Składane szkło: jak, dlaczego i prawda o Z Flip firmy Samsung

W dniu 11 lutego 2020 r. firma Samsung wprowadziła pierwszy na świecie telefon ze składanym szkłem: Galaxy Z Flip. Samsung oświadczył, że złamał prawa fizyki, wyginając szkło, a konkretnie dokonując „skoku od ekranów polimerowych do technologii ultracienkiego szkła.”

Samsung sprawił, że brzmiało to tak, jakby wynalazł nową zastrzeżoną formę szkła, a firma nawet nazwała ją Samsung Ultra Thin Glass (UTG). „Dokonaliśmy niemożliwego i stworzyliśmy ultracienkie szkło, które się składa”, twierdziła prezentacja firmy, dodając, że „chroni ono ekran przed zarysowaniami.”

Ale jak świat zobaczy kilka dni później, fizyka nie jest tak łatwa do zignorowania.

Eksperci od szkła mogliby Cię ostrzec przed tym, co stało się później, gdy okazało się, że rzekomy „skok” Samsunga wykorzystuje polimer i po wszystkim łatwo go zarysować. Odporny na kurz Samsung „tarcza włókna” natychmiast poszedł na niepowodzenie agresywny test kurzu, a firma roszczenia wokół szkła teraz wycofał się do śmiesznego tagline „twardy, ale delikatny.”

Ale Samsung nie kłamał o podstawowej innowacji tutaj: Galaxy Z Flip jest naprawdę składany telefon szkła. To tylko, że szkło jest rzeczywiście wykonane przez niemieckiego producenta Schott, to ma miękkie, zarysowania warstwy plastiku na górze, i – miejmy nadzieję – przyszłe telefony składane szkło nie będzie wymagać tej dodatkowej ochrony.

Aby zrozumieć, dlaczego, należy prawdopodobnie najpierw zrozumieć, jak szkło może złożyć w ogóle.

Giętkie szkło jest prawdziwe

Jeśli mam być szczery, sam wciąż owijam głowę wokół tego. Szkło jest kruche; nawet jeśli nigdy go nie stłukłeś, na pewno wiesz, jak to brzmi, gdy się rozbija. Trudno sobie nawet wyobrazić, jak taki kruchy materiał mógłby zostać przekształcony w zginany telefon typu flip, dlatego nie jestem zaskoczony, gdy Samsung znalazł się w obliczu oskarżeń, że ultracienkie szkło Galaxy Z Flip może nie być szkłem w ogóle.

A jednak fizyka składania szkła jest niezwykle prosta, według dwóch naukowców materiałowych, jak również przedstawicieli Gorilla Glass producenta Corning i Schott sam. Krótka wersja: praktycznie wszystko może być zgięte, jeśli tylko jest wystarczająco cienkie.

„Wszystkie znane nam materiały, które są bardzo sztywne, mogą być do pewnego stopnia zgięte”, mówi dr Mathias Mydlak z firmy Schott, chemik, który obecnie prowadzi rozwój biznesu dla ultracienkiego szkła firmy. „Jeśli myślisz o drewnie, to 2×4 nie może być wygięte, ale jeśli dłutem wyciąć bardzo cienki kawałek, to samo dotyczy szkła” – powiedział mi pod koniec zeszłego roku. Podczas gdy zwykła szyba może nie zginać się przed pęknięciem, wystarczająco cienka wstęga szkła może to zrobić.

Gdy zginasz materiał, szkło lub inny, to co robisz, to naturalnie rozciągasz materiał na zewnątrz zgięcia – i nawet szkło ma pewną elastyczność. „Możesz sobie wyobrazić metaliczną sprężynę pomiędzy każdymi dwoma atomami, która wydłuża się, gdy rozciągasz te dwa atomy” – mówi Erkka Frankberg, pracownik naukowy Uniwersytetu w Tampere, który bada niekonwencjonalne formy szkła.

Główny problem: możesz tylko rozciągnąć wiązania chemiczne materiału tak daleko, zanim pęknie, koncepcja znana jako wytrzymałość na rozciąganie. Ale jeśli użyjesz cieńszej tafli szkła, rozciągniesz mniej materiału na tej samej przestrzeni, zginając mniej warstw i rozciągając mniej wiązań chemicznych, mówi Mydlak. Dzięki temu szkło jest mniej podatne na rozciąganie i można je mocniej zgiąć, zanim pęknie. Rozrzedzenie szkła jest jedną z „dwóch głównych sztuczek”, aby je zgiąć, mówi profesor MIT w dziedzinie materiałoznawstwa Juejun Hu, ponieważ studenci fizyki uczą się, że naprężenie rozciągające skaluje się liniowo z grubością.

Gdy szkło ma grubość poniżej stu mikronów – około grubości ludzkiego włosa – to właśnie wtedy może zginać się wystarczająco daleko dla podstawowych składanych gadżetów, mówią eksperci. Jeśli chcesz telefon, który składa się do wewnątrz bez ogromnej szczeliny zawiasu, mówimy o dziesiątkach mikronów. Pomyśl o folii aluminiowej.

