Die Prüfung der Abriebfestigkeit von Displayschutzfolien ist problematisch
Displayschutzfolien können mehrfach mit Staub darauf abgewischt werden und zusammen mit vielen anderen Gegenständen aufbewahrt werden, die das Display beschädigen oder abnutzen können. Sie dienen in der Regel als Opferschicht zum Schutz des Smartphones, sollen aber dennoch eine gewisse Lebensdauer aufweisen. Da all diese Produkte eine ähnliche Widerstandsfähigkeit versprechen, wollte diese Studie einige dieser Produkte verschiedener Marken testen, um ihre Verschleißfestigkeit zu bewerten und zu prüfen, ob sie tatsächlich so gleichwertig sind, wie behauptet wird.
Um die an diesen Displayschutzfolien entstandenen Schäden darzustellen, konzentrierte sich diese Studie auf die beiden häufigsten Schadensverursacher: Sandpartikel und Schlüssel. Sandpartikel lassen sich durch eine Unebenheit mit einem Radius zwischen 10 und 100 Mikrometern darstellen. Für den Schlüssel wurden in dieser Studie mithilfe eines Konfokalmikroskops die Radien an drei verschiedenen Zinken des Schlüssels gemessen.
Methodik zur Bestimmung der Verschleißfestigkeit
Charakterisierung der Oberflächenrauhigkeit:
Der erste Schritt bestand in der Charakterisierung der Unebenheit der Keilnut, um den richtigen äquivalenten Radius zu ermitteln. Dies wurde mithilfe des Lambda-Kopfprofilometers von Rtec-Instruments erreicht, mit dem drei verschiedene Zähne einer Keilnut abgebildet und die Radien an den verschiedenen Kanten gemessen wurden (Abbildung 2).
Verschleißmessung:
Um die verschiedenen Unebenheiten im Kontakt mit den Displayschutzfolien zu simulieren, werden Diamantspitzen mit unterschiedlichen Radien wiederholt über die Oberfläche der Proben gezogen, um gemäß ASTM G133 eine Abriebspur zu erzeugen. Auf die Spitze wird eine konstante Normalkraft ausgeübt, um die Kraft einer über die Oberfläche der Displayschutzfolie gleitenden Unebenheit zu simulieren. Die gesamte Abnutzungsspur wird in regelmäßigen Abständen abgebildet, um ihre Entwicklung zu beobachten und den Verschleiß als Funktion der Zeit zu quantifizieren. Der Test wird beendet, sobald ein vollständiges Abplatzversagen entlang der Abnutzungsspur festgestellt wird. Während des Kratztests können mehrere Signale aufgezeichnet werden, was es dem Anwender ermöglicht, Verhaltensweisen und spezifische Messwerte miteinander in Zusammenhang zu bringen.
Abbildung 2: Profilometrie von Schlüsselzähnen
| Anwendungsprofil laden | Konstante Last |
| Schienenlänge | 1 mm |
| Normale Belastung | 2 und 7 N |
| Lineare Hubfrequenz | 5 Hz |
| Taststift | Diamantkugeln mit einem Radius von 20 µm und 100 µm |
Prüfbedingungen für die Verschleißfestigkeit
Zur Abbildung der Schlüsselzähne wurde das Lambda-Kopf-Profilometer verwendet. Es wurde ein konfokales Bild mit einem Objektiv mit 50-facher Vergrößerung aufgenommen und anschließend analysiert, um den durchschnittlichen Rauheitsradius zu ermitteln, der im Verschleißversuch verwendet werden sollte.
Mit dem Indentation-Scratch-Tester (SMT-5000) wurden Verschleißspuren (Abbildung 3) auf drei verschiedenen Displayschutzfolien aus gehärtetem Glas erzeugt. An den verschiedenen Proben wurde ein einfacher linearer Hin- und Her-Verschleißtest durchgeführt. Zur Simulation von Sand (Radius 20 Mikrometer) und einem Schlüssel (Radius 100 Mikrometer) wurden zwei verschiedene Diamanten verwendet. Auch die auf die Diamanten wirkenden Normalkräfte wurden so gewählt, dass sie den realen Einsatzbedingungen entsprechen.
Nach jeweils 300 Zyklen wurde eine konfokale Aufnahme der gesamten Laufbahn angefertigt. Schließlich wurde nach 1500 Zyklen das Verschleißvolumen gemessen, um die verschiedenen Proben miteinander zu vergleichen.
Die Testparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst
Ergebnisse der Abriebfestigkeitsprüfung für Displayschutzfolien
Charakterisierung des Unebenheitsradius
Drei Zähne eines Schlüssels wurden abgebildet, um verschiedene Winkel und Radien darzustellen. Jeder Zahn wurde, wie in Abbildung 4 dargestellt, in zwei orthogonalen Richtungen im Querschnitt dargestellt. Der Mittelwert aller am Schlüssel gemessenen Radien wurde mit 102,7 Mikrometer berechnet, woraus sich die Verwendung einer Diamantnadel mit einem Radius von 100 Mikrometer für die Durchführung des Verschleißtests ergab.
