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Smartphone-Futurologie: Die Wissenschaft hinter Smartphone-Glas

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Zerschmetterter Bildschirm

Willkommen bei Smartphone Futurology. In dieser neuen Reihe wissenschaftlich gefüllter Artikel Mobile Nationen Der Gastautor Shen Ye erklärt die aktuellen Technologien, die in unseren Telefonen verwendet werden, sowie die neuesten Informationen, die noch im Labor entwickelt werden. Es liegt einiges an Wissenschaft vor uns, da viele der zukünftigen Diskussionen auf wissenschaftlichen Erkenntnissen beruhen Papiere mit einer großen Menge an Fachjargon, aber wir haben versucht, die Dinge so schlicht und einfach wie möglich zu halten möglich. Wenn Sie also tiefer in die Funktionsweise Ihres Telefons eintauchen möchten, ist dies die richtige Serie für Sie.

Dies ist vorerst die letzte Ausgabe unserer Serie über die Zukunft der Smartphone-Technologie. Diese Woche werden wir die Wissenschaft hinter einem wirklich wichtigen Bereich der Smartphone-Verarbeitungsqualität behandeln - dem Glas des Touchscreens. Und während wir die Serie abschließen, werden wir auch sehen, wie der aktuelle Stand der mobilen Technologie mit Vorhersagen verglichen wird, die vor fast einem Jahrzehnt gemacht wurden. Lesen Sie weiter, um mehr zu erfahren.

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Über den Autor

Shen Ye ist ein Android-Entwickler und MSci-Absolvent in Chemie an der Universität von Bristol. Fang ihn auf Twitter @ Shen und Google+ + ShenYe.

Mehr in dieser Serie

Schauen Sie sich unbedingt die ersten drei Teile unserer Smartphone Futurology-Reihe an die Zukunft der Batterietechnologie, Smartphone Display Tech und Prozessoren und Speicher.

Verstärktes Glas

Zerschmetterter Bildschirm

Milliarden Dollar werden jedes Jahr für Bildschirmreparaturen ausgegeben, wobei ein Teil der Benutzer beschließt, mit ihrem zerbrochenen Bildschirm zu leben, anstatt Geld für Reparaturen auszugeben. Fast alle Flaggschiff-Telefone des Jahres 2014 verwendeten Gorilla Glass 3 von Corning, obwohl einige sich stattdessen für generisches gehärtetes Glas entscheiden. Modernes gehärtetes Glas ist das Ergebnis mehrerer thermischer und chemischer Behandlungsprozesse, die die Festigkeit des Materials im Vergleich zu gewöhnlichem Glas erhöhen.

Wenn Sie die Oberfläche einer Glasscheibe unter einem Mikroskop betrachten, werden Sie feststellen, dass sie mit winzigen Fehlern und Mikrorissen gefüllt ist. Diese Mängel machen Glas Ja wirklich bruchanfällig. Bei ausreichender Beanspruchung können sich diese Risse ausbreiten, brechen und zu einer Glasscherbenbildung führen. Wenn Sie sich 2 Blatt Papier vorstellen, ist eines perfekt und eines hat einen kleinen Riss in der Mitte. Wenn Sie an den Seiten der Blätter gezogen haben, benötigt das Blatt mit dem kleinen Riss erheblich weniger Kraft zum Zerreißen. Stellen Sie sich nun vor, wenn sich der kleine Riss am Rand des Blattes Papier befand, ist noch weniger Kraft erforderlich, damit es sich ausbreitet und das Papier schließlich halbiert. An Kanten und an scharfen Ecken kann sich sehr leicht Spannung aufbauen. Aus diesem Grund müssen Flugzeuge Fenster mit abgerundeten Ecken haben.

Normales Glas ist tatsächlich mit winzigen Fehlern und Rissen übersät - gehärtetes Glas schließt diese mit einer Vielzahl verschiedener Techniken.

Gorilla-Glas ist eine Art von gehärtetem Glas, das als "Alkalialuminosilikatglas" bekannt ist. Es ist die bekannteste Marke in gehärtetem Glas für Smartphones, die in beliebten Android- und Windows-Handys wie dem verwendet wird Samsung Galaxy S5, HTC One M8und viele Lumia-Handys. Die thermischen Prozesse temperieren das Glas, was eine Druckkraft auf die Außenfläche des Glases verursacht. Dies stärkt das Glas, indem einige dieser Mikrorisse geschlossen werden, macht das Glas aber auch sicherer - wenn das Glas bricht, zerbricht es in kleine Stücke anstatt in große gefährliche Scherben (ähnlich wie bei a Prinz Ruperts Tropfen). Neben dem Tempern härtet ein chemischer Prozess, der als "Ionenaustausch" bekannt ist, auch das Material.

