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スクリーンプロテクターの耐傷性テストの重要性を示すスマートフォンの画面割れ。

携帯電話スクリーン・プロテクターの耐傷性試験

携帯電話スクリーン・プロテクターの耐傷性試験

作成者

ステイシー・ペレイラ、ジョセリン・エスパルサ、ピエール・ルルー

携帯電話スクリーンプロテクターの耐傷性を理解する

携帯電話のスクリーンの保護コーティングは、耐傷性、接着強度、長期耐久性において重要な役割を果たしています。時間が経つにつれて、傷、マイクロクラック、コーティングの剥離は、特に使用頻度の高い環境において、光学的な透明度と信頼性を低下させます。さまざまなスクリーンプロテクターが機械的な損傷にどのように耐えるかを評価するために、装置によるスクラッチ試験を行うことで、接着、凝集、破壊の挙動など、コーティングの破壊メカニズムに関する定量的な知見が得られます。.

この研究では、, NANOVEA PB1000 メカニカルテスター は、TPUと強化ガラス製スクリーンプロテクターを、制御された進行性負荷の下で比較するために使用されます。精密なアコースティックエミッション検出を使用して、重要な破損荷重を特定し、各材料が機械的応力の増加に対してどのように反応するかを特徴付けました。.

スクリーンプロテクターに耐傷性テストが重要な理由

多くのユーザーは、厚いプロテクターや硬いプロテクターは自動的に性能が向上すると考えていますが、実際の耐久性は、材料が進行性の荷重、表面の変形、局所的な応力のもとでどのような挙動を示すかによって決まります。計装化されたスクラッチ試験により、エンジニアはコーティングの密着性、凝集強度、表面の耐摩耗性、破損が発生または伝播する正確な荷重を測定することができます。.

クラック発生ポイント、剥離挙動、故障モードを分析することで、メーカーは研究開発、品質管理、または比較ベンチマークのためにスクリーンプロテクターの性能を検証することができます。ナノおよびマイクロスクラッチ試験は、従来の硬度評価をはるかに超える、実世界の耐久性に関する反復可能でデータ駆動型の洞察を提供します。.

スクラッチテストの目的
スクリーンプロテクターにおける故障荷重の測定

この研究の目的は、NANOVEA PB1000メカニカルテスターが、ポリマー製とガラス製の両方のスクリーンプロテクターに対して、再現性のある標準化された耐スクラッチ性試験をどのように行うかを実証することである。印加荷重を徐々に増加させることにより、凝集破壊および接着破壊の臨界荷重を検出し、アコースティックエミッション信号を捕らえ、これらの事象をスクラッチ深さ、摩擦力、表面変形と相関させる。.

この方法により、各保護コーティングの完全な機械的プロファイルが得られ、メーカーや研究開発チームは、材料配合、コーティングの接着強度、表面耐久性、製品性能向上のための最適なコーティング厚さを評価することができます。これらのスクラッチ評価は、NANOVEAが提供する以下の製品群の一部です。 機械試験ソリューション 研究開発、品質管理、生産環境におけるコーティング、フィルム、基板の特性評価に使用されます。.

ナノビア PB1000 ラージプラットフォーム
メカニカルテスター

スクラッチ試験のパラメータと装置のセットアップ

TPUおよび強化ガラス製スクリーンプロテクターの耐スクラッチ性評価は、再現性と正確な故障荷重検出を確実にするため、管理された条件下で実施された。以下のパラメータは、NANOVEA PB1000メカニカルテスターで使用した進行荷重スクラッチ試験のセットアップを定義するものです。.

ロードタイプ プログレッシブ
初期荷重 0.1 N
最終荷重 12 N
滑りスピード 3.025mm/分
滑り距離 3mm
圧子ジオメトリー ロックウェル(120°コーン)
圧子材料(先端) ダイヤモンド
圧子先端半径 50 µm
大気 航空
温度 24℃(室温)

表1: スクラッチ試験に使用される試験パラメータ

NANOVEA PB1000メカニカルテスターでスクラッチテストを受けるスクリーンプロテクター・サンプル

NANOVEA PB1000メカニカルテスターに取り付けたスクリーンプロテクターのサンプル。.

