmdiagonalen geeignet ist. Diese Technik ermöglicht trotz kleinerer Zellstrukturen gute Darstellungsergebnisse. Die Displays weisen eine Zellenstruktur auf, die in vertikaler Richtung offen ist. Der Vertikalbereich zwischen zwei Buselektrodenpaaren wird dabei genutzt, wobei die untere Elektrode des Paars N und die obere Elektrode des Paars N+1 ein weiteres Elektrodenpaar zur Plasmaerzeugung bilden. Durch eine aufwendigere elektronische Steuerung kann theoretisch die doppelte Anzahl von Zeilen erreicht werden, indem eine Zwischenzeilen- oder interlaced-Ansteuerung verwendet wird. Bei Displays mit sehr hoher vertikaler Auflösung kann das ALIS-Verfahren jedoch zu sichtbarem Zeilenflimmern führen.

Die ALIS-Technik kann nur in vertikaler Richtung angewendet werden und ermöglicht Auflösungsdaten von 852 x 1024 und 1024 x 1024 (Bildpunkte pro Zeile x Zeilen). Generell gilt, dass Plasmadisplays besonders gut für große Bilddiagonalen geeignet sind und eine bessere Bildqualität nur bei größeren Bildpunkten erreicht wird. Dies zeigt sich auch daran, dass Geräte mit einer Diagonale unter 42 Zoll entweder die ALIS-Technologie verwenden oder nicht über W-VGA mit 853 x 480 hinausgehen, während große Geräte mit sehr guter Bildqualität eher HDTV-Auflösungen erreichen.

Vorteile der Plasmabildschirm-Technologie

Die Displays sind flach und lassen sich wie ein Bild aufhängen.

Es sind hohe Auflösungen bis HDTV möglich.

Bilddiagonalen von 1,5 m wurden gebaut, während das Maximum einer CRT bei 1 m liegt.

Nachteile der Plasmabildschirmtechnologie

Der Stromverbrauch ist für einen mobilen Einsatz mit rund 200 Watt zu hoch.

Die notwendigen Lüftergeräusche sind oft störend.

Die Produktionskosten sind sehr hoch.

Eine Vielzahl von technischen Geräten verfügt über Anzeigeeinheiten, auch als Displays bezeichnet, die Informationen und Darstellungen in hoher Auflösung und oft in Farbe anzeigen. Bei mobilen Geräten ist es wichtig, dass diese Anzeigen einen geringen Energieverbrauch haben. Die derzeit am häufigsten verwendeten Flüssigkristallanzeigen mit aktiver Dünnfilmtransistormatrix, auch bekannt als LCD-TFT-Displays, verbrauchen jedoch immer noch zu viel Energie. Dies zeigt sich besonders deutlich bei Digitalkameras, wo die Akkuladung bei eingeschaltetem Display relativ schnell aufgebraucht ist. Auch bei Laptops begrenzt der Energiebedarf der notwendigen Hintergrundbeleuchtung des LCD-TFT-Displays die Mobilität.

Für Monitore und Fernsehgeräte wünscht man sich möglichst flache Bildschirme, wo der Farb- und Helligkeitseindruck vom Blickwinkel unabhängig ist. Bei der Entwicklung neuer Displays wird auch über aufrollbare Bildschirme, einer Leinwand gleich, nachgedacht. Mit dem Einsatz von organischen Leuchtdioden, den OLEDs lassen sich diese Wünsche wahrscheinlich erfüllen. Sie leuchten selbst aktiv, benötigen nur wenig Energie und kommen ohne Backlight aus. Sie lassen sich als dünner Film zwischen flexible Folien einschließen. Die Darstellung bleibt bei fast jedem Blickwinkel gleich gut. Das Prinzip und die Arbeitsweise einer OLED ist in diesem Webprojekt an anderer Stelle ausführlicher beschrieben.

Machbarkeitsstudien

Der Helligkeits- und Kontrastvergleich bei einem mit passiver Matrix angesteuerten LCD- (links) und OLED-Displays (rechts) zeigt für die OLED eine sehr gleichmäßige große Helligkeit und ein besseres Kontrastverhältnis. 

