Статья

Футурология смартфонов: наука за стеклом смартфона

Разбитый экран

Добро пожаловать в Smartphone Futurology. В этой новой серии научных статей Мобильные нации Приглашенный участник Шен Е рассказывает о современных технологиях, используемых в наших телефонах, а также о передовых технологиях, которые все еще разрабатываются в лаборатории. Впереди немало науки, так как многие будущие дискуссии основаны на научных документы с большим количеством технического жаргона, но мы постарались, чтобы все было максимально просто и понятно, возможно. Так что, если вы хотите глубже погрузиться в то, как работает ваш телефон, эта серия статей для вас.

На данный момент это последняя часть нашей серии о будущем смартфонов. На этой неделе мы расскажем о науке, лежащей в основе одной действительно важной области качества сборки смартфонов - стекла сенсорного экрана. Завершая серию, мы также увидим, как текущее состояние мобильных технологий сравнивается с прогнозами, сделанными почти десять лет назад. Читайте дальше, чтобы узнать больше.

Verizon предлагает Pixel 4a всего за 10 долларов в месяц на новых безлимитных линиях

Об авторе

Шен Йе - разработчик Android и выпускник химии Бристольского университета. Поймай его в Твиттере @shen и Google+ + ShenYe.

Больше в этой серии

Обязательно ознакомьтесь с первыми тремя выпусками нашей серии Smartphone Futurology, охватывающей будущее аккумуляторных технологий, дисплей смартфона и процессоры и память.

Закаленное стекло

Разбитый экран

Миллиарды долларов тратятся на ремонт экрана каждый год, при этом часть пользователей решает жить со своим треснувшим экраном вместо того, чтобы тратить деньги на ремонт. Почти все флагманские телефоны 2014 года использовали Gorilla Glass 3 от Corning, хотя некоторые предпочитают вместо него обычное закаленное стекло. Современное закаленное стекло - это результат нескольких процессов термической и химической обработки, повышающих прочность материала по сравнению с обычным стеклом.

Если вы посмотрите на поверхность листа стекла под микроскопом, вы обнаружите, что она заполнена крошечными изъянами и микротрещинами. Эти недостатки делают стекло действительно подвержен поломке. Если приложить достаточное напряжение, эти трещины могут распространиться, расколоться и привести к разрушению листа стекла. Представьте себе 2 листа бумаги, один идеален, а в центре другого есть небольшой разрыв. Если вы потянете за стороны листов бумаги, лист с небольшим разрывом потребует значительно меньшего усилия для разрыва. А теперь представьте, что если небольшой разрыв был на краю листа бумаги, потребуется еще меньшее усилие, чтобы он разошелся и, в конечном итоге, перевернул бумагу пополам. Напряжение может очень легко накапливаться на краях и даже больше на острых углах; Вот почему у самолетов должны быть окна со скругленными углами.

Обычное стекло на самом деле изобилует крошечными изъянами и трещинами - закаленное стекло закрывает их с помощью различных методов.

Gorilla Glass - это тип закаленного стекла, известного как «щелочно-алюмосиликатное стекло». Это самый известный бренд из закаленного стекла для смартфонов, который используется в популярных телефонах на базе Android и Windows, таких как Samsung Галактика S5, HTC One M8, и многие телефоны Lumia. Термические процессы закаляют стекло, что вызывает силу сжатия на внешней поверхности стекла. Это делает стекло более жестким, закрывая некоторые из этих микротрещин, но также делает стекло более безопасным - если стекло разбивается, оно разлетится на мелкие кусочки, а не на большие опасные осколки (аналогично Капля принца Руперта). Помимо закалки, химический процесс, известный как «ионный обмен», также делает материал более жестким.

Стекло содержит много натрия, полученного в процессе производства. Когда его окунают в ванну с горячим расплавом калия, ионы калия перемещаются в стекло и вытесняют ионы натрия. Калий больше, чем натрий, и это также вызывает силу сжатия на поверхности стекла, как при закалке, которая делает стекло жестким.

