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Die
Erfindung betrifft Kratzschutzfolien für Displays von Kleingeräten wie
Mobiltelefonen, Minicomputern oder dergleichen.
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Displays
von Kleingeräten
wie Mobiltelefonen, Minicomputern (PDA, Organizer, tragbare Media
Player oder Navigationssysteme usw.), Digitalkameras, Videokameras
und dergleichen haben meist eine Oberfläche aus einem harten, transparenten
Material wie Kunststoff oder Glas, das in der Regel nur unzureichend
gegenüber
Abrieb oder Verkratzen geschützt
ist. Es ist daher kaum zu vermeiden, dass das Display mit der Zeit
so weit verkratzt, dass die Ablesbarkeit leidet, oder dass es bei
Displays mit Berührungssensorik
(z.B. Touchscreens oder Schreibfelder) zu Störungen und Lesefehlern kommt.
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Die
Anmelderin bietet seit geraumer Zeit unter dem Markennamen "DISPLEX" eine Spezialpolitur
an, mit der sich nachträglich
Kratzer auf der Oberfläche
von Kunststoffdisplays entfernen lassen. Günstig wäre es jedoch, wenn die Entstehung
solcher Kratzer bereits im Vorfeld vermieden werden könnte. Dies
lässt sich
beispielsweise durch eine Kratzschutzfolie erreichen, die nachträglich auf
die Displayoberfläche
aufgeklebt wird.
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Kratzschutzfolien
zur Nachrüstung
von Mobiltelefonen oder Minicomputern sind in Deutschland beispielsweise
bereits unter den Markennamen "EXIM" und "BRANDO" bekannt. Dabei handelt
es sich um Folien aus Polyethylenterephthalat (PET), die auf einer
Seite mit einer Klebstoffschicht versehen sind. Mit diesen PET-Folien
lässt sich
zwar ein Verkratzen der Displayoberfläche verhindern, allerdings
ist das PET selber kratzempfindlich, weswegen die Folien regelmäßig ausgetauscht
werden müssen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kratzschutzfolie für Displays
zur Verfügung
zu stellen, die aufgrund einer besonders ausgeprägten Kratzbeständigkeit
möglichst
selten ausgetauscht werden muss.
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Die
obige Aufgabe wird durch eine passend orientierte Kratzschutzfolie
aus hochelastischem Polyurethan (PU) gelöst.
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PU
ist, wenn es eine zu hohe Steifigkeit hat, nicht abriebfest und
sehr kratzempfindlich und zeigt kein ausreichendes Maß an Selbstheilungsvermögen. Unter
Selbstheilungsvermögen
wird die Fähigkeit
von PU verstanden, nach einer Verformung durch z.B. Verkratzen zu
seiner ursprünglichen
Form zurückzukehren,
d.h. nach einer kurzen Regenerationsphase ist ein Kratzer nicht
mehr erkennbar. Das PU sollte daher möglichst elastisch sein.
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Für die erfindungsgemäße Kratzschutzfolie
eignet sich ein hochelastischer PU-Film, wie er in der
US 6,709,748 B1 beschrieben
ist. Zur Zusammensetzung und Herstellung dieses PU-Films wird direkt
auf die
US 6,709,748
B1 verwiesen. Von der Firma 3M wird z.B. unter der Bezeichnung "PU 8592 E" ein entsprechend hergestelltes
Fertigprodukt vertrieben. Dieser fertige PU-Film wird in Bahnform
oder in Bögen
ausgeliefert und ist mit einer dünnen
Acrylat-Klebstoffschicht versehen, die wiederum von einer Papierschutzabdeckung
geschützt
wird. Der PU-Film und die Klebstoffschicht sind transparent. Bei
der Version "PU
8592 E" haben sie beispielsweise
zusammen eine Dicke 200 ± 20 μm und lassen
sich auch auf schwierigen dreidimensionalen Oberflächen aufbringen.
Die Firma 3M empfiehlt ihr Produkt als Lackschutzfolie zum Schutz
und zur Werterhaltung von Fahrzeugoberflächen.
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Ebenso
wie der in der
US 6,709,748
B1 beschriebene PU-Film sollte der bei der erfindungsgemäßen Kratzschutzfolie
verwendete PU-Film mindestens eine, vorzugsweise mehrere der folgenden
Bedingungen erfüllen,
um ausreichende Elastizität
und Kratzfestigkeit zu gewährleisten:
- 1) Der PU-Film sollte nach einstündiger Beanspruchung
durch einen mit 1 kg belasteten Hoffman-Ritzstift frei von bleibenden
Verletzungen sein.
