Back to the roots – Prinzipien der Bildröhrentechnik finden Eingang in Flachdisplays
Aus ELVjournal
06/2006
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Die
gute alte Farbbildröhre kann sich trotz unbestreitbarer Vorteile bei
den Abbildungseigenschaften dennoch nicht mehr im Massenmarkt behaupten.
Die Flachbildschirme haben gerade bei großen Bildschirmformaten in
puncto Gewicht und Volumen neue Maßstäbe gesetzt, die niemand mehr
missen möchte. Mit der SED-Technik (surface-conduction electron-emitter
display) ist es nun gelungen, die Vorzüge des Flachdisplays mit denen
der Bildröhre zu vereinen. Dazu wird jedes Subpixel mit den Farben Rot,
Grün und Blau von einer mikroskopisch kleinen „Minibildröhre“ mit kalter
Elektronenquelle und einem farbigen Leuchtstoff-„Bildschirm“ erzeugt.
Diese Meisterwerke der Miniaturisierung liefern mit 6,22
Millionen-Subpixel-Zellen
brilliante Bilder in der höchsten HDTV-Auflösung von 1080 Zeilen und
1920 Spalten.Die SED-Technik
Herkömmliche
Farbbildröhren beruhen auf der parallelen Ablenkung dreier durch
Glühkatoden emittierte Elektronenstrahlen auf regelmäßig hinter einer
Glasscheibe angeordnete fluoreszierende Farbtriple (Grundfarben Rot,
Grün und Blau). Die Vorteile einer solchen selbstleuchtenden Anordnung
liegen in hoher Bildhelligkeit, klaren und kräftigen Farben, weiten
Betrachtungswinkeln und kurzen Reaktionszeiten. Nachteilig ist die
prinzipbedingte voluminöse und schwere Konstruktion der Bildröhre, die
große und flache Displays unmöglich macht. Das SED (surface-conduction
electron-emitter display) verwendet ebenfalls das Grundprinzip „Elektron
trifft auf fluoreszierendes Material“. Dazu wird ein Glassubstrat mit
drei „kalten“ Elektronenquellen pro Bildpixel eingesetzt, deren
Emissionen auf ein zweites, die fluoreszierenden Substanzen tragendes
Glassubstrat beschleunigt werden. Die Substrate werden in geringem
Abstand zueinander angeordnet und der Zwischenraum evakuiert. So lassen
sich sehr flache Displays mit allen Vorteilen der Farbbildröhre schaffen
– und dies mit niedrigem Energieverbrauch.Struktureller Vergleich zwischen Katodenstrahlröhre und SED
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1: Strukturvergleich zwischen CRT und SED: Während bei einer Bildröhre
alle Bildpunkte (Pixel) vom gleichen Elektronenstrahltripel gezeichnet
werden, ist jedem Subpixel des SEDs eine eigene Elektronenquelle
zugeordnet. Die Miniaturisierung und Ausnutzung quantenmechanischer
Effekte machen dies möglich. |
Die
äußere Form der Katodenstrahlröhre (CRT: Cathode Ray Tube) ist durch
einen luftleeren Glaskolben gegeben (Abbildung 1 links). Er ist zum
Betrachter hin als rechteckige Fläche ausgebildet, die auf der
Innenseite mit regelmäßig angeordneten Leuchtsubstanzen beschichtet ist
(Bildschirm). Beim Auftreffen eines Elektronenstrahls wird Licht in
einer der Grundfarben Rot, Grün oder Blau mit einer gewissen Intensität
ausgesendet. Die Beiträge dreier benachbarter „Subpixel“ überlagern sich
im Auge zu einem Pixel (picture element) resultierender Farbe und
Helligkeit. Wird der Strahl schnell genug zeilenweise über den Schirm
abgelenkt, ergibt sich ein bewegtes Farbbild.
Die Elektronenstrahlen entstehen aus dem Zusammenwirken einer
Elektronenquelle (Katode) und einer absaugenden Elektrode mit hoher
Beschleunigungsspannung (Anode). Als Quelle dient eine glühende
Drahtwendel, aus der die Elektronen wegen ihrer hohen kinetischen
Energie mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ins Vakuum austreten. Die
Anode saugt die ausgetretenen Elektronen ab und beschleunigt sie in
Richtung Bildschirm.
