Bilderzeugung neu definieren
Die Fachzeitschrift für Nickel und seine Anwendungen
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IN DEN LETZTEN JAHREN hat sich der Markt für Kathodenstrahlröhren über die standardmäßigen gewölbten
Bildschirme hinaus entwickelt und umfasst jetzt auch Flachbildschirme.
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WINZIGE, ETWA 3 Mikrometer breite Löcher werden bei der Herstellung der Schattenmaske einer
Kathodenstrahlröhre in die Nickellegierung
K93600 (mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten) geätzt.
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SCHATTENMASKEN WERDEN aus Nickellegierungen mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt,
damit die von einem Fernsehgerät erzeugte Wärme das Bild nicht verzerrt.
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DIESE ABBILDUNG ZEIGT, wie jeder Elektronenstrahl durch die winzigen Löcher in der Schattenmaske dringt,
um auf die richtigen Phosphorpunkte auf dem Fernsehbildschirm zu treffen und so eine optimale Bildqualität zu
erzeugen.
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Wie unsere Sicht der Welt verbessert wird
Von Thom Loree
Nickel Magazine, Mai 2006 -- Trotz des Wachstums neuer Flachbildschirmtechnologien wie
beispielsweise bei Flüssigkristall- und Plasmabildschirmen wird bei den meisten Fernsehgeräten heute nach wie
vor eine so genannte Kathodenstrahlröhre eingesetzt. 2005 enthielten schätzungsweise 145 Millionen der 175
Millionen weltweit ausgelieferten Fernsehgeräte Kathodenstrahlröhren, was einem Wert von etwa € 120 Mrd. (im
Jahr 2000 waren es noch
€ 63 Mrd.) entspricht. Die Nachfrage nach dieser Technologie ist zweifellos immer noch vorhanden, wodurch
sich auch die Nachfrage nach den Nickellegierungen erhöht, die bei der Röhrentechnologie eine wesentliche
Rolle spielen.
Der Ende 2003 für die europäische Nickel-Gruppe erstellte Abschlussbericht der "Weinberg Group"
zu Szenarios für eine wertvolle Verwendung von Nickel besagt in der Tat, dass
Nickel-Eisen-Legierungen in der Kathodenstrahlfernseher-Industrie "unersetzlich" sind und die
Massenproduktion hochwertiger Kathodenstrahlröhren unterstützen.
Der Grund dafür besteht in der Tatsache, dass Nickel-Eisen-Legierungen einen äußerst niedrigen
Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, was unabhängig von der Temperatur der Kathodenstrahlröhre, die sich
während des Betriebs erwärmt, zu einem störungsfreien Fernsehbild führt. Die Legierungsfamilie mit dieser
Eigenschaft wurde 1896 von
C. E. Guillaume in Frankreich entdeckt.
Nach dem Einschalten des Fernsehgerätes wandelt die Kathodenstrahlröhre elektrische Signale in optische Informationen um. Dabei wird ein intensitätsmodulierter, abgelenkter Elektronenstrahl verwendet, der in einer unter Vakuum stehenden Glasröhre auf eine kathodenlumineszente Schirmoberfläche trifft.
Die Kathodenstrahlröhre enthält vier Hauptbestandteile: eine Glasscheibe, eine Schattenmaske, drei Elektronenkanonen (je eine für jede Farbe) und einen Glastrichter. Von diesen Teilen ist die Schattenmaske am stärksten von Nickel-Eisen-Legierungen abhängig.
In die Schattenmaske, ein von einem Metallrahmen gehaltenes Gitter (siehe Abbildung) direkt hinter dem Fernsehschirm, sind viele kleine Löcher bzw. Schlitze geätzt. Die Maske ist der Kontur der Innenoberfläche der Glasplatte entsprechend geformt. Nach dem Weinberg-Bericht besteht eine wichtige Funktion von Nickel-Eisen-Legierungen in der Anpassung metallischer Materialien an das Wärmeausdehnungsverhalten verschiedener Glas- und Keramikgüten. Nickel-Eisen ist eine ideale Dichtungslegierung, da es ausgezeichnete Oberflächenverbindungen zwischen Glas- oder Keramikmaterial und Metall ermöglicht. Glasgüten und Nickel-Eisen-Legierungen können ihrem Wärmeausdehnungsverhalten entsprechend für verschiedene Anwendungen ausgewählt und kombiniert werden.
Nach dem Bericht können mit Nickel-Eisen-Legierungen in der Maske reinere Weißfarben auf dem Bildschirm angezeigt werden, und die Farbreproduktion und Widerstandfähigkeit gegen Wärme verbessert sich (im Vergleich mit Eisenmasken). Indem sichergestellt wird, dass der Elektronenstrahl auf die richtigen Phosphorpunkte auf dem Bildschirm trifft, bewahrt die Maske die Integrität des Bildes.