- 2) Der PU-Film sollte eine Shore A Härte von weniger als 94° und vorzugsweise
von weniger als 92° haben.
- 3) Der PU-Film sollte ein rheologisches Speichermodul von höchstens
1,0 × 108 Pa haben.
- 4) Der PU-Film sollte ein Biegemodul von höchstens 1,0 × 108 Pa haben.
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Bezüglich der
Versuchsstandards wird wiederum auf die
US 6,709,748 B1 verwiesen.
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Hochelastische
PU-Filme der oben beschriebenen Art haben bislang noch nicht als
Kratzschutzfolien für
Displays Verwendung gefunden. Ihr Einsatz als Displayschutzfolie
ist zudem nicht ohne Weiteres möglich. So
haben die Erfinder feststellen müssen,
dass hochelastische PU-Filme, die an für sich völlig transparent sind, bei
der Aufbringung auf LCD-Displays (Flüssigkristall-Displays) zu unerwarteten
Bildstörungen
führen. Die
Bildstörungen
treten besonders deutlich zutage, wenn die PU-Filme auf Farbdisplays
aufgebracht werden und wenn sie in der Richtung auf das Display
aufgebracht werden, die durch die herstellungsbedingte Bahnform
des Fertigprodukts vorgegeben wird. Es entstehen dann über dem
Bild bunte Streifen, die gewöhnlich
als sehr störend
empfunden werden.
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Die
Erfinder führen
diesen Effekt auf die relativ geringe Viskosität der Komponenten zurück, die
bei der Herstellung der PU-Folien Verwendung finden. So spricht
die
US 6,709,748 B1 davon,
dass es zu einer Schlieren- oder Streifenbildung kommen kann, wenn
der vor der Vernetzung der Komponenten vorhandene hohe Gehalt an
Wasser oder Lösungsmittel
nicht ausreichend ausdampft. Eine solche Schlieren- oder Streifenbildung
lässt sich
zwar so weit unterdrücken,
dass sie mit dem bloßen
Auge nicht mehr wahrnehmbar ist, doch konnten die Erfinder nachweisen,
dass es in dem Kunststoff dennoch auf übermolekularer Ebene zu einer Anisotropie
kommt und dass das Zusammenwirken der anisotropen Struktur des PU-Films
mit dem matrixförmigen
Aufbau des LCD-Displays zu einem Moiré-Muster und damit zu den
beobachteten Bildstörungen
führt. Der
Moiré-Effekt
konnte nicht nur für
LCD-Displays nachgewiesen werden, er zeigte sich auch bei anderen
Displays mit matrixförmigem
Aufbau, etwa bei OLED-Displays (Displays aus organischen Leuchtdioden),
Plasmabildschirmen, Kathodenstrahlröhren, digitalem Papier (E-Ink
Displays) und dergleichen.
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Die
beobachteten Bildstörungen
lassen sich aber minimieren oder sogar ganz unterdrücken, wenn
die Kratzschutzfolie aus hochelastischem PU in einer bestimmten
Winkelbeziehung auf die Oberfläche
des Displays aufgebracht wird.
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Die
Erfinder schlagen daher eine Kratzschutzfolie gemäß Anspruch
1, ein Display mit Kratzschutzfolie gemäß Anspruch 10 oder 12 und ein
Verfahren zur Bestimmung der Anisotropie-Hauptachse in der Kratzschutzfolie
gemäß Anspruch
16 vor. Die Unteransprüche
befassen sich mit Weiterbildungen der Erfindung.
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Im
Folgenden werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weitere Erläuterungen
zur Erfindung gegeben, die jedoch nicht als Einschränkung des
durch die Patentansprüche
vorgegebenen Schutzumfangs verstanden werden sollten.
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Es
zeigen:
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1 die Überlagerung
von zwei Liniengittern mit identischen Linienabständen bei
paralleler Gitterausrichtung (1a)
und bei Verdrehung (1b);
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2 die Überlagerung
von zwei Liniengittern mit unterschiedlichen Linienabständen bei
paralleler Gitterausrichtung (2a)
und bei Verdrehung (2b);
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3 eine
Anordnung zur Bestimmung der Anisotropie in einem PU-Film; und
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4 ein
idealisiertes Beispiel einer Intensitätsverteilung eines monochromen
Displays, das von einem PU-Film überlagert
wird, für
verschiedene Drehwinkel.
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Es
wird zunächst
der Moiré-Effekt
erläutert,
der als Ursache für
die Bildstörungen
nachgewiesen werden konnte.