Taka cienkość jest już możliwa w przypadku szkła, które istnieje obecnie. Cztery lata temu dotknąłem 70-mikronowej tafli szkła Schotta i wygiąłem ją własnymi rękami. Samsung twierdzi, że jego Z Flip używa szkła o grubości 30 mikronów, a Schott twierdzi, że w laboratorium udało się zejść do 25 mikronów. Zarówno Corning jak i Schott używają nieco podobnych technik, z których każda tworzy szklaną taflę unoszącą się w powietrzu poprzez wyciąganie cienkich wstążek roztopionego szkła ze specjalnie ukształtowanych kadzi.

Ale cienkie szkło samo w sobie nie wystarczy. Drugą „główną sztuczką” dla szkła zginanego jest wzmocnienie go przed niedoskonałościami, szczególnie na powierzchni, gdzie mogą one powodować katastrofalne w skutkach awarie, gdy szkło jest naprężone. Eksperci twierdzą, że wystarczy mały pęcherzyk powietrza, drobina brudu lub drobna rysa powstała w procesie produkcji lub obsługi, aby zniszczyć kawałek szkła, które można zginać. „Wszystkie naprężenia, które powstają w szkle, koncentrują się na tych małych defektach i właśnie tam dochodzi do pęknięcia” – mówi Frankberg.

To właśnie tam mogą pojawić się kąpiele chemiczne i obróbka cieplna, które wzmacniają i hartują szkło, o czym pisaliśmy już wcześniej, ale kompromisem jest to, że mogą one sprawić, że szkło będzie łatwiejsze do zarysowania. A ponieważ szkło staje się coraz cieńsze – wystarczająco cienkie, aby się zginać – zarysowanie staje się jeszcze bardziej niepokojące.

Zarysowania są bardziej zabójcze

Mimo że Mydlak mówi, że kawałek szkła Schotta „może trwać wiecznie” w kontrolowanych warunkach, jeśli przetrwa pierwszy test zginania, przyznaje, że jedno zarysowanie może to zmienić. „Jeśli zadrapiesz go czymś … będzie to początkowy defekt, który może spowodować problemy w późniejszym czasie”, mówi. Jeśli kawałek szkła z wystarczająco dużym zadrapaniem zostanie zgięty z wystarczająco dużym naprężeniem skoncentrowanym na „pęknięciu wstępnym”, mówi Frankberg, „będzie się ono w zasadzie rozprzestrzeniać z prędkością dźwięku i katastrofalnie przejdzie przez cały materiał.”

Rzeczy do zapamiętania jest to, że chociaż szkło jest bardziej odporne na zarysowania niż plastik, to nie jest odporne na zarysowania – może się zarysować przy twardości Mohsa 5 lub 6, zamiast 2 lub 3 dla plastiku, ale i tak się zarysowuje. Założę się, że masz teraz jakieś drobne rysy na tradycyjnym szklanym ekranie swojego telefonu. Ale jestem również zgadywanie nigdy nie trzeba zginać tradycyjny ekran, jak byś z telefonu składane. Teraz jest to o wiele większy deal.

Frankberg myśli, że to prawdopodobnie dlatego Samsung Galaxy Z Flip nadal ma plastikową osłonę ekranu na górze. Nie, aby zapobiec zarysowaniom lub pomóc mu zginać łatwiej, ale jako „warstwa ofiarna”, który dostaje porysowany zamiast szkła, więc jest mniej potencjalnych katastrofalnych pęknięć w dół drogi. „Prawdopodobnie otrzymują mniej zwrotów produktów z powodu dodatkowej warstwy,” on spekuluje.

Schott’s Mydlak faktycznie hinted jako dużo do mnie późno w zeszłym roku, przed Z Flip został ogłoszony: „Najprawdopodobniej nie będzie dotykać gołego szkła w ogóle, ale coś na górze,” Mydlak powiedział, gdy zapytałem o to, czy zarysowania będzie coś się martwić z pierwszej partii telefonów składanych szkła.

Powinienem dodać, że nie do końca wiemy, co Samsung i jego partnerzy robią ze szklanym ekranem Schotta przed dodaniem go do telefonu. Schott mógł tylko potwierdzić, że dostarcza swoje ultracienkie szkło do Samsunga, mówiąc, że „nie może komentować żadnych szczegółów przetwarzania surowego materiału szklanego.” I choć Samsung przyznał, że pochodzi z preinstalowanym ochraniaczem ekranu, firma ogłosiła w środę, że jest również „wstrzykiwanie” szkło „ze specjalnym materiałem do nieujawnionej głębokości, aby osiągnąć stałą twardość,” cokolwiek to znaczy. Samsung nie był skłonny powiedzieć więcej, i to brzmi dość hush-hush.

