サファイアiPhoneスクリーンがAppleの次の大物になる理由

何年も前、Apple のスマートフォン構想が Rokr であり、同社がまだ何十億ドルもの売上を上げていなかった頃、友人がかなりユニークな問題を抱えて私のところにやって来た。当時はまだ「iPod」と呼ばれていた iPod Classic のプラスチック スクリーンが溶けてしまったのだ。

いくつかの具体的な質問で、これが実は友人の2台目のiPodであることが判明しました。友人は、最初のiPodの前面プレートについた傷にうんざりして、10代の娘に2台目を譲り、新しいものを購入し、音楽プレーヤーの画面が傷つかないように、透明の梱包用テープで間に合わせのカバーをすることにしたのです。

結局、テープにも傷がついてしまいました。しかも、友人が剥がそうとすると、どんな洗浄液を使っても落ちない、ひどい残留物だけが残ってしまいました。ところが、シンナーを使ってみたら、サルバドール・ダリの絵に描かれていてもおかしくないiPodが出来上がってしまいました。私は評判の良い修理店を見つけるのを手伝い、何度か厳しく注意した後、彼は新品のアフターマーケットのスクリーンプレートを手に入れて、無事に修理を再開することができました。

プラスチックはそれほど素晴らしいものではない

実は、プラスチックの画面が簡単に傷ついてしまうという問題は、当時、別の人物、他でもないスティーブ・ジョブズが抱えていたのです。Appleが初代iPhoneの発売に向けて準備を進めていた頃、ジョブズは、携帯電話がユーザーのポケットの中で鍵や小銭と一緒に揺れ動くことがほとんどで、あっという間にプラスチックの画面がへこみや傷だらけで読めない状態になってしまうことに気づきました。

入手しやすく、ほぼあらゆる形状に製造しやすいプラスチックは、その汎用性の高さから、掛け時計から携帯音楽プレーヤーまで、あらゆる量産電子機器の素材として選ばれています。また、プラスチックは非常に柔軟性が高く、日常生活における過酷な使用にも耐え、壊れるのではなく、曲がる傾向があります。

この柔軟性こそが、ポリカーボネートの弱点でもある。物質の硬さを測るモース硬度計で、最も一般的に使用されているポリカーボネートの硬度はわずか3で、銅と同程度の硬さだが、鉄やニッケルの3倍も柔らかい。鉄やニッケルは、コインや鍵の形でポケットに入っていることが多い素材だ。

鏡を通して

ジョブズは、傷を防ぐためにはAppleがガラスに頼らざるを得ないことを理解していました。ガラスは多くの点でプラスチックとは正反対の素材です。ガラスは比較的硬度が高いため、傷がつきにくくなっていますが、柔軟性ははるかに低くなります。モース硬度は最大6にも達するため、ガラスコーティングされた画面は、ポケットの中の他の小物と一緒に入れておく分には問題ないでしょう。しかし、わずかな衝撃や落下で粉々に砕け散ってしまいます。

この問題は従来、ガラスを厚くするか、皮肉なことに、例えば現代の車のフロントガラスのように、ガラスにプラスチックの板を挟み込むことで解決されてきました。しかし、このアプローチはスマートフォンの場合、あまり役に立ちません。なぜなら、1インチの厚いガラス板で保護されたデバイスを持ち歩きたい（あるいは買いたい）と思う人はおそらくいないからです。

ウォルター・アイザックソンの伝記に書かれているように、ジョブズ氏は iPhone にふさわしいガラスを求めて、ニューヨーク州中南部にある人口 12,000 人の小さな都市コーニングまで足を延ばした。この都市は 1800 年代にこの都市の当初の開発に資金を提供した鉄道王にちなんで名付けられ、また、同じ名前を冠したフォーチュン 500 企業のガラス製造拠点でもある。

コーニング社はガラスの強度向上について熟知していました。スペースシャトルの窓を製造した実績があり、自動車レースや航空宇宙製造といった軽量化が重要となる用途において、薄い板状に敷き詰めても高い強度を維持できる特殊なガラスの研究開発に数十年を費やしてきました。

ダイエット中のゴリラ

コーニング社でジョブズは、同社が「ゴリラガラス」と名付けた素材を発見し、最終的にCEOのウェンデル・ウィークスを説得して大量生産させました。板ガラスのように透明でありながら、ゴリラガラスはモース硬度が高く、強度もはるかに優れていたため、Appleの次期スマートフォンシリーズに最適な素材でした。

ゴリラガラスは、通常のガラスと似た組成から始まります。アルミニウム、シリコン、酸素、そしてナトリウムなどのアルカリを含む混合物を溶かし、特定の全体構造を持たない物質（化学者がアモルファス固体と呼ぶもの）を作ります。これを冷却し、任意の厚さのシート状に成形します。