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Beim
Moiré-Effekt überlagern
sich die Abbilder zweier Gitter mit vorgegebener Gitterkonstante.
Die Transferfunktionen (transmittierte oder reflektierte Intensitätsverteilung)
der beiden Gitter können
mathematisch folgendermaßen
beschrieben werden:
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Die
Funktionen ϕ1(x,y) und ϕ2(x,y) beschreiben die Formen der Gitter
und der Parameter λ symbolisiert die
Abhängigkeit
der Transferfunktion von der Wellenlänge der transmittierten oder
reflektierten Strahlung, während
die Koeffizienten b das Profil der Gitterlinien bestimmen (z.B.
quadratisch oder sinusförmig).
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Werden
die beiden Gitter überlagert,
so beschreibt das Produkt aus (2.1) und (2.2) die entsprechende Transferfunktion:
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Die
ersten drei Terme von Gleichung (1.3) spiegeln die Strukturen der
einzelnen Gitter unabhängig
von einander wider. Der letzte Term, der die Überlagerung der beide Gitter
darstellt, kann auf folgende Weise umgeformt werden:
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Diese
Darstellung zeigt, dass bei der Überlagerung
ein Muster mit der Summe und der Differenz aus den Linienabständen D1 und D2 beider Gitter
entsteht. Der erste Term in Gleichung (1.4) repräsentiert die Differenz zwischen
den Fundamentalmustern der einzelnen Gitter. Dieses Differenzmuster
dient als Approximation an das exakte Moiré-Muster.
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Für den Spezialfall
zweier Liniengitter mit unterschiedlichen Linienabständen D
1 und D
2, die unter
einem Winkel β gegeneinander
verdreht sind, kann der Abstand C der konstruktiven bzw. destruktiven
Interferenzen des Moiré-Musters wie folgt
berechnet werden:
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1(a) zeigt die Überlagerung von zwei Liniengittern
mit identischen Linienabständen
bei paralleler Gitterausrichtung, und 1(b) zeigt
die Überlagerung
der beiden Liniengittern, wenn sie im Winkel β gegeneinander verdreht sind.
Der obere Pfeil in 1(b) weist auf
das Gebiet konstruktiver Interferenz und der untere Pfeil auf das
Gebiet destruktiver Interferenz. 2(a) zeigt
den Fall der Überlagerung
von zwei Liniengittern mit unterschiedlichen Linienabständen bei
paralleler Gitterausrichtung und 2(b) die Überlagerung
der beiden Gitter, wenn sie gegeneinander verdreht sind. Es ist
klar zu erkennen, dass das Moiré-Muster entscheidend von
der Verkippung der Gitter gegeneinander und vom Linienabstand der
Gitter abhängt.
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Aus
dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur Unterdrückung (Minimierung)
des Moiré-Effekts
bekannt. Diese konzentrieren sich jedoch auf die Beseitigung des
Moiré-Musters
aus Abbildungen durch digitale Nachbearbeitung des entsprechenden
Bildmaterials (siehe z.B.
US
6,850,651 B2 oder WO 90/06033 A2), unternehmen aber keine
Anstrengungen, die Ursache der störenden Moiré-Muster bereits bei der Entstehung
zu beheben.
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Die
Anisotropie oder Gitterstruktur im PU-Film lässt sich nicht mit dem bloßen Auge
nachweisen. Es ist allerdings aus anderen Bereichen bekannt, die übermolekulare
Orientierung von Kunststoffen oder Kunststoffoberflächen durch
Röntgendiffraktometrie,
kernmagnetische Resonanzspektroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie
oder Polarisationsmikroskopie zu bestimmen. Siehe hierzu beispielsweise
den Jahresbericht 2002 des Frauenhofer-Institut für Angewandte
Polymerforschung. Wesentliche Gemeinsamkeiten dieser Techniken sind
die hohe Komplexität,
hohe Kosten, aufwändige
Probenpräparation
sowie die Notwendigkeit eines hochqualifizierten Bedienpersonals.
Diese Techniken haben in der Forschungslandschaft ihre Berechtigung,
sind aber für
ein schnelle, kostengünstige
und problemlose Analyse oder Überwachung
der Orientierung einer linienförmigen
Anisotropie in Kunststofffolien nicht praktikabel.
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Aufgrund
der Defizite der oben angeführten
Techniken wird ein einfaches Alternativverfahren vorgeschlagen,
das mit minimalem finanziellen Aufwand aufgebaut werden kann.
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3 zeigt
eine entsprechende Anordnung, die von den Erfindern zur Bestimmung
der linienförmigen (oder
komplexeren) Anisotropie der Kratzschutzfolien entwickelt wurde.
