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冷氣遙控除了溫度外,更該告訴你電費——節電台北篇

自己的電自己省_96
・2015/09/03 ・1963字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

今年(2015),經濟部能源局和全台19個縣市政府共同推動了「智慧節電計畫」,定下要在本年度達成 2%的節電目標。在這系列的文章中,我們除了會介紹各種不同的節能科技外,更要從各縣市的企劃書當中,挑出既有趣又有話題性的節電政策為各位進行剖析和分享。

就讓我們先從台北開始吧!

(本系列文章由經濟部能源局贊助,泛科學策劃執行。)

每逢夏天,在信箱裡又摸到電費帳單時,總會攘人暗自心驚,因為這代表著荷包即將又要大失血了!夏季電費本來就比其他季節貴上一截〈以家庭平均每月用電330度計算,6月到9月每月的電費會比非夏時期貴上65元〉,加上夏日炎炎,人們對空調的依賴程度又特別大,讓人不禁開始埋怨那支平常要找還不太容易的冷氣遙控:「除了溫度以外,你也該告訴我花了多少電費吧……。」

冷氣是位居亞熱態的台灣家家戶戶不可或缺的家電
台北市用電情況冷氣是位居亞熱帶的台灣家家戶戶不可或缺的家電,卻也帶來大量的電力消耗。

台北市用電情況

以台北市為例,2014 台北市全年民生用電量約 52.51億度,其中夏季用電量是 19.29億度,佔了全年民生用電量的 36.7%!儘管這個數字已經是近三年來的新低,但由於氣溫上升而造成的用電增加,仍然可見一斑。

為了達成 2%節電目標,所有縣市政府無不絞盡腦汁,希望能找出最佳的節能方案,其中台北市提出的方案之一,便是「智慧節能系統」。

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什麼是智慧節能系統

能源管理系統的運作原理。
能源管理系統的運作原理。

智慧能源系統又稱能源管理系統(Energy Management System, EMS),其實就是能源管理的人工智慧秘書,「EMS的基礎功能是紀錄並分類電力的流向,進而協助用戶管理能源使用。」服務於台北市政府產發局,負責協助進行EMS系統推廣的許淑品專員這麼解釋。換句話說,以往我們得要看到電費單,才知道當月電費的支出金額,但在引入 EMS後,任何一台電器在每分鐘裡,支出的電費都會被詳實地列入報告當中。

試想,要是你的冷氣、電腦、遊戲機每小時都會向你回報一次它又消耗了多少電量和電費,在按下開關前,你是不是會多猶豫個幾分鐘呢?

此外,電腦自動微調家電將會是 EMS的進階功能,包含能源的價格、離峰用電價、甚至於天氣預報都會納入 EMS主機系統,再搭配建築物內的各項感測器,自行微調電器的功率,以達到最高的能源效率。以照明設備為例:EMS搭配感測器後,就可以根據室外自然光的強度調整燈泡功率,像是在陽光充足時調低亮度,陰、雨天時再將亮度調高,減少不必要的電力消耗。

事實上,台灣已經有一些建築開始實際應用這種EMS系統。國立中央大學在2011年時與國外廠商合作,透過系統自動控制整棟行政大樓的照明及空調設備,省電效能達到40%,相當於一年十二萬度電,三十三萬元的電費。

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台北市節電計畫

台北市
台北市節電目標:2.78億度;台北市申請經費:3.45億元  (點擊看大圖)

台北市在這次的「智慧節電計畫」中,除了要引入前面提到的智慧節能系統外,也準備舉辦節電競賽、節電講座和補助獎勵等活動,鼓勵民眾主動節電,並要求公家機關和公營停車場、市場必須逐漸汰換老舊設備,降低電力耗損。總計全年度將投入3.45億的預算,預計可以省下2.78億度的電力使用。

至於這些措施到底能否直接反映到電力消耗的下降,或者只是單純的消化預算,仍有待大家進一步的觀察和監督。

特別感謝

  • 台北市政府產業發展局 許淑品
  • 台北市政府產業發展局 張紫玲
  • 台灣綠色生產力基金會 王天毅

參考文獻:

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文章難易度
自己的電自己省_96
22 篇文章 ・ 0 位粉絲
台灣能源主要都是進口的,但你知道嗎,我國有98%都是仰賴國外能源,所以節電只能靠你我做起,自己的電自己省!! http://energy-smartcity.energypark.org.tw/

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前方高能注意!你知道可以用「熱」發電嗎?把廢熱變能源的黑科技──熱電材料
研之有物│中央研究院_96
・2021/09/06 ・4237字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|郭雅欣
  • 美術設計|林洵安

