Zo gaat saffierglas de iPhone veranderen

Apple gaat samen met GT Advanced Technologies in Arizona een fabriek openen waar synthetische saffierkristallen zullen worden geproduceerd. Het zou bedoeld zijn voor toekomstige iPhone-schermen, voor schermen van de iWatch en andere toepassingen waar Tim Cook nog niets over wil loslaten. Vanochtend werd bekend dat Apple haast maakt om deze fabriek zo snel mogelijk te openen. En een vandaag gepubliceerde patentaanvraag beschrijft zelfs letterlijk het gebruik van saffier voor iPhone-schermen. Maar wat is saffierglas eigenlijk? Waar kun je het voor gebruiken en hoe groot is de kans dat Apple ermee bezig gaat?

Saffier bijna net zo hard als diamant

Diamant is het hardste natuurlijke materiaal op aarde. Maar omdat een iPhone-scherm van diamantglas onrealistisch is, kijken fabrikanten naar the next best thing: saffierglas. Het komt qua hardheid en krasbestendigheid het dichtst in de buurt van diamant en het wordt al gebruikt als horlogeglas, als kogelwerend glas en in barcodescanners. Apple gebruikt saffierglas als afdeklaag voor de iPhone-camera en in de Touch ID-vingerafdruksensor. Productie op grotere schaal was tot nu toe duur, maar naarmate de productiekosten omlaag gaan kan saffierglas straks ook worden gebruikt in schermen van smartphones en tablets. De blokken saffierglas op de foto hierboven wegen respectievelijk 100 en 130 kilo en zijn voldoende groot om duizenden iPhoneschermen te maken. Maar dan moeten de productiekosten wel omlaag.

Saffier is tienmaal beter bestand tegen krassen dan normaal vensterglas. Het is driemaal sterker en krasbestendiger dan Gorilla Glass, dat nu op grote schaal wordt gebruikt in high-end smartphones. Vorig jaar kostte het maken van een stuk Gorilla Glass rond de 3 dollar, terwijl je voor saffierglas zo’n 30 dollar moest betalen. Voor Apple was het gebruik van saffierglas daardoor onhaalbaar, zelfs in een dure smartphone zoals de iPhone. Vandaar dat het alleen op kleine oppervlakken zoals de iPhone-camera is gebruikt.

In deze video is een iPhone te zien, waarop achteraf een laag saffierglas van GT is aangebracht.

Corning, de maker van Gorilla Glass, is druk bezig om de eigen glastechnologie te verbeteren om te voorkomen dat saffierglas straks een groot deel van de markt gaat overnemen. De prijs van saffierglas is de afgelopen tijd omlaag gegaan, mede door toegenomen concurrentie en door nieuwe technieken. GT Advanced Technologies, de partner waarmee Apple samenwerkt, heeft bijvoorbeeld gekozen voor de productie van een heel dunne laag saffierglas dat aan beide kanten wordt bedekt door een goedkoper materiaal. Dit werkt zoals het lamineren van een vel papier. GT Advanced Technologies heeft technologie van Twin Creeks gekocht om heel dunne lagen silicium te maken. Datzelfde proces wil GT gebruiken om dunne lagen saffier te maken, die dunner zijn dan een menselijke haar.

Ook andere bedrijven zijn bezig om saffierglas voor een betaalbare prijs te ontwikkelen. De fabrikanten bevinden zich in Azië (Sapphire Technology), maar ook in Rusland (Monocrystal) en de VS (Rubicon Technologies). Allemaal hebben ze eigen methoden ontwikkeld om saffierglas betaalbaar te maken voor grotere oppervlakten. Synthetische saffier blijkt gemakkelijk te maken, al zal geen enkele fabrikant z’n geheimen prijsgeven. Door grote hoeveelheden aluminiumoxide te laten smelten in een speciale oven en dit vervolgens langzaam te laten afkoelen kun je een saffierkristal maken. Je kunt ook andere elementen toevoegen om de eigenschappen iets te veranderen: voeg er bijvoorbeeld titanium en ijzer aan toe om de kenmerkende blauwe kleur van saffier te krijgen, of chroom om het materiaal robijnrood te maken. Met een diamantzaag kun je er vervolgens plakjes van snijden.