Die in Schattenmasken (und anderen Teilen der Kathodenstrahlröhre) verwendeten Nickel-Eisen-Legierungen enthalten gewöhnlich zwischen 35 % und 50 % Nickel, was den notwendigen niedrigen und angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten gewährleistet. Zu den führenden europäischen Herstellern zählen ThyssenKruppVDM GmbH in Deutschland und bis Anfang 2006 Imphy Alloys in Frankreich.
Pernifer 36® von ThyssenKruppVDM wird ebenfalls in Schattenmasken und Schattenmaskenrahmen
verwendet. „Für diese Anwendung bieten wir verschiedene Materialgüten an, die sich im Ätzverhalten, d. h. dem
Ätzen der Pixel in die Maske, unterscheiden,“ meint Dr. Bernd de Boer, Leiter der Abteilung für magnetische
Legierungen und Legierungen mit kontrollierter Ausdehnung bei ThyssenKrupp.
Pernifer 36 enthält etwa 36 % Nickel und weist zwischen
-250 °C und 200 °C einen äußerst niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Der Wärmeausdehnungskoeffizient
von Pernifer 36 nMn® liegt sogar niedriger bedingt durch geringere Mangan- und
Restbestandteile
Das Angebot an Kathodenstrahlröhren reicht von ‘dick’ bis ‘schlank’ und schließt größere Abmessungen,
Flachbildschirme und HDR-Röhren (High Definition Ready) ein. Mit der ursprünglich in Bimetallen und
Thermostaten verwendeten Nickel-Eisen-Legierung Invar® (
K93600) und mit verbesserten Versionen wie Inovar® können Röhrenhersteller diesen technischen
Herausforderungen begegnen. Genauer gesagt sind sie ideal für die Schattenmaske, da sie eine perfekte
Konvergenz der Elektronen zur Erzeugung des Bildes auf dem Leuchtschirm gewährleisten.
„Bei preisgünstigeren Produkten werden möglicherweise billigere Metalle für die Maske verwendet,“ meint Sylvie Gindre, die ehemalige Leiterin der Kommunikationsabteilung der Firma Imphy, „die aber keine akzeptable Bildqualität für größere Formate (> 66 cm) erlauben. Wenn während des Betriebs des Fernsehers Wärme entsteht, dehnt sich die Schattenmaske aus und erzeugt den so genannten ‘3D-Effekt’. Mit K93600 hat dieses Phänomen minimale Auswirkungen.“
Zu den gegenwärtig angebotenen Kathodenstrahlröhren zählen „schlanke Röhren“, deren Tiefe nur zwei Drittel der traditionellen Röhren beträgt. Diese hervorragenden Röhren, die in großen Abmessungen und hohen Qualitäten (100 Hz, High Definition ready) erhältlich sind, können nur mit Masken aus Nickellegierungen wie K93600 hergestellt werden.
K93600 enthält etwa 36 % Nickel und hat einen sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen -100 °C
und
200 °C. Alle oben erwähnten Legierungen lassen sich leicht schweißen.
Nickel-Eisen wird neben der Schattenmaske für viele andere Teile der Kathodenstrahlröhre verwendet, wie zum Beispiel bei Schirmpins (zum Befestigen der Schattenmaske) und Anode buttons (Elektronen sind negativ; die Anode ist positiv und zieht deshalb die Elektronen an, die von der Kathode ausgehen). Mit Bimetallfedern werden die Ausdehnungen dieser Materialien ausgeglichen. Die Bimetalle werden durch Pressschweißen zweier Materialien mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt.
In den letzten Jahren hat sich der Markt für Kathodenstrahlröhren über die standardmäßigen gewölbten Bildschirme hinaus bis zu Flachbildschirmen entwickelt. Während die Schattenmaske in konventionellen Bildröhren zusammen mit dem Bildschirm gewölbt ist, muss sie in einem Flachbildschirm-Fernseher auf einen festen Rahmen aufgespannt werden, um ihre Form zu behalten. Deshalb muss das Material, aus dem der Rahmen besteht, der bei der Behandlung entstehenden Wärme widerstehen können und darf sich nicht ausdehnen. Auch hier verhindert der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient von Nickel-Eisen-Legierungen, dass sich die Form der Schattenmaske ändert und die Spannung beim Abkühlen verloren geht.
Schließlich suchen Hersteller der neuen Anzeigetechnologien wie organischer Lichtemissionsanzeige auch nach Nickellegierungen mit niedrigem Ausdehnungskoeffizient, um ein stabiles Material für Siebe und ähnliche Anwendungen zu gewährleisten. Da bei Bilderzeugungsanwendungen gewöhnlich elektrische Ströme fließen, Wärme entsteht und eine stabile Qualität benötigt wird, neigen Hersteller natürlich dazu, Nickellegierungen als mögliche Bausteine in Erwägung zu ziehen.
Thom Loree ist ein in Toronto ansässiger freier Mitarbeiter.
FOTOS: ThysenKrupp VDM GmbH und Imphy Alloys
 Dr. Bernd de Boer |
