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Surfen auch im Sonnenlicht

Bei starkem Lichteinfall können Anzeigen auf Flüssigkristalldisplays oftmals nur schwer gelesen werden. Hauptursache ist ein Luftspalt zwischen Display und der Touch-Bedieneinheit. Mit einem neuen Silicongel von WACKER und einer speziellen Fertigungstechnik, dem optischen Bonden, macht der deutsche Displayveredler VIA optronics Bildschirme fit für den Einsatz in heller Umgebung.

Bessere Displays mit weniger Reflexionen Podcast | 13.05.2015 | 8:32 Min

Notebook-Bildschirme und Touchscreens, die in der Wohnung mit ihrem kontrastreichen Bild und brillanten Farben begeistern, lassen sich im Freien oft nur noch schwer ablesen und bedienen. Die Farben wirken ausgewaschen, von sattem Kontrast keine Spur. Fällt Sonnenlicht direkt auf den Schirm, entstehen gleißend helle Reflexionen – das Auge nimmt außer einem mehr oder weniger diffus leuchtenden hellen Fleck nichts mehr wahr. Selbst in sehr hellen Innenräumen kann das Ablesen mitunter schwierig werden.

Selbst in sehr hellen Innenräumen kann das Ablesen von Standard-Displays manchmal schwierig werden.

Dass Displays bei Tageslicht nur noch schwer lesbar sind, beeinträchtigt nicht nur Besitzer von Notebooks, Flachbildschirmen, Tablet-PCs und Smartphones, sondern auch Autofahrer, wenn beispielsweise Navigationsgeräte oder Displays in der Mittelkonsole bei starker Sonneneinstrahlung an Kontrast verlieren.

Betroffen von solchen störenden Reflexionen sind praktisch alle Flachdisplays – auch Aktiv-Matrix-Flüssigkristalldisplays, die derzeit den Markt der Flachbildschirme dominieren. Nach Angaben des Deutschen Flachdisplay-Forums (DFF) erzielt die Flachdisplay-Branche mit Aktiv-Matrix-Flüssigkristalldisplays rund 90 Prozent ihres Umsatzes. „Aktiv-Matrix-Flüssigkristalldisplays erreichen eine exzellente Farbdarstellung, wenn sie transmissiv betrieben werden. Diese Betriebsweise wird daher gegenwärtig mit Abstand am häufigsten realisiert“, erklärt Dr. Karlheinz Blankenbach, Vorsitzender des DFF und Professor an der Hochschule Pforzheim.

Zelle wirkt als Lichtventil

Mit und ohne Silicon: Schematische Zeichnung eines Flüssigkristalldisplays, links konventionelle Bauweise, rechts mit einem speziellen Silicongel von WACKER optisch gebondet.

Generell leuchtet ein Flüssigkristalldisplay nicht von selbst. Seine zentrale Baueinheit, die LCD-Zelle, wirkt lediglich als Lichtventil. Um ein sichtbares Bild zu erzeugen, benötigt sie eine Lichtquelle. Befindet sich diese hinter der LCD-Zelle und beleuchtet sie die Zelle von hinten, spricht man von einer transmissiven Betriebsweise. „Lichtdurchlässige Bereiche der LCD-Zelle werden von hinten durchstrahlt und erscheinen hell. Lichtundurchlässige Bereiche ergeben dagegen die dunklen Stellen im Bildschirminhalt“, erläutert Blankenbach.

Fällt von außen Licht auf ein Display, wird der angezeigte Bildschirminhalt aufgehellt, weil unsere Augen das vom Display reflektierte Licht zusätzlich wahrnehmen. So erscheinen schwarz angezeigte Bildbereiche bei Lichteinfall grau und gehen immer mehr ins Hellgraue, je intensiver das einstrahlende Licht ist. Folglich verschlechtert sich der Hell-Dunkel-Kontrast.