Das Glas enthält viel Natrium aus dem Herstellungsprozess. Wenn es in ein heißes geschmolzenes Kaliumbad getaucht wird, bewegen sich die Kaliumionen in das Glas und verdrängen die Natriumionen. Kalium ist größer als Natrium und dies verursacht auch eine Druckkraft auf die Oberfläche des Glases - wie das Tempern - was das Glas härter macht.

Gehärtetes Glas ist extrem hart. Die akzeptierte Methode zur Klassifizierung der Härte ist die Verwendung des "Vicker-Härtetests". Gorilla Glass 3 ist härter als die meisten Metalle und wahrscheinlich das härteste Material auf der Oberfläche Ihres Telefons. Wenn Sie Ihr Telefon in dieselbe Tasche stecken wie Ihre Münzen und Schlüssel, kann dies dazu führen, dass Ihr Display nicht zerkratzt. Das Gehäuse weist jedoch möglicherweise Anzeichen von Beschädigungen auf. Werfen Sie einen Blick auf die veröffentlichte Spezifikationen von Gorilla Glass gibt es eine Reihe von Bewertungen, die verschiedene Arten von Zähigkeit beschreiben.

  • Elastizitätsmodul - beschreibt die Elastizität eines Materials. Eine höhere Anzahl bedeutet, dass das Material steifer ist, aber der Nebeneffekt davon ist eine Zunahme der Sprödigkeit.
  • Poisson-Verhältnis - die axiale Spannung des Materials beim Ziehen oder Schieben. Stellen Sie sich vor, Sie dehnen ein Stück Kaugummi - die Mitte wird dünner.
  • Schermodul - beschreibt die Reaktion des Materials auf Scherung, ein sehr wichtiger Faktor, um die Bildung von Rissen zu verhindern.
  • Bruchzähigkeit - Messung der Beständigkeit des Materials gegen Rissausbreitung.

Beim Vergleich der obigen Werte zwischen Gorilla Glas 3 und das kürzlich angekündigte Gorilla Glas 4Der große Unterschied besteht darin, dass wir einen niedrigeren Elastizitätsmodul erhalten, daher sollte er weniger spröde sein. Der Abschnitt zur chemischen Verstärkung zeigt jedoch mehr als die doppelte Tiefenschicht von 40 um bis 90 um. Dies erhöht die Beständigkeit von GG4 gegen Rissbildung und Rissausbreitung bei einer dickeren komprimierten Oberflächenschicht erheblich. Das Bild unten zeigt Querschnitte, in denen die Schadensresistenz zwischen Gorilla Glass 3 und 4 verglichen wird:

Corning Diagramm Bildnachweis: Corning

Wenn Sie jedoch eine Displayschutzfolie verwenden, werden die Unterschiede weniger bedeutend. Displayschutzfolien verteilen die Stoßbelastung so weit, dass sich an einer Stelle keine nennenswerten Spannungen aufbauen und ein Bruch entsteht. Egal wie stark Sie Glas zähmen, Sie können all diese natürlichen Mängel nicht vollständig beseitigen, weshalb einige Hersteller anfangen, exotischere Materialien wie Saphir in Betracht zu ziehen.

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Synthetischer Saphir

Letztes Jahr gab es viel Hype um Berichte, dass die iPhone 6 hätte ein Display aus synthetischem Saphir anstelle von gehärtetem Glas. Offensichtlich würde das gesamte Blatt nicht aus kristallinem Saphir bestehen (es wäre zu spröde), sondern aus einem Saphirverbundstoff, der dem Material eine gewisse Elastizität verleiht. Herkömmliche Herstellungsverfahren umfassen die Verwendung einer dünnen Glasschicht als Substrat, auf dem Aluminiumoxid abgeschieden wird, wodurch eine dünne Schicht aus kristallinem Saphir auf der Oberfläche gebildet wird. Der Saphir hat eine dramatisch höhere Vicker-Härte als herkömmliches gehärtetes Glas, wodurch er kratzfester wird.

Saphir-Displays sind deutlich härter als gehärtetes Glas ...

Die Kosten für die Herstellung von Saphir-Displays sind jedoch enorm höher als die für gehärtetes Glas, so dass sie selten sind Wird für Gerätedisplays und gelegentlich als Objektivabdeckung für Smartphone-Kameras verwendet, beispielsweise in neueren iPhone-Modellen. Es gibt jedoch Grund zur Hoffnung auf billigere Saphir-Displays in der Zukunft, da der Preis für die Saphirproduktion allmählich sinkt, wenn die Prozesse optimiert werden.

iPhone 6 Vor dem Start soll das iPhone 6 ein Saphir-Display verwendet haben - in Wirklichkeit wird ionenverstärktes Glas verwendet.

