Steklo ali kristal
Moderni telefoni so čudo tehnike, a je eden njihovih najbolj dovršenih delov pogosto po krivici prezrt. Steklena prevleka na zaslonu je s svojo pravilno prozornostjo neopazna in nase kričeče opozori šele, ko se pri padcu na njej naredi znameniti pajčevinasti vzorec, lastnik pa dobi masten račun s servisa. V resnici je natančna tehnika izdelave stekla ena najbolj varovanih skrivnosti, nadomestiti pa jo želijo kar s kristali.
Vlivanje stekla v Corningu: (1) talina teče iz kotla v korito, (2) korito je polno, zato polzi po zunanjih straneh, (3) na dnu korita se tokova s stranic združita, (4) ohlajeno in strjeno ravno stekleno površino odrežejo. Vir: videoposnetek Corning Incorporated
Maja 2007 je Steve Jobs sklical ekipo Applovih inženirjev in iz žepa potegnil prototip iPhona, ki ga je nekaj tednov nosil s seboj. Med prenašanjem v žepu se je zaslon opraskal in Jobs je pošteno nahrulil osuple inženirje. Ljudje imajo v žepu poleg telefona še marsikaj, tudi ključe in kovance, in mi že ne bomo prodajali telefona, ki bo takoj spraskan. Na končnem izdelku ne bo plastični, temveč steklen zaslon. Na voljo so imeli šest tednov, da se spoprimejo z izzivom. Problem ni bil zgolj tehnološki, saj je načeloma mogoče pripraviti dovolj odporno in trdno steklo, temveč organizacijski. Apple je želel milijon steklenih zaslonov, za to so najeli podjetje Corning (več o tem kasneje), obenem pa so morali sestavljavci telefonov na Kitajskem spremeniti celotno proizvodno linijo in 96 ur pozneje je že bruhala 10.000 novih telefonov na dan.
Leta 2007, ko se je doba pametnih telefonov šele začenjala, je človek izdeloval steklo že pet tisočletij, resna proizvodnja plastike pa je štela komaj pol stoletja. Pomislili bi, da je ta zrelost tehnologije razlog za steklen zaslon na telefonih, v resnici pa je revolucijo sprožil Jobs. Če v žepu ne bi nosil ključev, bi bili morda zasloni plastični in v tem članku bi pisali o tehnologiji polimerizacije umetnih mas.
Pesek in steklo sta v glavnem sestavljena iz silicijevega dioksida. V pesku je ta v kristalinični obliki kot kremen, v steklu pa v amorfni obliki kot podhlajena talina.
O steklu
Izdelovanje stekla je že tako staro, da sploh ni več jasno, kdo ga je začel izdelovati prvi. Mezopotamci, ki so izumili marsikaj, so steklo poznali, še preden so začeli uporabljati pisavo. Po kemijski definiciji je steklo vsaka trdna snov, ki je nastala z ohlajanjem taline in je obstala v neurejenem (amorfnem) stanju in ni kristalizirala. Z dovolj hitrim ohlajanjem lahko v steklasto stanje spravimo praktično vsako kapljevino.
V vsakdanjem jeziku pa je steklo oznaka za amorfno obliko podhlajene taline silicijevega dioksida in primesi, ki so odgovorne za druge lastnosti stekla (barvo, trdoto, toplotno prevodnost in razteznost …). Ali je steklo res trdno ali gre za nadvse viskozno tekočino, pa se ne morejo poenotiti niti kemiki, zato bomo to filozofsko vprašanje pustili ob strani.
Izdelava stekla je načeloma sila preprosta, v detajlih pa najstrože varovana industrijska skrivnost. Najbolj običajno je natrijevo steklo (soda-lime glass), ki ga sestavljajo tri četrtine silicijevega dioksida (SiO2) in približno enaka deleža natrijevega (Na2O) in kalcijevega dioksida (CaO), drugih primesi pa je manj kot odstotek.
Glavna sestavina vseh stekel je kremen (silicijev dioksid), ki ima tališče nad 1600° C. Zato mu primešajo druge okside, ki z znižanjem tališča pocenijo izdelavo. Fino zmlet prah segrejejo in tako pripravljena raztaljena vroča zmes se shladi v steklasto maso, treba jo je le še oblikovati. Postopkov je več: včasih so bili nadvse cenjeni steklopihači, ki so to počeli ročno, danes pa so jih povsod, razen za najbolj eksotično laboratorijsko steklovino ali unikatno ornamentalno steklo, nadomestili stroji. Steklo se oblikuje bodisi z ulivanjem mase v formi bodisi z vlečenjem in iztiskavanjem.
