Vouwbaar glas: hoe, waarom en de waarheid van Samsung’s Z Flip

Op 11 februari 2020 introduceerde Samsung ’s werelds eerste telefoon van vouwbaar glas: de Galaxy Z Flip. Samsung verklaarde dat het de wetten van de fysica had gebroken door glas te buigen, met name door “een sprong te maken van polymeerschermen naar ultradunne glastechnologie.”

Samsung liet het klinken alsof het een nieuwe, eigen vorm van glas had uitgevonden, en het bedrijf noemde het zelfs Samsung Ultra Thin Glass (UTG). “We hebben het onmogelijke gedaan en ultradun glas gemaakt dat kan worden gevouwen,” beweerde het bedrijf in zijn presentatie, eraan toevoegend dat het “uw scherm beschermt tegen krassen.”

Maar zoals de wereld dagen later zou zien, is natuurkunde niet zo gemakkelijk te negeren.

Glasdeskundigen hadden u kunnen waarschuwen voor wat er daarna gebeurde, toen bleek dat Samsung’s vermeende “sprong” toch polymeer gebruikt en gemakkelijk te bekrassen is. Samsung’s stofbestendige “vezelschild” faalde onmiddellijk in een agressieve stoftest, en de beweringen van het bedrijf rond glas zijn nu teruggebracht tot de belachelijke tagline “taai, maar toch teder.”

Maar Samsung heeft niet gelogen over de primaire innovatie hier: de Galaxy Z Flip is echt een opvouwbare glazen telefoon. Het is gewoon dat glas is eigenlijk gemaakt door de Duitse fabrikant Schott, het heeft een zachte, krasbare plastic laag bovenop, en – hopelijk – toekomstige vouwbare glazen telefoons zullen die extra bescherming niet nodig hebben.

Om te begrijpen waarom, moet je waarschijnlijk eerst begrijpen hoe glas überhaupt kan vouwen.

Flexibel glas bestaat echt

Als ik eerlijk ben, ben ik er zelf ook nog steeds niet uit. Glas is breekbaar; zelfs als je zelf nooit glas hebt gebroken, weet je hoe het klinkt als het versplintert. Het is moeilijk voor te stellen hoe zo’n broos materiaal kan worden omgevormd tot een buigbare flip-telefoon, en daarom ben ik niet verbaasd toen Samsung zichzelf beschuldigde dat het ultradunne glas van de Galaxy Z Flip misschien helemaal geen glas is.

En toch is de fysica van het vouwen van glas opmerkelijk eenvoudig, volgens twee materiaalwetenschappers, evenals vertegenwoordigers van Gorilla Glass-maker Corning en Schott zelf. De korte versie: praktisch alles kan worden gebogen als je het dun genoeg maakt.

“Alle materialen die we kennen die erg stijf zijn, kunnen tot op zekere hoogte worden gebogen,” zegt Schott’s Dr. Mathias Mydlak, een chemicus die nu de bedrijfsontwikkeling leidt voor het ultradunne glas van het bedrijf. “Als je aan hout denkt, kan een 2×4 niet worden gebogen, maar als je er een heel fijn stuk van beitelt, geldt hetzelfde voor glas,” vertelde hij me eind vorig jaar. Terwijl een normale ruit misschien niet lijkt te buigen voordat hij breekt, kan een dun genoeg lint van glas dat eigenlijk wel.

Wanneer je een materiaal buigt, glas of anderszins, wat je doet is het materiaal aan de buitenkant van je buiging op natuurlijke wijze uitrekken – en zelfs glas heeft enige flexibiliteit. “Je zou je een metalen veer kunnen voorstellen tussen elke twee atomen en de veer die uitrekt wanneer je de twee atomen uit elkaar rekt,” zegt Erkka Frankberg, een onderzoeker aan de universiteit van Tampere die onconventionele vormen van glas bestudeert.

De grootste moeilijkheid: je kunt de chemische bindingen van een materiaal maar tot een bepaald punt uitrekken voordat het breekt, een concept dat bekend staat als treksterkte. Maar als je een dunnere glasplaat gebruikt, rek je minder van het materiaal uit over dezelfde ruimte, waardoor minder lagen worden gebogen en minder chemische bindingen worden uitgerekt, zegt Mydlak. Dat zet minder trekspanning op het glas, waardoor je het strakker kunt buigen voordat het breekt. Het uitdunnen van het glas is een van de “twee belangrijkste trucs” om het te laten buigen, zegt Juejun Hu, universitair hoofddocent materiaalkunde aan het MIT, omdat natuurkundestudenten leren dat de trekspanning lineair toeneemt met de dikte.

Wanneer je glas minder dan honderd micron dik krijgt – ongeveer de dikte van een menselijke haar – dan kan het ver genoeg buigen voor elementaire opvouwbare gadgets, zeggen deskundigen. Als je een telefoon wilt die naar binnen vouwt zonder een enorme scharnier opening, hebben we het over tientallen microns. Denk aan aluminiumfolie.