... Die Herstellungskosten sind jedoch höher und es sind andere technische Herausforderungen zu lösen.

Laut Corning's Execs überwiegt die verbesserte Härte des Saphirs jedoch nicht seine Nachteile. Es hat eine geringere Lichtdurchlässigkeit, die die Batterielebensdauer beeinträchtigen würde (da höhere Hintergrundbeleuchtungsniveaus erforderlich sind). Es ist 10x teurer als Glas, dauert viel länger in der Herstellung, ist 1,6x schwerer und weniger widerstandsfähig gegen knacken. Corning ist natürlich stark in seine Gorilla Glass-Technologie investiert und hat Grund, kaltes Wasser auf dieses konkurrierende Material zu gießen.

Mit Herstellern einschließlich Kyocera Wenn Huawei Saphir-Displays verwendet, werden wir sehen, wie gut das Gerät dem allgemeinen Gebrauch standhält. Huawei Execs erzählt Android Central Auf der IFA 2014 erwartete das Unternehmen, dass Telefone mit Saphir-Displays im folgenden Jahr zu einer aufstrebenden Nische werden. In der Zwischenzeit wurde Kyoceras Brigadier, ein robustes Mobilteil mit Saphir auf dem Display, nach umfangreichen Tests von als "nahezu unzerstörbar" bezeichnet Android Central.

Sobald die Saphirherstellungsprozesse verfeinert und kostengünstiger werden, werden möglicherweise mehr Hersteller den Kristall in ihre Gerätekonstruktionen übernehmen.

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Antibakterielle Displays

Obwohl wir nie wirklich darüber nachdenken, können unsere Smartphone-Touchscreens eine unglaubliche Menge an Bakterien aus zahlreichen Umgebungen transportieren. Und da der Smartphone-Markt in den letzten Jahren nur rasant gewachsen ist, wurde nicht viel darüber geforscht, wie dies bekämpft werden kann.

Ihr Smartphone-Bildschirm ist absolut schmutzig - aber die Wissenschaft kann helfen.

Eine deutsche Universität hat 60 Touchscreens abgetastet1 und entdeckte, dass ein ungereinigter Touchscreen durchschnittlich 1,37 bakterienkoloniebildende Einheiten pro Quadratzentimeter enthielt. Das ist eigentlich nicht so hoch, um Größenordnungen niedriger als das eines Küchenschwamms, aber ein paar Mal höher als ein Toilettensitz im Krankenhaus2. Diese Zahl wurde nach Reinigung mit einem Mikrofasertuch auf 0,22 und nach Reinigung mit einem Alkoholtupfer auf 0,06 reduziert - sauberer als ein Toilettensitz nach Reinigung mit Reinigungsmittel. Die Forscher stellten fest, dass der Großteil der Bakterien aus menschlicher Haut, Mund und Lunge stammte - nicht überraschend, da wir unsere Geräte so nah am Gesicht halten. Die meisten Menschen reinigen ihre Smartphone-Bildschirme nicht regelmäßig, daher haben Touchscreens definitiv das Potenzial, Keime auf andere zu übertragen.

Anfang 2014 stellte Corning auf der CES sein antimikrobielles Corning Gorilla Glass vor. Es war das erste von der EPA registrierte antimikrobielle Displayglas. Das Display ist im Wesentlichen mit einem dünnen Film aus Silberionen beschichtet, die unglaubliche antimikrobielle Eigenschaften aufweisen und angeblich 90% der Bakterien, Algen, Schimmelpilze und Pilze auf der Oberfläche abtöten. Silber wurde in Krankenhäusern häufig wegen seiner antimikrobiellen Wirkung eingesetzt, um die Ausbreitung von MRSA zu verhindern, und es wurde im Ersten Weltkrieg tatsächlich zur Wundversorgung verwendet, um Infektionen vorzubeugen.

Die Menge an Silber, die für den Dünnfilm auf Smartphone-Displays benötigt wird, ist sehr gering, wird es aber letztendlich sein Es liegt an den Herstellern, ob sie die zusätzlichen Dollars auf der Stückliste ihres Geräts oder möchten nicht. Da Gesundheits- und Fitnessfunktionen zu einem zentralen Bestandteil vieler Smartphones werden, können antibakterielle Displays für Telefonhersteller einen weiteren Differenzierungspunkt darstellen.

