ทันตวัสดุศาสตร์กับ iPhone 11

เปิดตัวกันไปแล้วเมื่อวันอังคารที่ 10 กันยายน ตรงกับเวลาเที่ยงคืน เปลี่ยนผ่านไปวันที่ 11 ครับ โชคดีตรงกับวันหยุดของผม เลยถือโอกาสดูจนจบรายการ

ใช้เวลา presentation ทั้งหมด 1.43 ชม. ครับ รับชมได้กันที่นี่

เพราะเวลาบนเวทีมีจำกัด present หลาย product ทั้ง Watch, iPad, Game arcade, Apple TV+

เป็นที่รู้กันว่า Apple เริ่มเปลี่ยนการใช้ body ฝาหลังจาก Al Alloy ใน iPhone 6s มาเป็นกระจก เพราะต้องการใช้ function ชาร์จประจุ battery แบบไร้สาย (Wireless power supply) ตั้งแต่ iPhone 8 series

ตารางแสดง mechanical property ของ Al Alloy ใน series ที่ใกล้เคียง และ 7000 series ที่ Apple เลือกใช้ใน iPhone รุ่นเก่าที่ฝาหลังเป็นโลหะ

อันดับแรกสังเกต series 6063 เทียบกับ 7003 เมื่อเพิ่มปริมาณ Cu ขึ้นอีกนิด พบว่า Tensile yield str เพิ่มขึ้นทันที ~ 140 MPa ครับ และ Elongation ก็เพิ่มขึ้นด้วย

ใน Sample Alloy 1,2 และ 3 การเพิ่มปริมาณของ Mg, Zn และ Cu ยังเพิ่ม Tensile str ได้ถึงระดับที่ทะลุ 450 MPa นอกจากนี้ยังมีผลพลอยได้คือ สีของ Al Alloy ที่มี high Cu จะมีสีออกเหลืองซึ่งเข้ากับสีที่จะ paint ได้ทุกสี (ผลอีกอย่างที่เราไม่ค่อยคุ้นคือ คุณสมบัติการนำความร้อนที่ลดลง ซึ่งเป็นผลดีคือ เวลาที่เราเล่น PUBG การนำความร้อนของฝาหลังจะลดลง)

ทำให้นึกถึงบทบาทของ Cu ใน Amalgam มีความคล้ายกันมากกับการปรับปรุงคุณสมบัตินี้

Amalgam เริ่มแรกเป็นชนิด Low-Cu การละลายของ Ag และ Tin ใน mercury เกิดเป็น gamma 1 และ gamma 2 โดยมี gamma เป็น core ( Ag ละลายใน mercury ได้น้อยกว่า Tin ทำให้เกิด gamma 1 ตกตะกอนออกมาก่อน)

เมื่อมีการเพิ่ม Cu เข้าไปใน Amalgam พบว่า เกมส์เริ่มเปลี่ยน เพราะ Tin ชอบจับกับ Cu ได้ดีกว่า (เกิดเป็น eta phase) mercury ดังนั้น Gamma 2 ที่เกิดจาก Sn-Hg จึงเกิดน้อยลง หรือหมดไป เป็น High-Cu Amalgam type (แต่จะเรียก High-Cu ต้องมี Cu อย่างน้อยสุด 12% ของ composition ทั้งหมดนะครับ)

สมการ High-Cu Amalgam

(Cu จึงเพิ่ม Strength, ลด Tarnish&Corrosion, ลด Creep จึงทำให้ marginal integrity improve)

สีของ iPhone 6s silver จึงไม่ออกเงินจริงๆ แต่เหลือบ yellow นิดๆ (แน่นอนว่า สีที่เห็นไม่ใช่สีของ Pure Al Alloy 7000 series แต่เกิดจากการทำ surface treatment ด้วยวิธี Anodizing ทำให้เกิดชั้น Oxide layer ของโลหะที่มี Electronegativity ต่ำกว่าเคลือบ Al Alloy ที่อยู่ด้านใน จะเกิดผลคือ ชั้น Oxide layer ที่หนาจะป้องกันการกัดกร่อน และ wear ขณะเดียวกันถ้าเกิดรอย crack เล็กๆที่ชั้นพื้นผิว ชั้น Oxide layer ที่มีค่าศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่า Alloy ชึ้นในจะทำหน้าที่เป็นตัวเสีย electron แทน ทำให้เคลือบ Anodize เสียหายแทน Alloy ชั้นในจะเสียหาย)

