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何故あなたのスマホのガラスは割れるのか、化学強化ガラスの仕組みや弱点を解説!

「高いガラスフィルム買ったのに割れちゃった」

嫁さんのiPhone 8 を見ると、保護用のガラスフィルムがきれいに割れていました。嫁さんは先代iPhoneも落下によるガラス破損で買い替えており、その反省で〇ドバシの店員から一番強い保護ガラスをオススメしてもらったそうですが…簡単すぎる、あっけなさすぎる…。

化学強化の技術が発展し、ガラスは昔に比べて強くなりました。ただ割れる時は割れます。
「強化ガラスは万能じゃないよ」という旨、軽く説明していこうと思います。

化学強化ガラスが強い理屈

破壊って、細かい傷から進行していくんですよ。紙を破るとき、切れ込みを入れてあると容易く破れますよね。切れ込みの根元みたいな、鋭角な形状には力が集中しやすいんです。応力集中っていうんですが、ごく自然な現象なので想像しやすいかと思います。

で、ガラスの化学強化って何をしてるかというと、ガラスの中に圧縮する力を発生させています。

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小さいNaを大きなKに置き換えることで、ガラス内がぎゅうぎゅうに詰まった状態になります。これにより、圧縮する力(圧縮応力)が発生します。圧縮する力がガラス内に働いてるから、傷がついても傷を圧縮する、切れ込みが広がるのを防ぐ。つまり、強いガラスになるわけです。ちなみに、日本刀が刃こぼれしにくいのも圧縮応力が働いていることが一因です。

化学強化ガラスも端面は弱い

ガラスの端面は、表面よりも割れやすいです。加工上の理由で細かい傷が多く、それが起点となり割れるからです。これは強化ガラスでも同様です。

製品に使われるガラスは、大きな一枚板から切り出され、(物によっては曲げ加工した後に)研磨し、最後に化学強化を行います。途中の研磨工程で表面は細かい傷が少ない平滑面になりますが、切り出した端面は表面ほどきれいに研磨できません。そもそも、切り出されるタイミングで面も大きく荒れてます。だから、ガラス端面には割れの起点となる傷が多く、弱いのです。

嫁さんの件のような、表面に貼るタイプのガラスフィルムは、この弱い端面がむき出しになっています。表面からの衝撃にはそれなりに強いガラスだったのかもしれませんが、端面に直接衝撃が加わると強化ガラスも脆いものです。僕が昔、タブレット端末の開発に従事していた時に、ガラス端が囲いより高いものや、ガラス端と囲いのクリアランスが狭いデザインの端末は、落下評価で苦労したものです。

表面硬度より強化深さが大切

表面硬度の強さを語る保護アクセサリもありますが、これって実際に落下耐性にプラスになっているのでしょうか?

ガラスの強化具合を見るとき、圧縮応力層の厚み(DOL:Depth of Layer)と、圧縮応力(CS:Compressive Strength)のグラフを参考にします。

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前の章では説明を省きましたが、圧縮応力が発生しているガラスは、内部に引張応力がかかっています。(グラフの斜線部が引張応力だと思ってください。)

この引張応力が大きくなると、ガラスは割れやすくなります。なので、圧縮応力を高くしたまま圧縮応力層の厚みを増やすことはできません。なので、表面硬度が極端に高い物って強化の深さが浅いんですよね。だから表面の傷には強くとも曲げや、一瞬の衝撃には弱い、と言えます。ドリルで穴が開かないガラス!みたいなのはインパクトはあるんですけどねー。

年々強くなるガラス、しかし何故割れるのか

以前より深く強化することが出来るようになり、ガラスの落下耐性もずいぶん向上しました。でも、スマホのガラスを割る人っていなくならないんですよね。何故でしょう。

結論から言うと、素材が強くなる分だけ厚みを薄くしてるんですよね。なので、総合的な強さは変化していません。材料の実力向上を薄さに当てるこの傾向、ガラスに限りません。外装にしたってABSからPC+ABSやガラス強化PCにした時、プラからマグネシウム合金にした時、肉厚が削られてきました。

ちょっとした肉厚がそんなに大切なの?って思う人もいるかと思います。これが結構効いてくるんですよね、スマホに限らずあらゆる端末が、0.05mmのオーダーまで詰めています。0.1mmでも空間が貰えれば、加えられる機能、向上するスペックがあるものです。

落下すると割れる

化学強化ガラスにも弱点はあるし、強くなった分だけ薄くなるから総合的な実力は昔とそんなに変わらない。これがガラスが割れる理由です。

もっと突っ込むと、落とすから割れるんです。だからガラスフィルムとかケースで落下したときの対策をするよりも、「どうすれば落下を防げるか」を考えた方がいいのかなと、個人的には思っています。

例えば手から滑り落ちにくい素材のケースにするとかストラップつけるとか、ポケットから落とすことが多いなら鞄に入れるとか。

落下って、落ち方や当たり所で助かったり助からなかったりします。MIL規格を謳っている製品は多くありますが、あの落下規格も結構適当ですしね。どんな端末も落とせば壊れると考えて、丁寧に扱いましょう。