Tactus Bild Bildnachweis: Tactus

Morphing-Anzeigen

Tactus Technologies, ein Startup in Kalifornien, zeigt seine innovative Morphing-Touchscreen-Technologie. Im Ruhezustand sieht es aus wie ein gewöhnlicher Touchscreen, aber wenn es aktiviert ist, kann es eine Reihe hervorstehender Formen erzeugen, die dem entsprechen, was auf dem Gerät ausgeführt wird. Das Beispiel, das sie zeigen, ist ein Gerät, bei dem Tasten hervorstehen, wenn die Softtastatur auf dem Bildschirm angezeigt wird, und dem Benutzer ein taktiles Feedback geben.

Benutzer müssen die einzelnen Tasten nicht drücken. Durch einfaches Berühren wird der Tastendruck registriert. Es ist eine beeindruckende Technologie, die seit mehreren Jahren entwickelt wurde, aber noch nicht in einem Consumer-Gerät implementiert wurde. Da Hardware-Tastaturen von Herstellern aufgegeben werden, da sie dünnere Gerätedesigns verfolgen, ist Tactus möglicherweise das, wonach Hardware-Tastaturfans suchen.

Interaktive Hologramme

Auf dem diesjährigen ACM-Symposium für Software und Technologie für Benutzeroberflächen stellte die Universität Tokio ihren Prototyp mit dem Namen HaptoMime vor3. Es handelt sich um ein Interaktionssystem in der Luft, das wie ein schwebender Touchscreen wirkt und Ihre Fingerspitzen mithilfe von Ultraschall stimulieren kann, um taktiles Feedback zu geben. Unter Verwendung einer Abbildungsplatte wird ein Bild auf einem Bildschirm in ein schwebendes Hologramm umgewandelt. Wenn das System erkennt, dass der Benutzer das Hologramm "berührt", erzeugt der Ultraschall-Phased-Array-Wandler ein Gefühl auf der Fingerspitze des Benutzers.

Die Technologie funktioniert nicht nur mit Hologrammen, sondern auch mit 3D-Displays. Dies bringt uns den Interaktionen im Tony Stark-Stil mit unseren digitalen Geräten einen Schritt näher. Dies wird wahrscheinlich nie in ein Smartphone eingebaut, aber es ist möglich, dass es irgendwann in der Zukunft in ein Tablet-ähnliches Gerät gepackt wird.

Die Zukunft der Smartphone-Technologie - Sind wir schon da?

Bereits im Februar 2008, sieben Monate vor der ersten Veröffentlichung von Android, stellte Nokia ein Konzepttelefon vor - das Nokia Morph. Das Nokia Research Center und das Nanoscience Center der University of Cambridge haben bei diesem Projekt zusammengearbeitet, um ein Konzepttelefon, von dem sie glauben, dass es die Zukunft von Smartphones ist, mit Schwerpunkt auf nanotechnologischen Anwendungen in tragbaren Geräten Geräte.

Wie ist die Vision von Nokia für zukünftige mobile Technologien im Vergleich zu unserer heutigen?

Das Gerät verfügt über:

  • Biegbares, durchscheinendes Gerät
  • Selbstreinigende Oberfläche
  • Überstehende 3D-Oberfläche (wie das Tactus-Display)
  • Solarladung über "Nanogras" -Technologie
  • Zahlreiche integrierte Sensoren zur Erfassung von Faktoren wie Luftverschmutzung und Hygiene

Nokia sagte voraus, dass solche Technologien sein würden verfügbar bis 2015Wie weit ist die Wissenschaft fortgeschritten, um solche Funktionen in einem Gerät zuzulassen? In den ersten beiden Artikeln dieser Serie haben wir gesehen, wie LG ein durchscheinendes biegbares OLED-Display und entwickelt hat Es gibt zwei Kandidaten für biegbare Lithiumbatterien - Lithiumkeramik und Lithiumpolymer mit flexiblen Komponenten. Wir haben noch keine selbstreinigenden Oberflächen, aber es wurden große Anstrengungen unternommen, um eine bessere oleophobe Beschichtung für Glas zu entwickeln, um fettige Verschmutzungen von unseren Geräten fernzuhalten. Aktuelle "Nanofur" -Prototypen sind anfällig dafür, dass die Beschichtungen durch allgemeine Reibung in unseren Taschen abgerieben werden.

Diagramm Bildnachweis: Universität von Massachusetts, Stanford University

Ein Durchbruch in der Nanoglasforschung wurde erst kürzlich durch eine Zusammenarbeit zwischen zwei Universitäten in den USA veröffentlicht4. Mit einer Graphenschicht konnten sie Säulen aus hocheffizientem Photovoltaikmaterial dicht anordnen - Material, das Licht in elektrische Energie umwandelt. Die Struktur des Nanogras vergrößert die mit Sonnenlicht in Kontakt stehende Oberfläche erheblich und verbessert den Wirkungsgrad gegenüber Dünnschichtsolarmodulen um 33%.