จากการนำคุณสมบัติการชาร์จแบบไร้สายมาใช้ ทำไมต้องเปลี่ยนฝาหลังจากโลหะ Al Alloy มาเป็น Glass? ต้องลองมาดูกลไกการเหนี่ยวนำให้เกิดการชาร์จ battery แบบไร้สาย

แท่นชาร์จไร้สายจะมี battery ตามความจุ และขดลวดอยู่ด้านนึง เมื่อวาง Smart phone ที่รองรับ Wireless charge (ด้านหลังจะมีขดลวดเหนี่ยวนำอีกชุดนึง) ขดลวดทั้ง 2 ชุดจากทั้ง 2 อุปกรณ์ (Wireless charger และโทรศัพท์) จะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็ก –> กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (ไฟที่เกิดขึ้นเป็นกระแสสลับ ต้องแปลงโดย rectifier ที่อยู่ในวงจรไฟฟ้าของ Smart phone เพื่อเปลี่ยนเป็นไฟฟ้ากระแสตรงชาร์จเข้า battery ในตัวเครื่องอีกที)

และตามกฎของฟาราเดย์ จากสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้น จะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลวน (Eddy current) เป็นวงรอบปิดภายในตัวนำที่อยู่ในระนาบที่ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กด้วย (และในความต่อเนื่อง กระแสไหลวนนี้ก็จะเหนี่ยวนำซ้ำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่ต่อต้านสนามแม่เหล็กที่สร้างตัวมันขึ้นมาซ้ำเป็น loop)

Al มี conductivity ทั้ง Thermal และ Electric อยู่ในลำดับต้นๆ ในบรรดาโลหะทั้งหมด (จะเห็นว่าสูงกว่า Stainless steel ด้วยซ้ำ)

การนำความรัอน Al เป็นรองแค่ Cu เท่านั้น

คุณสมบัติการนำไฟฟ้าอยู่อันดับที่ 4

ถ้าเราใช้วัสดุฝาหลังเป็น Al Alloy ฝาหลังที่เป็นโลหะ (กั้นระหว่างขดลวดทั้ง 2 ตำแหน่ง) จะเกิดการเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในแนวตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กที่เกิดจากขดลวดของ Wireless charger (ซึ่งฝาหลังก็อยู่ในทิศทางที่ตั้งฉากนี้พอดี)

กระแสไหลวนจะเกิดในทิศทวนเข็มนาฬิกา ในแผ่นฝาหลัง Al Alloy ที่มีความต้านทานไฟฟ้าจึงเกิดความร้อนได้ตามสมการ

แต่ถ้าเราใช้ฝาหลังเป็น Glass จะพบว่า แก้ปัญหากระแสไหลวน และ Heat ที่เกิดขึ้นได้ทั้งหมด

ภาพจาก ifixit เมื่อนำ mainboard ออก แสดง Pad ที่ปิดขดลวดทางด้านหลัง (ต้อง remove Pad ออกจึงจะเห็น coil)

จากภาพ X-ray ผ่านรูปด้านบนจะมองเห็น Phone coil ตรงกลางชัดเจน

OK ทีนี้เรากลับมาที่ฝาหลังกระจกที่เริ่มใช้ตั้งแต่ iPhone 8, X, Xs และถูกปรับปรุงคุณสมบัติล่าสุดใน iPhone 11

เซรามิก คือ วัสดุที่เกิดจากสารประกอบที่มี Glass matrix และ Crystalline phase

แก้ว คือ เซรามิกที่มีองค์ประกอบหลักเป็น Glass phase หรือ อาจมี Crystalline phase ด้วยบ้าง

กระจก คือ แก้วที่เป็นแผ่นราบแบน หรือมีรัศมีความโค้งได้ เช่น เลนส์,กระจกเว้า (mouth mirror)/นูน

เขียนในรูป Subset ได้ดังนี้

Apple ใช้ 3 คำโปรยในหน้าโฆษณาของ iPhone 11 ในนั้น คือ

1. มีการทำ Surface treatment เพื่อ Strengthening กระจกในระดับโมเลกุล

เรารู้ว่า กระจกที่ใช้ใน iPhone ตั้งแต่ปี 2007 มาจากบริษัท Corning

และเรารู้จักบริษัท Corning Glass Works ในช่วงทศวรรษ 90 ในฐานะบริษัทที่ผลิต All ceramic porcelain crown ที่ชื่อทางการค้า Dicor (แต่ปัจจุบันถ้าจะทำความรู้จักกับครอบฟัน Dicor ท่านต้องหาอ่านในหัวข้อ History of All ceramics in Dentistry อะไรประมาณนั้นครับ)

