Почти каждому знакомо не самое приятное чувство где-то в груди, когда его смартфон вдруг выскальзывает из рук, падает на пол, оставаясь лежать дисплеем вниз, — ведь секунды, пока устройство все еще не перевернуто, могут быть последними, когда владелец еще не видел тачскрин разбитым или треснувшим. Если, конечно, повезет, то можно отделаться легкими царапинами, что, однако, само по себе тоже неприятно.
Закаленные стекла Gorilla Glass, производимые американской компанией Corning, в течение последних семи лет стали де-факто стандартным и наиболее прочным материалом для использования в качестве покровного материала для тачскринов наиболее быстрорастущего сегмента массовых электронных устройств — смартфонов. Сравнивать потребительские свойства Gorilla Glass и пластиковых покровов тачскринов наладонных устройств, имевших популярность до появления на рынке iPhone, даже как-то смешно. Тем не менее, при абсолютном выигрыше у предшественников, стекла Gorilla Glass неидеальны: их можно поцарапать ключами в кармане или разбить, уронив смартфон на пол, и владельцу устройства в этот момент будет безразлично, какие покровы были у дисплеев более древних устройств. Поэтому тема создания новых покровных материалов для дисплеев мобильных устройств, более устойчивых к царапинам и менее хрупких, остается по-прежнему актуальной.
Corning
Компания Corning, основанная еще в середине XIX века, с самого начала специализировалась на производстве стекла, керамики и других подобных материалов.
В 1952 году в результате неполадки одной из печей в лаборатории Corning случайно был получен синтетический стеклянно-керамический материал молочно-белого цвета, позже получивший название Pyroceram, который был легче алюминия, тверже высокоуглеродистой стали и впоследствии получивший широкое распространение. Получение Pyroceram стало не только причиной выпуска Corning популярной линейки посуды CorningWare, но и создания инициативы Project Muscle, в рамках которой ученые компании начали исследования по увеличению прочности стекла.
В 1962 году компания выпустила на рынок прочное стекло Chemcor, надеясь, что оно может быть использовано в очках, вендинговой технике, автомобилях и др. Тем не менее, Corning так и не смогла убедить производителей массовых продуктов в необходимости применения нового материала, и в 1971 году выпуск Chemcor был прекращен.
В компании вновь вспомнили о нем лишь в 2005 году, когда на рынке появился знаменитый телефон Motorola V3 RAZR, в котором вместо пластикового использовался стеклянный покров дисплея. Узнав об этом, в Corning сформировали небольшую команду, целью которой было изучение возможности модификации Chemcor для использования в различных персональных устройствах — например, телефонах или часах. Старые образцы Chemcor имели толщину 4 мм, поэтому работать было над чем. Проект получил название Gorilla Glass, но к началу 2007 года значительным продвижением к цели команда исследователей похвастать не могла. Представленный 9 января 2007 прототип iPhone был оснащен пластиковым покровом дисплея, однако вскоре в Apple решили, что использование царапающегося пластика в новом устройстве — не самый подходящий вариант. Стив Джобс обратился в Corning с предложением за полгода разработать и наладить выпуск в больших количествах нового стекла, которое будет тоньше — 1,3 мм — и прочнее существующих доступных материалов. Задание казалось фантастическим, и глава Corning Уэндел Уикс (Wendell Weeks) первоначально ответил Джобсу отказом, но последний проявил настойчивость, убедив начать работу. К концу марта специалисты компании определились с окончательной формулой нового материала, однако требовалось решить еще одну, не менее важную проблему: наладить производство с большим выходом. Строить новые линии времени не было, поэтому инженеры компании решили модифицировать существующие мощности, и это непростое задание им удалось выполнить: к июлю было произведено такое количество нового стекла, что им можно было бы покрыть несколько футбольных полей. Бум смартфонов, инициированный появлением iPhone, позволил Corning уже в 2010 году производить стекла для 20% всех мобильных телефонов, выпускаемых в мире. Начиная с 2012 года каждый год компания выпускала новые виды Gorilla Glass (2, 3, 4), каждый из которых обладал значительно лучшими характеристиками, чем у предшественника.
Сапфир наступает...
Несмотря на доминирование Gorilla Glass, два-три года назад наблюдатели и эксперты заговорили о скором появлении серьезного соперника у закаленных стекол — синтетического сапфира. Этот материал уже давно используется в дорогих наручных часах, а первое его массовое применение в смартфонах датировано 2013 годом, когда Apple оснастила iPhone 5 сапфировым покровом для объектива тыловой камеры.
Сапфир — драгоценный камень (разновидность корунда, химическая формула — оксид алюминия, Al2O3), который встречается в природе в различных цветовых вариантах в зависимости от примесей. Чаще всего встречается сапфир синего цвета (название произошло от греческого σάπφειρος — синий камень), обусловленного примесями титана и железа. Природа позаботилась о том, чтобы среди цветового разнообразия сапфиров была и бесцветная, прозрачная форма, пригодная для использования в качестве покрова тачскринов смартфонов. Сапфир является одним из самых твердых материалов — 9 из 10 по шкале Мооса, уступая по этому показателю только алмазу, у которого все 10 из 10, и значительно превосходя стекло, которое обладает относительно скромным показателем 5 из 10. Таким образом, ни ключи от автомобиля, лежащие в одном кармане со смартфоном, ни песчинка, попавшая на дисплей во время протирки дисплея, не смогут поцарапать сапфировый покров.