„Vor allem im Freien können Reflexionen eine derart hohe Leuchtdichte erreichen, dass sie die Bildschirminformation völlig überstrahlen und das Kontrastverhältnis, also den Quotienten der Leuchtdichten des hellsten und des dunkelsten Bildschirmbereichs, auf Werte unter 3:1 drücken. Dann lässt sich der Bildschirm nicht mehr ablesen – egal, ob er mit einem Touchpanel ausgestattet ist oder nicht“, erklärt Prof. Blankenbach.

Für den Privatanwender sind unerwünschte Reflexionen ein Ärgernis. Bei industriellen Display-Anwendungen können sie schnell zum Sicherheitsrisiko werden. „Das kann besonders dann passieren, wenn sich ein Prozess mangels Ablesbarkeit einer Anzeige nicht mehr überwachen und steuern lässt“, gibt der WACKER-Chemiker Dr. Philipp Müller zu bedenken. Müller beschäftigt sich im Business Team Industrial Solutions von WACKER SILICONES schwerpunktmäßig mit Silicongelen und dem Verguss von elektronischen Bauteilen. „Sind zum Beispiel Piloten bei ungünstigem Lichteinfall nicht mehr in der Lage, wichtige Anzeigen im Cockpit korrekt abzulesen, droht Gefahr für Leib und Leben der Passagiere.“

Unterschiedliche Brechungsindizes

Helles Licht kann die Lesbarkeit von Displays und Touchscreens deutlich erschweren. Schuld daran sind Reflexionen und Spiegelungen am Frontglas (Grafik links). Eine Versiegelung mit Silicongel (rechts) trägt dazu bei, unerwünschte Reflexionen zu unterdrücken. Optisch gebondete Displays lassen sich auch im Freien problemlos ablesen.

Physikalisch betrachtet können Reflexionen an Stellen entstehen, an denen die Lichtwelle auf ihrem Weg plötzlich andere Ausbreitungsbedingungen vorfindet. „Typischerweise tritt solch eine Situation an der Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlichen Substanzen ein, wenn diese sich in ihren Brechungsindizes merklich unterscheiden“, erklärt Dr. Müller. Ist der Brechungsindex-Unterschied zwischen beiden Medien 0,1 oder kleiner, wird kaum Licht reflektiert – das Licht tritt praktisch vollständig in die zweite Substanz ein. Luft hat mit einem Wert von 1,0 einen sehr viel niedrigeren Brechungsindex als die in Flüssigkristalldisplays verbauten Materialien. Deren Brechungsindex liegt meist zwischen 1,4 und 1,5.

Mit den richtigen Werkstoffen und einer ausgetüftelten Verbundtechnologie lassen sich Reflexionen dennoch unterdrücken, wie die Industriedisplays des international erfolgreichen Displayveredlers VIA optronics GmbH zeigen. Das in Schwarzenbruck bei Nürnberg angesiedelte Unternehmen stellt einbaufertige Flüssigkristalldisplays her, beispielsweise für Kfz-Diagnosegeräte, für künstliche Horizonte in Flugzeugen oder für Zentraldisplays in Fahrzeugen. Tageslichttauglichkeit, Robustheit und hohe Zuverlässigkeit sind bei diesen Anwendungsfeldern besonders wichtig.

Zwei Baueinheiten

Ausgangskontrolle: Displays und Touchpanels, die bei der VIA optronics vom Band laufen, werden vor der Auslieferung auf Herz und Nieren geprüft.

Flüssigkristallanzeigen bestehen heutzutage im Wesentlichen aus zwei separaten Teilen: aus dem LCD-Modul selbst, das alle zur Erzeugung des Bildschirminhalts erforderlichen Komponenten enthält, und aus einer zweiten Baueinheit, die vor dem LCD-Modul montiert ist. Bei der zweiten Baueinheit kann es sich zum Beispiel um ein Touchpanel handeln, wie sie etwa in Smartphones verbaut sind. Die Baueinheit kann aber auch einfach nur – wie etwa bei Ultrabooks – ein Frontglas sein, das die empfindliche Oberfläche des LCD-Moduls vor äußeren Einwirkungen schützt oder als Designelement dient.