Im frühen Jahr 2001 präsentierte die Firma Sony einen Prototypen eines 13-Zoll-Bildschirms mit OLED-Technologie. Das Display hatte eine Auflösung von 800 x 600 Pixeln. Es wurden keine Angaben zur maximalen Betriebsdauer gemacht. Einige Jahre später, im September 2004, war ein Sony PalmOS-PDA mit einem OLED-Display im Handel erhältlich. Das 3,8-Zoll-Display hatte eine Auflösung von 480 x 320 Pixeln und unterstützte 262.144 Farben. Die Helligkeit wurde mit 150 cd/qm angegeben und das Kontrastverhältnis betrug 1000:1. Der Blickwinkel war horizontal und vertikal uneingeschränkt. Das Display hatte kurze Reaktionszeiten und war somit optimal für die Wiedergabe von Videos geeignet.

Im Mai 2004 präsentierte die Firma Epson den damals größten OLED-Flachbildschirm. Das Display hatte eine Größe von 40 Zoll und wurde mit einer Technologie hergestellt, die der Tintenstrahltechnik ähnlich ist. Epson plante einen kommerziellen Einsatz des Displays nicht vor dem Jahr 2007. Im Januar 2005 stellte Samsung einen Prototypen eines 21-Zoll-Video-Displays vor. Die Auflösung betrug 1920 x 1200 Pixel. Die Helligkeit wurde mit 400 Candela pro Quadratzentimeter angegeben und das Kontrastverhältnis betrug 5000:1. Das Display wurde mit aktiver Matrix in Amorphous-Silicon-(a-Si-)Technologie angesteuert und konnte in den vorhandenen TFT-LCD-Fertigungsstraßen hergestellt werden. Zu diesem Zeitpunkt wurde jedoch kein genauer Termin für den Produktionsstart genannt. Durch ein besseres Verständnis der physikalischen Prozesse, die zur Lichtemission bei organischen Polymeren führen, konnte der Wirkungsgrad der elektrisch-optischen Umwandlung verbessert werden. Laut Forschungsberichten des Instituts für Angewandte Photophysik IAPP an der TU Dresden wurde im Jahr 2006 ein Wirkungsgrad von fast 90 Lumen/Watt erreicht.

Herstellungsverfahren

Ein OLED-Display wird durch eine Schichtfolge hergestellt. Eine transparente Anode, in der Regel aus Indiumzinnoxid (ITO), wird als erste Schicht aufgetragen. Darauf folgt die Leuchtschicht, die aus einem organischen Polymer besteht, und sie wird mit einer metallischen Kathode abgedeckt. An den beiden Seiten werden abschließende Trägerfolien oder Glasscheiben angebracht. Die Firma Kodak war ein Pionier in der OLED-Technologie und entwickelte die sogenannten Small Molecule OLEDs. Bei diesem Verfahren werden kleine Polymere durch Vakuumsublimation auf die Trägerelektrode aufgedampft. Die Ausbeute ist gering, da weniger als 10% der eingesetzten Polymere tatsächlich die OLED bilden. Die Herstellung von größeren Displays ist aufgrund der Vakuumtechnik schwierig und zeitaufwendig, weshalb sie vorwiegend für kleinere Displays verwendet wird.

Cambridge Display Technology entwickelte große und langkettige Polymere, die selbst leuchten, wenn sie elektrisch angeregt werden. Diese Polymere können in flüssigen Lösungsmitteln gelöst werden, die dann mittels des Spin-Coating-Verfahrens auf den Träger aufgetragen werden. Dabei wird die Lösung in der Mitte eines schnell drehenden Trägers platziert, wodurch sie sich gleichmäßig zu einer dünnen Schicht bis zum Rand hin verteilt. Das Lösungsmittel verdampft und kann nach seiner Kondensation erneut verwendet werden. Im Ink-Jet-Druckverfahren werden die Polymere ähnlich wie bei einem Tintenstrahldrucker auf den Träger übertragen. Beide Verfahren ermöglichen die Herstellung von Displays in beliebiger Größe.

