Taittolasi: miten, miksi ja totuus Samsungin Z Flipistä

Samsung esitteli 11. helmikuuta 2020 maailman ensimmäisen taittolasi-puhelimen: Galaxy Z Flipin. Samsung julisti rikkoneensa fysiikan lakeja taivuttamalla lasia, erityisesti tekemällä ”harppauksen polymeerinäytöistä ultraohueen lasiteknologiaan.”

Samsung sai sen kuulostamaan siltä, että se oli keksinyt uuden patentoidun lasin muodon, ja yhtiö jopa nimesi sen Samsung Ultra Thin Glass (UTG). ”Olemme tehneet mahdottoman ja luoneet ultraohuen lasin, joka taittuu”, yhtiön esityksessä väitettiin ja lisättiin, että se ”suojaa näyttöäsi naarmuilta.”

Mutta kuten maailma huomaisi päiviä myöhemmin, fysiikkaa ei olekaan niin helppo sivuuttaa.

Lasiasiasiantuntijat olisivat voineet varoittaa siitä, mitä seuraavaksi tapahtui, kun kävi ilmi, että Samsungin oletettu ”harppaus” käyttääkin polymeeriä ja naarmuuntuu sittenkin helposti. Samsungin pölyä kestävä ”kuitukilpi” epäonnistui välittömästi aggressiivisessa pölytestissä, ja yhtiön väitteet lasin ympärillä ovat nyt vetäytyneet naurettavaan mainoslauseeseen ”kova, mutta hellävarainen.”

Mutta Samsung ei valehdellut ensisijaisesta innovaatiosta: Galaxy Z Flip on todella taittuva lasipuhelin. Lasi on vain itse asiassa saksalaisen valmistajan Schottin valmistamaa, sen päällä on pehmeä, naarmuuntuva muovikerros, ja – toivottavasti – tulevat taittuvat lasipuhelimet eivät tarvitse tuota ylimääräistä suojaa.

Ymmärtääksesi miksi, sinun pitäisi luultavasti ensin ymmärtää, miten lasi voi ylipäätään taittua.

Flexible glass is real

Jos olen rehellinen, olen itsekin vielä kietomassa päätäni siihen. Lasi on haurasta; vaikka et olisi jotenkin koskaan itse rikkonut lasia, tiedät varmasti miltä se kuulostaa, kun se särkyy. On vaikea edes kuvitella, miten näin hauraasta materiaalista voisi tehdä taivutettavan fläppipuhelimen, minkä vuoksi en ole yllättynyt, kun Samsung joutui kohtaamaan syytöksiä, joiden mukaan Galaxy Z Flipin ultraohut lasi ei ehkä olekaan lasia.

Kahden materiaalitutkijan sekä Gorilla Glass -valmistaja Corningin ja Schottin edustajien mukaan lasin taittamisen fysiikka on kuitenkin hämmästyttävän yksinkertaista. Lyhyt versio: käytännössä mitä tahansa voidaan taivuttaa, jos siitä tehdään tarpeeksi ohutta.

”Kaikkia tuntemiamme materiaaleja, jotka ovat hyvin jäykkiä, voidaan taivuttaa jossakin määrin”, sanoo Schottin tohtori Mathias Mydlak, kemisti, joka johtaa nykyään yhtiön ultraohuen lasin liiketoiminnan kehittämistä. ”Jos ajatellaan puuta, 2×4-kuutioinen ei taivu, mutta jos siitä talttaa hyvin hienon palan, sama pätee lasiin”, hän kertoi minulle viime vuoden lopulla. Vaikka tavallinen ikkunalasi ei ehkä näytä taipuvan ennen murtumistaan, tarpeeksi ohut lasinauha voi itse asiassa taipua.

Kun taivutat materiaalia, lasia tai muuta, venytät luonnollisesti materiaalia taivutuksen ulkopuolelta – ja jopa lasi taipuu jonkin verran. ”Voisit kuvitella metallijousen joka kahden atomin väliin, ja jousi venyy, kun venytät kahta atomia erilleen”, sanoo Erkka Frankberg, Tampereen yliopiston tutkija Erkka Frankberg, joka tutkii lasin epätavanomaisia muotoja.