Для массовой электронной промышленности требуются значительные количества материала для покрова дисплеев, поэтому в случае с сапфиром полагаться на добычу природных минералов в промышленных масштабах рассчитывать не приходится. Вместо этого гораздо эффективнее использовать процесс выращивания синтетических кристаллов сапфира из соединений алюминия с кислородом в электропечах при температурах около 2000 °C. Этот метод, изобретенный в начале прошлого века, получил название в честь своего создателя, французского ученого Вернейля. Полученные таким образом монокристаллы называются «були», они получаются полностью бесцветными и прозрачными, если в процессе их роста в них не попали примеси.
В ноябре 2013 года стало известно о том, что Apple инвестировала 578 млн долларов в новый завод американской компании GT Advanced Technologies в Аризоне, который будет производить синтетические сапфиры. К тому времени Apple уже использовала кристаллы сапфира в камерах iPhone 5 и iPhone 5S, а также в дактилоскопическом датчике Touch ID в iPhone 5S, однако столь весомая инвестиция (завод в Аризоне должен был иметь способность производить больше кристаллов сапфира, чем все остальные предприятия в мире вместе) не могла не породить догадки о том, что компания собирается применять сапфировые покровы более широко, а именно в iPhone 6. В марте следующего года стало известно о патентах Apple, которые описывали использование лазера для резки булей на готовые детали и некоторые другие технологии, усовершенствующие процесс изготовления сапфировых комплектующих.
...и отступает
Казалось, сотрудничество Apple и Corning обречено. Акции Corning упали, а потенциальные владельцы новых смартфонов обсуждали преимущества дисплеев с сапфировым покровом. Но случилось то, что случилось: в iPhone 6 и 6 Plus, представленных прошлой осенью, дисплеи по-прежнему были покрыты стеклом, акции GT Advanced Technology, до этого росшие как на дрожжах, рухнули, компания начала процедуру банкротства, а многочисленные обозреватели начали рассказывать, почему в данный момент Gorilla Glass — более подходящий покровный материал для дисплеев смартфонов, чем сапфировые кристаллы.
Еще за пару недель до представления iPhone 6 в Сети появились сообщения, что в устройстве не будут применяться кристаллы сапфира, так как новое предприятие не смогло обеспечить производство требуемого количества материала. Однако выпуск комплектующих для новых моделей iPhone начинается за нескольких месяцев до их представления, а значит, инсайдерам должно было быть известно об отсутствии кристаллов сапфира в новинке задолго до анонса, и появлявшиеся в Сети слухи только лишь слухами и были. Утками, одним словом. У Apple были другие, более весомые причины не расставаться с Gorilla Glass.
Одним из главных направлений развития мобильных устройств является уменьшение их массы при одновременном увеличении размеров дисплея. Покров тачскрина является одной из самых тяжелых деталей смартфона. Сапфировый кристалл обладает на 67% большей плотностью, чем стекло, а это означает, что в смартфонах с размером дисплея около пяти дюймов масса сапфирового покрова дисплея может достигать 100 г. Corning научилась выпускать стеклянные покровы толщиной с лист бумаги, и сапфировым кристаллам нужно быть на треть тоньше, чтобы обладать такой же массой. Вырезать из буля такой тонкий слой сапфира, а затем отполировать его — задача вообще непростая, а при массовом производстве еще более сложная. Кроме того, сапфир не может формоваться, как стекло, поэтому конструкция iPhone 6 с дисплеем со скругленными краями очевидно изначально не предусматривала использование кристалла сапфира.
Еще одно важное требование к каждому компоненту мобильного устройства — его способность экономить энергию батареи, и в этой дисциплине сапфировые кристаллы вновь проигрывают прочному стеклу. Одним из наиболее весомых потребителей электроэнергии в смартфоне является подсветка дисплея. Сапфир пропускает свет значительно хуже, чем стекло, а это означает, что в случае использования его кристаллов в качестве покрова дисплея необходимо существенно повысить интенсивность подсветки, чтобы получить яркость на таком же уровне, как в случае со стеклом. Кроме того, на сапфировом покрове будет куда больше бликов, а нанесение антибликового покрытия нивелирует основное преимущество материала — устойчивость к царапинам.
Немаловажным минусом сапфирового покрова является его высокая стоимость. Цена устройства является важным фактором его популярности, особенно в случае высокого уровня конкуренции, наблюдаемого на рынке смартфонов. Производство дисплейного покрова из сапфирового кристалла обходится на порядок дороже, чем в случае со стеклом, — несколько долларов против нескольких десятков центов за квадратный дюйм, и на практике это означает, что использование сапфира увеличит стоимость готового устройства не менее чем на 100 долл. Косвенным подтверждением этому могут служить наручные часы Garmin Fenix 3 GPS, которые в версии Sapphire стоят на те самые 100 долл. дороже, чем в версии со стеклом. Конечно, в случае больших объемов производства стоимость кристаллов несколько снизится, однако в десятки раз более высокие энергозатраты производства по сравнению со стеклом не позволят снизить цену материала до уровня, сопоставимого со стеклом, да и делают само производство неэкологичным.
