【創新科技】寶石?螢幕?藍寶石究竟是什麼東西?

■近來各大報章雜誌不時出現利用藍寶石當作手機螢幕的新聞。蘋果、三星等知名大廠都想搶食這塊大餅。到底拿藍寶石當螢幕是怎麼一回事呢?

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圖片來源|http://ppt.cc/-Hue

作者|方程毅

什麼是藍寶石?
所謂的藍寶石英文為sapphire,但藍寶石是一個有點誤導的翻譯,讓人誤以為手機的螢幕是用寶石本身做成。事實上英文中sapphire指的是高純度、結晶性佳且高硬度的氧化鋁透明晶體,而「藍寶石」是sapphire的一種表現形式。這樣的氧化鋁晶體在自然界中會因為裡面雜質及結構的不同而形成不同的寶石,「藍寶石」是較常見的一種形式,藍色也不是氧化鋁本身的顏色,而是少量鈦(Ti)和鐵(Fe)雜質導致。手機用的「藍寶石」螢幕其實是透明的,因此一般報章雜誌上報導用於螢幕的藍寶石就是指氧化鋁晶體,筆者雖然不喜歡這個翻譯,但也只好從「善」如流,用「藍寶石」來指稱這種新的螢幕材料吧。

藍寶石螢幕優點在哪裏?
藍寶石的優點就是「硬」、「耐磨」。你是否曾經不小心把鑰匙跟手機放在一起,結果鑰匙就在螢幕上留下一條一條的刮痕呢?目前一般市面上智慧型手機的螢幕用的為康寧公司生產的 (Corning Incorporated) 大猩猩玻璃 (Gorilla Glass),儘管這種玻璃已經比一般的玻璃更為耐磨、耐刮,但就算這種玻璃再耐磨再耐刮,還是無法完全避免你又一次因為不小心把手機跟鑰匙放在一起,而讓鑰匙在手機螢幕上留下刮痕的心痛感。

衡量材料硬度的一項指標為摩氏硬度(Mohs),摩氏硬度共分10級,10為最硬,1為最軟。摩氏硬度為一種相對的指標,其鑑定的方式就拿兩種材料來”PK”,將兩種材料互相刻劃,留下刮痕的一方就是比較軟的一方,摩氏硬度便較低。摩氏硬度為10,也就是最硬最耐磨的材料是鑽石。一般的玻璃落在5.5到7之間,康寧公司生產的大猩猩玻璃為7,已經是玻璃界的翹楚;而藍寶石為9,意思是你要拿鑽石來才能在藍寶石螢幕上留下刮痕,但會拿鑽石來刮螢幕的人大概只有三種人:研究人員、吃飽沒事做的好野人、神經病。所以基本上來藍寶石來當手機螢幕應該是不會再有刮痕了。

藍寶石螢幕哪來的?
如果你開採礦物開採到藍寶石,你會賣給螢幕製造商還是珠寶店?我想應該是珠寶店吧。沒錯,所以你手上的藍寶石螢幕並不是開採出來的礦物,而是人工製造的。GT Advanced Technologies Inc.為目前藍寶石螢幕的主要供應商,利用高溫爐管成長藍寶石晶體,製備過程是先將一小片藍寶石「晶種」放入一個巨大坩堝 (crucible)的底部,再將剛玉(主要成分也是氧化鋁)及上一次製備留下來的未結晶碎片一起放入坩堝中,將坩鍋置入高溫爐管,再將高溫爐管封起並抽真空。高溫爐管被加熱到攝氏2200度,使氧化鋁熔化,接下來的16至17天再讓這些熔融態的氧化鋁經過許多道的冷卻步驟使氧化鋁結晶,工業用高純度的氧化鋁晶體就產生啦。

對工業界來說來藍寶石是新材料嗎?
這個答案絕對是否定的。在藍寶石因為智慧型手機聲名大噪前,這個材料早已被運用在許多不同的地方,包括LED的主要材料為氮化鎵(GaN),氮化鎵便是成長在藍寶石基板上。藍寶石也用於雷射,從波長為458nm的藍光雷射到594nm的橘光都是其發光波段;參雜鈦(Ti)於藍寶石中也可產生紅光(波長650nm)到近紅外光(1100nm)的可調變雷射 (Tunable laser)。在前面段落提到藍寶石高硬度的特性也讓藍寶石是防彈玻璃的理想材料之一或是實驗儀器上耐高溫及高壓的透明窗口。

藍寶石螢幕的缺點在哪裏?
事實上,前面段落提及的製備過程已經告訴你這個問題的答案:成本。氧化鋁材料本身的成本就遠比玻璃高(玻璃主要組成成分為二氧化矽),且氧化鋁的製備過程更為費時且耗費能量。目前GT製造用於手機螢幕的藍寶石成本為傳統大猩猩玻璃的10倍,如何降低成本便是這些大公司最在乎的議題。

除了成本之外,體積相同的藍寶石也比玻璃重的多。藍寶石的密度為 \ 3.98 g/cm^{3} ,大猩猩玻璃則為 \ 2.54 g/cm^{3} 。不僅如此,藍寶石的切割技術也尚未能將藍寶石螢幕切的跟大猩猩玻璃一樣薄,密度高又比較厚,整支手機重量增加了不少,消費著們應該不希望帶一隻沉甸甸的手機趴趴走吧。

蘋果、三星這些財力雄厚又有一群聰明工程師的大公司到底會如何解決這些問題呢?相信消費者們應該都引頸期盼能買到價格合理又輕薄的藍寶石智慧型手機吧,雖然這樣就再也不用擔心螢幕被刮傷,只不過……..包膜業者就要擔心生意變差了……

--Reference
1. http://www.necn.com/08/03/12/Growing-pure-sapphire/landing_business.html?blockID=751119
2. http://www.cultofmac.com/267068/everything-wanted-know-sapphire-glass-afraid-ask-qa/
3. http://www.theguardian.com/technology/2014/feb/10/sapphire-crystal-screens-why-apple-is-interested-in-a-gemstone
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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。
責任編輯:Kerina Huang

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