Vse lastnosti stekla so odvisne od primesi. Razmerje med temi je zelo občutljiv parameter, njegovega vpliva pa teoretično ne znamo napovedati (Corning se sicer hvali, da so pri razvoju Gorilla Glassa 3 uporabili tudi molekulsko modeliranje). Iskanje receptov za stekla različnih barv, različnih trdot, odpornosti proti lomljenju, odpornosti proti temperaturnim šokom in drugih lastnosti je mučno in natančno kemijsko eksperimentiranje.
Recepti so zato dobro varovane skrivnosti. Izdelovalci stekla gredo tako daleč (pa to početje ni omejeno samo na steklo), da poleg nujnih primesi za želene lastnosti steklu dodajo še velikansko množico nepotrebnih. Čemu bi to kdo počel? Ker ima konkurenca sicer dostop do tehnik za analizo sestave, a ne bo imela pojma, katere snovi so nujno potrebne, katere so nečistoče in katere so tja zvijačno nastavljene.
Obdelava stekla Gorilla Glass v vroči kopeli raztaljenega kalijevega nitrata. Vir: Corning Incorporated
Trdno ali trdo
Trdota in trdnost sta tako pogosto zamenjevana pojma, da so zmedi posvečeni celi članki. Trdota je odpornost telesa proti prodiranju tujega telesa v njegovo površino (razenje), trdnost pa je odpornost telesa proti silam, ki ga želijo stisniti, upogniti, zviti ali nategniti, skratka preoblikovati.
Steklo na pametnih telefonih je trdo, a še vedno premalo trdno, oziroma preveč krhko. Zato ga ključi ne razijo, ob padcu z višine pa se razbije. Izdelovalci se trudijo povečati oboje, a jim gre pri trdoti precej bolje od rok.
Rešitev, ki ni temeljila na problemu
V ameriškem podjetju Corning, ki je danes največji proizvajalec stekla za mobilne zaslone, s steklarstvom pa se ukvarja že od leta 1851, so začeli ojačeno steklo izdelovati po naključju. Donald Stookey je leta 1952 obdeloval vzorec fotoaktivnega stekla, a ga je zaradi pokvarjene peči namesto na 600° C segrel na 900° C. Pričakoval je raztaljen vzorec, a je našel belo keramično kroglico. Pri jemanju iz peči mu je padla iz rok in se s kovinskim žvenketom odbila od tal, ne da bi se razletela. Stookey je povsem po naključju ustvaril prvo proti toplotnemu šoku odporno steklokeramiko, iz katere je izšla ena najuspešnejših linij izdelkov CorningWare.
V Corningu so začeli intenzivno raziskovati načine, kako okrepiti steklo. Projekt Muscle je že kmalu dal odličen rezultat. Odkrili so, da dodatek aluminijevega oksida steklu in nato pomakanje izdelanega stekla v talino kalijevih soli zelo izboljša trdnost. Leta 1962 so začeli prodajati steklo Chemcor, a prodaja ni in ni stekla. Rešili so namreč problem, ki ni pestil še nikogar. Tako odpornega stekla še skoraj pol stoletja ni potreboval skoraj nihče, zato so leta 1971 proizvodnjo opustili.
Apple hoče goriljo moč
Vse se je spremenilo leta 2007, ko se je Jobs odločil, da bo imel prvi iPhone steklen zaslon. Kot že tolikokrat poprej ni bil Apple tisti, ki bi si prvi zamislil steklen zaslon za svoje telefone, toda konkurenca pred njim zamisli ni znala udejanjiti. Prva se je za Chemcor zanimala že Motorola leta 2005 za svoj Razr V3, a je bil Chemcor tedaj debel štiri milimetre. V Corningu so zagnali projekt Gorilla Glass za izboljšavo in stanjšanje Chemcora v želji, da bi morda z njim kaj malega zaslužili.
Trdota še ne pomeni trdnosti. Ob padcu stekleni zaslon poči v obliki pajčevine.
