Как появилось Gorilla Glass, и почему без Apple этого бы не произошло

Однажды в нашем корпоративном чате при подготовке статьи задали вопрос — А Gorilla Glass появился в iPhone 4, или раньше? И оказалось, что ох как раньше – Стив Джобс, с его вездесущим «полем искажения реальности», буквально заставил компанию Corning его изобрести — чем вытащил умирающее производство из финансовой ямы. Cегодня Gorilla Glass стоит в каждом втором смартфоне, а акции Corning растут из года в год. Как же всё начиналось, и при чём тут Apple? Ниже мы публикуем перевод статьи Wired, рассказывающей об этом в подробностях. 

Работа со стеклом: как CORNING создал сверхтонкий, сверхпрочный материал будущего

Дон Стуки знал, что эксперимент прошёл неудачно. Однажды в 1952 году химик Corning Glass Works поместил образец фоточувствительного стекла внутрь печи и установил температуру 600 градусов по Цельсию. В какой-то момент неисправный датчик позволил температуре подняться до 900˚С. Ожидая получить брызги расплавленного стекла и испорченную печь, Стуки открыл дверь и обнаружил, что, как ни странно, его литиевый силикат превратился в молочно-белую пластину. При попытке извлечь его, образец выскользнул из щипцов и упал на пол. Но вместо того, чтобы разрушиться, он отскочил.

Будущий член «Зала национальных изобретателей» не знал, что только что он открыл первую синтетическую стеклокерамику. Позже Corning назовёт этот материал Pyroceram. Легче, чем алюминий, твёрже, чем высокоуглеродистая сталь, и во много раз прочнее обычного натриево-известкового стекла, Pyroceram в конечном итоге нашли применение во всем: от ракетных носовых обтекателей до лабораторий химии. Его также можно было использовать в микроволновых печах, а в 1959 году Pyroceram дебютировал в качестве линии сервировочной посуды Corningware.

Corningware
Посуда серии Corningware

Этот материал стал причиной процветания Corning, и вскоре компания запустила проект Muscle — массивное исследовательское подразделение, занятое поисками других способов укрепления стекла. Прорыв произошёл, когда учёные компании подкорректировали недавно разработанный метод армирования стекла, который включал погружение его в ванну с солью калия. Они обнаружили, что добавление оксида алюминия к данному составу стекла перед окунанием приводит к заметному увеличению прочности и долговечности. Вскоре учёные уже бросали укреплённые стаканы с девятого этажа и бомбардировали замороженными цыплятами стекло, внутренний номер которого был 0317. Этот материал обладал чрезвычайной пластичностью и, к тому же, мог выдержать 7000кг давления на квадратный сантиметр (обычное стекло может выдерживать около 5 кг). В 1962 году Corning начал продавать стекло под брендом Chemcor. Предполагалось, что он может работать с такими продуктами, как телефонные киоски, тюремные окна и очки.

Тем не менее, несмотря на многообещающие перспективы, продажи шли медленно. Некоторые компании по производству защитных очков оформляли небольшие заказы. Но они были отозваны из-за боязни микровзрыва, который может произойти при разрушении стекла. Казалось, что из Chemcor получились бы хорошие лобовые стекла автомобиля, и, хотя им и оборудовали небольшую партию автомобилей AMC Javelin,, большинство производителей не были уверены, что оно того стоит. Особенно имея ламинированные материалы, которые использовались с 30-х годов, и, похоже, работали нормально.

Corning провёл дорогостоящее обновление, но это им не помогло. В результате краш-тестов было выявлено, что «удар головы о лобовое стекло был значителен». Chemcor оставался невредимым, а человеческий череп нет.

После того, как идеи о сотрудничестве с Ford Motors и другими автопроизводителями потерпели неудачу, проект Muscle в 1971 году был закрыт, а Chemcor отложили в сторону. Проект ожидал появления правильной проблемы.

Corning headquarters
Штаб-квартира Corning, штат Нью-Йорк. Фото Google Maps

Разработанная архитектором Кевином Рошем в начале 90-х годов с колоннами, расположенными в шахматном порядке, сверху штаб-квартира Corning, находящаяся в северной части штата Нью-Йорк, выглядит как инопланетный корабль-захватчик из игры Space Invaders.  С земли, однако, тонированные окна и расширенные карнизы делают здание более похожим на глянцевый, футуристический японский дворец.