Закаленное стекло чрезвычайно твердое. Принятый метод классификации твердости - «испытание на твердость по Виккеру». Gorilla Glass 3 тверже большинства металлов и, вероятно, самый твердый материал на поверхности вашего телефона. Если положить телефон в один карман с монетами и ключами, это может не привести к появлению царапин на дисплее, но корпус, вероятно, получит некоторые признаки повреждения. Взглянув на опубликованные спецификации Gorilla Glass существует ряд рейтингов, описывающих различные виды прочности.

  • Модуль Юнга - описывает эластичность материала. Более высокое число означает, что материал более жесткий, но побочным эффектом этого является увеличение хрупкости.
  • Коэффициент Пуассона - осевое напряжение материала при его вытягивании или толкании. Представьте, что вы растягиваете кусок жевательной резинки - центр ее станет тоньше.
  • Модуль сдвига - описывает реакцию материала на сдвиг, очень важный фактор, когда речь идет о предотвращении образования трещин.
  • Вязкость разрушения - измерение сопротивления материала распространению трещин.

При сравнении вышеуказанных значений между Стекло Gorilla Glass 3 и недавно объявленный Стекло Gorilla Glass 4, большая разница в том, что мы получаем более низкий модуль Юнга, поэтому он должен быть менее хрупким. Тем не менее, раздел «Химическое упрочнение» показывает более чем удвоенный глубинный слой, от 40 мкм до 90 мкм. Это значительно увеличивает сопротивление GG4 растрескиванию и распространению трещин с более толстым сжатым поверхностным слоем. На изображении ниже показаны поперечные сечения, сравнивающие устойчивость к повреждениям между Gorilla Glass 3 и 4:

Диаграмма Corning Изображение предоставлено Corning

Однако, если вы используете защитную пленку для экрана, различия становятся менее значительными. Защитные пленки помогают распределить любую ударную нагрузку, достаточную для предотвращения накопления значительного напряжения в одном месте, которое может вызвать перелом. Как бы сильно вы ни закалили стекло, вы не сможете полностью устранить все эти естественные дефекты, поэтому некоторые производители начинают рассматривать более экзотические материалы, такие как сапфир.

Huawei Ascend P7 Sapphire Edition

Синтетический сапфир

В прошлом году было много шумихи вокруг сообщений о том, что Айфон 6 имел бы дисплей из синтетического сапфира вместо закаленного стекла. Очевидно, что весь лист будет сделан не из кристаллического сапфира (он был бы слишком хрупким), а из композитного сапфира, который придает материалу некоторую эластичность. Обычные методы производства включают использование тонкого слоя стекла в качестве подложки, на которую осаждается оксид алюминия, образуя тонкий слой кристаллического сапфира на поверхности. Сапфир имеет значительно более высокую твердость по Викеру, чем обычное закаленное стекло, что делает его более устойчивым к царапинам.

Сапфировые дисплеи значительно тверже закаленного стекла ...

Однако стоимость производства сапфировых дисплеев намного выше, чем стоимость закаленного стекла, поэтому они редко используется для дисплеев устройств и иногда используется в качестве крышки объектива для камер смартфонов, например, в последних моделях iPhone. Однако есть основания надеяться на более дешевые сапфировые дисплеи в будущем, так как цена на производство сапфиров постепенно снижается по мере того, как процессы становятся более оптимизированными.

Айфон 6 До выпуска iPhone 6, по слухам, использовал сапфировый дисплей - на самом деле он использует стекло с ионным упрочнением.

... но затраты на производство выше, и есть другие технические проблемы, которые необходимо решить.

Однако, по словам руководителей Corning, повышенная твердость сапфира не перевешивает его недостатки. Он имеет более низкий коэффициент пропускания света, что может повлиять на срок службы батареи (из-за необходимости более высокого уровня подсветки), он в 10 раз дороже стекла, требует гораздо больше времени для производства, в 1,6 раза тяжелее и менее устойчив к растрескивание. Corning, конечно же, сильно инвестирует в свою технологию Gorilla Glass, и у нее есть причины поливать холодной водой этот конкурирующий материал.