Voordeel voor smartphones

Fabrieksmatig geproduceerd saffierglas heeft in smartphones vooral een rol om het val- en krasbestendiger te maken. Als je een iPhone met een sleutelbos in je broekzak draagt, krijg je geen krassen meer op het scherm. En als je je iPhone op straat laat vallen, zal het scherm minder snel breken. De vraag is natuurlijk of de eigenschappen van saffierglas hetzelfde blijven als je er extreem dunne plakjes van snijdt. Alle grote smartphonefabrikanten zijn al sinds begin 2013 bezig om te kijken of ze saffierglas kunnen toepassen, als vervanger van de gewone displays van glas of plastic. De techniek die GT toepast is oorspronkelijk ontwikkeld voor het maken van extreem dunne zonnecellen, maar is ook toepasbaar op andere materialen. De ovens die GT gebruikt (zie foto hiernaast) zijn zo ontworpen, dat ze makkelijk aan te passen zijn om steeds grotere kristallen te maken, naarmate de technologie verbetert.

Apple zou op die manier de productie kunnen opvoeren, zonder dat er steeds nieuwe apparatuur gekocht moet worden. Volgens GT gaat de prijs van de saffierschermen op korte termijn rond de 10 dollar bedragen, nog steeds drie tot viermaal zo duur als de schermen van Gorilla Glass, maar betaalbaar genoeg om in de duurdere smartphones te verwerken. De voorspelling van MIT Technology Review dat er in 2013 al de eerste producten met saffierglas op de markt zouden verschijnen, is niet echt gehaald. Zelfs voorloper Apple koos er bij de iPhone 5s en iPhone 5c nog niet voor. Het is nog even afwachten hoe snel Apple het in grotere producten gaat verwerken. Bij kleinere producten zoals de iWatch is de kans een stuk groter.

Bovenstaande video laat zien wat er met een iPhone met saffierglas gebeurt als je er een blok beton overheen schuift.

https://www.youtube.com/watch?v=Cfljtp63Ryo
Bovenstaande video toont een stresstest van een scherm van saffierglas gemonteerd op een dummy van een iPhone 6.

Opslagtechnologie voor miljoenen jaren

Je kunt met saffierglas trouwens nog meer doen: een opslagmedium maken dat 10 miljoen jaar meegaat. Een team van wetenschappers, archeologen, taalkundigen en andere betrokkenen hebben eraan meegewerkt. Het bestaat uit twee schijven van saffierglas met een diameter van 20 centimeter, met daartussen een dun laagje platinum. Per schijf kunnen 40.000 miniatuurversies van tekstpagina’s en afbeeldingen worden opgeslagen. Het is de bedoeling dat over duizenden of zelfs miljoenen jaren toekomstige archeologen in staat zijn om de informatie te bekijken. Een gewone usb-stick of een dvd is daarvoor niet geschikt, want daarvoor heb je hedendaagse (computer)apparatuur nodig, dat over honderden of duizenden jaren al niet meer bestaat. Voor het uitlezen van de saffierschijven heb je alleen een microscoop nodig. De wetenschappers gaan er vanuit dat er in de toekomst nog steeds microscopen zullen zijn. Zoals de Steen van Rosetta ons hielp om Egyptische hiërogliefen te ontcijferen, zo kan saffier de toekomstige generaties informeren over onze huidige beschaving.

Maar waarom zo’n extreem duurzaam opslagmedium? Dat heeft te maken met nucleaire energie: atoomcentrales produceren radioactief afval dat nog 1 miljoen jaar veilig opgeborgen moet worden. Je kunt het kilometers diep wegstoppen onder het aardoppervlak, maar je moet toekomstige generaties wel kunnen informeren waar het is opgeslagen. Op de plek waar het radioactieve afval is begraven, kun je waarschuwingsborden neerzetten om te voorkomen dat toekomstige generaties er gaan graven. De taalkundigen zijn betrokken bij het project om de waarschuwingen zodanig te noteren, dat ook aardbewoners van de toekomst het kunnen lezen. Daarom is gekozen voor een combinatie van woorden, pictogrammen en diagrammen. Saffierglas als opslagmedium is ook geschikt voor andere toepassingen, zoals tijdcapsules met informatie over onze huidige kennis, taal en cultuur.