度量衡的專題新知

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「氣」在講究休養生息的今日,是一門相當大的學問!不過此刻要說的「氣」還不到那樣的哲理藝文層次;說文解字破個題,這裡談的是物質三態中的「氣體」,為什麼要談「氣體」?以筆者個人來說,因為覺得它相當的氣人、刁鑽又「ㄍㄠ怪」。不僅是摸不著,多數還看不見、嗅不到,越嗅不到的通常越危險,若不小心閃個神,還會出其不意的閃火、爆炸,亦或是瞬間無形噴射;比較起來,戴手套碰鹽酸比與氣體為伍還讓人心安自在;所以科學上的「氣體」跟哲理藝文的「氣」同樣都是深不可測的大學問,偏偏這門大學問在大學專職教育中,遠比學「氣功」來得乏人問津(像筆者就是在職場上從氣體調壓閥如何使用開始學起);因此,在氣體這裡頭鑽揣的人,需要相信一切老天自有安排,是機緣,也是考驗。

 

 
 
2004年一部發人深省的電影「明天過後」(The Day After Tomorrow)讓大家對大自然的反撲力量感到驚悚震撼,然而,電影終究只是電影;人們對於全球暖化,氣候變遷雖已逐年感受顯著,但總是認為電影情節會發生在…若干年後,所以電影一看完,生活還是一樣照著慣性走。直至2011年初,當下感受到持續的天寒地凍,「明天過後」的震撼不知是否重回心底?對於極端氣候的產生因素是否多一點想法?雖然目前各學派說法不一,甚至有一說法是:現今民眾所體現的極端氣候其實才是地球所應週期呈現的正常氣候!但最普遍的說法還是歸結極端氣候的產生是全球暖化所導致,因此整個究因追溯鏈成形為:極端氣候→全球暖化→溫室效應→溫室氣體排放→工業污染;而世界各國因此以京都議定書為起點,開始檢討各國工業發展所帶來的大量溫室氣體排放。

 

 
 
溫室氣體不僅指二氧化碳(CO2),京都議定書附件A明列管制之六類溫室氣體,包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)、氫氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)與六氟化硫(SF6)等六類氣體,除了CO2為各產業製程燃燒產物之外,多數為高科技、綠能產業製程使用之特殊氣體(specialty gases)。以半導體及光電業為例,所使用之種類除了上述外,尚包含:NH3,SiH4,Cl2,F2,N2等近二十餘種氣體;而此類氣體多數為急毒性與高反應性,因此其運作與末端排放處置需要使用者(使用產業)對於氣體特性有深入的瞭解,才不至於引發工安意外或是環保爭議。

 

 
 
以太陽能綠能產業為例,因是打著「節能減碳顧環保」的保護傘前進,容易讓人輕忽它不可承受的輕_特殊氣體矽甲烷(SiH4)的大量使用。2010年4月美國Scientific American的專文報導「Explosive Silicon Gas Casts Shadow on Solar Power Industry」:一直以來,矽烷氣體都是威脅太陽能產業作業人員安全的一大隱憂。2007年,一家位於印度班加羅爾郊外的太陽能電池廠發生爆炸,一人死亡。2005年,台灣一家工廠內的常規操作引發SiH4自燃,一人死亡,停產3個月。兩起事故的罪魁禍首都是矽甲烷(SiH4);該氣體最可怕的特性在於只要一洩漏就會與空氣中的氧氣起反應開始燃燒;或是只要管路中有些許氧氣存在,即會反應生成SiO2,造成氣流管路阻塞,若是操作當下沒有仔細辨識,當阻塞造成的管壓超過負荷,瞬間爆炸意外的發生終將難以避免。

 

 
 
根據美國一家特殊氣體安全諮詢公司彙整的資料指出,過去20年中,在太陽能電池產業的工安意外中,SiH4爆炸已造成全球至少10人死亡,而其他氣體事故造成的死亡數則幾近為零。更為重要的是,當我們因為全球暖化議題想降低溫室氣體排放量,而積極推動太陽能產業的同時,是否想過已過度美化了其產業發展,而忘記此類工業製程中不可避免地正在製造與排放溫室氣體;不僅如此,與傳統產業比較而言,該製程中所使用的特殊氣體可能更具毒性、反應性。對於製程的從業人員而言,可能是更危險的作業場所;而對產業製程鄰近的住宅區而言,因為此類綠能產業被認定為輕工業,所以廠址與住宅較為接近,容易讓人忽視這所謂「輕工業」可能帶來的居家風險,而這也是太陽能產業所不可承受之「輕」污染。

 

 
 
至於這樣的產業需要什麼樣的設施與技術支援才能使製程運作安全無虞呢?首要是特殊氣體供應系統的設計需達必要安全指標;而安全指標的確認就需要檢測技術的支援。此外,隨著高精度製程的演進,製程使用端亦已逐年提高對於製程氣體純度品質規格的要求,至近年已達99.999 9 %(電子級純度)以上,甚至是更高等級;而此類高規格氣體的製造價格不斐,因此氣體的製程利用率與再回收率可望成為綠色製程關切的主題之一。

 

 
 
上述為來自產業各面向對於先進製程檢測技術的需求,意涵著氣體檢測技術的提升,正面臨兩大極端的挑戰:第一挑戰為檢測設備對於各氣體物種之儀器偵測極限需至少低於1 ppb,由目前各設備廠所開發的儀器設備與規格(如:FTIR、RGA、QMS或是CRDS)來看,此一挑戰似乎已被克服;第二大挑戰,也是截至目前尚未完成的難題,屬高準確度實廠(on-site)同步檢測技術的開發。由於高科技產業所使用之氣體種類達數十種之多,製程流量參數變化極大,其中又包含了高反應性與急毒性氣體(如前述所提SiH4、NH3、Cl2、F2),此類氣體的製程逸散或排放評估,需仰賴實廠分析,而要在移動式檢測設備中,維持系統高穩定性,以同步進行數十種化學物種的監測,不僅需要檢測技術開發者對於產業製程參數的充分瞭解以作通盤考量,亦需要產業本身願意配合調整實廠製程作業,以提供技術開發者進行實廠測試的機會,因此技術開發成功的參數就無法僅靠研究團隊的專業智能;此項技術挑戰的達成就如同挑戰百嶽攻頂,一定得隨時get ready,然後等待「天時」、「地利」、「人和」契機的出現。

 

 
 
高科技電子、綠能產業的發展與推動是全球人類智慧累積與生活經驗的回饋與集結;是人們無法放棄科技便利生活的極致追求下,對於生活、生命、以及環境的一種補償策略;是在追求便利科技生活與保護生活環境的翹翹板上,人類用以平衡天秤兩端的質量補償法碼。特殊氣體的開發在這樣的科技潮流下應運而生,如前述所言,這些氣體的運作危機已然潛藏在綠能產業開發的糖衣之下,是看不見卻不能再視而不見的「輕」污染。不可諱言,在嚴格管控與充分專業的系統運作下,此類特殊氣體運作產業的發展,所需付出的環保代價可能比傳統產業來得可承受;但低污染不代表低風險,常令人為之氣結的,就是人們高傲輕忽特殊氣體運作與測試所需承受的高度作業風險、高深莫測如天機不可洩漏的製程濃度與流率變化、以及從業人員對於專業智能意欲求之而不可得的渴望。因此如何讓「氣體」不再氣人,而能利人、利己、利他,就如同國內第一氣體大廠退休的老前輩說的:「這真是一門值得一生追求的大學問,聰明才智有最好、信心不可少、耐心毅力最重要、就這樣一路拼到老。

 

 
 
 
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