Zwischen der vorgesetzten Baueinheit und dem LCD-Modul befindet sich konstruktionsbedingt ein kleiner Zwischenraum. Dieser Luftspalt ist hinsichtlich der Lichtausbreitung kritisch, denn Luft hat einen deutlich kleineren Brechungsindex als die angrenzenden Materialien. Folglich stößt Licht, das aus der Umgebung auf das Display einfällt, bei seinem Weg auf drei Grenzflächen, an denen es zu Reflexionen kommt: auf die Frontseite des vorgesetzten Bauteils, auf dessen Rückseite und auf die Vorderseite des LCD-Moduls.

An jeder dieser drei Ebenen werden rund drei bis vier Prozent des von außen einfallenden Lichts reflektiert. Wie groß das Reflexionsvermögen dieser Ebenen im konkreten Einzelfall ist, hängt vom Einfallswinkel des Lichts und von den genauen Werten der Brechungsindizes ab. Die drei Einzelreflexionen summieren sich auf etwa zwölf Prozent. Außerdem entstehen noch Mehrfachreflexionen. „Berücksichtigt man auch diese, kommt man durchaus auf 20 Prozent“, warnt Jürgen Eichner, Gründer und CEO der VIA optronics GmbH. „Und ist das Gerät mit einem Touchscreen ausgestattet, kann die Störreflexion durch die Metallisierungsschicht sogar auf über 30 Prozent ansteigen.“ Es gibt mehrere Möglichkeiten, um ein Display tageslichttauglich zu machen. Das beginnt bereits bei der Auswahl der Komponenten. „Wir setzen nur Frontgläser ein, die mit einer Antireflexionsschicht ausgerüstet sind“, betont VIA optronics-Chef Eichner.

„Silicongele kamen allen unseren Anforderungen am nächsten. Auf ihrer Basis haben wir dann unser Bondingmaterial formuliert.“

Jürgen Eichner, CEO, VIA optronics

Bündel von Maßnahmen

Zu Testzwecken wurde dieses Flüssigkristalldisplay nur zur Hälfte mit Silicongel optisch gebondet. Die linke, nicht-gebondete Displayhälfte spiegelt deutlich. Die gebondete Seite (rechte Hälfte) lässt sich einwandfrei ablesen.

Diese Oberflächenvergütung minimiert die Reflexionen an der äußeren der drei Reflexionsebenen. Außerdem verbaut das Unternehmen ausschließlich kapazitive Touchpanels. Hier ist die transparent-leitfähige Schicht besonders dünn und fein strukturiert. Solche Touchscreens wirken daher weniger stark reflektierend als andere Systeme und lassen relativ viel des von hinten kommenden Lichts passieren. Um die inneren Reflexionsebenen zu beseitigen, werden das LCD-Modul und das vorgesetzte Bauteil fest miteinander verklebt. Diese Maßnahme, die auch als optisches Bonden bezeichnet wird, reduziert Reflexionen besonders effektiv. Der Brechungsindex des als Klebstoff wirkenden Silicons entspricht in etwa den Brechungsindizes der beiden angrenzenden Schichten. Damit kann sich das Licht so ausbreiten, als bestünden die zusammengefügten Teile samt Klebstoff aus einem einzigen Material.

Oberflächenvergütung und optisches Bonden können den Reflexionsgrad auf unter ein Prozent senken. Auf diese Weise erreicht das Display in heller Umgebung ein wesentlich höheres Kontrastverhältnis als ein Standard-Display. „Schließlich optimieren wir noch die Rückseitenbeleuchtung, indem wir zum Beispiel die Lenkung und Bündelung des Lichts verbessern“, ergänzt Eichner. Dadurch erscheint das Display leuchtkräftiger, und die an die helle Umgebung adaptierten Augen haben es leichter, den Bildschirminhalt zu erkennen.