Офис Уэдделла Уикса, генерального директора Corning, находится на втором этаже и смотрит на реку Чэмунг. Именно здесь Стив Джобс дал 53-летнему Уиксу, казалось бы, невыполнимую задачу: сделать миллионы квадратных метров сверхтонкого и сверхпрочного стекла, которого ещё не существовало в природе. Ах, да, и изготовить его было необходимо через полгода. История их сотрудничества, включающая попытки Джобса читать нотации Уиксу о принципах производства стекла и его настойчивость в отношении того, что такой подвиг может быть достигнут, хорошо известна. Как Corning на самом деле справлялся с задачей – нет.

Уикс присоединился к Corning в 1983 году. До того, как он занял высокую должность в 2005 году, он курировал как телевизионные, так и специализированные стекольные предприятия. Поговорите с ним о стекле, и он опишет его как нечто экзотичное и красивое — материал, потенциал которого только раскрывается учёными.

Уикс и Джобс были одержимы деталями. Оба тяготели к большим проблемам и идеям. Но в то время как Джобс был диктатором в своём стиле управления, Уикс (как и многие из его предшественников в Corning) имеет тенденцию поощрять определённое неподчинение. «Разделение между мной и любым из учёных компании не существует», — говорит он. «Расслабленная работа небольшими группами — сверхинтенсивна».

Действительно, несмотря на то, что это большая компания — 29 000 сотрудников и доход в размере 7,9 млрд. долларов США (в 2011 году) — Corning всё ещё думает и действует, как начинающая, маленькая фирма. Этому способствует её относительно удалённое местоположение, ежегодный коэффициент сокращения, который колеблется около 1 процента, и огромная стена славы (Стуки, сейчас 97-й, как и другие легенды все ещё бродят по залам и лабораториям Sullivan Park, R&D Corning). «Мы все здесь приговорены к пожизненному заключению — улыбается Уикс, — мы давно знакомы друг с другом, вместе добивались успеха и терпели неудачи».

Один из первых разговоров между Уиксом и Джобсом фактически не имел никакого отношения к стеклу. Учёные из Corning работали с микропроцессорными технологиями, связанными со способами использования синтетических зелёных лазеров. Мысль заключалась в том, что люди не хотят использовать миниатюрные экраны сотовых телефонов для просмотра фильмов и телешоу, а применение лазерной проекции казалось естественным решением. Но когда Уикс поговорил с Джобсом об этом, глава Apple назвал эту идею глупой. Он упомянул, что он работал над чем-то более перспективным: устройством, чья лицевая поверхность полностью состояла из дисплея. Он назывался iPhone.

original iphone

Джобс, возможно, отказался от зелёных лазеров, так как они представляли собой своего рода инновации ради инноваций, но желание Corning экспериментировать является настолько сильным, что компания регулярно инвестирует 10% своих доходов в НИОКР. Как в хорошие, так и плохие времена. Так, несмотря на снижение цен на оптоволокно из-за кризиса 2000 года, которое привело к катастрофическому падению стоимости акций Corning с $100 до $1,5, директор компании отказался уменьшать финансовые вложения в исследовательскую деятельность.

«Они — одна из немногих основанных на технологиях фирм, которые смогли повторно изобрести себя», — говорит Ребекка Хендерсон, профессор Гарвардской бизнес-школы, изучавшая историю образования Corning. «Это так легко сказать, и так сложно сделать». Часть этого успеха заключается в способности компании не только разрабатывать новые технологии, но и выяснять, как их сделать более доступными. Тем не менее даже когда Corning преуспевает в обоих направлениях, часто может потребоваться десяток производителей, чтобы найти подходящий и прибыльный рынок для своих инноваций. Как отмечает Хендерсон, основное отличие Corning состоит в том, что они хотят и могут принимать неудачные идеи и применять их в других местах.

Идея поднять образцы Chemcor фактически возникла в 2005 году, прежде чем Apple вошёл на рынок. Недавно Motorola выпустила Razr V3, телефон-раскладушку, оборудованный стеклянным экраном вместо привычного высокоэффективного пластика. Corning сформировал небольшую группу для выяснения, можно ли возродить и адаптировать стекло 0317 к таким устройствам, как сотовые телефоны и часы. Старые образцы Chemcor были толщиной всего 4 миллиметра. Но, возможно, их можно было бы сделать тоньше. После некоторых исследований рынка, руководители полагали, что компания может даже заработать немного денег от этого специализированного продукта. Проект был под кодовым названием Gorilla Glass.