しかし、通常のガラスとは異なり、ゴリラガラスはさらに化学処理を受け、硝酸カリウムに浸されます。硝酸カリウムは、ベーコンにピンク色を与え、ベーコンが腐敗して人類を滅ぼそうとする有害なバクテリアの溜まり場になるのを防ぐ化合物の 1 つとしてよく知られている塩です。

しかし、これは普通の塩水ではありません。硝酸塩は300℃以上に加熱され、溶けます。ガラスをこの溶けた塩水に接触させると、イオン交換と呼ばれるプロセスにより、ガラス内部のナトリウムイオンが硝酸塩中のカリウムと置換されます。

カリウム原子はナトリウム原子よりもはるかに大きいため、ガラスが再び冷えると、カリウム原子同士が強く押し合い、完成した材料に圧縮応力の層を作り、ひび割れの発生を防ぎます。そのため、ゴリラガラスは、プラスチック製のスクリーンよりも望ましいガラススクリーンとなる傷に対する耐久性を維持しながら、より耐衝撃性を高めることができます。

あなたの手の中の宝石（セット）

iPhoneの発売以来、コーニング社はゴリラガラスに数々の改良を加えてきました。Appleはゴリラガラスを今でも現在のデバイスに使用していると報じられています。例えば、この素材の第3バージョンは、その組成を原子レベルまでモデル化するプロセスを用いて設計され、コーニング社によると、オリジナルと比べて3倍以上の耐損傷性を実現しています。

それでも、iPhone、iPod touch、iPadをお持ちなら、ひび割れや傷がどうしても気になるのではないでしょうか。サードパーティ製のケースやスクリーンプロテクターが数多く販売されているのも、おそらくそのためでしょう。私と同じように、スマートフォンを専用のポケットに入れて持ち歩き、もう一方のポケットには小銭や家の鍵を入れて、誤って触れないようにしている人もいるかもしれません。

この事実は Apple のデザイン チームも認識していたようで、同社がガラス以外のスクリーン素材、つまりサファイアの製造を検討したのもそのためかもしれない。

サファイアという名前から、美しい青い宝石のイメージが思い浮かぶかもしれません。その色は鉄とチタンの不純物によるものですが、純粋なサファイアは実際には透明で、可視光線を構成するあらゆる波長の優れた伝導性を持っています。主にアルミニウムと酸素の分子がコランダムと呼ばれる結晶構造に配列してできており、モース硬度は9です。これはダイヤモンドとモアッサナイトと呼ばれる希少鉱物に次いで、世界で3番目に硬い物質です。どちらも大量生産品として使用するには高価すぎます。

時間とプレッシャー

残念ながら、Apple は iPhone の画面全体を覆うほどの大きさの「天然」サファイアを採掘することはできない。たとえ存在したとしても、欠陥や不純物が多数含まれているため、大量生産にはまったく適さない可能性があるからだ。

その代わりに、Apple はアリゾナ州に施設を建設し、そこで合成サファイアを製造できるようにした。Apple が採用している正確なプロセスは不明だが、サファイアの製造には通常、種結晶から「成長させる」か (同社がすでに特許を取得している技術)、基本成分であるアルミニウムと酸素をあらゆる方向から非常に高い圧力にさらして完成品になるまで成形するかのいずれかが含まれる。

興味深いことに、サファイアガラスはゴリラガラスよりも重いのです。同じ厚さとサイズのガラスを2枚重ねた場合、サファイアガラスはゴリラガラスよりも約60%重くなります。しかし、サファイアガラスは強度が高いため、必要なサファイアガラスの量ははるかに少なく、サファイアガラスを使用したデバイスはより軽量かつ薄型化できます。

サファイアは既に多くの一般的な用途に広く使用されています。例えば、多くの高級腕時計のフロントプレートにサファイアが使用されており、Appleでさえも最近のiPhoneやiPadのカメラレンズ、そしてiPhone 5sのTouch IDセンサーにサファイアを採用しています。サファイアは素材として産業オートメーションに問題なく適応し、その特性は広く研究されています。

それでも、クパチーノの優秀なスタッフが iPhone の第 6 世代のモデルのいずれかでオールサファイア スクリーンに切り替えるかどうかを言うのは時期尚早です。ただし、同社が少なくともこの宝石に多額の投資をしていることを示す兆候は多数あります。前述の工場に加えて、Apple は、ガラスとサファイアをサンドイッチ状に挟む方法 (この組み合わせにより、将来のデバイスは後者の保護機能をわずかな価格で実現できます) から、指紋や汚れをはじく特殊な疎油性コーティングでサファイア スクリーンを覆う方法まで、あらゆることをカバーする多数の特許を申請しています。

リークや初期報告はさておき、宝石のようなスクリーンが未来に登場してくれるかどうかは、iPhone 6の正式発売まで待たなければならないだろう。発売は今秋と広く予想されている。それまでは、携帯電話をポケットに入れたり、平らな面に置いておく際には、細心の注意を払い続けるしかない。さもないと、傷が付いてしまうかもしれない。