Smartphones sollen robust und sogar faltbar sein. Möglich machen dies die extremen Eigenschaften von Glas an der Grenze des technisch Machbaren. Beispiele: ultrastabile und ultraflexible Covergläser.

Als Apple im Jahr 2007 die erste Generation seines iPhones vorstellte, schützte erstmals ein Cover aus Glas das neuartige Touch- Display vor den Herausforderungen des täglichen Lebens. Dort, wo bislang Schutzabdeckungen aus Kunststoff zum Einsatz kamen, schmeichelte jetzt der Werkstoff Glas dem Nutzer. Warum Glas? Transparente Polymer-Cover, wie in vielen Smartphone-Vorgängern damals erfolgreicher Marken wie Nokia, Palm oder BlackBerry verbaut, waren für die Navigation mit bloßen Fingern ungeeignet und machten den Einsatz von taktilen Eingabehilfen (Stylus) notwendig. Die Displays erwiesen sich zudem als sehr anfällig gegenüber Kratzern. Glas, spröde und keinesfalls bruchsicher, brachte in Hinblick auf Brillanz, Transparenz und Kratzresistenz klare Vorteile gegenüber Polymeren – insbesondere bei den hohen Qualitätsansprüchen des Premiumsegmentes.

Auf die erste Generation des iPhone folgten neue Smartphones sowie Hardware- und Software- Ansätze anderer Player – ab 2008 beispielsweise das heute omnipräsente Google Android. Mit der aufblühenden Industrie investierte auch SCHOTT in die Entwicklung moderner Coverglaser und brachte zwischen 2010 und 2012 verschiedene Coverglaser der Marke XensationR auf den Markt. Das 0,5 bis 2 Millimeter dicke Aluminosilicatglas (AS) wurde in Jena im Microfloat- Verfahren hergestellt und erfüllte die Anforderungen der Industrie: brillant, dünn, widerstandsfähig und kratzresistent. Durch seinen hohen Anteil an Aluminium und Natrium eignete es sich hervorragend für die chemische Vorspannung – einen Prozess, der das Glas besonders widerstandsfähig macht.

Die Kombination aus Aluminium und Natrium erlaubt einen besonders effektiven Ionen- Austausch. Dabei wird das Rohglas in ein Salzbad getaucht, wodurch kleinere Natriumionen durch größere Kaliumionen getauscht werden. Durch diese Nachbearbeitung erhalt das Glas eine erhöhte Schlag-, Biege- und Kratzfestigkeit.

Chemisches Vorspannen

Beim chemischen Vorspannen wird ein Ionentransfer vorgenommen. Bei AS-Gläsern wird die nicht-kristalline Netzwerkstruktur dahingehend verändert, dass ein Austausch von kleineren Natrium- (Na+) durch größere Kaliumionen (K+) stattfindet. Möglich macht dies das Eintauchen des Glases in ein Kaliumnitrat-Bad (KNO3). LAS-Gläser erlauben auf Grund ihrer chemischen Zusammensetzung ein zweistufiges Vorspannen. Im ersten Schritt werden Natrium- durch Lithiumionen getauscht; im zweiten Schritt Natrium- durch Kaliumionen. Dadurch entsteht eine Druckspannung in der Oberfläche des Glases, sowie eine entgegengesetzte Zugspannung als Gegenkraft im Inneren des Materials. Das Besondere an LAS-Glas: eine starke Druckspannung an der unmittelbaren Oberfläche ist mit einer tief liegenden Druckspannung kombinierbar. Insbesondere die tief eingeprägte Druckspannung erzeugt einen zusätzlichen Mechanismus, der die Bruchfestigkeit beim Aufprall auf aue, harte Oberflächen steigert.

Bereits kurze Zeit nach der Vorstellung der ersten XensationR Generation entwickelte SCHOTT mit XensationR 3D als erster Glashersteller weltweit ein Deckglas auf Aluminosilicatbasis mit Zugabe von Lithium, ein sogenanntes Lithium-Aluminosilicatglas (LAS). Dieser Glastyp erlaubt ein noch tieferes Vorspannen dank des Muli-Ionenaustausches und folglich eine erhöhte Bruchfestigkeit des Glases beim Sturz auf raue, harte Oberflächen.

Für jeden Trend das passende Coverglas

Mit der ersten Generation von LAS-Gläsern adressierte SCHOTT aktuelle Markttrends: Smartphone-Designs zeigten mit der Zeit immer weniger Rahmen – die Displayfläche dominierte. Ein voll-flächiger, nahtlos eingebauter Touchscreen stellte neue Anforderungen: Schließlich konnte das Display jetzt unvermeidlich auf den Boden prallen, ganz ohne schützende Einfassung. Aufbauend auf den positiven Erfahrungen folgte mit Xensation® Up., einem weiterentwickelten High- Performance LAS-Glas, der nächste Evolutionssprung:

„Mit Xensation® Up. setzen wir im Premium-Segment schon seit 2018 große Stückzahlen um – und sind in verschiedensten High-End-Geräten des chinesischen Herstellers vivo präsent“, freut sich Dr. Lutz Klippe, Produktgruppenleiter Cover bei SCHOTT. „Ein großer Vorteil von LAS-Glas ist die Bruchfestigkeit unter realen Bedingungen. So ist der Falltest das Maß aller Dinge, der sehr viel näher am Alltag ist als übliche Labortests. Xensation® Up. übersteht einen Sturz zehn Mal wahrscheinlicher als ein AS-Glas.“

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Flexible Covergläser revolutionieren den Smartphone-Markt – und eröffnen den Entwicklern ganz neue Möglichkeiten.

