現代工業玻璃看似透明,但其實極為複雜,一般鈉鈣玻璃很適合做為瓶罐與燈泡,但因碎片尖銳,不宜用於其他產品;硅硼酸玻璃或許耐熱,但熔製需耗費大量能源。另一方面,要大量製造平板玻璃只有兩種途徑,一為熔融溢流下拉法,二為浮式玻璃製程,將熔融玻璃倒入熔融錫表面上;另一項難題在於找到玻璃成分與製程的適當組合,畢竟設計配方是一回事,能否製成產品又是另一回事。
無論成分如何,幾乎所有玻璃的主要原料均為二氧化矽,因為熔點高達攝氏1,720度,故會加入氧化鈉等其他化學物質降低熔點,以壓低製作難度與成本;許多化學物質也會為玻璃加入其他特性,例如抗X光、耐高溫、折射光線、分散顏色等,不過只要成分稍有改變,成品就可能大不相同,例如加入鋇或鑭之後,熔點雖會降低,但卻可能無法得到相同結果,而提高玻璃整體強度後,破裂時恐造成更多危險。
玻璃為折衷下的產物,故針對特殊製程設計的原料組合為最高機密。
製玻一大重要步驟為冷卻。在標準玻璃大規模製程中,必須平均逐漸冷卻,才能降低內部壓力,否則容易破裂,這個程序稱為鍛鍊,是為在玻璃內外層之間施加壓力,讓玻璃反而更堅固,加熱讓玻璃軟化後,再讓外層表面快速冷卻(或稱為淬火),如此外層會快速收縮,而內層仍然柔軟;等到內層逐漸冷卻收縮時,也會帶動外層,在內部形成張力區域,表面則更緊繃。若各位穿透外層進入張力區,鍛鍊後的玻璃就會破裂,且這項技術亦有極限,強化效果取決於玻璃在冷卻時的收縮情況,且多數成分的玻璃只會稍微收縮。
魯珀特之淚(Prince Rupert’s drop)或許最能說明壓力與張力的關係,將熔融玻璃滴入冰水裡,就會呈現蝌蚪狀,頭部可承受龐大壓力,甚至包括鐵錘反覆重擊,但尾部卻脆弱許多,只要一出現裂縫,就會以每小時2,000英里的速度擴散,釋許出內部張力,有些甚至會爆炸並發出閃光。
化學強化玻璃技術始於1960年代,透過離子交換產生壓力層,Gorilla Glass等鋁矽酸鹽內包括二氧化矽、鋁、鎂與鈉,玻璃浸入熔融熱鉀鹽池裡,就會升溫與膨脹,鈉與鉀在元素表上屬同一欄,故行為模式相似,熱度讓鈉離子脫離玻璃,鉀離子則填補空缺,但因為鉀離子體積較大,故填補後較為緊密,就像在小客車停車場裡塞滿休旅車一樣。
玻璃冷卻後收縮,就在表面上形成壓力層,康寧藉控制溫度與時間,確保離子交換能夠平均,相較於熱強化玻璃,化學強化玻璃產生的表面壓力更大,也比前者堅固四倍,亦不受玻璃厚度或造型限制。
至三月底,康寧的玻璃成分已大致底定,但還得要生產,因為新製程得花數年開發,故趕不及蘋果設定的期限,因此康寧指派兩位成分科學家艾利森(Adam Ellison)與德尼卡(Matt Dejneka),負責調整與改良公司現有製程,必須在幾個星期內,開始製造大量又薄又透明的玻璃。
當時選項其實只有熔融溢流下拉法一種,將熔融玻璃倒入名為隔熱管的耐火槽中,玻璃會從兩側溢流,至隔熱管下方匯合,並由滾筒以固定速度下拉,以形成不中斷的平面,下拉速度愈快,玻璃就愈薄。
康寧在美國肯塔基州有座工廠,可採用這種製程,2007年初,廠房內七座各15英尺高的耐火槽正全速運轉,每小時生產逾1,000磅的LCD玻璃,製成電視螢幕,每每銷售一空,其中一座耐火槽符合蘋果公司初期要求,但首先得重新調整舊Chemcor的成分,不僅厚度只能1.3公釐,視覺效果也得比電話亭玻璃更好,而艾利森的團隊只有六個星期可用。為符合製造方式要求,玻璃必須在相對低溫內具備極佳延展性,可是若要提高延展性,大多會造成熔融難度大幅提高,藉由同時調整七種成分,包括改變多種氧化物含量,再新增秘密成分,終於可增加黏性、提高玻璃抗壓力、加速離子交換。