Um die Folie 3 zu durchleuchten, wird ein kollimierter
Lichtstrahl 2 verwendet, wobei für den Testaufbau ein Laserdiodenmodul 1 des
Typs MDL-10 (670 nm) der Firma Lasermax eingesetzt wurde. Die durch
die Folie 3 gestreute Strahlung 4 wird auf einer
Leinwand 5 abgebildet. Die Folie 3 streut die
einfallende Strahlung 2 überwiegend senkrecht zur Hauptachse
der Anisotropie, wodurch aus einer punktförmigen Beleuchtung der Folie 3 auf
der Leinwand 5 eine linienförmige Verteilung der gestreuten
Intensität
resultiert. Die linienförmige
Anisotropie der Folie 3 verläuft also senkrecht zur Hauptachse
des Streulichtes 4.
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Der
obige Aufbau kann für
eine Prozessautomatisierung einfach erweitert werden. Hierfür muss lediglich
die Leinwand 5 durch eine Matrixkamera oder eine Array
von lichtempfindlichen Elementen ersetzt werden. Die Auswertung
der Orientierung ist dann mit einfachsten Bildverarbeitungsprogrammen
möglich.
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Nachfolgend
wird ein Verfahren beschrieben, wie sich das Moiré-Muster
eines Displays, das von einer linienförmigen Struktur wie die des
hochelastischen PU-Films überlagert
wird, bestmöglich
unterdrücken
lässt.
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Das
Display enthält
matrixförmig
angeordnete Pixel, die leuchten, und dazwischen liegende Bereiche die
dunkel sind. Die dunklen Bereiche können durch sich senkrecht kreuzende
Liniengitter beschrieben werden. Im Fall quadratischer Pixel haben
beide Liniengitter den gleichen Linienabstand, ansonsten unterschiedliche
Linienabstände.
Die beiden Liniengitter für
das Display werden wiederum von einem dritten Liniengitter überlagert,
das der linienförmigen
Struktur des PU-Films entspricht. Die transmittierte Intensitätsverteilung
der drei Liniengitter lässt
sich dann analog zu den obigen Gleichungen (1.1) bis (1.4) für verschiedene
Winkel β berechnen,
mit dem das Liniengitter des PU-Films gegenüber den beiden Liniengittern
des Displays verdreht wird.
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Anhand
der Intensitätsverteilung
wird dann für
jeden Winkel β die
maximale Intensität
(konstruktive Interferenz) I
max(β) und die
minimale Intensität
(destruktive Interferenz) I
min(β) bestimmt.
Anschließend
wird über die
folgende Gleichung als Funktion des Drehwinkels β der Kontrast K(β) ermittelt:
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Schließlich wird
der Winkel βmin bestimmt, bei dem der Kontrast K(β) minimal
ist und der Moiré-Effekt somit
am meisten abgeschwächt
wird.
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4 zeigt
das Beispiel einer Intensitätsverteilung
in x-Achsenrichtung
eines monochromen Displays, das in x- und y-Achsenrichtung einen gleichmäßigen Pixelabstand
D hat und von einem Liniengitter überlagert wird, dessen Gitterlinien
den gleichen Abstand haben wie die Pixel. Die gestrichelte Linie
entspricht der Intensitätsverteilung
für β = 0° und die
durchgezogene Linie für βmin =
45°. Während die
maximale Intensität
(konstruktive Interferenz) in beiden Fällen die gleiche ist, ist die
minimale Intensität
(destruktive Interferenz) für βmin =
45° höher, was
den Kontrast K(β)
verringert und somit den Moiré-Effekt
abschwächt.
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Das
obige Verfahren lässt
sich nicht nur bei monochromen Displays, sondern auch bei Farbdisplays anwenden,
wobei noch der Einfluss der von den farbigen Subpixeln abgegebenen
Wellenlängen
berücksichtigt werden
muss. Es bleibt jedoch festzuhalten, dass auch in diesem Fall der
Moiré-Effekt unterdrückt werden kann,
indem der Kontrast K(β)
als Funktion des Drehwinkels β minimiert
wird, jedoch muss die Minimierung des Kontrastes für jede Subpixelfarbe
getrennt durchgeführt
werden. Für
Matrixdisplays aktueller Mobiltelefone, bei denen sich jeder rechteckige
Pixel aus drei Subpixel (rot, grün
und blau) zusammensetzt, liegt der Winkel minimalen Kontrastes (βmin)
im Bereich zwischen 45° und
70°.