Höhere Bruchfestigkeit

Was ist das Besondere an LAS-Glas? Die Komposition der Inhaltsstoffe erlaubt ein sehr viel tieferes chemisches Vorspannen. Faktoren, die einen direkten Einfluss auf die Tiefenfestigkeit nehmen, sind Temperatur, Zeit und Zusammensetzung des Glases. Der Ionenaustausch findet bei einer Temperatur statt, die signifikant unter der Glasübergangstemperatur (Tg) liegt, somit bleibt die originäre Netzwerkstruktur des Glases erhalten. Die gegenüber Natriumionen ungefähr 1,3-fach größere Kaliumionen nehmen die Plätze der Natriumionen ein und provozieren eine Art „Stopf-Effekt“. Dadurch entsteht eine Druckbelastung in der Oberfläche des Glases – mit dem positiven Effekt höherer Bruchfestigkeit. Bei AS-Gläsern liegt die Tiefe des Vorspannens bei ungefähr 40 μm. Bei LAS-Gläsern hingegen bei bis zu 200 μm, ermöglicht durch einen zweistufigen Vorspannprozess. LAS-Glas ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Glas, das nicht mehr bricht: „Wir arbeiten aktuell schon an der nächsten Coverglas- Generation. Unsere Forschung stimmt uns zuversichtlich, unserer Vision von unkaputtbarem Glas einen großen Schritt näher zu kommen“, so Klippe weiter.

Flexibles Ultradünnglas für Foldable Phones

Doch Covergläser müssen nicht immer nur möglichst bruchfest sein. Neue Trends und Designs faltbarer Smartphones – sogenannte „Foldables“ oder „Flip Phones“ – verlangen vielmehr Covergläser, die flexibel sind und kleinste Biegeradien bieten. Auch hier präsentiert SCHOTT ein wegweisendes Produkt und hat mit Xensation® Flex das erste ultradünne Coverglas am Markt, das nach chemischem Vorspannen und der Prozessierung Biegeradien unter zwei Millimetern ermöglicht.

Samsung stellte im Frühjahr 2020 das erste Smartphone mit einem faltbaren Display vor, dessen Abdeckung auch ultradünnes Glas enthält. Teil der Erfolgsgeschichte: Hightech-Glas von SCHOTT. „Wir sind stolz darauf, dass Xensation® Flex in einer neuen Generation von Foldable Phones enthalten ist“, so Dr. Jack Ju, Produktgruppenleiter UTG Cover bei SCHOTT. „Unsere Technologie unterstützt faltbare Premium-Displays dabei, eine nie dagewesene Qualität zu erreichen.“

SCHOTT fertigt bereits seit den 1990er-Jahren ultradünne Gläser im Down-Draw-Verfahren. Es gibt verschiedene Typen des ultradünnen Glases. Bei kontinuierlicher Weiterentwicklung wurde im Labor bereits eine ultradünne Glasdicke von 16 μm erreicht. Zum Vergleich: ein rotes Blutkörperchen ist 8 μm dick! Jack Ju: „Mit UTG arbeiten wir immer wieder am Rande des physikalisch Machbaren – mit Dicken und Biegeradien, die sprachlos machen. Was uns mit Freude erfüllt: mit Xensation® Flex in realen Produkten am Markt zu sein und Innovation im Bereich Consumer Electronics aktiv mitzugestalten.“

Down-Draw

Beim Down-Draw-Verfahren wird ein Glasband über diverse Walzen durch die Kühlstrecke nach unten gezogen. Dabei gilt: je schneller das Glasband gezogen wird, desto dünner ist letztlich das Endprodukt – und desto herausfordernder ist die Herstellung. Neben der nahtlosen Einstellung der Dicke hat der Prozess den Vorteil, dass das Glas nicht in nachgelagerten und umweltschädlichen Ätzprozessen noch dünner gemacht werden muss. Auch glänzt in Down-Draw hergestelltes Glas durch eine geringe Dickenvariation und eine makellose Oberfläche (Oberflächenrauigkeit ~1 nm).

Die Geschwindigkeit ist beim Down-Draw-Verfahren zur Herstellung von Dünnstglas entscheidend: je schneller, desto dünner.
Die Geschwindigkeit ist beim Down-Draw-Verfahren zur Herstellung von Dünnstglas entscheidend: je schneller, desto dünner.

02. März 2021

Kontakt

Michael Matthias Müller
Marketing & Communication
SCHOTT AG

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