Die Produktion erfordert in jedem Fall einen Reinraum. Ein besonderer Nachteil der Polymermaterialien ist ihre hohe Empfindlichkeit gegenüber Sauerstoff und Wasser. Daher müssen die fertigen Displays entsprechend versiegelt sein. Glasplatten als mechanische Träger eignen sich gut, führen jedoch zu starren Displays. Es gibt nur wenige geeignete gasdichte und flexible Folienträger. Ein Vorteil ist der insgesamt geringe Materialbedarf an den aktiven Polymeren, da ihre Schichtdicke nur einige hundert Nanometer beträgt.

Ähnlich wie bei der Siliziumtechnologie können auch organische Leuchtdioden (OLEDs) durch geeignete Dotierung ihre Helligkeit und Farbe verändern. Wie auch bei LEDs leuchten OLEDs nicht in spektral reinen Farben. Das Spektrum verbreitert sich durch unvermeidbare Verunreinigungen. Die einzelnen Farben haben unterschiedliche Lebensdauern. Für bestimmte Spektralfarben werden bereits Betriebszeiten von über 100.000 Stunden, also mehr als 10 Jahre, erreicht. Die Unterschiede zwischen den Farben sind jedoch noch signifikant, wodurch bleibende Farbverfälschungen frühzeitig auftreten können. Je mehr Lichtenergie eine OLED abgeben soll, desto schneller altert sie, was gleichzeitig zu einer verkürzten durchschnittlichen Lebensdauer führt.

Displayansteuerung

Kleine OLED-Displays lassen sich sehr einfach mit einer Passivmatrix ansteuern. Die Anoden und Kathoden bilden ein rechtwinkliges Leiterbahnnetz, und die Polymere befinden sich an den Kreuzungspunkten. Da die ITO-Anode transparent ist, tritt das emittierte Licht durch sie aus. Die Herstellung der Leiterbahnen ist einfach, aber für große Displays sind die Widerstandsverluste in der Matrix zu hoch. Die Leiterbahnen sind dünn und das Anodenmaterial hat eine geringere Leitfähigkeit als reines Metall. Mit der Anzahl der Kreuzungspunkte in der Passivmatrix steigt die parasitäre Kapazität und verlängert die Schaltzeiten des Displays. Bevor ein Pixel reagiert, muss die gespeicherte Ladung erst abgebaut werden. Die Ansteuerung mit Passivmatrix endet bei Displaygrößen von etwa 2 Zoll.

Mit einer aktiven Matrix in der TFT-Dünnfilmtransistortechnik können beliebig große Displays angesteuert werden. Jedes Pixel wird einzeln angeregt, ähnlich wie bei LCD-TFT-Bildschirmen. Die Widerstandsverluste werden durch die Verstärkungsfaktoren der Transistoren ausgeglichen. Richtig dimensionierte Stromimpulse sorgen für eine schnelle Umladung und kurze Schaltzeiten. Im Gegensatz zu LCD-TFT-Displays werden bei OLED-Displays mindestens zwei TFTs pro Pixel benötigt, um eine stabile Erregerspannung zu gewährleisten. Das Herstellungsverfahren ist komplexer und die höhere Schichtenfolge im Display verringert die Leuchtkraft. Es gibt jedoch bereits Verfahren mit sogenannten top-emittierenden OLEDs, bei denen der Lichtaustritt in umgekehrter Richtung erfolgt und nicht von den TFT-Schichten abgedeckt wird. Weitere Forschungen befassen sich mit der Entwicklung von hochfrequenztauglichen Transistoren aus organischen Materialien, den sogenannten Plastiktransistoren. In flexiblen Displays wären sie im Vergleich zu polykristallinen oder amorphen Siliziumtransistoren von Vorteil. Parallel zur Displaytechnik wird erfolgreich an der Entwicklung und dem Einsatz von OLEDs für die Raumbeleuchtung gearbeitet.

Die Wahrnehmung von Lichtstrahlung variiert individuell und kann daher kaum durch objektive Einheiten wie die elektrische Leistung in Watt beschrieben werden. Stattdessen werden für die Beleuchtungsstärke oder den Lichtstrom eher subjektive Einheiten verwendet. Durch die relative Empfindlichkeitskurve wurde jedoch eine eindeutige physikalische Beschreibung möglich. Das menschliche Auge kann Wellenlängen im Bereich von 380 bis 780 nm wahrnehmen. Die höchste Empfindlichkeit liegt bei grüngelbem Licht mit einer Wellenlänge von etwa 550 nm.