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Die
Anisotropie des PU-Films wird zwar durch die Struktur eines Liniengitters
angenähert,
doch entspricht dies dem Idealfall. Tatsächlich kommt es aber in der
Praxis durch eine sowohl diffuse wie auch gerichtete Streuung in
dem PU-Film zu einer
Glättung
der Intensitätsverteilung,
weswegen das Moiré-Muster
abhängig
von den Parametern des Systems, etwa von der Pixelgröße, Pixelanordnung
und Beleuchtung, bereits bei von βmin abweichenden Winkeln β deutlich unterdrückt werden
kann. In der Praxis ist es daher meist völlig ausreichend, wenn der
PU-Film bezüglich
des matrixförmigen
Displayaufbaus mit seiner Anisotropie-Hauptachse um einen Winkel βmin ± 5°, 10° oder 15°, unter günstigen
Umständen
auch um einen Winkel βmin ± 20° verdreht ist.
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Die
oben beschriebenen Zusammenhänge
wurden mit Hilfe eines Versuchs überprüft. Dazu
wurde zunächst
mit Hilfe der in 3 gezeigten Anordnung die Orientierung
der Anisotropie-Hauptachse für
eine PU-Folie PU 8592 E der Firma 3M ermittelt. Die PU-Folie wurde
dann so auf das Farbdisplay eines Mobiltelefons (Motorola V525)
aufgeklebt, dass ihre Anisotropie-Hauptachse parallel zur Pixelmatrix
verlief. Der horizontale Pixelabstand des Displays betrug 170 μm, und für die Linienstruktur
der PU-Folie wurde auf optischem Wege ein Linienabstand von 300 ± 50 μm ermittelt.
Rechnerisch wurde für
den Abstand zwischen den konstruktiven Moiré-Interferenzen ein Wert von
392 μm ermittelt.
Dieser Wert stimmte mit dem gemessenen Wert von 350 ± 50 μm innerhalb
der Messgenauigkeit gut überein.
Durch Verdrehen der PU-Folie konnten die Moiré-Interferenzen deutlich abgeschwächt werden,
bis in einem Winkelbereich von β =
40°-55° keine Bildstörungen mehr
auf dem Display erkennbar waren.
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Die
hier vorgeschlagene Kratzschutzfolie kann bereits vor der Auslieferung
des entsprechenden Gerätes
auf das Display aufgebracht werden. In diesem Fall liegt die Verantwortung, die
Kratzschutzfolie mit der richtigen Winkelbeziehung auf die Displayoberfläche aufzubringen,
beim Hersteller.
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Wird
die Kratzschutzfolie zur Nachrüstung
bestehender Geräte
angeboten, so muss die Kratzschutzfolie eine deutliche Kennzeichnung
aufweisen, die aufzeigt, in welcher Winkelbeziehung die Kratzschutzfolie auf
der Oberfläche
des Displays aufzubringen ist, damit der Kontrast zwischen den Moiré-Interferenzen
ausreichend stark (z.B. um 25%, 50%, 75% oder 100 der maximal möglichen
Kontraständerung)
abgeschwächt wird.
Diese Winkelbeziehung kann sich aus der Schnittkontur der Kratzschutzfolie
ergeben, wenn sie auf die Form des Displays zurechtgeschnitten wird.
Die Kennzeichnung kann aber auch durch eine in den Polyurethanfilm
eingebrachte Markierung (z.B. Strukturierung oder Farbeinschluss)
oder eine an den Polyurethanfilm angebrachte Markierung (z.B. Aufkleber)
erfolgen. Wenn die Kratzschutzfolie eine ablösbare Schutzabdeckung hat,
kann die Kennzeichnung auch auf der Schutzabdeckung vorgesehen sein.
Die Kennzeichnung der Kratzschutzfolie erfolgt, nachdem die Anisotropie-Hauptachse
des PU-Films bestimmt wurde.
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Für die nachträgliche Anbringung
der Kratzschutzfolie auf dem Display eignet sich insbesondere das Aufkleben
mit einem transparenten Klebstoff oder bei einer glatten Displayoberfläche das
Anhaften durch Adhäsion.
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Es
versteht sich, dass die richtige Winkelbeziehung zwischen der Kratzschutzfolie
und dem Matrixaufbau des Displays sowohl von der Bauart des Displays
(z.B. Pixelgröße, Pixelanordnung
und Beleuchtung) als auch von den Eigenschaften der Kratzschutzfolie
(z.B. herstellungsbedingte Unterschiede in der Anisotropie) abhängt. Die
Winkelbeziehung ist daher für
jedes Display und für
jede Kratzschutzfolie gesondert festzulegen.