Auf dem Wege dorthin werden sie durch eine Hilfsanode fokussiert und
beim Passieren des magnetischen Felds der Ablenkspulen (je eine für
vertikal und horizontal) in der Richtung beeinflusst. Bei entsprechender
Gestaltung der Spannungen an den Ablenkspulen überstreicht der
Elektronenstrahl die Leuchtsubstanzen auf der Innenseite des Bildschirms
in schneller Folge zeilenförmig. Eine Schattenmaske sorgt für die
punktgenaue Landung jedes Strahls auf „seinem“ Subpixel.
Weil der Ablenkwinkel nicht beliebig groß sein kann (90° bis 110°),
wächst die Tiefe einer Bildröhre mit zunehmender Bildschirmdiagonale.
Große Bilder bedürfen daher wahrer Röhrenungetüme – sowohl im Volumen
als auch im Gewicht.Spezialisierung: drei Minibildröhren pro Pixel
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2: Kernstück der SED-Technologie ist eine „kalte“ Elektronenquelle, die
auf dem quantenmechanischen Tunneleffekt am engen Spalt beruht. |
Einen
Ausweg aus diesem Dilemma bieten dezentrale, zu einem SED
(surface-conduction electron-emitter display) angeordnete
Elektronenquellen – eine für jedes Subpixel (Abbildung 1 rechts). Damit
lassen sich die Ablenk- und Fokussiereinrichtungen einsparen, da jeder
Strahl ja nur auf das ihm zugeordnete Fluoreszenzelement beschleunigt
werden muss. Aus der detaillierten Darstellung einer SED-Zelle
(Abbildung 2) wird deutlich, dass die Elektronen nicht wie bei der CRT
einer glühenden Katode entstammen, sondern durch den quantenmechanischen
Tunneleffekt zwischen zwei extrem angenäherten Elektroden aus
Palladiumoxid (PdO) freigesetzt werden (Elektronenemitter).Kalte Elektronenemission im Nanoschlitz
Im
extrem schmalen Spalt, dem Nanospalt oder Nanoschlitz (nano gap, nano
slit) von wenigen Nanometern Dicke (nm: 10-9 m), entstehen bereits durch
kleine Spannungen Vf (field voltage) – beim SED typ. Vf = 10 V – sehr
große Feldstärken. Angenommen die Spannung an einem 3 nm breiten Spalt
beträgt 10 V, dann ergibt sich E=U/d=10 V/3·10-9 m=3,3·109 V/m=33
Millionen Volt pro cm. Unter dem Einfluss dieses extrem starken
elektrischen Feldes können Elektronen aus der einen Elektrode den
Potentialwall zwischen den Elektroden überwinden. Sie „tunneln“
gewissermaßen durch ihn hindurch. Mit den Mitteln der klassischen Physik
ist dies nicht zu erklären. Dazu bedarf es der Quantenphysik (Physik
der kleinsten Teilchen, Heisenberg’sche Unschärferelation,
Schrödinger-Gleichung). Von Richard Feynman, einem der größten Physiker
des 20. Jahrhunderts (1918–1988), ist der Satz überliefert: „In der
Quantenwelt ist es möglich, sich durch eine energetisch verbotene Zone
schnell hindurchzumogeln.“
Die Theorie des Tunneleffekts wurde 1928 von Gamov, Condon und Henry
aufgestellt, um einen bis dahin bestehenden Widerspruch beim Zerfall von
Atomkernen zu α-Teilchen zu erklären. Weil nur an der Oberfläche
(surface) der Elektroden die hohe Feldstärke besteht, wird entsprechend
auch nur ein Teil der dort vorhandenen Elektronen (surface-conduction)
dank Tunneleffekt zur durch den Nanospalt getrennten positiv
vorgespannten Nachbarelektrode emittiert. Die Menge der getunnelten
Elektronen ist von der Höhe der Feldspannung Vf abhängig. Auf der
Nachbarelektrode angekommen, schlagen sie dort Sekundärelektronen heraus
(scattering), die unter dem Einfluss einer Beschleunigungsspannung Va
(acceleration voltage) von etwa 10.000 V in Richtung Phosphor
beschleunigt werden. Beim Auftreffen lösen sie Lichtblitze aus. Die
Beschleunigungselektrode besteht aus einer hauchdünnen Metallschicht
unter den Phosphoren. Sie lässt einerseits die Licht erzeugenden
Elektronen durch und verhindert andererseits die Rückstrahlung zur
