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Glasscheibe : Müssen Smartphone-Displays zerbrechlich sein?

  • -Aktualisiert am

Ohne schützende Hülle ist das Glas des Displays nach einem Fall leicht geborsten. Bild: Esra Klein

Die Deckgläser von Smartphones sind zwar weitgehend kratzbeständig, gehen jedoch bei Stürzen oft zu Bruch. Geht das nicht anders?

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          Ein unbedachter Moment nur. Und schon landet das Smartphone auf dem gekachelten Boden. Es ist nicht das erste Mal und doch eine Premiere: Zarte Risse zeigen sich auf der Glasoberfläche, fast haben Sie die Form eines Spinnennetzes, was einen Bekannten zu der spöttischen Frage veranlasst, ob man die „Spider-App“ installiert habe. Moderne Smartphones halten viel aus, während der Entwicklung werden sie gar in eine Art Wäschetrommel gepackt und müssen einhundert Umdrehungen mit einer simulierten Fallhöhe von einem Meter ohne Schaden überstehen. Dennoch: Glas ist eben Glas und damit nicht unzerbrechlich. Aber muss das eigentlich so sein?

          Grundsätzlich stünden für die Abdeckung von Smartphones neben Glas auch Kunststoff oder sogenanntes Saphirglas zur Verfügung. Letzteres hat sich als Abdeckung in teuren Uhren bewährt. Allerdings handelt es sich trotz des irreführenden Namens gar nicht um Glas, sondern um ein Kristall, das auf dem Mineral Korund basiert. Das atomare Kristallgitter ist im Idealfall ein Sinnbild vollkommener Ordnung und daher besonders kratzfest. Nur wer Diamanten lose in der Tasche mit sich herumträgt, könnte ein solches Display mit der Zeit zerkratzen. Apple hatte daher vor dem Erscheinen des iPhone 6 mit Saphir experimentiert und sogar schon einen Lieferanten qualifiziert. Zur Serienfertigung kam es nie, Kosten und Qualität waren nicht in den Griff zu bekommen.

          Auch Kunststoffe kommen als Abdeckung moderner Smartphones nicht zum Einsatz. Der in den Pioniertagen der mobilen Elektronik übliche Werkstoff wurde durchgängig von Spezialglas verdrängt. Zwar gibt es durchsichtiges Plastik, vor allem Polycarbonat, das in den meisten Auto-Frontscheinwerfern verwendet wird. Es ist allerdings weitaus empfindlicher gegen Verkratzen und sollte nicht regelmäßig mit einem Schlüsselbund in Berührung kommen.

          Bleibt also Glas, ein Werkstoff, über den selbst Physiker staunen. Denn eigentlich, so die reine Lehre, müsste ein Werkstoff, den man unter Hitzezufuhr aufschmilzt, beim Erstarren wieder den gleichen Zustand einnehmen. Für Siliziumoxid gilt das nur eingeschränkt: Kühlt man es rasch ab, friert man die flüssige Schmelze ein. Statt ein ordentliches Kristallgitter zu bilden, behalten die Moleküle den unordentlichen „amorphen“ Zustand, den sie in flüssigen Aggregatzustand angenommen hatten. Wichtig zu wissen: Auch Kunststoffe zeigen dieses Verhalten, sie sind enge Verwandte des Glases. Grundsätzlich kann man nahezu jedes Material verglasen, auch Metalle, vorausgesetzt man kann es schnell genug abkühlen und damit die Schmelze quasi einfrieren. Im engeren Sinn ist die Bezeichnung Glas jedoch stets auf Siliziumoxid-basierte Werkstoffe bezogen. Deren Eigenschaften, vor allem die große Bandlücke des Siliziums, führen dazu, dass Lichtteilchen einen Festkörper fast ungehindert passieren können. Ein Display aus Glas schluckt nur sieben bis acht Prozent des Lichts und trägt so dazu bei, dass der Smartphone-Akku nicht allzu häufig geladen werden muss.

          Ein wahrer Wunderstoff also, der einen einzigen Nachteil hat: seine Zerbrechlichkeit. Wie groß die ist, hängt an mehreren Faktoren. Die Oberfläche spielt dabei eine wesentliche Rolle. Wenn man eine Glasscheibe biegt (etwa, indem man sie an zwei gegenüberliegenden Seiten ganz langsam und fast unmerklich nach unten drückt), dann entsteht an der Oberseite in Höhe der Biegestelle eine Zugspannung - lokal muss sich die Oberfläche ja dehnen. Glas kann sich nicht plastisch verformen, ab einem gewissen Kraftniveau kommt es daher zwangsläufig zum Bruch. Prädestiniert sind dafür Stellen, an denen bereits winzige, oft sogar unsichtbare Beschädigungen vorliegen. Genau hier setzen die Hersteller von Spezialgläsern für Smartphones an: Je weniger die Oberflächen vorgeschädigt sind, desto stabiler reagieren sie im Fall eines Falls.

          Die höhere Festigkeit ist nicht nur Folge einer feinen Abstimmung des Grundwerkstoffs, sondern auch des sogenannten „Vorspannens“. Dabei wird eine Glasscheibe, die einige Natriumionen enthält, in eine Lösung getaucht, die Kalium-Ionen enthält. An den Oberflächen kommt es zu einem Ionenaustausch. Die eingelagerten Kaliumionen erzeugen eine Druckspannung, die der Rissausbreitung entgegenwirkt. Besonders effektiv funktioniert dieser Ionenaustausch, wenn das Glas nicht nur Silizium, sondern auch Aluminium enthält.

          Eine Dicke von weniger als 200 Mikrometer

          Trotzdem: Auch so behandeltes Glas wird nicht allen mechanischen Angriffen widerstehen, es bleibt in letzter Konsequenz ein zerbrechliches Material. Es einfach dicker zu machen als die im Schnitt 0,6 Millimeter, die ein heutiges Smartphone-Glas misst, ist keine Lösung, im Gegenteil: Da die an der Oberfläche auftretenden Kräfte hängen davon ab, wie groß die Schubspannung im Inneren des Materials ist, bricht dickes Glas im Verhältnis zur eingebrachten Kraft leichter als dünnes. Das brachte die Glas-Experten von Schott auf die Idee, Displays aus ultradünnem Glas herzustellen, das eine Dicke von weniger als 200 Mikrometer aufweist. Es lässt sich um bis zu 180 Grad biegen und verhält sich dabei elastisch wie eine Kunststofffolie.

          Eine Herausforderung stellt die Produktion solcher Gläser dar: Anders als Flachglas kann es nicht mehr in der Horizontalen auf einem Bad aus flüssigem Zinn auskühlen. Damit das Glas völlig gleichmäßig dünn gerät, durchläuft es eine vertikale Kühlstrecke. Allein die Schwerkraft und ein sehr gleichmäßiger Nachschub sorgen für die gewünschten Materialeigenschaften. Damit könnten eines Tages mobile Geräte entstehen, die man sich anzieht wie eine Armbanduhr - die aber trotzdem ein Display von der Größe eines heutigen Smartphones haben.

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