Zoom sur la durabilité du verre des téléphones intelligents

L’armure invisible de votre écran

Nous avons tous échappé notre téléphone intelligent et avons craint d'endommager l’écran. Lorsque l’écran résiste, c’est grâce à un verre spécialement traité. La conception ingénieuse de verres comme le Gorilla Glass renforce ces écrans très minces et les rend résistants aux chutes occasionnelles.

Le verre est plongé dans un bain de sel fondu à plus de 400 °C. Pendant ce trempage, les plus petits ions alcalins présents dans le verre (les ions Na+) sont remplacés par des ions plus gros (les ions K+). C'est comme remplir une valise à ras bord. L'effet de compression crée une couche de pression profonde, à l’échelle du micron, qui exerce une pression vers l’intérieur. Cette armure invisible maintient les atomes de verre solidement liés et empêche les minuscules défauts de se transformer en grosses fissures.

Accélérer les essais de résistance du verre

Si ce verre résiste bien aux chutes, qu'en est-il des dommages progressifs causés par les éléments? Qu'il s'agisse de la chaleur intense du tableau de bord d’une auto, d’une humidité élevée ou d’un ensoleillement intense, l’exposition aux éléments dégrade les matériaux au fil du temps.

Afin de déterminer si l'exposition affaiblit ce type de verre, l’équipe de recherche du Laboratoire de fabrication intelligente et circulaire (LFIC) de l’ÉTS a testé Gorilla Glass en accélérant son vieillissement. Ils ont placé le verre dans une chambre d’essai spéciale (figure 1) et l’ont exposé à un rayonnement ultraviolet (UV) intense, à des températures pouvant atteindre 95 °C et à des taux d’humidité allant jusqu’à 60 % pendant 30 à 300 heures. Ainsi, l’équipe a pu analyser en quelques jours seulement l’équivalent de plusieurs années de dégradation dans des conditions réelles. Bien que cette méthode ne reproduise pas exactement le vieillissement naturel, elle fournit une estimation approximative précieuse. La recherche permet ainsi de mieux comprendre les mécanismes de dégradation à long terme impossibles à observer dans le cadre d’essais standards.

Une surface plus lisse mais plus trouble

Les résultats ont pris une tournure surprenante. Le verre altéré est devenu plus lisse à l’échelle microscopique, mais il s’est également légèrement voilé. Lorsque l’humidité et la chaleur élevées interagissent avec le verre, l’eau réagit avec le matériau de surface. Ce phénomène agit comme un procédé de polissage microscopique, de deux façons (figure 2). Premièrement, les pics microscopiques les plus pointus de la surface se dissolvent plus rapidement que les zones plates. Deuxièmement, le verre absorbe l’eau et gonfle légèrement. L’action de dissolution fait fondre les pics pointus, tandis que le gonflement comble les minuscules dépressions, laissant la surface beaucoup plus lisse.

Cependant, cette réaction crée une couche spongieuse à la surface même du verre. Cette couche, dont l’épaisseur est généralement inférieure à 50 nm, est des milliers de fois plus mince qu’un cheveu humain. Les minuscules dépressions de cette couche spongieuse piègent et diffusent la lumière, en particulier la lumière bleue et les rayons UV. Ce phénomène repose sur le même principe scientifique qui donne au ciel sa couleur bleue. En raison de cette lumière diffuse, le verre devient moins transparent et légèrement voilé.

Une armure incassable

Pourtant, une question essentielle demeure : l’exposition affaiblit-elle le verre? Pour tester la résistance du verre, on a glissé un outil à pointe diamant sur sa surface. On a appliqué une pression croissante afin de déterminer le moment où le verre se rayerait ou se fissurerait. Malgré l'effet légèrement voilé et les minuscules trous causés par l’attaque de l’eau, le verre est resté très résistant.

La conception ingénieuse de verres comme le Gorilla Glass permet de renforcer ces écrans très minces afin qu’ils résistent aux chutes occasionnelles. Le secret réside dans l’épaisseur de la couche protectrice d’origine. Les expositions n’ont affecté qu’une très fine couche superficielle du verre. Or, la couche protectrice, d’une épaisseur d’environ 50 µm, est environ 1 000 fois plus épaisse que la zone endommagée. Cette épaisse couche a complètement bloqué toute fissure causée par l’exposition. En termes simples, la surface s’est légèrement usée, mais la couche protectrice profonde a tenu bon et a empêché les fissures de se propager.

Perspectives d’avenir : des téléphones intelligents aux voitures autonomes

Pour les utilisateurs assidus de téléphones intelligents, c’est une excellente nouvelle. L'écran résistera toujours aux intempéries, même à la plage ou s'il est laissé dans une voiture surchauffée. Autre avantage : ces verres ont une longue durée de vie, ce qui facilite le recyclage des vieux appareils électroniques et contribue à réduire les déchets.

Cependant, cette légère perte de clarté constitue un enjeu majeur pour les technologies futures. Si l’œil humain ne peut détecter une diminution de 1 % de la clarté du verre, les capteurs avancés, eux, pourront le faire sans aucun doute. Par exemple, les voitures autonomes sont dotées de systèmes laser pour « voir » la route, et les professionnels de la santé utilisent des écrans à haute résolution pour diagnostiquer des maladies. Dans ces applications de pointe, même la plus légère opacité due aux intempéries pourrait perturber les signaux laser ou rendre les images plus difficiles à interpréter.

En comprenant exactement comment et pourquoi ce verre se détériore, les ingénieurs et ingénieures peuvent désormais en estimer la durée de vie. Ainsi, on pourra concevoir des matériaux plus performants et plus résistants pour l’électronique et les véhicules de demain.