С производителями, включая Kyocera и Huawei, использующих сапфировые дисплеи, мы увидим, насколько хорошо устройство выдерживает обычное использование. Руководители Huawei рассказали Android Central на IFA 2014 компания ожидала, что телефоны с сапфировыми дисплеями в следующем году станут новой нишей. Между тем, Kyocera Brigadier, прочный телефон с сапфировым дисплеем, был назван «почти неразрушимым» после обширных испытаний. Android Central.

Как только процессы производства сапфира станут более изощренными и менее дорогими, мы можем увидеть, что все больше производителей будут использовать кристалл в своих конструкциях устройств.

Ом Ном ном

Антибактериальные дисплеи

Хотя мы никогда не задумываемся об этом, сенсорные экраны наших смартфонов могут переносить невероятное количество бактерий из самых разных сред. А поскольку рынок смартфонов в последние несколько лет только быстро растет, исследований о том, как с этим бороться, практически не проводилось.

Экран вашего смартфона очень грязный, но наука может помочь.

Немецкий университет опробовал 60 сенсорных экранов1 и обнаружил, что неочищенный сенсорный экран содержал в среднем 1,37 бактериальных колониеобразующих единиц на квадратный сантиметр. На самом деле это не так много, на порядки меньше, чем у кухонной губки, но в несколько раз больше, чем у больничного сиденья унитаза.2. Это число было уменьшено до 0,22 после очистки салфеткой из микрофибры и до 0,06 после очистки спиртовой салфеткой - более чистым, чем сиденье унитаза после очистки моющим средством. Исследователи определили, что большинство бактерий произошло из кожи, рта и легких человека, что неудивительно, поскольку мы держим наши устройства так близко к нашему лицу. Большинство людей не чистят экраны своих смартфонов на регулярной основе, поэтому сенсорные экраны определенно могут распространять микробы среди других.

В начале 2014 года компания Corning представила на выставке CES свое антимикробное стекло Corning Gorilla Glass. Это было первое антибактериальное стекло для дисплея, зарегистрированное EPA. По сути, дисплей покрыт тонкой пленкой ионов серебра, которые обладают невероятными антимикробными свойствами и, как сообщается, убивают 90% бактерий, водорослей, плесени и грибков на поверхности. Серебро широко использовалось в больницах из-за его противомикробного эффекта, помогая предотвратить распространение MRSA, и на самом деле оно использовалось для перевязки ран во время Первой мировой войны для предотвращения инфекции.

Количество серебра, необходимое для тонкой пленки на дисплеях смартфонов, очень мало, но в конечном итоге оно будет решать производителям, хотят ли они добавить доллары в ведомость материалов своего устройства или не. Тем не менее, поскольку функции здоровья и фитнеса становятся центральными элементами многих смартфонов, антибактериальные дисплеи могут стать еще одним отличием для производителей телефонов.

Изображение тактуса Изображение предоставлено: Tactus

Морфинг дисплеев

Стартап из Калифорнии Tactus Technologies продемонстрировал свою инновационную технологию сенсорного экрана с морфингом. В состоянии покоя он выглядит как обычный сенсорный экран, но при активации он может формировать массив выступающих форм, соответствующих тому, что работает на устройстве. В качестве примера они показывают устройство, в котором клавиши выступают, когда на экране отображается программная клавиатура, обеспечивая пользователю некоторую тактильную обратную связь.

Пользователям не нужно нажимать отдельные клавиши, просто прикоснувшись к ним, вы зарегистрируете нажатие клавиши. Это впечатляющая технология, которая разрабатывалась несколько лет, но еще не реализована в потребительских устройствах. Поскольку производители отказываются от аппаратных клавиатур, поскольку они стремятся к более тонким устройствам, Tactus может быть тем, что ищут поклонники аппаратных клавиатур.

