Vật liệu cho thiết bị di động

Khi người dùng khó tìm ra lý do để mua mới thiết bị hay nâng cấp lên phiên bản mới nhất thì các nhà sản xuất luôn tìm cách thay đổi sản phẩm để kích thích sức mua thị trường. Vật liệu là một vấn đề quan trọng trong những cải tiến của thiết bị di động.

Trong 4 năm qua, dòng máy điện thoại thông minh đã có nhiều thay đổi. Chất lượng của màn hình hiển thị tăng lên đáng kể, từ độ phân giải HD nay đã có 2K như Samsung S5, LG G3... Thời lượng pin có cải thiện nhưng vẫn chưa thể đáp ứng được nhu cầu, khi mà các thành phần khác như bộ xử lý, chip đồ họa...  có tốc độ phát triển nhanh hơn nhiều.

Để đối phó với thị trường đang dần trở nên bão hòa và đầy cạnh tranh, hầu hết các nhà sản xuất đã có sự thay đổi lớn trong việc lựa chọn vật liệu để thiết kế thiết bị di động thông minh của mình. Điều này đang trở nên đúng đắn khi mà ở phân khúc cao cấp thì chu kì nâng cấp thiết bị của người dùng đang dài ra và lâu hơn. Khi người dùng tìm thấy ít lý do để nâng cấp lên sản phẩm hay phiên bản mới nhất thì các nhà sản xuất phải có những điểm thay đổi để ngăn chặn việc giảm sức mua.

Trong khi thiết kế sẽ còn mất một khoảng thời gian khá dài để có sự đột phá thì việc lựa chọn vật liệu để phát triển sẽ dễ dàng hơn nhiều. Vật liệu được sử dụng cho smartphone hiện tại khá tốt nhưng vẫn còn tồn tại nhiều vấn đề. Các thiết bị sử dụng nhôm có độ bền thấp, nặng hơn còn dòng sản phẩm nhựa tổng hợp polycacrbonate thì làm giảm giá trị sản phẩm... Bên cạnh đó là nhiệt độ của thiết bị, chi phí sản xuất và quan trọng là kích thích người dùng.

Lựa chọn vật liệu thiết kế là một chủ đề phức tạp bởi vì nó dễ bị bỏ qua bởi các tính năng màu mè. Có 3 vật liệu chính được sử dụng trong việc chế tạo thiết bị di động là nhựa, thủy tinh và kim loại.

Vật liệu nhựa
Polycarbonate là nhựa tổng hợp được sử dụng nhiều nhất trong việc thiết kế smartphone bởi khả năng chịu va đập mạnh, chịu nhiệt độ cao và khá linh hoạt. Điểm nổi bật của polycarbonate được thể hiện trên dòng máy cao cấp Galaxy S và Note của Samsung hay phân khúc bình dân của Nokia Lumina. Ngoài ra, đặc tính kĩ thuật cũng góp phần không kém để polycarbonate là vật liệu được lựa chọn hàng đầu của các OEM. Vào năm 2002, đã có các cuộc nghiên cứu chứng minh rằng polycarbonat không làm ảnh hưởng đến khả năng thu và phát sóng. Polycarbonate cũng giúp thiết kế kiểu dáng, tạo hình trở nên thuận lợi hơn, góp phần  giảm chi phí sản xuất cũng như thay thế do nguồn nguyên liệu luôn sẵn sàng. Giá thành của Polycacbonate so với nhôm hay thủy tinh là một lợi thế đáng kể trong việc tăng tỷ suất lợi nhuận của sản phẩm.

Bên cạnh đó, vật liệu này cũng có vài nhược điểm cần khắc phục. Polycarbonate là một chất dẫn nhiệt kém, vật liệu này sẽ làm giảm khả năng giải phóng nhiệt được tỏa ra. Điều đó có nghĩa là tốc độ xung nhịp của cả CPU và GPU trên chip SoC sẽ thấp hơn smartphone và tablet có vỏ bằng kim loại như nhôm và magie. Độ dẫn nhiệt được xác định bằng nhiệt lượng truyền qua một đơn vị diện tích vật liệu trong một đơn vị thời gian. Độ dẫn nhiệt λ[W / (m*K)] của nhôm là 209 watt trên mỗi mét Kevin, 156 W / m * K là của magiê, 0,8 W / m * K cho thủy tinh thông thường, và 0,22 W / m * K cho polycarbonate.

Điều này có nghĩa rằng trong điện thoại và máy tính bảng hiện nay, một thân máy làm từ nhựa nói chung nếu chạy ứng dụng nặng sẽ chậm hơn thân máy làm bằng kim loại hoặc thủy tinh.