Obeti so bili klavrni, dokler ni leta 2007 poklical Jobs. Kot je za Apple v navadi, je želel tisto, česar ni bilo. Kemijsko ojačeno steklo, ki se ne lomi in razi, debelo 1,3 milimetra, v velikanskih količinah. Corningov izvršni direktor Wendell Weeks je privolil in nagnal inženirje delat nadure. Šest tednov pozneje je Corning pripravil prvo različico Gorilla Glassa, ki je ustrezala Applovim standardom. Leta 2007 je imel Corning 20 milijonov dolarjev letnih prihodkov od prodaje stekla, danes zasluži več kot milijardo. Letošnja novost, Gorilla Glass 3, je še trša od predhodnic, z 0,7 milimetra tanjša in ima s srebrovimi ioni dopirano površino, ki deluje baktericidno.
Steklo ali safir
Gorilla Glass | Sapphire Glass
Ojačeno aluminosilikatno steklo | Sintetični monokristal safirja
(amorfna podhlajena talina)
Trdota 6,8 na lestvici po Mohsu | Trdota 9 na lestvici po Mohsu
Za steklo: cenejše, večja prepustnost (bolje prepušča svetlobo in zato nižja poraba energije za osvetlitev), nižja gostota (lažji zasloni), lažja priprava tanjših plasti, možnost kemičnega ojačenja, preizkušen material, enostavnost oblikovanja, do okolja prijaznejša pridelava (porabimo manj energije), manj krhko.
Za safir: trši (odporen proti praskam), široko okno prosojnosti (valovne dolžine 150–5000 nm), izjemna toplotna odpornost.
Izdelava
Čeprav podrobnosti ljubosumno skrivajo, so splošni koraki pri proizvodnji Gorilla Glassa znani. Izdelujejo ga po lastni metodi (overflown downdraw method). V osnovi gre za aluminosilikatno steklo z alkalijskimi primesmi, torej so glavne sestavine SiO2, Al2O3 in Na2O, K2O ali Li2O v neznanih razmerjih. Fino zmleto zmes raztalijo v kotlu (1000–1500° C) in vlivajo v koničasto korito, da je do vrha polno. Talina ves čas teče čez rob in po zunanjih stranicah korita polzi navzdol. Na dnu se toka združita in prosto tečeta k tlom. Masa se sproti ohlaja in nad tlemi jo sproti režejo v velike plošče (glej sliko). Proces poteka brez prekinitev, prednost pa je sterilnost, saj se stekla v nobeni fazi proizvodnje ne dotika nihče, zato je površina absolutno ravna. Pri klasični proizvodnji ravnih steklenih površin je talina stekla v stiku s kositrom (ker ima tališče že pri 232° C in ga s strjenega stekla enostavno odlijejo, vrelišče pa šele pri 2602° C), tu pa ne.
Druga, nadvse pomembna faza proizvodnje je kemijsko ojačenje stekla. Primerno odrezane kose stekla potopijo v vročo (400° C) kopel raztaljenega kalijevega nitrata. Visoka temperatura poveča mobilnost ionov, visoka koncentracija kalijevih ionov v raztopini pa povzroči, da nadomestijo natrijeve ione v zunanjih plasteh stekla. Ker je kalij večji od natrija, to uvede dodatno napetost v steklo, zato je, paradoksalno, trše in odpornejše.
Tako s kemično obdelavo izvedemo enako zvijačo kot pri toplotnem kaljenju stekla, ki poveča trdnost. Steklo najprej segrejejo, nato pa izjemno hitro ohladijo. Zunanje plasti se ohladijo hitreje in skrčijo, to pritisne na notranjost. Ko se ohladi tudi ta, se v steklu vzpostavi zapleteno ravnotežje med natezno napetostjo v notranjosti in tlačno napetostjo v zunanjih plasteh. Tako steklo je zelo odporno, a se zdrobi na drobne kosce, če mu dovolj globoko poškodujemo površino, da izpostavimo notranjost. To je tudi glavni razlog, da zasloni telefonov ne pokajo že pri prvem padcu, temveč šele pri kasnejših, saj je steklo tedaj na površini že mikroskopsko ranjeno.
Seveda Gorilla Glass ni edino kemijsko ojačeno steklo za uporabo v pametnih telefonih, le daleč najpogosteje uporabljena znamka je. Sorazmerno priljubljen je tudi Dragontrail japonskega podjetja Asahi, nemški Schott pa je pripravil Xensation, če omenimo najbližja zasledovalca. A velika verjetnost je, da je na vašem telefonu prav Gorilla Glass.
Različne oblike monokristalnega safirja za zaslone. Vir: GT Advanced Technologies
Kristal ali steklo
Telefoni imajo že nekaj let steklene zaslone in kazalo je, da je problem zadovoljivo rešen. Izdelovalci pridno preizkušajo nove kombinacije sestavin in izdelujejo nove vrste stekla z večjo odpornostjo. Počasna evolucija, ki bo pripeljala do zelo dobrih izdelkov, a brez revolucije.