Flachere Displays möglich

Die Bildschirme von Navigationsgeräten sollten schon aus Gründen der Verkehrssicherheit einwandfrei ablesbar sein – das optische Bonden sorgt dafür.

Im Kampf gegen unerwünschte Reflexionen stellt das optische Bonden einen entscheidenden Schritt dar. Das Verfahren, mit dem Flachbildschirme in der Rüstungs- und Flugzeugindustrie seit den 1980er-Jahren hergestellt werden, eliminiert etwa zwei Drittel der Gesamtreflexionen. Außerdem schützt es den sichtbaren Bereich im Innern der Anzeigeeinheit vor Staub und Feuchtigkeit, erhöht die mechanische Stabilität des Bildschirms und ermöglicht deshalb auch die Konstruktion flacherer Displays. Die Firma VIA optronics, die eine 15-jährige Erfahrung auf dem Gebiet des optischen Bondens besitzt, hat einen eigenen, patentierten Prozess entwickelt und setzt dafür ein gemeinsam mit WACKER entwickeltes Silicon ein. Das gießfähige Gel wird flüssig appliziert und härtet allmählich zu einer weichen Schicht aus. Erst wenn das Silicon so weit abgebunden ist, dass es nicht mehr fließt, aber immer noch klebrig ist, werden die beiden Display-Teile zusammengefügt.

„Beim Zusammenfügen ist das Silicon schon teilweise vernetzt, aber keineswegs vollständig ausgehärtet“, erläutert der Silicongel- Experte Philipp Müller. Dieser trocken-klebrige Zustand ist wichtig: Wäre das Silicon beim Fügen noch flüssig, könnte es in die Beleuchtungseinheit oder gar in die LCD-Zelle gelangen. Gleichzeitig muss es die notwendige Haftung zu den Bauteil-Oberf lächen aufbauen können. „Die Kunst besteht darin, genau den richtigen Zeitpunkt zum Fügen zu treffen“, betont Müller. Beim Bonden wird zunächst die benötigte trocken-klebrige Siliconschicht auf der Rückseite des Frontglases oder des Touchpanels aufgebracht; je nach Displaygröße und angestrebter mechanischer Robustheit liegt die Schichtdicke zwischen 0,1 und zwei Millimetern, bei vandalismusgefährdeten Anzeigen auch deutlich darüber. Im zweiten Schritt werden die Bauteile zusammengefügt – passgenau und ohne merklichen Druck. Um Verunreinigungen der Bondschicht zu vermeiden, führt der Displayveredler diese Prozessschritte im Reinraum aus. Anschließend härtet die Siliconschicht vollständig aus. Hierbei erreicht die Klebung ihre Endfestigkeit.

In der Praxis erfordert das Trockenverfahren umfangreiches Know-how – und ein geeignetes Bondingmaterial. „Unser Prozess gelingt nur mit einem maßgeschneiderten Silicongel, das WACKER exklusiv für uns herstellt“, sagt Jürgen Eichner von VIA optronics. Sein Unternehmen hat viele transparente Materialien unterschiedlicher Stoffklassen getestet – neben Siliconen auch organische Klebstoffe, die sich aber unter anderem wegen ihrer Vergilbungs- und Schrumpfneigung als ungeeignet erwiesen hätten. „Die Suche nach dem richtigen Werkstoff führte uns letztlich zu WACKER . Deren Silicongele kamen allen unseren Anforderungen am nächsten“, berichtet Eichner. „Auf ihrer Basis haben wir dann unser Bondingmaterial formuliert.“

Weich und hochflexibel

Produktion eines optisch gebondeten Spezialdisplays im Mörsdorfer Entwicklungslabor der VIA optronic GmbH.