Emissionselektrode. Damit steht das ganze erzeugte Licht dem Betrachter
zur Verfügung.Der Lumineszenzmechanismus
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3: Fluoreszenz beruht darauf, dass Elektronen auf stabilen Bahnen um
den Kern mit niedrigerer Energie durch eine äußere Anregung kurzfristig
auf instabile Bahnen mit höherer Energie „gehoben“ werden. Beim
Zurückfallen auf die alte Bahn wird die Energiedifferenz als Lichtblitz
frei. |
Die
Elektronenstrahlung, die auf dem Phosphor auftrifft, hebt ein Elektron
von einer energieärmeren inneren stabilen Bahn kurzfristig auf eine
energiereichere äußere instabile Bahn (Abbildung 3). Dort verweilt das
Elektron nur äußerst kurz und fällt wieder auf seine stabile Bahn
zurück. Dabei wird wieder Energie frei, diesmal in Form von
Lichtstrahlung.Tunneleffekt im Detail
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4: Zur Erläuterung des Tunneleffekts: Mit den Gesetzen der klassischen
Physik ist es nicht zu erklären, wie ein Teilchen eine Potentialbarriere
überwinden kann, wenn es nicht über die dafür erforderliche Energie
verfügt. Für die Quantenmechanik gelten andere Gesetze, die auf
Wahrscheinlichkeiten anstelle von Gewissheiten beruhen. |
Mit
den Gesetzen der klassischen Physik ist es nicht zu erklären, dass
Teilchen mit einer Bewegungsenergie, die kleiner ist als eine gegebene
Potentialhürde, diese überwinden können. Wenn in Abbildung 4 die rote
Kugel links in das Tal rollt, so besagt der Energieerhaltungssatz, dass
sie nach dem Durchqueren des Tiefpunkts die ansteigende Flanke des Tals
nicht über die Höhe ihrer Ausgangslage hinaufrollen kann. Die Kugel als
quantenmechanisches Objekt, im Folgenden als Elektron angenommen, vermag
jedoch mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit die Potentialbarriere
dennoch zu überwinden, obwohl ihr die Energie dazu fehlt. Sie gelangt
dann gewissermaßen durch einen Tunnel auf die andere Seite des
Potentialwalls. Erklären kann man das nur, wenn man akzeptiert, dass die
Materie des Elektrons sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften
besitzt.
Die Dualität der Beschreibung der Elektronenmaterie wurde 1924 von Louis
Victor de Broglie (1892–1987) in seiner Dissertation „Recherches sur la
théorie des Quanta“ postuliert und zum allgemeingültigen Prinzip der
Physik erweitert (Materiewellen). De Broglie leitete aus dem bereits
bekannten und akzeptierten Dualismus des Lichts (Welle und Photon) die
Hypothese ab, auch ein Elektron müsse einer Welle entsprechen. Den
experimentellen Beweis dafür fanden Davisson und Germer 1927.
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5: Weil die Wellenfunktion im Potentialwall exponentiell abnimmt, ist
an seinem Ausgang immer noch eine geschwächte Welle vorhanden. Die
Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Elektrons als Betragsquadrat
der Wellenfunktion ist also nicht gleich Null. Und dies, obwohl nach
klassischer Betrachtung die Elektronenenergie gar nicht ausreichen kann,
um den Potentialwall zu überwinden. Erst die mathematische Beschreibung
der Elektronenmaterie als Welle liefert die Begründung für dieses
„Tunnelphänomen“. |
1926
entwickelte Erwin Schrödinger (1887–1961) im Rahmen der Quantentheorie
seine berühmte Schrödingergleichung, eine partielle
Differentialgleichung vom Typus einer Wellengleichung. Die darin
enthaltene Wellenfunktion Ψ(x,t) beschreibt den Zustand eines Teilchens
(hier ein Elektron) in einem Potentialfeld V(x,t) als Funktion von Ort
und Zeit. Innerhalb eines Potentialwalls klingt die Wellenfunktion
exponentiell ab, wodurch eine Wahrscheinlichkeit P(x,t)>0 für die
Existenz des Elektrons im Gebiet hinter dem Potentialwall verbleibt.
