Gorilla Glass: de onbezongen held van de smartphone

Ik heb een zwak voor toevallige ontdekkingen die onbedoeld een diepgaande impact hebben op ons leven. Denk aan de lijm die niet plakt, die is ontwikkeld door onderzoekers van 3M en leidde tot de alomtegenwoordige Post-it Note. Er was Wilhelm Röntgen's ontdekking van röntgenstralen, die een revolutie teweegbracht in de diagnostische geneeskunde. En er was Percy Lebaron Spencer, een natuurkundige bij Raytheon in de VS, die een nieuw type oven uitvond nadat hij had opgemerkt dat microgolven van zijn radarset een chocoladereep in zijn zak smolten.

Toevallige ontdekkingen zoals deze laten zien waarom "gericht" productonderzoek en -ontwikkeling niet altijd een geweldig idee is. Het mooie van experimenten die speculatief zijn of fout gaan, is dat ze kunnen leiden tot bevindingen die je nooit had kunnen voorspellen. Denk maar aan de Amerikaanse chemicus Stephanie Kwolek die in 1964 tijdens zijn werk voor DuPont, uitgevonden Kevlar toen haar groep op zoek was naar een nieuwe lichtgewicht maar sterke vezel voor banden.

Maar de toevallige ontdekking waar ik me op wil concentreren, vond plaats op Corning Glaswerken in de staat New York. In het begin van de jaren veertig waren onderzoekers van het bedrijf geïntrigeerd door het feit dat glas, dat een zogenaamd transparant materiaal is, donkerder kan worden en van kleur kan veranderen als het lang genoeg wordt blootgesteld aan de hitte en het licht van de zon. Robert Dalton, een scheikundige uit Corning, wilde dit effect graag onderzoeken en stelde monsters van kristalhelder robijnglas bloot aan ultraviolet licht en bakte ze vervolgens in een oven. Het resultaat: glas met verschillende kleurnuances.

Donald Stokey, een andere onderzoekschemicus van Corning die in 1940 bij het bedrijf was gekomen, kreeg de opdracht om mogelijke fotografische toepassingen van dit prachtige nieuwe lichtgevoelige glas. Zijn werk leidde tot de ontwikkeling van een transparant glas op basis van aluminosilicaat dat lichtgevoelig werd als het sporen van goud, zilver of koper bevatte. Stookey ontdekte dat hij zelfs 3D-ontwerpen in het glas kon etsen, dat werd verkocht als "FotoForm" en later werd gebruikt als materiaal in elektronicaverpakkingen en voor diafragmamaskers op kleurentelevisies.

Het grote moment van serendipiteit vond plaats op een dag in 1953 toen Stookey een experiment wilde uitvoeren waarbij een stuk FotoForm-glas werd verwarmd tot een temperatuur van 600 °C. De oven had echter een storing ontwikkeld en Stookey heeft het glas per ongeluk opgewarmd tot 900 °C. Toen hij het monster uit de hete oven probeerde te halen, gleed het uit zijn tang en viel op de grond. Maar in plaats van te verbrijzelen, stuiterde het glas - tot stomme verbazing van Stookey -.

Hij had net de eerste "glaskeramiek" gemaakt - een nieuwe klasse van glasachtig materiaal met fijne kristallen van verschillende vormen en maten die overal verspreid waren. Daaropvolgend werk bracht Corning ertoe dit materiaal te ontwikkelen tot het enorm succesvolle CorningWare-assortiment steelpannen en kookpotten. Ze zijn bestand tegen thermische schokken en breken niet als ze rechtstreeks van bijvoorbeeld een vriezer naar een hete oven worden verplaatst. CorningWare werd slechts een van Stookey's miljoenenuitvindingen.