Tärkein ongelma: materiaalin kemiallisia sidoksia voi venyttää vain tiettyyn pisteeseen asti ennen kuin se katkeaa, mikä tunnetaan nimellä vetolujuus. Mutta jos käytät ohuempaa lasilevyä, venytät vähemmän materiaalia samassa tilassa, taivutat vähemmän kerroksia ja venytät vähemmän kemiallisia sidoksia, Mydlak sanoo. Näin lasiin kohdistuu vähemmän vetojännitystä, jolloin sitä voi taivuttaa tiukemmin ennen kuin se katkeaa. MIT:n materiaalitieteen apulaisprofessori Juejun Hu sanoo, että lasin ohentaminen on yksi ”kahdesta tärkeimmästä niksistä”, joilla lasi saadaan taipumaan, koska fysiikan opiskelijat oppivat, että vetojännitys skaalautuu lineaarisesti paksuuden mukaan.

Kun lasin paksuus on alle sata mikrometriä – eli suunnilleen ihmisen hiuksen paksuinen – se voi taipua niin pitkälle, että sitä voidaan käyttää taittamiseen tarvittaviin peruslaitteisiin, sanovat asiantuntijat. Jos haluat puhelimen, joka taittuu sisäänpäin ilman valtavaa sarana-aukkoa, puhutaan kymmenistä mikroneista. Ajattele alumiinifoliota.

Tällainen ohuus on mahdollista jo nykyisin olemassa olevalla lasilla. Kosketin neljä vuotta sitten 70 mikronin levyistä Schottin lasia ja taivutin sitä omin käsin. Samsung sanoo, että sen Z Flip käyttää 30 mikronin paksuista lasia, ja Schott sanoo, että laboratoriossakin on päästy 25 mikroniin. Sekä Corning että Schott käyttävät jokseenkin samanlaisia tekniikoita, ja kumpikin luo ilmassa leijuvan lasilevyn vetämällä ohuita nauhoja sulaa lasia erikoismuotoilluista sammioista.

Mutta ohut ei riitä yksinään. Toinen taivutettavan lasin ”päätemppu” on vahvistaa sitä epätäydellisyyksiä vastaan, erityisesti pinnalla, jossa ne voivat aiheuttaa katastrofaalisia vikoja, kun lasia rasitetaan. Asiantuntijoiden mukaan pienikin ilmakupla, likapilkku tai valmistus- tai käsittelyprosessin aikana syntynyt naarmu voi riittää tuhoamaan taivutettavan lasin. ”Kaikki lasissa syntyvät jännitykset keskittyvät näihin pieniin vikoihin, ja siellä syntyy murtuma”, Frankberg sanoo.

Tässä tilanteessa kemialliset kylvyt ja lämpökäsittelyt voivat vahvistaa ja karkaista lasia, kuten olemme kirjoittaneet aiemminkin, mutta niiden vastapainona on, että ne voivat tehdä lasista helpommin naarmuuntuvaa. Ja kun lasi muuttuu ohuemmaksi – tarpeeksi ohueksi taivutettavaksi – naarmusta tulee vieläkin huolestuttavampi.

Naarmut ovat tappavampia

Vaikka Mydlak sanoo, että Schottin lasin pala ”voi jatkua ikuisesti” valvotuissa olosuhteissa, jos se selviää ensimmäisestä taivutustestistä, hän myöntää, että yksi naarmu voi muuttaa tämän. ”Jos naarmutat sitä jollakin … siitä tulee ensimmäinen vika, joka voi aiheuttaa ongelmia myöhemmin”, hän sanoo. Jos lasipalaa, jossa on tarpeeksi suuri naarmu, taivutetaan niin, että jännitys keskittyy riittävästi ”esihalkeamaan”, Frankberg sanoo, ”se periaatteessa leviää äänen nopeudella ja menee katastrofaalisesti koko materiaalin läpi.”