Интерактивные голограммы

В этом году на симпозиуме ACM по программному обеспечению и технологиям пользовательского интерфейса Токийский университет представил свой прототип дисплея под названием HaptoMime.3. Это система взаимодействия в воздухе, которая действует как плавающий сенсорный экран, который может стимулировать кончики ваших пальцев с помощью ультразвука для обеспечения тактильной обратной связи. Используя пластину формирования изображения, изображение на экране преобразуется в плавающую голограмму. Когда система обнаруживает, что пользователь «касается» голограммы, ультразвуковой преобразователь с фазированной решеткой создает ощущение на кончике пальца пользователя.

Технология работает не только с голограммами, но и с 3D-дисплеями. Это приближает нас на шаг ближе к взаимодействию с нашими цифровыми устройствами в стиле Тони Старка. Это, вероятно, никогда не будет встроено в смартфон, но возможно, что в какой-то момент в будущем его можно будет втиснуть в планшетное устройство.

Будущее технологий для смартфонов - мы уже там?

Еще в феврале 2008 года, за 7 месяцев до первого выпуска Android, Nokia представила концептуальный телефон - Nokia Morph. Исследовательский центр Nokia и Центр нанонауки Кембриджского университета совместно работали над этим проектом, чтобы создать концептуальный телефон, который, по их мнению, является будущим смартфонов, с акцентом на нанотехнологические приложения в портативных устройствах. устройств.

Как Nokia видит будущее мобильных технологий в сравнении с тем, что мы имеем сегодня?

Устройство показало:

  • Гибкое полупрозрачное устройство
  • Самоочищающаяся поверхность
  • 3D выступающая поверхность (например, дисплей Tactus)
  • Солнечная зарядка по технологии "нанотрава"
  • Многочисленные встроенные датчики для определения таких факторов, как загрязнение воздуха и гигиена

Nokia предсказывала, что такие технологии будут доступны к 2015 г.Итак, как далеко продвинулась наука, чтобы позволить такие функции в устройстве? В первых двух статьях этой серии мы увидели, как компания LG создала полупрозрачный гибкий OLED-дисплей и есть два кандидата на гибкие литиевые батареи - литиево-керамические и литиево-полимерные с гибкими компоненты. У нас пока нет самоочищающихся поверхностей, но были предприняты большие усилия по разработке лучшего олеофобного покрытия для стекла, которое поможет уберечь наши устройства от жирных пятен. Текущие прототипы «нано-меха» чувствительны к стиранию покрытия из-за общего трения в наших карманах.

Диаграмма Изображение предоставлено: Массачусетский университет, Стэнфордский университет

Прорыв в исследованиях нанотравы был недавно опубликован в результате сотрудничества двух университетов США.4. Используя лист графена, они смогли плотно расположить столбы из высокоэффективного фотоэлектрического материала - материала, который преобразует свет в электрическую энергию. Структура нанотравы значительно увеличивает площадь поверхности, которая контактирует с солнечным светом, повышая эффективность на 33% по сравнению с тонкопленочными солнечными панелями.

Диаграмма Изображение предоставлено: Цоа

Наконец, о предполагаемых датчиках загрязнения и гигиены Nokia. В начале декабря на Kickstarter появилась страница устройства под названием Tzoa, согласно которой это первое носимое устройство, измеряющее уровень загрязнения воздуха в непосредственной близости. Он подключается напрямую к вашему смартфону, отправляя данные о загрязнении воздуха и УФ-излучении. Зонд не обнаруживает химические загрязнения в воздухе, но фактически обнаруживает твердые частицы в воздухе, которые также представляют угрозу для нашего здоровья.

И мы также должны упомянуть Samsung Galaxy Note 4, который в конце 2014 года стал первым массовым смартфоном с датчиком УФ-излучения.

ePetri Изображение предоставлено Калтех

Удивительное количество футуристических вещей уже с нами - будь то в лаборатории или в устройствах, которые мы используем.

Еще в 2011 году была опубликована статья о небольшой безлинзовой платформе для анализа микроорганизмов. Это называлось блюдо ePetri и предназначалось для работы на кремниевом чипе.5. (Он назван в честь чашки Петри, традиционного метода культивирования микробов для их анализа.) Чашка ePetri не требует большого оборудования. и трудоемких процессов, культура просто помещается на чип изображения, освещаемый дисплеем смартфона, и сборка помещается в инкубатор. Доступ к данным можно получить удаленно через ноутбук или другой смартфон, что позволяет пользователю увеличивать масштаб и анализировать отдельные микробные клетки. Технология очень специализирована и все еще далека от концепций Nokia Morph, но определенно на шаг ближе.