Ngay từ những lần thử nghiệm ban đầu, polycarbonate được cho là có độ bền gấp 300 lần so với nhựa thông thường và sự linh hoạt của vật liệu này thích hợp để tạo ra các smartphone mỏng, nhỏ gọn. Tuy nhiên vẫn còn đó những tranh cãi về việc liệu polycarbonate có thể bảo vệ smartphone hay tablet tốt hơn hay không?

Bởi vì các sản phẩm này không được thiết kế để tạo ra các vùng hấp thụ xung lực như trên xe hơi. Thậm chí mặt lưng phía sau còn phải đảm nhiệm chức năng khác, ví dụ như ăng-ten mặt sau để có không gian thu phát sóng vô tuyến. Vì thế, việc tác động lớn vào nắp đậy phía sau smartphone sẽ gây ảnh hưởng đến kết nối ăng-ten.

Một trong những ví dụ đáng chú ý nhất của vấn đề này là smartphone HTC One X trang bị chip Tegra 3. Phiên bản di động này thường mất cả sóng Wi-Fi và Bluetooth do lỗi thiết kế nằm xung quanh các điểm kết nối trên ăng-ten nằm ngay ở vỏ mặt sau. HTC lúc này chỉ có thể sửa lỗi thông qua việc cập nhật phần mềm và rất khó để có thể tăng cường khả năng thu, phát sóng của ăng ten.

Kim loại
Kim loại được ca ngợi là vật liệu thể hiện sự sang trọng trong sản phẩm di động. Tuy nhiêu hầu hết các ý kiến này chỉ xuất phát từ tính cảm quan chứ không phải bắt nguồn từ ưu, nhược điểm của việc sử dụng kim loại. Trong thiết kế sản xuất thiết bị di động thông minh thì phổ biến nhất là nhôm, magie, còn đẳng cấp cao hơn thì có titan. Trong phạm vi bài viết chỉ đề cập đến vỏ nhôm, còn titan thì quá xa xỉ và magie thường được sử dụng làm phần khung bên trong của máy.

Hợp kim nhôm có những lợi thế riêng biệt, bỏ qua mặt cảm quan thì việc sử dụng vật liệu này trên smartphone và tablet sẽ tăng khả năng bảo vệ các linh phụ kiện bên trong thân máy. Dòng smartphone này cũng không được thiết kế để tạo ra vùng hấp thụ xung lực tương tự như đã nhắc đến ở phần vật liệu nhựa nhưng lại có các điểm an toàn. Các điểm an toàn này được thiết kế chắc chắn, cứng rắn hơn các điểm khác để có thể bảo vệ các thành phần phía sau trước các tác động cơ học mạnh.

Với Iphone 4, ăng ten bên ngoài được thiết kế hoàn toàn bằng nhôm chạy xung quanh các cạnh của điện thoại. Đây là một điểm nhấn của thiết kế, cấu tạo của các smartphone sử dụng vật liệu nhôm. Hiệu suất thu và phát sóng bên ngoài của iPhone 4 tốt hơn rất nhiều so với hệ ăng ten phía trong của iPhone 3G.

Chức năng khác của ăng ten là để hướng năng lượng bức xạ theo một hay nhiều hướng mong muốn. HTC One M8 có hiệu suất hướng năng lượng bức xạ EIRP trên băng tần CDMA 1900 Mhz cao hơn so với  Galaxy S5. EIRP cao thường cho khả năng nhận sóng tốt hơn mặc dù có cùng độ nhạy đẳng hướng EIS (độ nhạy của ăng ten theo một hướng).

Vì độ cứng của kim loại cũng cao hơn các loại vật liệu khác nên cũng khó có thể tạo ra các vết xước. Nhôm sẽ thể trở nên cứng hơn và bền hơn sau khi trải qua một công đoạn được gọi là “anodizing” (điện phân anode).

Một lợi thế quan trọng của nhôm là khả năng dẫn nhiệt cao cho hiệu suất xử lý tốt hơn so với các vật liệu khác. Vì thế nên các thiết bị tản nhiệt trên PC thường được làm bằng nhôm hoặc đồng chứ không phải là Polycarbonate hay thủy tinh.

Khi so sánh hiệu suất giữa Galaxy S5 sử dụng vỏ polycarbonate và HTC One (M8) làm bằng nhôm tổng hợp đã cho kết quả khá rõ rệt. Tỷ lệ khung hình của One M8 cao hơn đáng kể so với Galaxy S5.

Trong các thử nghiệm hiệu suất , tỷ lệ khung hình của One (M8) cao hơn so với S5 của Galaxy đáng kể, như được thấy trong biểu đồ dưới đây.

