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23.01.2012

Optical Bonding industriell nutzen

Von: Autor: Dr. Günther Waibel // Redakteur: Juliana Pfeiffer* *
Für die Produktion seiner multitouchfähigen Touchpanels hat Hummel ein spezielles Optical Bonding-Verfahren entwickelt, das eine luftblasenfreie Montage sicherstellt.

Hummel-Glas-Bonding-Technologie –Vergleich der Brillanz links ohne, rechts mit Optical Bonding. (Bild:Hummel)

PCT-Technologie (Projected Capacitive Touch) mit Optical Bonding. (Bild: Hummel)

Resistive Touchtechnologie mit konventioneller Verklebung. (Bild: Hummel)

Größere Lichtausbeute durch geringere optische Verluste, links konventionelle

Optisch gebondete Displays sind keine Neuheit. Sie kommen seit über 30 Jahren beim Militär in den Bereichen der Luftwaffe und Marine zum Einsatz, insbesondere in Bordinstrumenten von Militärflugzeugen und Militärbooten. „Optical Bonding“ bedeutet „transparente Flüssigverklebung“ und beschreibt eine Klebetechnik, mit der optische Komponenten wie z.B. Displays, Touch oder Frontglas mit einer besonders hohen optischen Qualität miteinander verbunden werden. Die Besonderheit liegt darin, dass hochtransparente, indexangepasste Klebstoffe verwendet werden, um im Gesamtverbund eine möglichst klare Darstellung der Anzeigeelemente auch bei ungünstigen Lichtverhältnissen zu erzielen.

Lufteinschlüsse zwischen Anzeigeelement und Frontglas vermeiden
Mit einem vollständigen Verguss der Zwischenräume wird im Produktionsprozess sichergestellt, dass sich zwischen Anzeigeelement und Frontglas keine Lufteinschlüsse befinden, so dass Kondensationseffekte vollständig ausgeschlossen werden können. Das Ausfüllen des Luftspalts verhindert zudem Parallaxen-Fehler und interne Reflexionen, was zu einer verbesserten optischen Performance bei ungünstigen Tageslichtverhältnissen führt. Ein weiterer Vorteil ist die Brillanz, die vor allem in Verbindung mit den neuen lichtstarken LED-Backlight Displays erzielt wird. Durch den Einsatz von LEDs werden neue Werte bezüglich des maximalen Kontrastverhältnisses erreicht, Farben wirken intensiver und realistischer. Geringere optische Verluste, verursacht durch Reflexionen an den Grenzflächen, führen durch indexangepasste Klebstoffe zu einem höheren Kontrastverhältnis und einer deutlich größeren Lichtausbeute.

Neben all den optischen Vorteilen durch Optical Bonding ist für den rauhen Industrieeinsatz die Robustheit des Gesamtaufbaus vorteilhaft. Die fest miteinander verbundenen Glaskomponenten wirken wie Verbundsicherheitsglas und sind damit sehr widerstandsfähig gegenüber Vibrationen, thermischen Spannungen und Schockbelastungen.

Kommerzieller Durchbruch des Optical Bondings durch das iPhone
Allerdings wurde das Knowhow der Optical Bonding-Verfahrenstechnik lange Zeit gehütet, so dass bis heute fundiertes Wissen über das Klebeverfahren nur wenig verbreitet ist. Dass der industrielle Nutzen des Verfahrens über diesen langen Zeitraum nicht erkannt wurde, lag möglicherweise am vergleichsweise hohen Aufwand und der damit einhergehenden Kosten, zumal der Kostenaspekt in der ursprünglichen Anwendung eher eine untergeordnete Rolle gespielt hat. Erst der Trend der letzten Jahre zu immer leistungsfähigeren Displays mit multitouch-fähiger PCT-Technologie (Projected Capacitive Touch) und deren zunehmenden Einsatz im industriellen Umfeld verhalf dieser bislang vorrangig dem Militär vorbehaltenen Technologie zu einem höheren Bekanntheitsgrad. Das iPhone verschaffte schließlich dem Optical Bonding-Verfahren den kommerziellen Durchbruch.

Die heutigen Probleme resultieren weniger aus dem Klebstoffmaterial, sondern vielmehr aus der Verfahrenstechnologie. Eine der größten Herausforderungen ist das luftblasenfreie Verkleben von optischen Materialien. Wo Flüssigkeiten mit Luft in Kontakt kommen, können grundsätzlich auch Lufteinschlüsse entstehen, die sich dann in Form von Luftblasen in der Flüssigkeit verteilen. Je nach Viskosität und Oberflächenspannung des Klebstoffes lösen sich die Luftblasen an der Oberfläche auf. Beim Fügen der Glasplatten können jedoch wieder Luftblasen eingeschlossen werden, die dann im weiteren Verlauf des Klebeprozesses nicht mehr entweichen können und zwischen den optischen Fügepartnern eingeschlossen bleiben (z.B. Displayoberfläche – Touchscreen oder Touchscreen – Frontglas). Was bei einem Smartphone noch vergleichsweise einfach geht, bereitet bei Displaygrößen über 19“ deutlich größere Probleme.