Работа шла не слишком быстро, до тех пор, пока в 2007 году не позвонил Джобс. Apple внезапно потребовал огромного количества 1,3-мм химически усиленного стекла, какого раньше никогда не видели, а тем более не изготавливали. Неужели Chemcor, который никогда не был в массовом производстве, мог подойти под такой заказ? Можно ли стекло, предназначенное для лобового стекла автомобиля, сделать ультратонким с сохранением своей прочности? Будет ли процесс химического упрочнения так же эффективно работать на таком стекле? Никто не знал. Поэтому Уикс сделал то, что сделал бы любой другой генеральный директор со склонностью к риску. Разумеется, он сказал «да».

iPhone 2g patent

Сделать современное промышленное стекло практически невидимым – запредельно сложная задача. Стандартное натриево-известковое стекло отлично подходит для бутылок и лампочек, но не подходит для применения в телефонных изделиях из-за возникновения трещин при соприкосновении с острыми предметами. Боросиликатное стекло, такое как Pyrex, может быть отличным при работе в условиях теплового удара, но для его расплавления требуется значительное количество энергии. В то же время есть только два способа производства плоского стекла в больших масштабах, так называемые fusion draw и процесс флоат-стекла, в котором расплавленное стекло выливается на оловянную поверхность. Одна из задач, стоящих перед компаниями по производству стекла, — адаптировать состав со всеми его необходимыми качествами к условиям производства. Одно дело — разработать формулу. Другое дело — изготовить продукт.

Независимо от состава, основным ингредиентом почти всего стекла является двуокись кремния (песок). Поскольку он имеет высокую температуру плавления —1720˚С, используют специальные химические вещества, такие как оксид натрия, для её уменьшения. Тем самым упрощая и удешевляя производственный процесс. Другие химические добавки позволяют стеклу приобрести такие специфические свойства, как устойчивость к рентгеновскому излучению и высокой температуре, способность преломлять свет и рассеивать цвета. Проблемы возникают, однако, когда состав нарушается: малейшая неточность может привести к значительному изменению свойств материала. Например, увеличение процента таких элементов, как барий или лантан, может снизить температуру плавления, но стекольная смесь при этом становится неоднородной. Стекло — это материал, управляемый компромиссами. Вот почему химические составы, особенно те, которые адаптированы для конкретного производственного процесса, являются строго охраняемыми секретами.

Одним из основных этапов производства стекла является охлаждение. При крупномасштабном производстве обычного стекла важно, чтобы материал охлаждался постепенно и равномерно для минимизации образования внутренних напряжений, которые могут быть причиной образования трещин. Процесс этот называется отжиг. Закалка же стекла заключается в добавлении напряжения между внутренним и наружным слоем материала. Это, как ни парадоксально звучит, делает стекло более прочным: нагреть лист стекла до тех пор, пока он не размягчится, а затем быстро охладить. Внешняя оболочка быстро сжимается, а внутренняя часть остаётся расплавленной. Когда центр стекла остывает, он сжимается, затягивая за собой наружную оболочку. Зона растяжения переходит в центр, а внешние зоны уплотняются ещё сильнее, упрочняя материал.

Взаимодействие между сжатием и напряжением лучше всего демонстрируется тем, что называется экспериментом с каплей принца Руперта. Расплавленное стекло капают в ледяную воду, при этом капли получаются в форме головастика. Быстро охлаждённые и упрочнённые «головы» этих головастиков могут выдерживать большое количество ударов молота. Тем не менее тонкое стекло в конце хвоста более уязвимо. Если на нём, например, в результате падения, образуется трещина, она будет распространяться со скоростью 2000 миль в час, высвобождая энергию внутреннего напряжения. В некоторых случаях падение капли принца Руперта сопровождается взрывом такой силой, при котором происходит кратковременная вспышка света.