Cũng giống như các vật liệu khác, nhôm cũng không phải là vật liệu hoàn hảo trong sản xuất các thiết bị di động.

Từ các thiết kế kim loại, cho thấy rằng các thiết bị di động này sẽ không thể sử dụng ăng ten bên trong. Điều này có nghĩa là thiết bị sẽ ít điều chỉnh đẳng hướng (hướng độc lập) trong việc tiếp nhận các tín hiệu vô tuyến.

Ngay cả với ăng-ten bên ngoài với các bộ phận kim loại bao bọc bên ngoài sẽ gây ra tình trạng lệch hướng tín hiệu khi có bàn tay chạm vào, hoặc với các vật thể dẫn điện nói chung. Điều này khiến các nhà sản xuất phải hỗ trợ nhiều tần số cùng một lúc trên ăng ten ngoài để có thể thay đổi khi sự cố xảy ra. iPhone 5S/HTC One M8 với vỏ nhôm không có sự khác biệt trong phương thức thu và nhận sóng. Việc sử dụng nhiều ăng-ten ( nhận /truyền đa dạng) và bộ điều chỉnh hoạt động của ăng-ten thiết kế bằng kim loại có thể có vài điểm sự khác biệt đáng chú ý trong khả năng truyền phát, dù sự khác biệt này tốt hay không còn phụ thuộc vào tần số sử dụng.

Ngoài việc giới hạn bộ thu - phát sóng ra thì một hạn chế khác của kim loại chính là độ biến dạng, đàn hồi. Khi rơi hoặc bị tác động mạnh thì linh kiện phía bên trong thiết bị di động vẫn an toàn nhưng có nhiều khả năng bề mặt bằng vỏ nhôm sẽ bị biến dạng và mất tính thẩm mĩ.

Thân nhôm nguyên khối có chi phí sản xuất cao hơn hầu hết các vật liệu như nhựa hay thủy tinh. Điều này ảnh hưởng lớn tới giá thành của sản phẩm. Ngoài iPhone ra thì hầu hết các máy nhôm nguyên khối khác đều không khả quan trong việc phân phối. Điểm hạn chế cuối cùng lại chính là ưu thế của vỏ nhôm - đó là khả năng dẫn nhiệt. Nhiệt độ cao sẽ khiến máy rất nóng, ảnh hưởng trực tiếp lên người dùng.

Hợp kim magie có thể là một giải pháp tốt hơn. Vật liệu này nhẹ hơn nhôm, khả năng truyền sóng vô tuyến cũng tốt hơn nhôm. Nói chung, magie có nhiều lợi thế hơn nhôm, nhựa và thủy tinh trong đó bao gồm khả năng dẫn nhiệt, độ cứng tương đối và chống được trầy xước. Về lý thuyết, đây là vật liệu phù hợp hơn tất cả để thiết kế cho thiết bị di động.

Trên thực tế thì thân máy hay vỏ làm từ magie không thực sự khả thi chủ yếu do bản chất magie dễ phản ứng trong môi trường oxy hóa. Nếu không được xử lý bề mặt, magie sẽ nhanh chóng bị ăn mòn. Vật liệu này lại không phù hợp để làm vỏ mà thường được sử dụng làm bộ khung phía bên trong.

Thủy tinh
Đây là vật liệu đã được ứng dụng vào thiết kế cho một số thiết bị di động trên thị trường như dòng máy Nexus của Google. Thủy tinh là vật liệu cứng nhất và chống chầy xước tốt hơn nhiều so với nhôm hay polycarbonate. Tuy nhiên, vật liệu này lại giòn và dễ vỡ bởi tính đàn hồi kém.

Kính làm từ kiềm - aluminosilicate, được đánh giá rất cao về khả năng chịu lực và chống xước. Vật liệu này thường được nhắc đến với nhà sản xuất Gorilla Glass, kính aluminosilicate loại phổ biến nhất của thủy tinh dùng làm vỏ bên ngoài của điện thoại. Về tính dẫn nhiệt thì kính aluminosilicate nằm giữa nhôm và polycarbonate. Kính này cũng không làm ảnh hưởng nhiều đến khả năng truyền tín hiệu và cho phép thiết bị di động sử dụng ăng ten trong.

Ngoài việc vật liệu này có hệ số an toàn khá thấp, kính aluminosilicate còn khiến việc thiết kế kiểu dáng bị hạn chế, kích thước thường thấy là khá nhỏ và đang hạn chế ở thiết kế mặt phẳng.

PC World VN, 06/2014