Pitää muistaa, että vaikka lasi on naarmunkestävämpää kuin muovi, se ei ole naarmunkestävää – se saattaa naarmuuntua Mohsin kovuudella 5 tai 6, kun muovin kovuus on 2 tai 3, mutta se naarmuuntuu joka tapauksessa. Veikkaan, että puhelimesi perinteisessä lasinäytössä on juuri nyt pieniä naarmuja. Mutta veikkaan myös, että sinun ei koskaan tarvitse taivuttaa perinteistä näyttöäsi kuten taittuvan puhelimen kanssa. Nyt se on paljon suurempi juttu.

Frankberg arvelee, että luultavasti siksi Samsungin Galaxy Z Flipissä on edelleen muovinen näytönsuoja ylhäällä. Ei ehkäistä naarmuja tai auta taivuttamaan sitä helpommin, vaan ”uhrikerroksena”, joka naarmuuntuu lasin sijasta, jolloin mahdollisia katastrofaalisia halkeamia on vähemmän matkan varrella. ”Luultavasti he saavat vähemmän tuotepalautuksia ylimääräisen kerroksen takia”, hän arvelee.

Schottin Mydlak itse asiassa vihjasi minulle samaa viime vuoden lopulla, ennen kuin Z Flip julkistettiin: ”Todennäköisesti et koskisi paljaaseen lasiin lainkaan, vaan johonkin sen päällä olevaan”, Mydlak sanoi, kun kysyin, olisiko naarmuista syytä olla huolissaan ensimmäisen erän taittolasi-puhelimissa.”

On lisättävä, että emme täysin tiedä, mitä Samsung ja sen yhteistyökumppanit tekevät Schottin lasinäytöllä ennen sen lisäämistä puhelimeen. Schott pystyi vain vahvistamaan, että se toimittaa ultraohutta lasiaan Samsungille, sanomalla, että se ”ei voi kommentoida raakalasimateriaalin käsittelyn yksityiskohtia”. Ja vaikka Samsung on myöntänyt, että lasin mukana tulee esiasennettu näytönsuoja, yhtiö ilmoitti keskiviikkona, että se myös ”ruiskuttaa” lasiin ”erikoismateriaalia tuntemattomaan syvyyteen asti tasaisen kovuuden saavuttamiseksi”, mitä se sitten tarkoittaakin. Samsung ei ole ollut halukas kertomaan enempää, ja asia kuulostaa melko salamyhkäiseltä.

Mutta Samsungilla on toinenkin kumppani mukana tässä prosessissa. Se on työskennellyt korealaisen näyttövalmistaja Dowoo Insysin kanssa tämän lasin parissa vuodesta 2013 lähtien, kertoo Yonhap News, ja lukitsi sen hiljattain tulemalla yhtiön suurimmaksi osakkeenomistajaksi. Väitetään, että Samsungilla on yksinoikeus Dowoon prosessiin, mutta ei Schottin ultraohueen lasiin, ja Samsungin kerrotaan päättäneen käyttää molempia Galaxy Z Flipin näytössä.

Mitä hyötyä lasista on?

Kaikki tämä ei kuitenkaan vieläkään anna vastausta kysymykseen: mitä hyötyä taittuvasta lasista on, jos se naarmuuntuu kuin muovi joka tapauksessa? Yksi vastaus on, että se voi kestää pidempään; Schottin mukaan lasi ei hajoa kuten muovi luonnostaan hajoaa ajan myötä. Myös optinen selkeys on otettava huomioon. Lisäksi, kuten Dieter Bohn totesi, Galaxy Z Flipin lasi – polymeerisuojalla tai ilman – tuntuu yksinkertaisesti paremmalta kuin puhtaasti muovilla päällystetty alkuperäinen Galaxy Fold. Taitteen kohdalla oleva rypytys on vähemmän näkyvä, ja vaikka sitä voi painaa kynsillä, se tuntuu kiinteämmältä kuin Galaxy Foldissa oleva.