Diagramm Bildnachweis: Tzoa

Schließlich zu den von Nokia vorhergesagten Verschmutzungs- und Hygienesensoren. Anfang Dezember erschien eine Kickstarter-Seite für ein Gerät namens Tzoa. Laut der Seite ist es das erste Wearable, das die Luftverschmutzung in der unmittelbaren Umgebung misst. Es stellt eine direkte Verbindung zu Ihrem Smartphone her und sendet sowohl Luftverschmutzungsdaten als auch UV-Expositionsdaten. Die Sonde erkennt nicht die chemische Verschmutzung in der Luft, sondern Partikel in der Luft, die ebenfalls eine Gefahr für unsere Gesundheit darstellen.

Und wir sollten auch erwähnen Samsung Galaxy Note 4, das Ende 2014 als erstes Mainstream-Smartphone mit einem UV-Lichtsensor ausgeliefert wurde.

ePetri Bildnachweis: Caltech

Eine überraschende Menge futuristischer Dinge ist bereits bei uns - ob im Labor oder in den Geräten, die wir verwenden.

Bereits 2011 wurde ein Artikel auf einer kleinen linsenlosen Plattform zur Analyse von Mikroorganismen veröffentlicht. Es wurde als ePetri-Schale bezeichnet und wurde für die Arbeit mit einem Siliziumchip entwickelt5. (Es ist nach der Petrischale benannt, der herkömmlichen Methode zur Kultivierung von Mikroben, damit diese analysiert werden können.) Die ePetri-Schale benötigt keine große Ausrüstung Bei arbeitsintensiven Prozessen wird die Kultur einfach auf einen Bildchip gelegt, der vom Smartphone-Display beleuchtet wird, und die Baugruppe wird in einem platziert Inkubator. Auf die Daten kann über einen Laptop oder ein anderes Smartphone remote zugegriffen werden, sodass der Benutzer einzelne mikrobielle Zellen vergrößern und analysieren kann. Die Technologie ist sehr spezialisiert und noch weit von den Nokia Morph-Konzepten entfernt, aber definitiv einen Schritt näher.

Im Moment haben wir einen Großteil der Technologie entwickelt, von der Nokia und die University of Cambridge vorausgesagt haben, dass sie bis 2015 verfügbar sein werden. Das Konzept ist immer noch sehr futuristisch, aber es ist eine gute Inspirationsquelle für diejenigen, die die Smartphone-Technologien für die Zukunft entwickeln.

Wer weiß, in weiteren sieben Jahren werden wir vielleicht ein Gerät sehen, das dem Nokia Morph ähnelt, vielleicht mit Technologien, die wir uns noch nicht vorstellen können.

Vielen Dank an Eric von Evolutive Labs, der mir etwas über gehärtetes Glas beigebracht hat!

  1. M. Egert, K. Späth, K. Weik, H. Kunzelmann, C. Horn, M. Kohl und F. Segen, Bakterien auf Smartphone-Touchscreens in einer deutschen Universität und Bewertung von zwei beliebte Reinigungsmethoden mit handelsüblichen Reinigungsprodukten, Folia Microbiologica, 2014: p. 1-6.

  2. EIN. Hambraeus und A.S. Malmborg, Desinfektion oder Reinigung von Krankenhaustoiletten - eine Bewertung verschiedener Routinen, Journal of Hospital Infection, 1980. 1 (2): p. 159-163.

  3. Y. Y. Monnai, K. Hasegawa, M. Fujiwara, K. Yoshino, S. Inoue und H. Shinoda. 2014, ACM: Honolulu, Hawaii, USA. p. 663-667.

  4. Y. Y. Zhang, Y. Diao, H. Lee, T.J. Mirabito, R. W. Johnson, E. Puodziukynaite, J. John, K.R. Carter, T. Emrick, S.C.B. Mannsfeld und A. L. Briseno, intrinsische und extrinsische Parameter zur Steuerung des Wachstums organischer einkristalliner Nanopillen in der Photovoltaik, Nano Letters, 2014. 14 (10): p. 5547-5554.

  5. G. Zheng, S. A. Lee, Y. Antebi, M.B. Elowitz und C. Yang, The ePetri Dish, eine On-Chip-Plattform für die Bildgebung von Zellen, die auf der Subpixel-Perspektiv-Sweeping-Mikroskopie (SPSM) basiert, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2011. 108 (41): p. 16889-16894.

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