Ale Samsung ma innego partnera zaangażowanego w tym procesie. To pracuje z koreańskim producentem ekranu Dowoo Insys na tym szkle od 2013 roku, Yonhap News raporty, a ostatnio zablokował go w dół, stając się największym udziałowcem w firmie. Rzekomo, Samsung ma wyłączność na procesie Dowoo, ale nie ultracienkie szkło Schotta, a Samsung podobno postanowił użyć obu do ekranu Galaxy Z Flip.

Co dobrego jest szkło?

Wszystko to nadal nie odpowiada na pytanie, choć: co dobrego jest składane szkło, jeśli zarysowania jak plastik w każdym razie? Jedną z odpowiedzi jest to, że może trwać dłużej; Schott twierdzi, że szkło nie rozpadnie się tak jak plastik z czasem. Trzeba też wziąć pod uwagę przejrzystość optyczną. Dodatkowo, jak zauważył Dieter Bohn, szkło Galaxy Z Flip – polimerowa osłona czy nie – jest po prostu przyjemniejsze w dotyku niż pokryty czystym plastikiem oryginalny Galaxy Fold. Fałda na fałdzie jest mniej widoczne i choć może być wgnieciony paznokciem, to czuje się mocniej niż to, co jest na Galaxy Fold.

Ale Gorilla Glass producent Corning chce wiedzieć, Galaxy Z Flip’s osłona ekranu może nie być konieczne w roku lub dwóch. Firma mówi mi próbki jego nowego szkła zginanego są już w rękach producentów urządzeń. Oczekuje urządzeń na rynku w ciągu najbliższych 12 do 18 miesięcy, i to strzelanie dostarczyć „trwałość, odporność na zarysowania, i przejrzystość optyczną” wszystko w jednym pakiecie dla składanych urządzeń.

Chociaż rep nie mógł jeszcze powiedzieć, jak Corning robi to lub wyraźnie potwierdzić, że nie będzie plastiku zaangażowany, plastik nie wydaje się być celem: „Dziś, kiedy kupujesz telefon z Gorilla Glass, jesteś dotykając szkła … to jest to, co pracujemy w kierunku.”

Mass-produkcja szkła wystarczająco cienkie, aby niezawodnie zginać jest trudnym wyzwaniem, Corning i Schott zgadzają. Mydlak powiedział mi w zeszłym roku, że Schott wciąż stara się rozwiązać kilka problemów związanych z produkcją, np. jak prawidłowo ciąć, pakować i wysyłać szpule najcieńszych szkieł, które opracował, nie uszkadzając ich po drodze. To brzmi jak istnienie Galaxy Z Flip oznacza, że pracował niektóre z tego out – ale niskie plony również może być jednym z powodów, składane telefony są tak niewiarygodnie drogie, i dlaczego Corning ma jeszcze w pełni dowiedzieć się it out.

Trudno winić Samsunga za naciskanie tak mocno, nawet jeśli oba jego foldables potknęły się z bramy – po pierwsze, chce sprzedawać składane ekrany do innych firm, zbyt, jak to wszystko prawie ujawnił w swoim najnowszym komunikacie prasowym. Ale to nie czyni go mniej frustrujące, aby zobaczyć, że telefon, który został obiecany jako odporne na zarysowania mogą być łatwo zarysowane, i to nie znaczy, że trzeba kupić w. Choć jeśli tak, Samsung mówi The Verge, że można uzyskać bezpłatny ochraniacz ekranu i / lub jednorazowe $ 119 wymiany ekranu, jeśli urządzenie nie ulegnie scratches.

Frankberg nie jest jeszcze przekonany. „Moja szczera opinia jako naukowiec materiałów: Nie kupiłbym tego rodzaju telefonów na tym etapie, ponieważ rozmiar rysy trzeba złamać go jest bardzo bardzo mały”, mówi, wskazując, jak pojedyncze ziarno piasku może zniszczyć składany ekran szklany. „Kupując bardzo drogi telefon, wycofałbym się i zobaczył, jak technologia się poprawia.”

Pamiętajcie, Frankberg ma pomysł, jak takie ekrany mogą ostatecznie ewoluować: jest na bardzo wczesnym etapie rozwoju formy szkła, które wykorzystuje tlenek aluminium zamiast tradycyjnej krzemionki, jeden, który może zginać zamiast łamania, i bada inne alternatywne materiały, zbyt. (Nie byłby to pierwszy raz, kiedy świat zajrzał do szkła „alumina”, i możesz być również zaznajomiony ze skondensowaną formą krystaliczną tlenku glinu, szafirem.)

Zastanawiam się tylko, czy rzeczywiście nazwalibyśmy taki materiał „szkłem”, jeśli lub kiedy kiedykolwiek się pojawi. Jak Zack Nelson z JerryRigEverything lubi powtarzać, gdy testuje nowy szklany ekran, trudno jest otrząsnąć się ze stereotypu. „Szkło pęka. Jeśli ktoś kiedyś wymyśli coś mocniejszego niż szkło, na pewno nazwie to inaczej.”

Zobacz wszystkie historie w dziale Nauka .