Anders als gewöhnliche Siliconkautschuke vulkanisieren Silicongele nicht zu einem Siliconelastomer, sondern vernetzen zu einem weichen und hochflexiblen Material, das von seiner Konsistenz her eher an Götterspeise als an Gummi erinnert. In einem vernetzten Silicongel sind die einzelnen Siliconmoleküle untereinander zu einem lockeren, weitmaschigen Netzwerk verbunden. Einige Siliconketten sind sogar nur an einem Ende an das Netzwerk angebunden. Dieses Netzwerk macht das Vulkanisat sehr nachgiebig und viskoelastisch: Das Silicongel lässt sich verformen und kehrt erst allmählich wieder in die ursprüngliche Gestalt zurück. Für den WACKER-Anwendungstechniker Phillipp Müller ist das wichtig im Hinblick auf die Anwendung in Displays: „Das Silicongel kann mechanische Belastungen zuverlässig abfangen und sich dicht und formschlüssig an feste Oberflächen anschmiegen.“

Silicongele besitzen noch einen weiteren Vorteil: Als additionsvernetzende Massen verändern sie sich beim Aushärten praktisch nicht mehr. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für das optische Bonden, wie VIA optronics-Chef Eichner betont: „Würde die Bondschicht beim Aushärten schrumpfen, käme es an den Rändern der verklebten Baugruppen zu Zugspannungen. Diese würden sich auf die LCD-Zelle auswirken. Sichtbare Farbveränderungen auf dem Bildschirm wären die Folge.“

„Das Silicongel kann mechanische Belastungen zuverlässig abfangen und sich dicht und formschlüssig an feste Oberflächen anschmiegen.“

Philipp Müller, Anwendungstechnik Industrial Solutions, WACKER SILICONES

Über VIA optronics

VIA optronics GmbH (www.via-optronics.com) ist ein weltweit tätiges Unternehmen im Bereich der Displayveredlung und hat sich auf die Herstellung reflexionsarmer Flüssigkristallanzeigen spezialisiert. Das Unternehmen besitzt über 16 Jahre Erfahrung sowie zahlreiche Patente auf dem Gebiet des optischen Bondens. Von VIA optronics entwickelte oder veredelte Displays werden insbesondere in Geräten verbaut, die für den Außeneinsatz oder den Einsatz in heller Umgebung konzipiert sind, etwa in medizinischen Diagnosegeräten, tragbaren Messapparaturen, Industrieautomaten oder Navigationsgeräten für Kraftfahrzeuge. Das Unternehmen beschäftigt weltweit 400 Mitarbeiter und besitzt Produktionsstätten in Mörsdorf (Thüringen/Deutschland) und Suzhou (Jiangsu/ China). Firmensitz ist Schwarzenbruck bei Nürnberg.

Gemeinsam mit Siliconexperten von WACKER erarbeitete der mittelfränkische Displayveredler eine grobe Formulierung für das Silicon-Bondingmaterial. Damit begann eine fruchtbare Zusammenarbeit. „Technologisch und kommerziell waren wir von der Idee, ein Silicongel zum optischen Bonden einzusetzen, schnell überzeugt. So haben wir entschieden, ein Exklusivprodukt für VIA optronics herzustellen“, sagt Müller.

Mit der zunehmenden Verbreitung von Tablets und Smartphones sind optisch gebondete Touchscreens für Privatkunden stark im Kommen. Trendsetter war Apple mit seinen iPhones und iPads, die über einen Touch-Bildschirm bedient werden. Mit Windows 8 treibt auch Microsoft diesen Trend voran, dessen Betriebssystem ebenfalls auf berührungsempfindliche Bildschirme setzt. „Dadurch ist für die Hersteller von Endgeräten ein großer Druck entstanden, Touchscreens zu verwenden“, so die Einschätzung von Prof. Blankenbach.

Dieser Trend beschert dem optischen Bonden eine große Zukunft. So haben WACKER und VIA optronics jüngst vereinbart, bei Aktivitäten rund um das optische Bonden noch stärker als bisher zu kooperieren. Dies betrifft sowohl den fachlichen Wissensaustausch bei der Entwicklung neuer Siliconprodukte und Verarbeitungstechnologien als auch die Bündelung von Vertriebs- und Vermarktungsaktivitäten – damit spiegelnde, schwer lesbare Displays künftig der Vergangenheit angehören.

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