Für quantitative Aussagen wird der Lichtstrom als eine dem elektrischen Strom vergleichbare Größe definiert. Er wird mit dem griechischen Buchstaben Phi Φ und der Einheit Lumen lm angegeben. Der Lichtstrom stellt die von einer Lichtquelle radial abgestrahlte Lichtleistung dar. Es wurde festgelegt, dass eine Strahlungsleistung von 1 Watt für Licht mit der Wellenlänge 555 nm einem vom menschlichen Auge empfundenen Lichtstrom von 683 lm entspricht. Dieser Umrechnungsfaktor wird als Lichtgleichwert K bezeichnet. Die Verbindung zwischen der objektiven Messgröße der Strahlungsleistung P und der physiologischen Empfindung ist durch die folgende Beziehung gegeben:

In der Fotometrie und Optoelektronik werden verschiedene Begriffe verwendet, die in folgender Zusammenfassung dargestellt werden. Wenn kein spezieller Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, strahlt das Licht von einer Lichtquelle radial symmetrisch ab. Mit zunehmendem Abstand zur Quelle nimmt die Lichtstärke ab. Zur mathematischen Beschreibung wurde der Raumwinkel Ω mit der Einheit Steradiant sr eingeführt. Der Raumwinkel ist definiert als die Fläche des Kugelausschnitts Ak, wenn ein Kugelradius r = 1 m beträgt. Der Raumwinkel hat den Wert 1 Steradiant, wenn Ak = 1 m2 ist. Die Lichtstärke I, gemessen in Candela cd, ist der auf den Raumwinkel bezogene senkrecht auftreffende Lichtstrom. Die Beleuchtungsstärke E, gemessen in Lux lx, ergibt sich aus dem Lichtstrom, der senkrecht auf eine beleuchtete Fläche fällt.

Handelt es sich nicht um punktförmige Lichtquellen, sondern um eine leuchtende Fläche, so wird noch die Leuchtdichte, oder bei beleuchteten Körpern die Flächenhelle, definiert. Die Leuchtdichte L ist das Verhältnis der Lichtstärke senkrecht zur betrachteten Fläche. Die Einheit ist cd / m² oder nach alter Benennung das Stilb mit sb = cd / cm²

Lichtelektrische Effekte

Trifft Strahlung auf ein geeignetes Absorptionsmaterial, so kann eine Änderung des elektrischen Stroms gemessen werden. Bei Lichtstrahlung spricht man vom Fotostrom. Wie aus der folgenden Beziehung ersichtlich, ist der Fotostrom bei einer bestimmten Wellenlänge λ von der Quantenausbeute η, der Strahlungsleistung Φ und einer dem Absorptionsmaterial eigenen inneren Verstärkung G abhängig. Das Planck'sche Wirkungsquantum h zeigt, dass die Anregung der Elektronen durch sog. Energiepakete nur gequantelt erfolgt.

Die Strahlungsempfindlichkeit gilt für alle Quantendetektoren, einschließlich Halbleiterdetektoren. Um den Stromfluss zu ermöglichen, müssen ausreichend freie Ladungsträger oder Ladungsträgerpaare erzeugt werden, was eine Mindestenergie erfordert. Bei Halbleiterdetektoren muss die Energie der Photonen mindestens der Energiebarriere zwischen dem Valenz- und Leitungsband entsprechen. Höher energetisches Licht erzeugt im Allgemeinen keinen höheren Fotostrom, daher haben die Empfindlichkeitskurven nur ein Maximum, das bei der unteren Grenzwellenlänge liegt. Diese kann berechnet werden, wenn die Energie bekannt ist, die benötigt wird, um die Bandlücke oder die verbotene Zone zu überwinden.