Die dunheid is al mogelijk met glas dat vandaag bestaat. Ik heb vier jaar geleden een 70-micron plaat van Schott glas aangeraakt en met mijn eigen handen gebogen. Samsung zegt dat zijn Z Flip een 30-micron dik glas gebruikt, en Schott zegt dat het in het lab ook tot 25 micron is gezakt. Zowel Corning als Schott gebruiken enigszins vergelijkbare technieken, waarbij ze elk een zwevende glasplaat in de lucht creëren door dunne linten gesmolten glas uit speciaal gevormde vaten te trekken.

Maar dun is op zichzelf niet genoeg. De tweede “belangrijkste truc” voor buigbaar glas is het te versterken tegen onvolkomenheden, met name aan de oppervlakte, waar zij catastrofale breuken kunnen veroorzaken wanneer het glas wordt belast. Een minuscuul luchtbelletje, een vuiltje of een minuscuul krasje tijdens het fabricage- of verwerkingsproces kan al genoeg zijn om een stuk buigbaar glas te vernietigen, zeggen deskundigen. “Alle spanningen die je in het glas produceert, hebben de neiging zich te concentreren op die kleine defecten, en dat is waar het een breuk zal veroorzaken,” zegt Frankberg.

Dat is waar chemische baden en warmtebehandelingen van pas kunnen komen om het glas te versterken en te harden, zoals we eerder hebben geschreven, maar de afweging is dat ze glas gemakkelijker te bekrassen kunnen maken. En naarmate je glas dunner wordt – dun genoeg om te buigen – wordt een kras nog zorgwekkender.

Krassen zijn dodelijker

Hoewel Mydlak zegt dat een stuk glas van Schott “voor altijd door kan gaan” in gecontroleerde omstandigheden als het de eerste buigtest overleeft, geeft hij toe dat één kras dat kan veranderen. “Als je er iets op krast… zal dit een eerste defect zijn dat later problemen kan veroorzaken,” zegt hij. Als een stuk glas met een kras die groot genoeg is, wordt gebogen met voldoende spanning geconcentreerd op een “voorscheur”, zegt Frankberg, “zal het zich in principe voortplanten met de snelheid van het geluid en catastrofaal door het hele materiaal gaan.”

Het ding om te onthouden is dat hoewel glas krasbestendiger is dan plastic, het niet krasbestendig is – het kan krassen bij een Mohs-hardheid van 5 of 6, in plaats van 2 of 3 voor plastic, maar het krast hoe dan ook. Ik durf te wedden dat je nu een paar kleine krasjes hebt op het traditionele glazen scherm van je telefoon. Maar ik gok ook dat je nooit je traditionele scherm hoeft te buigen zoals je dat zou doen met een opvouwbare telefoon. Nu is het een veel grotere deal.

Frankberg denkt dat dat waarschijnlijk de reden is waarom Samsung’s Galaxy Z Flip nog steeds een plastic schermbeschermer aan de bovenkant heeft. Niet om krassen te voorkomen of om het makkelijker te buigen, maar als een “opofferingslaag” die bekrast wordt in plaats van het glas, zodat er minder potentiële catastrofale scheuren op de weg zijn. “Waarschijnlijk krijgen ze minder producten retour vanwege de extra laag,” speculeert hij.

Schott’s Mydlak liet het me eind vorig jaar al doorschemeren, voordat de Z Flip werd aangekondigd: “Hoogstwaarschijnlijk zou je het kale glas helemaal niet aanraken, maar iets erbovenop,” zei Mydlak toen ik vroeg of krassen iets zouden zijn om je zorgen over te maken met de eerste partij vouwglazen telefoons.

Ik moet toevoegen dat we niet volledig weten wat Samsung en zijn partners doen met het glazen scherm van Schott voordat het aan de telefoon wordt toegevoegd. Schott kon alleen bevestigen dat het zijn ultradunne glas aan Samsung levert, en zei dat het “geen commentaar kan geven op eventuele verwerkingsdetails van het ruwe glasmateriaal.” En hoewel Samsung heeft toegegeven dat het wordt geleverd met een vooraf geïnstalleerde screenprotector, kondigde het bedrijf woensdag aan dat het het glas ook “injecteert” “met een speciaal materiaal tot een niet nader genoemde diepte om een consistente hardheid te bereiken”, wat dat ook betekent. Samsung is niet bereid om meer te zeggen, en het klinkt vrij hush-hush.