กล่าวโดยย่อ Dicor คือ ชิ้นงาน All Ceramic ที่เกิดจากการ burn out ของ wax เหมือนเทคนิคที่เราใช้เหวี่ยงโลหะครับ ingot จัดเป็น Castable glass ceramic ตัวแรกๆ เลย (ถ้าจำไม่ผิด)

อันนี้เอามาจากหนังสือ เซรามิกทางทันตกรรม ของท่านอาจารย์ ศ .บุญเลิศ กู้เกียรติตระกูล ครับ เกี่ยวกับบริษัท Corning กับจุด start ของ Glass ceramic

ปัจจุบัน Corning ไม่มีอะไรเกี่ยวกับวงการทันตกรรมแล้วครับ แต่ความร่วมมือของ Corning กับ Apple ยิ่งแนบแน่นขึ้นไปอีก

กระจกที่ iPhone ใช้เป็นคนละชนิดกับกระจกอีกตัวในชื่อการค้า Gorilla glass ซึ่งเป็น trade name ที่ผลิตโดย Corning เช่นกัน แต่ใช้กับ Smart device อื่นๆ เช่น Samsung galaxy series และบริษัทอื่นๆ (ปัจจุบันเป็น Gorilla glass รุ่นที่ 6)

2. ใช้การ milling ชิ้นงาน

เครื่องมือในการตัดกระจกแผ่นราบไม่น่าซับซ้อนเท่าเครื่องมือกลึงทางทันตกรรม และเป็นการตัดจากกระจกแผ่นเดียว จึงน่าจะเป็น Hard machining คือ เป็นเหมือนแท่ง ingot (แผ่นกระจก) ที่ fully sintered เรียบร้อยแล้ว (อันนี้เดานะครับ) เพราะ Apple เน้นคำว่า Precise (เพราะถ้าทำ Soft machining คือ มันต้องเผาชิ้นงานบางส่วนก่อนแล้วนำมา milling แล้วจึงนำไปเผาซ้ำอีกรอบ ถ้าเกิดการเผาครั้งที่ 2 ชิ้นงาน (กระจก) มันจะเกิดการหดต้วหลังเผา แม้เทคนิคการเผาซ้ำโดยปกติเช่น ถ้าทำกับ Zirconia จะเกิดการเปลี่ยน phase จาก tetragonal เป็น monoclinic ทำให้เกิด residual compressive stress ก็ตาม แต่ถ้าเน้นคำว่า Precision ไม่น่าจะใช้วิธีนี้)

อันนี้คือ คำอธิบายการ Strengthening จากเทคนิคการเผาซ้ำในการกลึงแบบ Soft machining ครับ

ลองดูสภาพ surface ของเครื่อง

3. มีการทำ Dual ion exchange

ในขบวนการ Strenghtening ชิ้นงานเซรามิกทั้งหมด ที่หมอสามารถทำได้ด้วยตัวเองในคลินิกมี 2 วิธีเท่านั้น (นอกจากคุณหมอจะมีเตา Bake porcelain อยู่ที่คลินิก หรือมีเครื่อง CEREC ข้างๆ unit)

1.คือ การขัดชิ้นงาน เพื่อลด microcrack (Griffith’s flaw)

2.การ cement ชิ้นงานด้วย resin cement

วิธีอื่นๆ นอกจากนั้น ต้องทำจากบริษัทผู้ผลิตเซรามิกทั้งหมด ไม่ว่าจะเป็น

-การทำ Temper หรือ Thermal Tempering (คือการเผาแล้วลดอุณหภูมิลงอย่างเร็วเพื่อให้ชิ้นงานข้างนอก set ก่อนแกนใน) —> residual compressive str

-การใช้ประโยชน์การ Crystalline phase (เกิด residual compressive str รอบๆ ผลึกทำให้ต้าน crack propagation)

สรุปคือ อะไรที่ทำให้เกิด residual compressive str เพื่อต้าน tensile str ที่มากระทำ ถือว่า Strengthening ได้หมด

แต่มีวิธีนึง ในทางทฤษฎีเราสามารถทำที่ lab ได้ หลังจากเรา finishing และ polishing ชิ้นงานเรียบร้อยแล้ว คือ กระบวนการเปลี่ยนไออน (ion exchange)