На данный момент мы разработали множество технологий, которые, по прогнозам Nokia и Кембриджского университета, должны быть доступны к 2015 году. Концепция все еще очень футуристична, но она служит хорошим источником вдохновения для тех, кто разрабатывает технологии для смартфонов будущего.

Кто знает, возможно, через семь лет мы увидим устройство, подобное Nokia Morph, возможно, с технологиями, которые нам еще предстоит представить.

Спасибо Эрику из Evolutive Labs за то, что научил меня закаленному стеклу!

  1. М. Эгерт, К. Шпэт, К. Вейк, Х. Кунцельманн, К. Хорн, М. Коля, Ф. Благословение, бактерии на сенсорных экранах смартфонов в условиях немецкого университета и оценка двух популярные методы очистки с использованием имеющихся в продаже чистящих средств, Folia Microbiologica, 2014: п. 1-6.

  2. А. Хамбреус и А.С. Мальмборг, Дезинфекция или уборка больничных туалетов - оценка различных процедур, Журнал больничной инфекции, 1980. 1 (2): с. 159-163.

  3. Ю. Монне, К. Хасегава, М. Фудзивара, К. Ёшино, С. Иноуэ, Х. Шинода. 2014, ACM: Гонолулу, Гавайи, США. п. 663-667.

  4. Ю. Чжан, Ю. Диао, Х. Ли, T.J. Мирабито, Р.В.Джонсон, Э. Пуодзюкинайте, Я. Джон, К. Картер, Т. Эмрик, S.C.B. Маннсфельд, А.Л. Брисено, Внутренние и внешние параметры для управления ростом органических монокристаллических наностолбиков в фотоэлектрической энергии, Nano Letters, 2014. 14 (10): с. 5547-5554.

  5. ГРАММ. Чжэн, С.А.Ли, Ю. Антеби, М. Эловиц, К. Ян, Чашка ePetri, платформа для визуализации клеток на кристалле, основанная на субпиксельной перспективной микроскопии (SPSM), Proceedings of the National Academy of Sciences, 2011. 108 (41): с. 16889-16894.

Это лучшие беспроводные наушники, которые вы можете купить по любой цене!
Пора перерезать шнур!

Это лучшие беспроводные наушники, которые вы можете купить по любой цене!

Лучшие беспроводные наушники удобны, отлично звучат, не стоят слишком дорого и легко помещаются в кармане.

Все, что вам нужно знать о PS5: дата выхода, цена и многое другое
Следующее поколение

Все, что вам нужно знать о PS5: дата выхода, цена и многое другое.

Sony официально подтвердила, что работает над PlayStation 5. Вот все, что мы знаем об этом на данный момент.

Nokia запускает два новых бюджетных телефона Android One стоимостью менее 200 долларов
Новые Нокиас

Nokia запускает два новых бюджетных телефона Android One стоимостью менее 200 долларов.

Nokia 2.4 и Nokia 3.4 - последние дополнения к линейке бюджетных смартфонов HMD Global. Поскольку оба они являются устройствами Android One, они гарантированно получат два основных обновления ОС и регулярные обновления безопасности на срок до трех лет.

Защитите свой дом с помощью дверных звонков и замков SmartThings
Дин Донг - двери заперты

Защитите свой дом с помощью дверных звонков и замков SmartThings.

Одна из лучших особенностей SmartThings заключается в том, что вы можете использовать множество других сторонних устройств в своей системе, включая дверные звонки и замки. Поскольку все они, по сути, имеют одинаковую поддержку SmartThings, мы сосредоточились на том, какие устройства обладают лучшими характеристиками и хитростями, чтобы оправдать добавление их в ваш арсенал SmartThings.

instagram story viewer