Кроме того, смартфоны имеют относительно короткий жизненный цикл, и регулярные дополнительные затраты при апгрейде устройства вряд ли обрадуют потребителей. Если наручные часы с сапфировыми кристаллами могут использоваться много лет, то в случае со смартфоном покупатель через пару лет получает все то же устаревшее устройство, но только с неповрежденным покровом дисплея, заплатив за это лишнюю сотню долларов. Вероятнее всего, массовый покупатель предпочтет сэкономить эти сто долларов и будет довольствоваться мелкими царапинами на Gorilla Glass.
Все перечисленные проблемы могут быть решены более или менее эффективным способом, однако есть еще один существенный недостаток сапфира, вызванный его природой. Это... недостаточная прочность. В то время как в большинстве случаев отмечается отменная стойкость сапфира к царапинам, его кристаллическая структура обусловливает хрупкость. Если уронить смартфон с сапфировым покровом дисплея, он разобьется с большей вероятностью, чем в случае со стеклом, которое обладает большей эластичностью, а значит гораздо лучше способно выдерживать деформации. В случае с наручными часами это не так важно, так как часы уронить гораздо сложнее, а покров у них имеет существенно меньший размер, чем у смартфонов. Разбитый тачскрин — неприятность куда большая, чем царапины.
Таким образом, при фактически единственном преимуществе — высокой стойкости к царапинам, сапфировые кристаллы имеют несколько существенных недостатков, которые по меньшей мере в настоящее время делают их малопригодными в качестве замены прочного стекла для покрова дисплея.
Для GT Advanced Technology решение Apple отказаться от использования сапфиров в дисплеях iOS-устройств стало роковым — оно фактически привело к банкротству компании. Судебные разбирательства между партнерами в конце концов привели к мирному решению, согласно которому GT Advanced Technology оставила за собой право собственности на оборудование, приобретенное на занятые у Apple средства, чтобы получить возможность его продать и рассчитаться с долгом. Apple оставила себе так и не заработавшую фабрику и возможность приобретения интеллектуальной собственности GT Advanced Technology. И если первоначально наблюдатели высказывали предположения, что благодаря этому Apple сможет самостоятельно выпускать сапфировые комплектующие, то в феврале стало известно, что компания намерена использовать площади бывшего завода для развертывания нового центра обработки данных, инвестировав в него 2 млрд долларов.
Phire против Sapphire
Несмотря на то, что Gorilla Glass 4 компания Corning представила всего лишь в ноябре прошлого года, уже в феврале нынешнего она рассказала о новом проекте Phire, целью которого является создание материала, сочетающего в себе положительные свойства и Gorilla Glass, и кристаллов сапфира.
По словам Corning, тесты показали, что Phire значительно прочнее, чем Gorilla Glass 4. Впрочем, каждое новое поколение стекол Corning может похвастать этим перед предшественниками. В случае с Phire необычной является существенно возросшая устойчивость материала к царапинам. На рисунке — слайд с презентации Phire, который демонстрирует, что в результате приложения одинаковых усилий для того, чтобы поцарапать поверхность материала, на Gorilla Glass появились существенные дефекты, в то время как Phire остался практически неизменным, как и кристалл сапфира.
В настоящее время угроза конкуренции продукции Corning со стороны сапфиров существенно уменьшилась, поэтому, выпуская такой продукт, компания может сделать его несколько дороже предыдущих предложений. Производители устройств смогут получить новый материал уже во второй половине года, поэтому, вполне возможно, вскоре появится дополнительная информация о Phire.
Возможен ли реванш?
Несмотря на неудачный штурм продукции Apple, сапфировые кристаллы нашли свое место в некоторых моделях смартфонов — например, защищенном Kyocera Brigadier и имиджевом Vertu Signature Touch.
Apple будет применять сапфиры в высокоуровневых моделях умных часов, которые поступят в продажу через считанные дни. Вполне возможно, через некоторое время появятся новые решения, способные улучшить характеристики кристаллов или снизить их стоимость. Например, в портфолио Apple есть патент, который описывает технологию ламинации стекла тонким слоем сапфира, что позволяет снизить стоимость и увеличить прочность детали. Данное решение, однако на данный момент не подготовлено к производству в нужных объемах.
Впрочем, быстрый прогресс в технологии улучшения стекла уменьшает шансы кристаллов сапфира на рынке смартфонов. Corning — самый известный, но не единственный производитель прочных стекол, поэтому лидерство этой компании не несет угрозы остановки развития. А для потребителей сапфировые кристаллы, возможно, уже сыграли пусть и косвенную, но значительную роль в упрочнении дисплеев их смартфонов.