Verschleißuntersuchung an Proben zur Bestimmung der Verschleißfestigkeit
Die linearen Hin- und Her-Versuche führen zu drei Verschleißphasen an den Proben. In der ersten Phase bildet sich eine Rille im Material; dies geschieht innerhalb der ersten paar hundert Zyklen. In der nächsten Phase treten Hertzsche Risse entweder in der Verschleißspur oder an einem der Enden der Spur auf. Schließlich breiten sich die Risse aus und führen zu einem vollständigen Versagen des Glases durch Abplatzen.
Die Anzahl der Zyklen, die erforderlich waren, um dieses vollständige Versagen der Displayschutzfolie festzustellen, wurde für jedes Prüfmuster erfasst und verglichen, um die Widerstandsfähigkeit der einzelnen Produkte zu quantifizieren.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt.
| 20 µm Nadel | 100-µm-Nadel | |
|---|---|---|
| A | 2789 | 5116 |
| B | 5674 | 8992 |
| C | 4851 | 6497 |
Nach 1000 Zyklen führt die kontinuierliche Belastung in der Verschleißnut dazu, dass sich im gehärteten Glas Hertzsche Risse bilden, wie sowohl auf den Konfokalaufnahmen als auch auf den Hellfeldaufnahmen zu erkennen ist. Die Dunkelfeldaufnahme bestätigt das Vorhandensein eines Risses, wie in Abbildung 7 dargestellt.
Mit dem Auftreten der ersten Risse gelangen einige Glaspartikel in den Gleitkontakt und beschleunigen den Verschleiß der Nut. Obwohl das Auftreten erster Risse den Nutzer dazu veranlassen würde, seine Displayschutzfolie auszutauschen, wurde in dieser Studie der lineare Hin- und Her-Test so lange fortgesetzt, bis das gehärtete Glas ausbrach, um die endgültige Belastungsgrenze jeder Probe zu ermitteln. Abbildung 8 zeigt einen solchen Versagensfall in der Mitte der Verschleißspur.
Sobald die ersten Risse entstehen, gelangen einige Glaspartikel in den Gleitkontakt und beschleunigen den Verschleiß der Nut.
Obwohl das Auftreten erster Risse den Nutzer dazu veranlassen würde, seine Displayschutzfolie auszutauschen, wurde in dieser Studie der lineare Hin- und Her-Test so weit durchgeführt, bis das gehärtete Glas ausbrach, um die Bruchgrenze der einzelnen Proben zu ermitteln. Abbildung 8 zeigt einen solchen Versagensfall in der Mitte der Abnutzungsspur.
Die Anzahl der Zyklen, die erforderlich waren, um dieses vollständige Versagen der Displayschutzfolie festzustellen, wurde für jedes Prüfmuster erfasst und verglichen, um die Widerstandsfähigkeit der einzelnen Produkte zu quantifizieren.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt.
Abbildung 9 fasst diese Studie zusammen und veranschaulicht sowohl das Verschleißvolumen als auch die Anzahl der Zyklen bis zum vollständigen Versagen für jede Probe.
| 20 µm Nadel | 100-µm-Nadel | |
|---|---|---|
| A | 3900 | 4500 |
| B | 1800 | 2100 |
| C | 3300 | 3900 |
Schlussfolgerungen
Frühere Anwendungshinweise konzentrierten sich auf die Kratzfestigkeit von Displays und Gläsern (Displayabdeckungen) für Smartphone-Anwendungen (siehe die Anwendungshinweise von Rtec Instruments zur Kratzfestigkeit von Glas). Dieselben Geräte können, wie oben gezeigt, durch eine umfassende tribologische Untersuchung zu einem tieferen Verständnis von Gläsern beitragen. Die Prüfung gemäß ASTM G133 oder anderen relevanten Normen kann auf den Geräten von Rtec Instruments durchgeführt werden, um das Verständnis für solche Gläser und deren Schutzleistung für die Smartphones, die sie schützen sollen, zu vertiefen.
Die automatische Bildaufnahme in unterschiedlichen Intervallen ermöglicht eine einzigartige Darstellung der Verschleißspur und verschiedener Schadensbilder. Die konfokalen Bilder ermöglichen Volumen- und Flächenberechnungen und vereinfachen somit die tribologische Analyse einer solchen Untersuchung.
Obwohl diese drei verschiedenen Displayschutzfolien ähnliche Leistungsmerkmale aufwiesen, zeigte diese Studie einen deutlichen Unterschied hinsichtlich der Verschleißfestigkeit und Bruchfestigkeit dieser Proben.