Potem pa je na prizorišče stopil safir in spet mu je tja pomagal Apple. Lani nastali iPhone 5S je imel čitalnik prstnih odtisov prevlečen s kristalom iz safirja. Ko so novembra lani podpisali pol milijarde dolarjev vredno pogodbo z izdelovalcem sintetičnega safirja GT Advanced Technologies, so vsi pričakovali, da bo imel letošnji iPhone 6 namesto steklenega zaslon zaslon iz safirja. Ni ga imel.
Safir je naravni material, in sicer drag kamen. Gre za obliko korunda, torej ga sestavlja čist aluminijev oksid (Al2O3). Kemijsko je safir popolnoma drugačen od stekla, ki ima amorfno (neurejeno) strukturo. Safir je kristal, saj je sestavljen iz urejenih atomov aluminija in kisika, ki morajo biti na točno določenih mestih. Pri kristalih je enako pomembna kot kemijska sestava tudi kristalna rešetka (razporeditev atomov) in posebna razporeditev v Al2O3 se imenuje safir (če je rdeč, pa rubin). Njegova poglavitna prednost je trdota, saj ima po Mohsovi lestvici vrednost 9, tako da je tretji najtrši znani material na svetu, takoj za diamantom (10) in eksotičnim moissanitom (9,5).
Proizvodnja
Kakovosten sintetični safir za zaslone izdelujejo v posebnih sodih iz molibdena. Na dno postavijo manjši kristal safirja v velikosti ploščka za hokej, ki rabi za seme. Sode napolnijo s korundom in odpadnim safirjem iz prejšnjih šarž. Sod postavijo v posebno peč, ki ima na dnu hlajeno platformo, da prepreči stalitev semena iz safirja, medtem ko jo segrejejo na 2200° C, da se korund in odpadni safir raztalita. V približno dveh tednih v več ciklih segrevanja in ohlajanja talina aluminijevega oksida kristalizira v obliki safirja. V eni šarži v takšni peči pripravijo dobrih sto kilogramov safirja v obliki monokristala. Ingote safirja (boule) pregledajo in označijo področja po kakovosti, nato jih razrežejo. Slabo kristalizirane kose pa vržejo v naslednjo šaržo, saj ni problem v kemijski sestavi materiala, temveč v slabi kristalizaciji (različni defekti).
Nebrušen naravni safir
Prednosti in slabosti
Glavna prednost safirja je že omenjena trdota, zato je praktično nemogoče, da bi se tak zaslon spraskal, razen če se vam po žepu valjajo diamanti. Toda safir ima tudi nekaj hudih pomanjkljivosti in te so bile krive, da je na iPhonu 6 iz safirja še vedno le čitalnik prstnih odtisov, zaslon pa je steklen. Safir je namreč desetkrat dražji od stekla in bi za en telefon stal 15–30 dolarjev, če bi upoštevali še stroške spremembe oblikovanja in proizvodnih linij, pa bi bil še dražji (ocenjujejo, da do 100 dolarjev) Safir je tudi skoraj za polovico gostejši od stekla, zato bi enako velik zaslon tehtal več.
Velik problem sta tudi krhkost in slaba odpornost proti padcem. To je za kupce telefonov pomembneje, saj s spraskanim zaslonom še preživijo, s počenim v obliki pajčevine pa težko. Čeprav ima safir pri laboratorijskih testih nekoliko višjo trdnost od stekla, je to v resničnem življenju nepomembno. Bolj nas zanima, kaj se zgodi, ko leto dni star telefon pade po tleh. Zasloni navadno počijo, ko se je zaradi mikroskopskih razpok in prask na zgornji ojačeni plasti trdnost materiala toliko zmanjšala, da popusti. Safir se s časom teže opraska in poškoduje na površini, ker je trši. A po drugi strani je že od začetka manj upogljiv in pri zvijanju hitro poči. Za realno sodbo bi potrebovali enaka telefona z zaslonom iz safirja in stekla, a takšnih ni. Kljub vsemu napredku je ob morebitnem padcu dober ovitek še vedno zlata vreden.