Een unieke mix

Handelsmerk als Pyroceram, had het glas dat Stookey tegenkwam een ​​unieke combinatie van eigenschappen: het was niet alleen hittebestendig, maar ook extreem hard, supersterk en transparant voor radiogolven. Het materiaal vond ook zijn weg naar militaire toepassingen, bijvoorbeeld in de neuskegels van supersonische radarkoepels in geleide raketten. Later, in de jaren zestig, ontwikkelde Corning een nieuw soort Pyroceram-materiaal dat niet ondoorzichtig maar transparant was voor zichtbaar licht.

Het bedrijf koos er aanvankelijk voor om dit nieuwere product niet op de markt te brengen, uit angst dat het de verkoop van Corning's bestaande en enorm succesvolle Pyrex assortiment borosilicaatglaswerk, dat sinds 1915 sterk in opkomst was. Maar in de jaren zeventig hadden onderzoekers van Corning France een amberkleurige versie van Pyroceram ontwikkeld, die ze gepatenteerd hadden en omgezet in een nieuwe reeks kookgerei, onder de merknaam Visions .

Ondertussen had Corning, als onderdeel van een initiatief dat het bedrijf Project Muscle noemde, nieuwe manieren onderzocht om glas sterker te maken. Het meeste glas wordt versterkt door het tot een hoge temperatuur te verhitten en vervolgens snel af te koelen, zodat de buitenkant veel sneller afkoelt dan de binnenkant - een proces dat bekend staat als temperen. De temperatuurgradiënt zet de binnenkant van het glas onder spanning en comprimeert het buitenoppervlak, waardoor het glas sterker wordt en minder kans heeft op microscopisch kleine scheuren en gebreken.

Naarmate glas dunner wordt, wordt het echter steeds moeilijker om een ​​substantieel verschil in afkoelsnelheid tussen de kern en het oppervlak te creëren. In de jaren zestig ontdekten onderzoekers van Corning een manier om chemisch versterkend glas door kleinere ionen in het glas te laten vervangen door grotere ionen uit een chemisch bad. Dankzij dit proces van "ionenuitwisseling" wordt het oppervlak van het glas sterk samengedrukt en daardoor minder vatbaar voor schade en het uitoefenen van spanningen waardoor het kan breken.

Corning verkocht dit glas onder de merknaam Chemcor en werd tot het begin van de jaren negentig gebruikt in verschillende commerciële en industriële toepassingen, waaronder autoruiten, vliegtuigen, medicijnflesjes, gevangenisramen, veiligheidsbrillen en telefooncellen. Chemcor had wisselend commercieel succes, maar dat veranderde allemaal in januari 1990 toen Steve Jobs, toen de CEO van Apple, het podium betrad op de MacWorld-conventie van dat jaar in San Francisco.

Voer Steve Jobs in

Voor een gierend publiek in het Moscone Center, introduceerde Jobs een revolutionair nieuw apparaat: de allereerste Apple iPhone. Tot dat moment waren smartphones onhandige, lelijke objecten met onhandige toetsenborden. De nieuwe 3.5-inch iPhone beloofde de markt te transformeren en biedt klanten voor het eerst een gelikt touchscreen-apparaat met ingebouwde camera en mogelijkheden voor internetten.

Maar de dag nadat hij het apparaat aan een enthousiaste wereld had onthuld, klaagde Jobs dat het scherm van zijn eigen iPhone, die hij in zijn zak had gedragen, uiteindelijk bedekt was met kleine sneetjes. Dat komt omdat het prototype iPhone dat Jobs had gedemonstreerd, was gebouwd met een plastic scherm, dat mechanisch sterk was maar heel gemakkelijk te krassen. Een paar jaar eerder had Corning Jobs de glastechnologie van het bedrijf laten zien en hij drong er nu op aan dat, toen de iPhone slechts vijf maanden later, in juni 2007, op de markt kwam, deze een glazen scherm moest hebben.