Principle ของการทำให้เซรามิก (กระจกของ iPhone 11) ก็ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง นั่นคือ ทำให้เกิด residual compressive str ที่พื้นผิว และ ion exchange ทำโดยการเปลี่ยนขนาดของธาตุ โดยทำให้ atom ของธาตุที่มีขนาด atom เล็กกว่าหลุดออกมา แล้วแทนที่ด้วยธาตุตัวที่มีขนาด atom ใหญ่ขึ้น

ไอออนที่มีขนาดใหญ่จะเบียด space ที่จำกัดเท่าเดิมทำให้เกิดแรงเค้นอัดตกค้าง ด้วยการควบคุมสภาพแวดล้อมขณะทำ ion exchange คือ อุณหภูมิ, ความเข้มข้นของสารละลายที่แช่ หรือ coat ชิ้นงาน เพราะกลไกที่ใช้คือ การแพร่ (Diffusion)

เพื่อง่ายต่อการทำความเข้าใจ เราจะทบทวน relation ระหว่างขนาด atom ของธาตุในตารางธาตุ

ในที่นี้ให้สนใจเฉพาะธาตุที่เป็น โลหะ Alkali ซึ่งเป็นธาตุหมู่ 1,2

พบว่า Li ขนาดเล็กกว่า Na เล็กกว่า K เล็กกว่า Rb ตามลำดับ

รูปอธิบายการทำ ion exchange คือการแช่ชิ้นงานใน KNO3 ในอุณหภูมิที่แก้วที่ชั้นผิวเริ่มเกิดการละลายออก K ที่มีขนาด atom ใหญ่ (0.26 nm) กว่าจะเข้าไปไล่ที่ Na (0.19 nm) ออกมา

สังเกตว่า K จะไม่เข้ามาลึกมาก อยู่ชั้นผิวๆ ความแข็งแรงที่เกิดขึ้นจึงอยู่ประมาณ 100 micron จาก surface ของชิ้นงานเท่านั้น (หลังจากทำ ion exchange จึงไม่ควรขัดชิ้นงานอีกเลย เพราะ 100 micron ที่ได้จะหายหมด)

แล้วกระบวนการแลกเปลี่ยนไอออนคู่ ต่างจาก กระบวนการแลกเปลี่ยนไอออน(ธรรมดา) ยังไง?

ดูกันชัดๆ มันคือ Dual ion exchange ไม่ใช่ ion exchange ธรรมดา

ตามประวัติแล้ว Dual ion exchange ค้นพบหลัง ion exchange ประมาณ 23 ปี

แสดง paper ของ Dual ion exchange ปี 1993

Dual ion exchange เป็นการทำการแทนที่ด้วยไอออน 2 ครั้ง คือ

ครั้งที่ 1 จะแทนที่ Na (0.19) หรือ K (0.26) ด้วย Li (0.12 nm) ที่อุณหภูมิสูงกว่าการทำ ion exchage ปกติ เพื่อให้ความหนืดของแก้วลดลง (flow มากขึ้น) และ Li จะ diffuse เข้าผิวได้ลึกที่สุด

ครั้งที่ 2 จะทำที่อุณหภูมิปกติ (เหมือน ion exchange ธรรมดา) เพื่อแทนที่ Li (0.12) ด้วย Na (0.19) อีกครั้ง ทำให้เกิด residual compressive str คงเหลือในผิวชิ้นงานในที่สุด

พบว่านอกจาก นอกจาก Dual ion exchage จะให้ Flexural str ของชิ้นงานเหนือกว่า ion exchange และให้ความหนาของชั้นผิวที่หนากว่าด้วย (จาก ion exchange ครั้งที่ 1 ซึ่ง Li แพร่เข้าไปได้ลึกขึ้น)

ตัวเลขความหนาของชั้น Dual เพิ่มขึ้นจาก 50-100 micron เป็น 140 micron

(สังเกตว่า Abstract ของ paper ที่ยกมาข้างบน แทนที่ K ด้วย Rb (0.29 nm) เลยนะครับ)

จากรีวิวของฝรั่ง กระจกหลังของ iPhone 11 เป็นแบบกระจกด้าน (matte glass) ตรงนี้น่าจะเกิดจากการทำให้ matte อย่างตั้งใจของ Apple เพื่อลดรอยนิ้วมือจากการจับ ไม่ใช่ effect จาก Dual ion exchange เพราะกระบวนการทำ Dual ion/ion exchange มีข้อเด่นที่เหนือกว่าการทำ Thermal tempering คือ ไม่มีผลต่อ Optical property (translucency, no discolor)

เราจึงอาจเรียก กระบวนการ ion exchange อีกอย่างว่า Chemical tempering นั่นเอง