設備於2007年5月啟動,至6月時,Gorilla Glass產量已可覆蓋七座美式足球場。
短短五年內,Gorilla Glass已從一項材質轉變為美學作品,成為你我與手機之間的完美介面,我們觸碰到玻璃外層後,身體便形成完整迴路,成為螢幕下電極之間的溝通管道,將動作轉變為資料,目前全球33個品牌、逾750項產品都採用這種玻璃,包括筆記型電腦、平板電腦、智慧型手機、電視等,若各位的指尖時常在這些設備上觸摸、滑動或游移,就很可能是與康寧製造的玻璃互動。
2007年至2011年,康寧的營收一飛衝天,從2,000萬美元增至7億美元。今年倫敦設計節上,曾為蘋果設計多家知名門市的設計公司Eckersley O’Callaghan發表一件雕塑,完全以Gorilla Glass製成;康寧也正在與車廠接觸,未來或許又將製成跑車的擋風玻璃。
Gorilla Glass雖然神奇,但只要在網路上搜尋,就會找到許多弱點,手機只要掉在地上、彎曲或踩踏,鏡面很容易破掉或裂開,畢竟它還是種玻璃,故康寧也成立研究小組,每天都把手機砸個稀爛。
飛機工程師常使用金屬圓柱測試鋁製機身是否堅固,負責監督Gorilla Glass開發的艾民(Jaymin Amin)暱稱它為「挪威錘」,他拿起錘子就砸在厚一公釐的玻璃,力量之大足以打凹木塊,但玻璃毫髮無傷。
這項產品成功後,康寧也面臨前所未見的挑戰,該公司每每推出新型玻璃,耐用與堅固程度就受到各方注目,開發團隊因此收集數百部鏡面破損的手機,資深研究科學家雷曼(Kevin Reiman)指出,「所有裂痕無論大小,幾乎都始於一點」,他拿起眼前的HTC野火機,指著一處幾乎看不見的缺口,只要能確認起始點,即可丈量裂痕,瞭解玻璃當初受到什麼壓力;若能重現破裂現場,即可研究裂痕如何擴張,進而藉由調整成分或化學強化避免。
握有這項資訊後,其他研究人員接著試圖反覆造成相同的裂痕,例如槓桿壓力,或是掉落在花崗岩、水泥地、柏油路面上,或是讓球因自由落體砸在鏡面上,還有多種工業設備使用鑽石製尖端,甚至還動用高速相機,每秒可拍攝100萬格,以研究彎曲與瑕疵產生的後果。
種種實驗最終有了代價,二代Gorilla Glass的硬度比初代提高20%,三代預計明年初發表,康寧研發人員將壓力增至極限,同時避免玻璃爆裂,但玻璃仍是易碎品,雖然在壓力下可能極為堅固,面對張力卻極為脆弱,彎曲就很容易破裂,Gorilla Glass的關鍵在於壓力層,避免讓裂痕完全穿透玻璃。第一次讓手機跌在地上,螢幕或許沒有裂痕,但卻可能已影響整體強度,下回再摔落地面,縱然力量不大,也可能整個碎裂,因為玻璃製程充滿各種折衷,也都試圖創造看似完美的材質,所以必然會出現這些結果。
回到肯塔基州的廠房,男子穿著Gorilla Glass字樣黑T裇,正導引一片厚100微米的玻璃(與鋁箔厚度相仿)通過多個滾輪,機器貌似印刷機,玻璃在其中彎曲與伸展,好似一張發亮的透明紙張,這種可彎曲的極薄材質稱為Willow,相較於Gorilla Glass像是盔甲,Willow更像是雨衣,很耐用、很輕盈,也潛力無窮,康寧認為這項產品有助於設計彈性智慧型手機,以及極薄的OLED顯示器,能源公司可製造彈性太陽能電池,康寧甚至想像擁有玻璃頁面的電子書。
未來Willow將像底片一樣成捲載運至世界各地,每捆最長500英尺,當然,前提是有人下訂,目前這些玻璃仍堆放在康寧廠房地上,等待解決下一個適合的問題。
from WIRED.tw http://wired.tw/2012/11/22/corning-gorilla-glass-2/index.html