Химическое упрочнение (способ укрепления стекла, разработанный в 60-х годах) также создаёт сжимающий слой с помощью так называемого ионного обмена. Алюмосиликатные композиции, такие как Gorilla Glass, содержат диоксид кремния, алюминий, магний и натрий. Когда стекло окунают в горячую ванну расплавленной калиевой соли, оно нагревается и расширяется. Натрий и калий находятся в одной колонке на периодической таблице элементов, что означает, что они ведут себя аналогично в одинаковых условиях. Теплота из ванны увеличивает миграцию ионов натрия из стекла, и аналогичные ионы калия легко занимают их места. Но поскольку ионы калия больше, чем натрия, они более плотно заполняют это пространство. (Представьте себе, что вы имеете гараж, полный «запорожцев», и вдруг вы решили заменить большинство из них КАМАЗами). Когда стекло охлаждается, они сжимаются вместе в этом ограниченном пространстве, и образуется слой сжимающего напряжения на поверхности стекла (Corning обеспечивает равномерный обмен ионами, регулируя такие факторы, как тепло и время). По сравнению с термически усиленным стеклом эффект «уплотнения» в химически усиленном стекле приводит к более высокому сжатию поверхности (что делает его в четыре раза прочнее). И это можно сделать для стекла любой толщины или формы.

К концу марта Corning утверждает формулу. Но компании также необходимо было её воспроизвести. О разработке нового производственного процесса не могло быть и речи, поскольку это заняло бы годы. Чтобы соответствовать сроку Apple, двум учёным Corning, Адаму Эллисону и Мэтту Дейнеке, было поручено выяснить, как устранить эту проблему. Они нуждались в чем — то, что способно разливать огромные количества тонкого качественного стекла в течение нескольких недель.

На самом деле был только один выбор — fusion draw. В этом методе расплавленное стекло выливают из бака в жёлоб, называемый изопайпом. Стекло перетекает с каждой стороны, затем два потока соединяются под изопайпом. Оно протягивается сквозь ролики с определённой скоростью, образуя сплошной лист. Чем быстрее это делать, тем тоньше стекло.

Завод компании Corning, способный осуществить fusion draw, находится в Хародсбурге, штат Кентукки. В начале 2007 года он был оборудован 7 баками высотой 15 футов, каждый из которых производил более 1000 фунтов в час телевизионных панелей для ЖК-телевизора. Один такой бак мог удовлетворить первоначальный запрос Apple. Но сначала пришлось переработать старый состав Chemcor. Теперь стекло должно быть не только толщиной 1,3 мм, но также иметь лучшие визуальные характеристики, чем, скажем, оконная панель телефонной будки. Эллисону и его команде было дано шесть недель, чтобы сделать это. Для обеспечения таких свойств, стекло необходимо дополнительно растянуть, как жевательную резинку, при довольно низкой температуре. Проблема заключалась в том, что увеличивая вязкость стекла, одновременно усложнялся процесс плавки. Заменив семь отдельных частей состава, включая корректировку количества нескольких оксидов и добавление одного нового секретного ингредиента, учёные-химики обнаружили, что они смогли повысить показатели вязкости, прочности, скорости протекания ионного обмена, не увеличивая при этом толщину стекла. Производство началось в мае 2007 года. К июню компания произвела такое количество стекла Gorilla, что им можно было покрыть семь футбольных полей.

Всего за пять лет Gorilla Glass перешла от грубого материала к эстетике — бесшовный раздел, отделяющий наше физическое «я» от цифровых воплощений, которые мы несём в наших карманах. Мы касаемся внешнего слоя, и наш организм замыкает цепь между электродом под экраном и его соседом, преобразуя движение в данные. В настоящее время Gorilla Glass представлен более чем 750 продуктами и 33 брендами по всему миру, включая ноутбуки, планшеты, смартфоны и телевизоры. Если вы регулярно касаетесь какого-либо гаджета, то, скорее всего, вы взаимодействовали с Gorilla.

Доходы Corning от продажи стекла выросли: от 20 миллионов долларов в 2007 году до 700 миллионов долларов в 2011 году. И есть другие способы его использования, помимо сенсорных экранов. На Лондонском фестивале дизайна «Eckersley O’Callaghan» в этом году дизайнерская фирма, ответственная за некоторые из самых знаковых магазинов Apple, представила скульптуру змеи, сделанную полностью из стекла Gorilla. Возможно, все это снова закончится на лобовых стёклах: компания ведёт переговоры об использовании его в будущих моделях спортивных автомобилей.