Upogib zaslona iz stekla in safirja tik pred zlomom. Safir prenese nekoliko višjo tlačno obremenitev, a se zlomi že pri manjši deformaciji od stekla. Vir: videoposnetek UBreakIFix.com
Telefone z zaslonom iz safirja kljub temu najdemo, če se potrudimo. Vertu Signature Touch stane dobrih deset tisoč evrov, precej prijaznejši Kyocera Brigadier pa le sto evrov. Tudi Huawei bo izdal različico telefona Ascend P7 z zaslonom iz safirja. A to je nišna raba; dokler safirja ne bodo uporabljali Apple, Samsung in podobni, so vse skupaj zgolj posladki.
Na koncu omenimo še okoljski vidik. Proizvodnja safirja je energijsko potratnejša, a to marsikoga ne bo pretirano zmotilo. Bi pa vse motila slabša avtonomija baterije, ker safir absorbira več svetlobe od stekla, zato bi telefoni potrebovali močnejšo osvetlitev. To je običajnemu uporabniku dosti bliže od abstraktnih številk o megavatnih urah pri proizvodnji.
Nebrušen naravni safir
Steklo ali kristal?
To dandanes pravzaprav sploh ni odločitev, ker pametnih telefonov z zaslonom iz safirja preprosto ni. Da se je Apple odločil razdreti pogodbo z GT Advanced Technologies in ostati pri steklu, je zelo dober dokaz, da safir preprosto še ni pripravljen za izzive sodobnih mobilnih telefonov. Safir uporabljamo marsikje – na urah, v letalih, laserjih itd., pri pametnih telefonih pa njegov čas še ni napočil. Razvoj se bo nadaljeval in prav mogoče je, da ga čez leto, ali desetletje, dobimo tudi na telefonih.
Kako merimo trdoto
Trdota je lastnost trdnega telesa, da se upira deformaciji zaradi obrabe. Najbolj znana je Mohsova trdotna lestvica iz leta 1812, na kateri so snovi razvrščene po trdoti od 1 do 10. Najmehkejši je lojevec, najtrši diamant. Lestvico sestavlja deset standardov s predpisanimi vrednostmi in je primerjalna. Če podrgnemo drugo ob drugo dve snovi, bo trša razila mehkejšo, zato ima višjo vrednost. Vrednosti po Mohsovi lestvici niso niti linearne niti logaritmične, temveč povsem arbitrarno določene. Kremen (7) je dvakrat mehkejši od topaza (8), ta je dvakrat mehkejši od korunda (9), diamant (10) pa je od slednjega štirikrat trši.
Kaj se je zgodilo z GT Advanced Technologies?
GT Advanced Technologies (GTAT) ni edino podjetje, ki izdeluje sintetični safir, kot bi morda mislili zaradi prahu, ki so ga dvignili. Po svetu je vsaj sto izdelovalcev safirja. Toda prav v GTAT je Apple lani vložil 578 milijonov dolarjev, porabiti bi jih morali za postavitev nove tovarne za proizvodnjo zaslonov iz safirja. Apple je namreč tako velik odjemalec, da nobeno podjetje ni bilo sposobno izdelati toliko zaslonov, kot bi jih za nove iPhone potrebovali.
Ko so ponudili iPhone 6, je bilo veliko presenečenje, da še vedno uporablja steklo. Delnice podjetja GTAT so v trenutku izgubile polovico vrednosti, minuli mesec pa je podjetje zaprosilo za začetek stečajnega postopka. In tu se zgodba zelo zaplete.
Apple je na sodišče naslovil zahtevo, da pogodbe z GTAT ostanejo tajne, saj bi se v stečajnem postopku načeloma moralo razgaliti vse. Na dan je pricurljala informacija, da je v pogodbi klavzula, po kateri mora GTAT plačati 50 milijonov dolarjev v primeru razkritja pogodbe. Izvršni direktor GTAT je o njej povedal le, da je zanje zadušljiva in sploh ne preveč dobra.
Apple in GTAT sta se sporazumela, da bo GTAT v naslednjih štirih letih vrnil 439 milijonov dolarjev (enega obroka Apple ni izplačal, ker GTATu ni uspelo izpolniti pogodbenih obveznosti), obenem pa bodo odpustili vseh 650 zaposlenih v tovarni v Arizoni. Kljub temu naj bi GTAT obstal in nadaljeval delo z Applom pri razvoju zaslonov iz safirja. To za zdaj zajema svetovalno in razvojno delo, ne pa dejanske proizvodnje.
Vse podrobnosti iz sage najbrž ne bodo nikoli javno znane, je pa pomenljiv podatek, da je direktor GTAT letos prodal za 10 milijonov delnic podjetja, zadnji paket tik pred predstavitvijo iPhona 6.