Jeff Williams, Chief Operating Officer van Apple, herinnert zich dat hij Jobs vertelde dat zijn eis onmogelijk was, en beweerde dat het drie of vier jaar zou duren om glas te ontwikkelen dat duurzaam genoeg om aan de eisen van Jobs te voldoen. "Ik zei: 'We hebben al het huidige glas getest en als je het laat vallen, breekt het 100% van de tijd.' En hij zei: 'Ik weet niet hoe we het gaan doen, maar als het in juni wordt verzonden, wordt het glas'."

Twee dagen later kreeg Williams een telefoontje van... Wendell Weken, de CEO van Corning. Weeks suggereerde dat Corning's Chemcor-glas, dat het bedrijf net opnieuw was gaan bestuderen voor smartphonegebruik onder de naam "Gorilla Glass”, zou de oplossing voor het probleem van Apple kunnen zijn. Er volgden enkele maanden van wat Williams 'pure terreur' noemt, terwijl de teams van de twee bedrijven keihard werkten om Chemcor om te vormen tot iets dat op tijd klaar zou zijn voor de lancering van de iPhone.

Het werk betaalde zich uit. "Toen we in juni [2007] lanceerden, hadden klanten een iPhone met het mooie gevoel van glas - Corning-glas - en die krasbestendig was", herinnert Williams zich. "Het hielp de toon voor de iPhone te zetten." Het krasbestendige glas dat op de eerste generatie iPhone werd geleverd, was een belangrijk onderdeel van het succes van de iPhone.

Marktdominantie

In de vroege smartphones was Corning's Gorilla Glass ongeveer 1 mm dik - dikker en de capacitieve LCD-schermen die destijds werden gebruikt, zouden niet goed hebben gewerkt. Maar ondanks zijn dikte was het glas hard, verrassend flexibel en ongelooflijk krasbestendig, precies zoals Jobs eiste. Tegenwoordig is Corning bezig met de zevende generatie Gorilla Glass, die slechts 0.3-0.5 mm dik is. Natuurlijk zijn er nu veel concurrenten die ook smartphoneglas produceren, waaronder Dragontrail uit Japan AGC Inc en xensatie van de Duitse firma Waterdicht schot.

Maar Gorilla Glass domineert de markt. In 2017 was het door 40 grote fabrikanten over de hele wereld aangenomen en werd het niet alleen gebruikt op alle Apple iPhones en iPads, maar in meer dan 1800 producten van veel verschillende bedrijven. Volgens Expert Market Research was de wereldwijde markt voor smartphone-coverglas in 1.63 zo'n $ 2020 miljard waard, waarbij Gorilla Glass werd verwerkt in bijna zes miljard apparaten. Corning levert echter al het glas voor Apple-smartphones, waarbij het bedrijf het bij elke generatie toestellen steeds vaker gebruikt.

Natuurlijk kunnen telefoons vallen en hoewel Gorilla Glass ongelooflijk sterk is, kunnen smartphoneschermen beschadigd raken. Daarom is er ook een gezonde markt voor schermbeschermende films, die vaak van soortgelijke glasachtige materialen zijn gemaakt. Volgens een rapport van MarketWatch dit jaar zal de markt voor schermbeschermers naar verwachting groeien van 2.3 miljard dollar in 2020 tot 5.4 miljard dollar in 2026. smartphone waarvoor ze mogelijk meer dan £ 1000 hebben betaald!

Maar kun je je voorstellen hoe de markt zou hebben gereageerd op een Apple iPhone die elke keer dat je hem in je zak stopte krassen kreeg? Als Jobs de iPhone had gelanceerd met een plastic scherm zoals oorspronkelijk het plan was, denk ik dat dat het apparaat had kunnen doden - hoe cool het idee ook was. Jobs had gelijk: het moest glas zijn. En dan te bedenken dat het allemaal terug te voeren is op een mislukt experiment en een defecte oven bij Corning Glass Works in 1953. Zonder die serendipiteit zouden we misschien nooit zijn waar we nu zijn.