Risiko der Luftblasenbildung für viele Touch-Panel-Hersteller zu hoch
Mit zunehmender Displaygröße – inzwischen werden 22“-Diagonalen verlangt – und mehreren optischen Schichten wächst das Risiko der Luftblasenbildung beim Verkleben der optischen Komponenten. So kann eine einzige Luftblase im Sichtbereich des Displays zum Ausschuss und damit zur Ertragsminderung führen, was sich wiederum in den Kosten des Endprodukts niederschlägt. Aus diesem Grund verzichten derzeit sehr viele Touch-Panel-Hersteller auf den Optical Bonding-Prozess und bieten ihre Produkte ohne die genannten optischen Vorteile an. Alternativ werden auch Lösungen mit gebondetem Touch auf Frontglas und Luftspalt zwischen Display und Touch angeboten. Resistive Touches lassen sich ohnehin nicht vollständig optisch bonden – zwischen Betätigungs- und Kontaktfläche ist aus technischen Gründen immer ein Luftspalt erforderlich.

Optical Bonding-Verfahren stellt luftblasenfreie Montage sicher
Das Unternehmen Hummel setzt auf hochwertige Touchpanel mit PCT-Technologie (Projected Capacitive Touch), durchgehender Glasfront und LED-Backlight Displays – sämtliche Komponenten sind optisch gebondet. Für die Produktion der Touchpanels wurde eigens ein Optical Bonding-Verfahren entwickelt, das eine prozesssichere und luftblasenfreie Montage auch bei größeren Stückzahlen sicherstellt. Im Rahmen der Verfahrensentwicklung wurden die derzeit bekannten Bonding-Verfahren eingehend untersucht mit dem Ergebnis, dass keines der gängigen Verfahren für eine luftblasenfreie, prozesssichere Montage geeignet ist. Sieht man einmal von der Vielzahl der verwendeten Klebstoffe ab, lassen sich die Bonding-Verfahren prinzipiell in zwei verschiedene Techniken unterscheiden, der Verdrängungs- und der Befüllmethode. Bei der Verdrängungsmethode werden Display und Touchkomponente mit Flüssigkleber miteinander verbunden, überschüssiges Material kann am äußeren Rand abgewischt werden. Eine weitere bekannte Methode ist die Befüllmethode, bei der die zu verklebenden Komponenten zunächst zueinander positioniert werden und der Luftspalt anschließend mit Flüssigkleber befüllt wird. Die Verfahren haben im Wesentlichen eines gemeinsam: Bei keinem der Verfahren lassen sich Lufteinschlüsse gänzlich vermeiden.

Die Entwicklungsingenieure von Hummel haben ein Verfahren entwickelt, das Luftblasenbildung im Klebeprozess gar nicht erst ermöglicht. Das zum Patent angemeldete Verfahren resultiert aus den Gesetzmäßigkeiten der Mikrofluidik, einem Teilgebiet der Mikrosystemtechnik. Hier gelten andere Gesetze wie in der Makrowelt. Oberflächenkräfte kommen hier beispielsweise deutlich stärker zum Tragen. Man nutzt das Zusammenspiel von Kapillarkräften, Benetzungsfähigkeit und weiteren fluidischen Eigenschaften, um einen luftblasenfreien, prozesssicheren Klebeprozess realisieren zu können. Mit diesem Verfahren hat die HUMMEL AG eine Basis geschaffen, um künftig neben 19“ und 22“ großen Touchpanels auch größere Diagonalen mittels Optical Bonding anbieten zu können.

Vorteile durch Optical Bonding
Industrietaugliche Touchpanel, bestehend aus LED-Backlight Display, PCT-Multitouch (Projected Capacitive Touch) und einer robusten Glasfront, gewinnen durch Optisches Bonden an Brillanz und Wertigkeit. Nicht nur die optische Qualität des Displays lässt sich dadurch deutlich verbessern, es wird auch eine wesentlich höhere Widerstandsfähigkeit bei Stoßbelastungen, Schockeinwirkung und Vibration erzielt. Durch den Einsatz der „Hummel-Glas-Bonding Technologie“ wird die Stabilität des Touchpanels verbessert, die Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Einwirkungen gemindert, das Eindringen von Feuchtigkeit und Staub vermieden sowie eine Brillanz erzeugt, die Multitouch-Anwendungen im industriellen Umfeld alltagstauglich machen. (jup)

* *Dr. Günther Waibel ist Leiter des Geschäftsbereichs Eingabesysteme der Hummel AG
Redakteur: Juliana Pfeiffer (konstruktionspraxis.de)

Bedienpanel: Optical Bonding industriell nutzen auf konstruktionspraxis.de


Standorte: HUMMEL AG

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