Berührempfindliche Eingabesysteme Das sind die beiden häufigsten Fehler beim Optical Bonding

Autor / Redakteur: Klaus Wammes * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Optical Bonding oder transparentes Laminieren hat sich in der Industrie etabliert. Doch die Tücken liegen im Detail. Dabei ist ein kosmetischer Fehler noch harmlos. Ein funktionaler Fehler nicht mehr.

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Ein Touchdisplay sollte frei von Fehlern sein. Tücken beim Optical Bonden liegen allerdings im Detail. Wir zeigen die beiden häufigsten Fehler.
Ein Touchdisplay sollte frei von Fehlern sein. Tücken beim Optical Bonden liegen allerdings im Detail. Wir zeigen die beiden häufigsten Fehler.
(Bild: Samsung Galaxy S5 Display / Prepayasyougo, flickr.com / BY-ND 2.0)

Trotz der zahlreichen Erfahrungswerte beim Optical Bonding treten Fehler auf, die sich in zwei Kategorien zusammenfassen lassen: kosmetische Fehler und funktionale Fehler. Erstere beeinträchtigen die Optik: Bläschen und beginnende Delamination sehen zwar nicht besonders schön aus, Touch und Display funktionieren jedoch noch. Letztere dagegen sorgen für den Geräteausfall durch beispielsweise verbogene beziehungsweise verklemmte Displays. Da Luft einen anderen Brechungsindex hat als Kleber, fallen eingeschlossene Luftbläschen leicht ins Auge. Ist der Kleber mit den beiden Grenzflächen, die er zusammenhalten soll, nicht kompatibel, dringt Luft in den Verbund ein.

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Der Einfluss des Wassers auf die Materialien

Lösemittel können ebenfalls den Kleber angreifen. Auch treten Bläschen durch Alterung des Klebers auf oder durch äußere Einflüsse wie Magnetfelder oder Temperatur. Bläschen entstehen allerdings auch durch unterschiedliches Wasseraufnahmevermögen der unterschiedlichen Materialien. Das Wasser ist zunächst chemisch gebunden oder physikalisch an der Oberfläche.

Auch Glas hat immer eine Mono-Lage Wasser an seiner Oberfläche. Bei Temperaturerhöhung löst es sich, es entsteht Dampfdruck, der größer ist als die Klebekraft. Bei Kälte kristallisiert das Wasser. Von der für Display und Touch unvorteilhaften Schärfe und Spitze der Kristalle abgesehen, wird der Kleber durch Kälte regelrecht abgesprengt. Es kommt zu Kältebläschen. Diese wachsen bei jedem Atmen des Gerätes, also Kalt-Warm-Wechsel.

Entstehen Bläschen an den Kanten des Displays, kommt es zur Diffusion: Wasserdampf dringt ein, der Effekt verstärkt sich. Da der Zug an den Außenkanten des Laminatverbunds am stärksten ist, wird die Bläschenbildung gleichzeitig durch den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der verklebten Materialien verstärkt. Entsprechend kommen Bläschen, die von außen nach innen wachsen, am häufigsten vor.

Treffen mehrere Bläschen zusammen, werden sie zu einer größeren Blase. Je nach Position und Anzahl begünstigen sie bei häufigeren und weiten Temperaturgängen weitere partielle Delamination. Wird das Verklebte später weiter verbaut, spielen selbstverständlich auch die Ausdehnungskoeffizienten des neuen Verbundmaterials eine Rolle.

Bläschen können auch absorbiert werden. Zunächst ist das gut. Das Bläschen ist jedoch nicht verschwunden. Es ist lediglich gebunden und nur temporär unsichtbar, da es im gebundenen Zustand quasi denselben Brechungsindex hat. Beim nächsten Atmen des laminierten Verbundes wird es meist wieder sichtbar.

Ein Verbund ändert sich als Ganzes

Die Physik unterliegt ihren eigenen Gesetzen, auch wenn diese dem angehenden Techniker nicht immer auf den ersten Blick als logisch erscheinen. Passt der Ausdehnungskoeffizient der Verbundmaterialien nicht, kann die Mechanik auch nicht funktionieren. Denn: Ein Verbund ändert sich als Ganzes, analog zum Biegemetall, das aus dem Physikunterricht bekannt ist.

Es besteht aus unterschiedlichen Metallen, die sich unterschiedlich biegen. Durch die Biegung entstehen naturgemäß Scherkräfte, die die Metalle gegeneinander verziehen. So arbeitet auch der Verbund ab einem bestimmten Punkt gegen seine eigene Umgebung wie Dichtung, Elektronik oder Leiterbahnen. In Konsequenz kommt es nicht nur zur Bläschenbildung, sondern auch zur Krümmungen oder Brüchen.

Im seltensten Fall klappt es, alle Geräte und Materialien von einem echten oder vermeintlichen Spezialisten zuzukaufen, um dann selbst als Spezialist Projekte bedienen zu können. Ändert sich ein Teil im System oder Verbund, muss das ganze System respektive die ganze Applikation angepasst werden. So lassen sich sehr dünne Glasschichten von beispielsweise einem Millimeter oder dünner als Schutzglas oder Touchsensor zwar technisch relativ einfach mit einem Display bonden.

Aber wenn die Biege- und Scherkräfte der sich unterschiedlich ausdehnenden Materialien wie Kunststoff, Metall oder Glas nicht ausreichend kompensiert werden, wird auch der schönste blasenfreie Verbund bei thermischer Beanspruchung brechen oder delaminieren. Optical Bonding ist ein analoger Prozess, auch wenn digitale Geräte eingesetzt werden.

Unbedingt Erfahrungen beim Optical Bonding sammeln

Im ersten Schritt sollten nur Materialien kombiniert werden, deren Ausdehnungskoeffizienten möglichst gleich sind. Das hat im klassischen Sinne einer Kettenreaktion zahlreiche positiver Effekte zur Folge: Bei einem kleinen Ausdehnungsunterschied hält bereits eine dünne Klebefuge dicht, da der Kleber nicht so elastisch sein muss.

Durch eine dünnere Fuge ist auch weniger Platz für Diffusion. Gleichzeitig kann ein Kleber genutzt werden, der nicht dauerhaft elastisch sein muss, sondern verhärten kann. Diese Materialien können wiederum chemisch mit den Oberflächen reagieren. Der Molekularverbund agiert dann als sei er ein Material.

Allerdings müssen Materialien dafür kompatibel sein. Beim Prozess muss darauf geachtet werden, dass sich nicht von vornherein Bläschen, Wasser oder auch Reinigungsmittel einschleichen. Der zweite Schritt heißt: Übung und Erfahrung. Sie machen es möglich von vornherein und auch in nicht-zerstörenden Tests herauszufinden, wie sich ein Klebeverbund verhalten wird und wie dessen Qualität ausfällt.

Nicht-zerstörende Tests zeigen, wie gut die Optical Bonds tatsächlich sind und wie lange sie unter den vorgegebenen Einsatzbedingungen aushalten werden. Am Ende hilft es auch, die Erfahrung anderer zu nutzen. Sowohl als helfende Hand, als auch als Quelle für Inspiration oder Fehler.

* Klaus Wammes ist Geschäftsführer bei Wammes & Partner, einem Forschungs- und Produktionsunternehmen für Optoelektronik, Flachdisplays und Licht.

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