Сегодня две жёлтые роботизированные руки захватывают 1.5-метровые квадратные панели Gorilla Glass и помещают их в деревянные ящики. Из Хародсбурга эти ящики отправляются в Луисвилл и загружаются на поезд, следующий в западном направлении. Как только они попадают на побережье, листы загружаются на грузовые суда для отправки на финишную обработку в Китай, где их расплавляют, промывают в калийных ваннах и разрезают на прямоугольники, каждый из которых станет лицевой панелью смартфона.

Беглый поиск в Интернете покажет, что при всех своих магических свойствах Gorilla Glass — не предел совершенства. При падении телефона оно разбивается, и трескается, если на него сесть. Gorilla Glass — это, в конце концов, всего лишь стекло. Вот почему небольшая команда в Corning тратит большую часть дня, разбивая к чертям этот материал.

«Мы называем это норвежским молотом», — говорит Джеймин Амин, вытаскивая металлический цилиндр из деревянной коробки. Инструмент обычно используется авиастроителями для проверки прочности алюминиевого фюзеляжа самолёта. Но Амин, ответственный за все новые разработки стекла в семье Gorilla, оттягивает подпружиненный ударный молот и выпускает на стеклянный кусочек толщиной 1 мм удар энергией 2 джоуля, достаточный, чтобы оставить внушительную вмятину на деревянном бруске. Со стеклом ничего не происходит.

Успех Gorilla Glass представляет собой некоторые уникальные вызовы для Corning. Это первый случай, когда компания столкнулась с требованиями такого быстрого производственного процесса: каждый раз, когда выпускается новая версия стекла, необходимо следить за тем, как оно работает непосредственно с потребителем, для обеспечения надёжности и долговечности. С этой целью команда Амина собирает сотни разрушенных телефонов с Gorilla Glass. «Почти все поломки, будь они большие или малые, начинаются с одного места», — говорит старший научный сотрудник Кевин Рейман, указывая на почти невидимую трещину на HTC Wildfire, одного из нескольких разломанных телефонов, лежащих на столе перед ним. Как только вы найдёте это слабое место, вы можете начать исследовать трещину, чтобы получить представление о причинах её образования. Если вы можете воспроизвести этот процесс, вы можете его изучить и, таким образом, предотвратить появление проблем в будущем.

Вооружившись этой информацией, остальная часть группы работает, чтобы снова и снова воссоздавать точную копию этой трещины. Они используют рычажные прессы, различные промышленные устройства, вооружённые арсеналом алмазных наконечников, тестируют ситуации с падением на гранит, бетон и асфальт. Есть даже высокоскоростная камера, способная снимать со скоростью 1 миллион кадров в секунду для изучения изгиба и распространения дефектов.

 

Все эти разрушения и контролируемый хаос окупились. По сравнению с первой версией стекла Gorilla Glass 2 на 20 % прочнее. Учёные из Corning сделали это, повышая сжимающее напряжение до предела (они были консервативны с первой версией Gorilla Glass), избегая при этом микровзрыва, который может спровоцировать это увеличение. Тем не менее стекло является хрупким материалом. И хотя такие материалы, как правило, чрезвычайно прочны при сжатии, они также очень нестабильны при работе на изгиб: они разрушатся, если попытаться их согнуть. Идея Gorilla Glass заключается в том, что слой сжатия предотвращает распространение трещин на материале и препятствует возникновению внутреннего напряжения. Уроните телефон один раз. Экран может и не сломается, но это существенно ослабит его прочность. Следующее падение, даже если оно не столь серьёзное, может быть фатальным.

Вернувшись на завод в Хародсбург, мужчина, одетый в чёрную футболку с надписью Gorilla Glass, направляет лист стекла толщиной около 100 микрон (примерная толщина алюминиевой фольги) через ряд вальцов. Машина выглядит как печатный станок. Стекло, которое сходит с него, изгибается, как гигантский мерцающий лист прозрачной бумаги. Этот удивительно тонкий, прокатный материал называется Willow. Прочный, лёгкий и с большим потенциалом. Corning полагает, что это облегчит гибкие конструкции смартфонов и ультратонкие OLED-дисплеи. Энергетические компании смогут использовать Willow для производства солнечных батарей. Corning даже рассматривает возможность изготовления книг со стеклянными страницами.

В конце концов, Willow отправится на огромные вальцы, похожие на бобины в кино, каждый из которых вмещает до 500 футов стекла. Точнее, как только кто-то оформит заказ. Пока что рулоны стекла находятся на заводе Хародсбурга, ожидая появления правильной проблемы.■

 

wired