Maar Samsung heeft wel een andere partner betrokken bij dat proces. Het werkt al sinds 2013 samen met de Koreaanse schermfabrikant Dowoo Insys aan dit glas, meldt Yonhap News, en heeft het onlangs vastgezet door de grootste aandeelhouder in het bedrijf te worden. Naar verluidt heeft Samsung een exclusiviteit op het proces van Dowoo, maar niet op het ultradunne glas van Schott, en Samsung heeft naar verluidt besloten om beide te gebruiken voor het scherm van de Galaxy Z Flip.

Wat heb je aan glas?

Dit alles geeft echter nog steeds geen antwoord op de vraag: wat heb je aan opvouwbaar glas als het toch al krast als plastic? Eén antwoord is dat het misschien langer meegaat; Schott zegt dat glas niet zal afbreken zoals plastic dat van nature na verloop van tijd doet. En dan is er ook nog de optische helderheid. Plus, zoals Dieter Bohn opmerkte, het glas van de Galaxy Z Flip – polymeer cover of niet – voelt gewoon prettiger aan dan de puur met plastic bedekte originele Galaxy Fold. De vouw bij de vouw is minder prominent en hoewel het kan worden ingedeukt met een vingernagel, voelt het steviger aan dan wat er op de Galaxy Fold zit.

Maar Gorilla Glass-maker Corning wil dat je weet dat de Galaxy Z Flip’s screen protector over een jaar of twee misschien niet meer nodig is. Het bedrijf vertelt dat monsters van zijn nieuwe buigbare glas al in handen zijn van toestelfabrikanten. Het verwacht apparaten op de markt in de komende 12 tot 18 maanden, en het schiet om “duurzaamheid, krasbestendigheid en optische helderheid” te leveren allemaal in een enkel pakket voor opvouwbare apparaten.

Hoewel een vertegenwoordiger nog niet kon zeggen hoe Corning dat doet of expliciet kon bevestigen dat er geen plastic aan te pas komt, lijkt plastic niet het doel te zijn: “Vandaag de dag, wanneer je een telefoon met Gorilla Glass koopt, raak je glas aan … dat is waar we naartoe werken.”

Glas dun genoeg produceren om betrouwbaar te buigen is een lastige uitdaging, daar zijn Corning en Schott het over eens. Mydlak vertelde me vorig jaar dat Schott nog steeds een paar productieproblemen aan het uitzoeken was, zoals hoe het de rollen van het allerdunste glas dat het had ontwikkeld op de juiste manier kon snijden, verpakken en verzenden zonder het onderweg te beschadigen. Het lijkt erop dat het bestaan van de Galaxy Z Flip betekent dat het een deel van dat heeft uitgewerkt – maar lage opbrengsten kunnen ook een van de redenen zijn waarom vouwtelefoons zo ongelooflijk duur zijn, en waarom Corning het nog niet volledig heeft uitgevogeld.

Het is moeilijk Samsung te verwijten dat het zo hard pusht, zelfs als zijn beide opvouwbare producten uit de startblokken zijn gestruikeld – ten eerste wil het vouwbare schermen ook aan andere bedrijven verkopen, zoals het bijna onthulde in zijn laatste persbericht. Maar dat maakt het niet minder frustrerend om te zien dat een telefoon die was beloofd als krasbestendig gemakkelijk bekrast kan worden, en het betekent niet dat je je moet inkopen. Hoewel, als je dat doet, Samsung vertelt The Verge dat je een gratis screenprotector kunt krijgen en / of een eenmalige $ 119 schermvervanging als je toestel toch bezwijkt aan krassen.

Frankberg is nog niet overtuigd. “Mijn eerlijke mening als materiaalwetenschapper: Ik zou dit soort telefoons in dit stadium niet kopen, omdat de grootte van de kras die je nodig hebt om hem te breken heel erg klein is,” zegt hij, wijzend op hoe een enkele zandkorrel een scherm van vouwglas zou kunnen vernietigen. “Als ik een heel dure telefoon zou kopen, zou ik een stapje terug doen en kijken hoe de technologie verbetert.”

Mind you, Frankberg heeft een idee van hoe dergelijke schermen uiteindelijk zouden kunnen evolueren: hij is in de zeer vroege stadia van de ontwikkeling van een vorm van glas dat aluminiumoxide gebruikt in plaats van de traditionele silica, een die kan buigen in plaats van breken, en hij onderzoekt ook andere alternatieve materialen. (Het zou niet de eerste keer zijn dat de wereld naar “alumina” glas kijkt, en je bent misschien ook bekend met de gecondenseerde kristallijne vorm van aluminiumoxide, saffier.)

Ik vraag me alleen af of we zo’n materiaal echt “glas” zouden noemen als of wanneer het er ooit komt. Zoals JerryRigEverything’s Zack Nelson graag zegt wanneer hij een nieuw glazen scherm krast, is het moeilijk om het stereotype af te schudden. “Glas breekt. Als iemand ooit met iets komt dat sterker is dan glas, zullen ze het zeker iets anders noemen.”

Bekijk alle verhalen in Wetenschap