耐スクラッチ性試験に使用したスクリーンプロテクター・サンプル

スクラッチ耐性、故障挙動、機械的耐久性の違いを比較するため、市販されている2種類のスクリーンプロテクター素材が選択された。両サンプルはNANOVEA PB1000メカニカルテスターにしっかりと取り付けられ、一貫した偏りのない比較を確実にするため、同一の順荷重条件下で評価されました。.

TPUスクリーンプロテクターは、高い弾性を持つが耐摩耗性が低い柔軟なポリマーフィルムであり、強化ガラスプロテクターは、高い硬度と強化された衝撃保護用に設計された硬くて脆い材料である。両方の素材を同じ荷重プロファイルでテストすることで、素材の組成、弾性、硬度がスクラッチの故障モードにどのように影響するかを明確に評価することができます。.

TPUスクリーンプロテクター

強化ガラス

図1: TPUと強化ガラス製のスクリーンプロテクターは、耐傷性テスト用に準備されている。.

スクラッチテスト結果:TPUスクリーンプロテクターと強化ガラススクリーンプロテクターの故障モード

スクリーンプロテクター臨界負荷 #1 (n)臨界負荷 #2 (n)
TPU該当なし2.004 ± 0.063
テンパード・グラス3.608 ± 0.2817.44 ± 0.995

表2: 各スクリーンプロテクターサンプルの限界荷重のまとめ。.

TPUと強化ガラス製スクリーン・プロテクターは基本的に異なる機械的特性を持つため、各サンプルは進行性荷重スクラッチ試験で明確な破損モードと臨界荷重のしきい値を示しました。表2は、各材料について測定された臨界荷重をまとめたものです。.

臨界荷重#1は、亀裂の発生や半径方向の破壊など、光学顕微鏡で観察可能な凝集破壊の最初の点を示す。.

臨界荷重#2は、アコースティック・エミッション(AE)モニタリングによって検出された最初の大きな事象に相当し、通常、より大きな構造物の破損や貫通事象を表す。.

TPUスクリーンプロテクター - 柔軟な高分子挙動

TPUスクリーンプロテクターは、重大なクリティカルイベント(Critical Load #2)を1回だけ発生させた。この荷重は、スクラッチトラックに沿って、フィルムが携帯電話のスクリーン表面から浮き上がったり、剥がれたり、剥離し始めたポイントに相当します。.

臨界荷重#2(≒2.00N)を超えると、圧子は十分に貫通し、試験の残りの時間、携帯電話の画面に直接目に見える傷がつきました。臨界荷重#1は検出されませんでしたが、これは材料の高い弾性と低い凝集強度と一致しています。.

強化ガラススクリーンプロテクター - 脆弱な故障挙動

強化ガラス製スクリーンプロテクターは、脆性材料の特徴である2つの異なる臨界荷重を示した:

  • 臨界荷重#1(≒3.61N):放射状の破断とクラックの発生が顕微鏡で観察され、ガラス層が早期に凝集破壊したことを示している。.

  • 臨界荷重#2(≒7.44N):大きなAEスパイクとスクラッチ深さの急激な増加は、より高い荷重でのプロテクターの貫通を示した。.

AEの大きさはTPUよりも大きかったが、携帯電話のスクリーンにはダメージが伝わらず、強化ガラス製プロテクターが壊滅的な破壊を起こす前に荷重を吸収・分散する能力を実証した。.

いずれの材料においても、臨界荷重#2は、圧子がスクリーンプロテクターを突き破る瞬間に相当し、各試料の保護限界を確認することができました。.

TPUスクリーンプロテクター:スクラッチテストデータと故障解析

スクラッチ臨界負荷 #2 (n)
12.033
22.047
31.931
アベレージ2.003
標準偏差0.052

表3: TPUスクリーンプロテクターのスクラッチ試験で測定された限界荷重。.

NANOVEAメカニカルテスターでテストしたTPUスクリーンプロテクターの摩擦、法線力、アコースティックエミッション、傷の長さに対する深さを示すグラフ。.

図2: TPUスクリーンプロテクターの摩擦力、法線荷重、アコースティックエミッション(AE)、傷の深さと傷の長さの関係。. (B) クリティカルロード #2

図3: Critical Load #2におけるTPUスクリーンプロテクターの光学顕微鏡画像(倍率5倍、画像幅0.8934mm)。.

図4: TPUスクリーンプロテクターのスクラッチ後の全長画像で、進行性負荷試験後の完全なスクラッチ跡を示す。.