Im Ergebnis beschreibt das Betragsquadrat der Wellenfunktion die
Wahrscheinlichkeit, mit der sich ein Teilchen zu einer bestimmten Zeit
an einem bestimmten Ort im Potential befindet (Abbildung 5). Der
Transmissionsgradgibt
an, wie gut die Barriere „durchtunnelt“ werden kann. Je breiter und
höher sie ist, umso kleiner ist die Tunnelwahrscheinlichkeit. So lassen
sich Elektronen aus einer kalten Elektrode über eine extrem angenäherte
zweite Elektrode „absaugen“.
Wem all dies nicht recht einleuchten will, der sei getröstet: Schon der
Prüfungsausschuss an der Pariser Sorbonne-Universität, der über de
Broglies kühne Dissertation urteilen sollte, akzeptierte die Arbeit
erst, nachdem sich Einstein von ihr beeindruckt zeigte. Auch die
führenden Physiker der Zeit diskutierten sich die Köpfe heiß.
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Bild 6: Unter den 29 Teilnehmern an der Solvay-Konferenz 1927 in Brüssel waren 17 Nobelpreisträger. Quelle: Wikipedia. |
Der
belgische Großindustrielle Ernest Solvay hatte 1911 eine erste nach ihm
benannte Konferenz in Brüssel organisiert, wo die Wissenschaftselite
das Thema „Die Theorie der Strahlung und der Quanten“ beleuchtete und
der bis dahin ein Schattendasein fristenden Quantentheorie zum
Durchbruch verhalf. Auf der 5. Solvay-Konferenz 1927 zum Thema
„Elektronen und Photonen“ besaßen 17 der 29 Teilnehmer den Nobelpreis
oder erhielten ihn später (Abbildung 6) (Quelle:
http://de.wikipedia.org/wiki/Solvay-Konferenz).Know-how-Bündelung für den Erfolg
Die
SED-Technologie wird seit 1987 durch Canon entwickelt. 2004 erklärten
Toshiba und Canon ihre Absicht, durch ihr Gemeinschaftsunternehmen SED
Inc. die Massenproduktion von SEDs Ende 2005 aufnehmen zu wollen. Dieses
Ziel wurde verfehlt, aber auf der IFA 2006 rechtfertig-ten
eindrucksvolle Demonstrationen vor dem Fachpublikum die Vermutung, dass
der Vermarktungsbeginn der SED-Technologie unmittelbar bevorsteht.
Fertigungskapazitäten für über 100.000 SED-Panels pro Jahr warten auf
ihre Auslastung. Beide Unternehmen wollen ihre spezifischen Stärken bei
Elektronenemission und Mikrostrukturherstellung (Canon) sowie in der
Bildröhrentechnologie und der Massenproduktion von
Flüssigkristalldisplays und komplexen integrierten Schaltungen (Toshiba)
bündeln und mit der SED-Technologie Flüssigkristall- und Plasmadisplays
Paroli bieten. Grundvoraussetzung für den Erfolg ist ein
wettbewerbsfähiger Preis. Die technischen Daten sprechen jedenfalls für
das SED.SED-Vorteile konkret
Nachdem wir uns mit den Prinzipien des SED beschäftigt haben, wollen wir seine Eigenschaften näher beleuchten.
- Energieverbrauch:
Der
Wirkungsgrad eines SEDs liegt bei 5 W Leistungsverbrauch pro Lumen
Lichtstrom. Damit ist der Stromverbrauch vergleichbar großer LCD-Paneele
doppelt und auf Plasma basierender sogar fünfmal so hoch. Angesichts
eines sich deutlich abzeichnenden weltweiten Trends zu großen
Flachbildschirmen bei gleichzeitiger Absicht den Energieeinsatz dafür zu
verringern, ist dies ein nicht zu unterschätzender Vorteil.