Mutta Gorilla Glassin valmistaja Corning haluaa sinun tietävän, että Galaxy Z Flipin näytönsuojaa ei välttämättä tarvita vuoden tai kahden kuluttua. Yhtiö kertoo, että näytteitä sen uudesta taivutettavasta lasista on jo laitevalmistajien käsissä. Se odottaa laitteita markkinoille seuraavien 12-18 kuukauden aikana, ja se ampuu tarjoamaan ”kestävyyttä, naarmunkestävyyttä ja optista kirkkautta” yhdessä paketissa taittuville laitteille.

Vaikka edustaja ei vielä osannut sanoa, miten Corning tekee sen tai nimenomaisesti vahvistaa, ettei muovia ole mukana, muovi ei näytä olevan tavoite: ”Nykyään, kun ostat puhelimen, jossa on Gorilla Glass, kosketat lasia … sitä kohti työskentelemme.”

Lasin tuottaminen niin ohueksi, että se taittuu luotettavasti, on kova haaste, ovat Corning ja Schott yhtä mieltä. Mydlak kertoi minulle viime vuonna, että Schott oli vielä selvittämässä muutamia tuotantokysymyksiä, kuten sitä, kuinka leikata, pakata ja lähettää oikein rullalle kaikkein ohuimmat kehittämänsä lasit vahingoittamatta niitä matkan varrella. Kuulostaa siltä, että Galaxy Z Flipin olemassaolo tarkoittaa, että se on selvittänyt osan siitä – mutta alhaiset saannot voivat myös olla yksi syy siihen, miksi taittuvat puhelimet ovat niin uskomattoman kalliita ja miksi Corning ei ole vielä täysin selvittänyt asiaa.

Samsungia on vaikea syyttää siitä, että se ponnistaa niin kovasti, vaikka sen molemmat taittuvat puhelimet ovatkin kompastelleet alkuvaiheessa – ensinnäkin se haluaa myydä taittuvia näyttöjä myös muille yrityksille, kuten se lähes paljasti viimeisimmässä lehdistötiedotteessaan. Se ei kuitenkaan tee siitä yhtään vähemmän turhauttavaa, että naarmunkestäväksi luvattu puhelin voi helposti naarmuuntua, eikä se tarkoita, että sinun pitäisi ostaa sisään. Tosin jos teet niin, Samsung kertoo The Verge -lehdelle, että voit saada ilmaisen näytönsuojan ja/tai 119 dollarin kertaluonteisen näytönvaihdon, jos laitteesi sortuu naarmuihin.

Frankberg ei ole vielä vakuuttunut. ”Rehellinen mielipiteeni materiaalitutkijana: En ostaisi tämäntyyppisiä puhelimia tässä vaiheessa, koska sen rikkoutumiseen tarvittavan naarmun koko on hyvin, hyvin pieni”, hän sanoo ja viittaa siihen, miten yksittäinen hiekanjyvä voisi tuhota taittolasinäytön. ”Ostaessani hyvin kalliin puhelimen astuisin syrjään ja katsoisin, miten teknologia kehittyy.”

Mutta Frankbergillä on ajatus siitä, miten tällaiset näytöt voisivat lopulta kehittyä: hän on hyvin alkuvaiheessa kehittämässä lasia, jossa käytetään alumiinioksidia perinteisen piidioksidin sijasta ja joka voi taipua rikkoutumisen sijasta, ja hän tutkii myös muita vaihtoehtoisia materiaaleja. (Se ei olisi ensimmäinen kerta, kun maailma tutkii ”alumiinioksidilasia”, ja saatat tuntea myös alumiinioksidin tiivistetyn kiteisen muodon, safiirin.)

Mietin vain, kutsuisimmekohan tällaista materiaalia oikeasti ”lasiksi”, jos tai kun se joskus ilmestyy. Kuten JerryRigEverythingin Zack Nelsonilla on tapana sanoa, kun hän testaa uutta lasinäyttöä naarmuttaen, stereotypiaa on vaikea horjuttaa. ”Lasi rikkoutuu. Jos joku joskus keksii jotain lasia vahvempaa, sitä kutsutaan varmasti joksikin muuksi”.”