強化ガラス製スクリーンプロテクター:臨界荷重データと破壊挙動

スクラッチ 臨界負荷 #1 (n) 臨界負荷 #2 (n)
1 3.923 7.366
2 3.382 6.483
3 3.519 8.468
アベレージ 3.653 6.925
標準偏差 0.383 0.624

表4: 強化ガラス製スクリーンプロテクターのスクラッチ試験で測定された臨界荷重。.

ℹ️ 非シリケートポリマーコーティングとの比較については、以下の研究を参照のこと。 PTFEコーティング摩耗試験, これは、同様の進行荷重条件下における低摩擦ポリマーフィルムの破壊挙動を強調している。.

図5: 強化ガラス製スクリーンプロテクターの摩擦力、法線荷重、アコースティックエミッション(AE)、スクラッチ深さとスクラッチ長さの関係。. (A) 臨界負荷 #1 (B) 臨界負荷 #2

NANOVEAメカニカルテスターを使用し、5倍の倍率でスクラッチテストを行った強化ガラススクリーンプロテクターのクリティカルロード#1とクリティカルロード#2の破損箇所を示す光学顕微鏡画像。.

図6: 臨界荷重#1(左)と臨界荷重#2(右)の破損箇所を5倍の倍率で示した光学顕微鏡写真(画像幅:0.8934mm)。.

図7: 試験後の強化ガラス製スクラッチトラックの光学顕微鏡像。進行荷重試験後の破断開始部(CL#1)と最終貫通部(CL#2)を強調している。.

結論TPUスクリーンプロテクターと強化ガラススクリーンプロテクターのスクラッチ性能比較

この研究では、NANOVEA PB1000メカニカルテスターが、プログレッシブ荷重とアコースティックエミッション(AE)検出を使用して、制御された再現性の高い高感度な耐傷性測定を実現することを実証しています。このシステムは、凝集破壊と接着破壊の両方の事象を正確に捉えることで、機械的ストレスが増加した場合のTPUと強化ガラス製スクリーンプロテクターの挙動を明確に比較することができます。.

実験結果は、強化ガラスがTPUよりも著しく高い臨界荷重を示し、優れた耐スクラッチ性、破壊開始の遅延、圧子の貫入に対する確実な保護を提供することを確認した。TPUの低い凝集強度と早期剥離は、高応力環境におけるTPUの限界を浮き彫りにしている。.

故障荷重を特定した後、得られたスクラッチトラックは、以下の方法で分析することができる。 非接触3D光学式形状測定機 溝深さ、残留変形、スクラッチ後のトポグラフィーを測定する。これにより、各材料の機械的プロファイルが完成します。.

NANOVEAメカニカルテスターは、正確で再現性の高い圧痕、スクラッチ、摩耗試験用に設計されており、ISOおよびASTM準拠のナノおよびマイクロモジュールに対応しています。その多用途性により、研究開発、生産、品質管理にわたって、薄膜、コーティング、ポリマー、ガラス、基板のあらゆる機械的特性を評価するための理想的なソリューションとなっています。.

よくある質問
耐傷性試験について

耐スクラッチ性試験とは?

耐スクラッチ性試験は、ダイヤモンドスタイラスで徐々に荷重を増加させたときに、材料やコーティングがどのように反応するかを評価します。この試験では、凝集破壊や接着破壊が発生する臨界荷重を特定し、耐久性、接着強度、表面損傷に対する抵抗力を定量的に測定します。.

凝集破壊と接着破壊の違いは?

凝集破壊の発生 ひび割れ、裂け目、内部破壊など、コーティングや材料に生じる。.
接着不良は、コーティングが基材から剥離することで起こり、接着強度が不十分であることを示す。.

NANOVEA PB1000は、アコースティック・エミッションの同期モニタリング、スクラッチ深さトラッキング、摩擦分析を用いて、その両方を検出する。.

なぜ手作業ではなく機械式試験機を使うのですか?

NANOVEA PB1000のようなメカニカル・テスターは、正確で再現性のある標準化された測定を提供し、研究開発、生産検証、品質管理のための信頼性の高いデータを保証します。また、アコースティックエミッションの検出やリアルタイムの深さモニタリングなど、手作業では実現できない高度な機能も備えています。.

ご質問ですか? NANOVEAのエキスパートがお手伝いします!