- Uneingeschränkter Betrachtungswinkel:
Weil
das SED selbstleuchtend ist, gibt es hier weder in vertikaler noch in
horizontaler Richtung die von anderen Flachdisplays bekannte
Blickwinkelabhängigkeit von Helligkeit, Kontrast und Farbe (Abbildung
7). Der Kampf vor dem Fernseher um den „besten Sehplatz“ gehört damit
der Vergangenheit an.
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Bild
7: Ein großer Vorteil von SEDs ist die völlige Unabhängigkeit der
Bildqualität vom Betrachtungswinkel. Nur mit den perspektivischen
Verzerrungen muss man leben. |
- Extreme Schwarzauflösung:
Das
SED zeigt auch in dunklen Bildbereichen eine Nuancierung, die andere
Flachbildschirmtechniken nicht erreichen. Das Kontrastverhältnis soll
bis zu 100.000:1 betragen können (Abbildung 8). Der Grund dafür liegt
darin, dass ein schwarzer Bildpunkt auch wirklich schwarz ist, weil die
zugehörigen Subpixel keinerlei Licht aussenden.
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Bild
8: Ein gutes Display zeichnet sich durch lückenlose Wiedergabe aller
Farben in allen Intensitäten aus. In dunklen Bildpartien, wo LCD und PD
nicht mehr fein nuancieren, liegt die besondere Stärke des SED. |
- Konstante Bildschärfe:
Im Vergleich zu konventionellen Bildröhren, wo die Schärfe zu den
Bild-rändern wegen einer Defokussierung des Elektronenstrahls abnimmt,
weist das SED (wie auch LCD und PD) in allen Bildbereichen die gleiche
hohe Bildschärfe auf (Abbildung 9).
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Bild
9: In allen Displaybereichen weist ein SED optimale Schärfe auf.
Konvergenzprobleme, wie sie die Bildröhre in den Randbereichen kennt,
gibt es prinzipbedingt nicht. Quelle: Toshiba. |
- Kurze Reaktionszeiten:
Selbst
schnellste Bewegungen werden von SEDs durch die kurzen Reaktionszeiten
<1 Millisekunde ohne Nachzieheffekte und ohne merkliche Verzögerungen
dargestellt.
- Praktisch unbegrenzte Bildschirmgröße:
Die Größe der Bildschirme unterliegt im Prinzip keinen Begrenzungen.
Bei gegebener Auflösung vergrößern sich auch die Strukturen der Zellen,
was die Anforderungen an die Fertigungspräzision verringert. Die
SED-Technologie zielt zunächst auf Bildschirmdiagonalen >50" (>127
cm).
- Volle HDTV-Auflösung von 1920 x 1080p
(1080
Zeilen, 1920 Spalten, progressiver Bildaufbau) mit hohen
Bildwiederholraten ist heute schon möglich. Die Nachteile des SEDs sind
gering, sollten aber nicht unerwähnt bleiben. Wie bei anderen
Flachbildschirmen kann das SED (im Gegensatz zur Bildröhre) nur eine
einzige Bildschirmauflösung unterstützen und Pixelfehler aufweisen.
Prinzipbedingt gibt das SED wie die Bildröhre aber eine geringe
Röntgenstrahlung über den Bildschirm ab.
Zusammenfassung
Das
SED vereint nahezu alle Vorteile der Farbbildröhre mit denen des LCDs.
Für die volle HDTV-Auflösung sind 1920 x 1080 x 3 = 6.220.800
Elektronenquellen (eine pro Subpixel) auf einem Glassubstrat von
beispielsweise 50"-Diagonale zu integrieren. Dies entspricht etwa 8
Elektronenquellen pro Quadratmillimeter! Nur wenn es gelingt, den
hochkomplexen Fertigungsprozess kostengünstig und ausschussarm zu
beherrschen, sind attraktive Marktpreise möglich. In diesem Fall kann
dem SED wegen seiner überzeugenden Abbildungseigenschaften eine
glänzende Zukunftsprognose gestellt werden. Ab Ende 2007 sollte sich
abzeichnen, ob das SED das Zeug hat, seine LCD-, Plasma- und
OLED-Wettbewerber auszustechen.Fachbeitrag online und als PDF-Download herunterladen
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