Halbleiterdetektoren werden auch erfolgreich zur Messung von hochenergetischer Strahlung eingesetzt, um beispielsweise α-, β- und γ-Strahlungen in der Kernphysik zu analysieren. Die Energie der Röntgenstrahlung ist so hoch, dass sie mit Elektronen der inneren K- und L-Schalen wechselwirkt. Bei Halbleitern und Isolatoren werden dabei Elektronen ins Leitungsband überführt, während bei Metallen die angeregten inneren Elektronen ins teilweise besetzte Valenzband gelangen. Da Metalle keine Energielücke zwischen dem Valenz- und Leitungsband haben, verändert sich bei Bestrahlung proportional die Leitfähigkeit.

Für gebundene Elektronen wird der innere photoelektrische Effekt durch Photonen ausgelöst, deren Energie der jeweiligen Bandlücke des Materials entspricht. Photonen mit geringerer oder höherer Energie tragen nicht zum Fotostrom bei. Der lichtelektrische Effekt kann jedoch auch an Metallen beobachtet werden. Der messbare Fotostrom hängt weniger von der Intensität, sondern stark von der Frequenz und somit der Energie der Photonen ab. Diese Erkenntnisse wurden durch die Hypothese der Lichtquanten von Albert Einstein erklärt.

Wenn Licht als Teilchen betrachtet wird, hat es die Energie E = h · ν und den Impuls p = h · ν / c. Es wird eine bestimmte Austrittsarbeit A benötigt, um ein Elektron aus dem Bindungsverband zu befreien. Wenn die Energie des Photons größer ist als die Austrittsarbeit A eines Elektrons, kann das Lichtteilchen ein Elektron mit der kinetischen Energie Ekin = h · ν - A herausschlagen. Dabei geben die Photonen einen Teil ihrer Energie und ihres Impulses ab, werden langwelliger und ändern ihre Ausbreitungsrichtung. Diese Erscheinung wird als Compton-Effekt bezeichnet und beschreibt die relativistische Streuung von Photonen an freien Elektronen.

Additive Farbmischung

Die additive Farbmischung erfolgt durch die Überlagerung von drei Primärfarben mit unterschiedlichen Anteilen und ermöglicht die Darstellung beliebiger Farben. Jeder Farbwert, auch Farbvalenz genannt, kann durch drei Farbmaßzahlen (X, Y, Z) beschrieben werden, die sich nicht aus der Mischung ergeben. Diese Farbmaßzahlen entsprechen einem Ortsvektor im Farbraum. Die drei Primärfarben sind Rot, Grün und Blau. Wenn diese drei Farben mit gleichen Intensitäten auf eine Fläche treffen, die selbst keine Farbe absorbiert, erscheint die Mischfarbe grau bis weiß.

Das menschliche Auge nimmt die additive Farbmischung auch dann wahr, wenn viele verschiedene Farbpunkte unterhalb der Auflösungsgrenze des Auges nah beieinander liegen. Wenn mehrere Farbvalenzen in schneller oder periodischer Folge auf die gleiche Netzhautstelle im Auge treffen, wird ebenfalls nur die additive Mischfarbe wahrgenommen. Die additive Farbmischung findet Anwendung bei der Bildgebung in Farbfernsehbildröhren (CRT), Farbplasmabildschirmen, LCD-TFT-Farbanzeigeeinheiten und Großdisplays, die mit LED- oder OLED-Matrixanzeigen arbeiten.

Im RGB-Farbraum entsprechen die 256 Abstufungen jeder Primärfarbe (Rot, Grün, Blau) 28 Bit oder hexadezimal 00 bis FF. Das bedeutet, dass der RGB-Farbraum insgesamt 24 Bit umfasst und über 16,78 Millionen Farbabstufungen ermöglicht. Dies wird auch als Echtfarben oder True Color bezeichnet.

Zu jeder Primärfarbe gibt es eine Sekundärfarbe oder Komplementärfarbe. Cyan entsteht aus der Mischung von Blau und Grün und ist die Komplementärfarbe zu Rot. Magenta entsteht aus der Mischung von Rot und Blau und ist die Komplementärfarbe zu Grün. Gelb entsteht aus der Mischung von Rot und Grün und ist die Komplementärfarbe zu Blau. Wenn ein Primärfarbton mit seinem entsprechenden Komplementärfarbton additiv gemischt wird, entsteht ein Grauwert. Diese Grauwerte befinden sich zwischen Schwarz und Weiß und werden als unbunte Farbtöne bezeichnet.