回收廢熱的熱電材料

在全球面臨能源轉型之際,再生能源的發展大多著重在太陽能、風力、水力、生質燃料等。然而近年,隨著奈米科技的發展,可將廢熱轉為電力的熱電材料也逐漸嶄露頭角。中央研究院物理研究所陳洋元研究員踏足熱電材料的研究已有十幾年,在他眼中,熱電材料極具能源發展潛力。

熱電轉換再興起

身處能源轉型的關鍵時刻,我們不由得擔心,再生能源真的足以補上電力缺口嗎?還有沒有其他新興的發電方法呢?有的!用廢熱發電,聽起來很不錯吧?畢竟在日常生活中,我們也受夠廢熱了。汽車、冷氣等機械廢熱,加上太陽的輻射熱等,這些煩人的廢熱如果能拿來發電,實在是個好主意。

熱電材料就是熱生電的關鍵,它能將(沒用的)熱轉化成(好用的)電。近年來,熱電材料逐漸發展起來,中研院物理所研究員陳洋元從 2006 年起開始研究熱電材料,他說:「熱電材料的發電效率已經有很大的進展!」在不久的未來,熱電材料的應用將愈來愈廣泛,成為能源轉型時代的重要一角。

熱電材料的歷史要回溯到 200 年前,德國科學家西貝克(Thomas Seebeck)在 1821 年發現,材料兩端的溫度差會形成電位差,稱為「西貝克效應」。也就是說,同一種材料只要兩端溫度不同,兩端之間就會產生電壓;反之,在材料兩端賦予電壓時,兩端之間就會產生溫度差。科學家因此定義了西貝克係數 S = ∆V∆T,表示同一種材料下,溫度差愈大,輸出電壓越大,「換句話說,一個有溫差的材料,等於可以視為一個乾電池。」陳洋元解釋。這便是熱電材料的基本物理機制。

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圖片為熱電材料的基本特性。同一個熱電材料,若給予兩端溫度差可以產生電壓(西貝克效應);若給予兩端電壓則會造成溫度差(皮爾特效應)。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)
圖片為熱電材料的基本特性。同一個熱電材料,若給予兩端溫度差可以產生電壓(西貝克效應);若給予兩端電壓則會造成溫度差(皮爾特效應)。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)

找出最優質的熱電材料

由於每一度溫差產生的電壓就是「西貝克係數」,直觀來說,西貝克係數愈大的材料,在同樣的溫差下輸出的電壓愈大,是愈好的熱電材料。不過陳洋元補充說,熱電材料除了西貝克係數要高之外,「導電性也要好,除此之外,導熱率不能太好,否則溫差一下子就熱平衡掉了。」考量各種條件之後,科學家訂出了熱電材料的優質係數 ZT 值=(δS2κ)T,其中 σ 是導電係數、S 是西貝克係數,κ 是導熱率,T 是絕對溫度。

導電性好、西貝克係數高,而且導熱率要低。這是優質熱電材料的三大條件。

於是,研究熱電材料的科學家從幾十年前開始,便朝著符合這些條件的方向努力。陳洋元說:「金屬的導熱都太好了,並不適合當作熱電材料。目前主要的做法是用各種半導體材料,搭配不同的摻雜元素及比例,來找出最佳化的 ZT 值。」

半導體材料是良好的熱電材料,依據摻雜的元素種類,可分為 n 型(電流載子為電子,帶負電)與 p 型(電流載子為電洞,帶正電),製作熱電材料時,會將 n、p 型材料組合成上圖「熱電偶」的形式。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)
半導體材料是良好的熱電材料,依據摻雜的元素種類,可分為 n 型(電流載子為電子,帶負電)與 p 型(電流載子為電洞,帶正電),製作熱電材料時,會將 n、p 型材料組合成上圖「熱電偶」的形式。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)

全世界各研究團隊多年下來,針對各種材料組合及摻雜比例,找出了不少值得關注的熱電材料候選者(如下表)。「你可以從中發現,多數的熱電材料都是溫度愈高,ZT 值愈高,在 600°C~700°C 的高溫會表現得很好。」陳洋元笑說:「只有一種材料適合在室溫運作,就是鉍-銻-碲(BiSbTe),目前為止無人能出其右。而且科學家大概 50 年前就發現它了,它保持世界紀錄至今 50 年。」

各種 p 型(左)、n 型(右)材料的 ZT 值與溫度關係圖。可以看到接近室溫(27°C,約300K)表現最好的材料為 p 型的 BiSbTe(藍色折線)。圖│陳洋元
各種 p 型(左)、n 型(右)材料的 ZT 值與溫度關係圖。可以看到接近室溫(27°C,約300K)表現最好的材料為 p 型的 BiSbTe(藍色折線)。
圖│陳洋元

控制晶格和缺陷,不讓熱傳過去!

找到優秀的材料搭配和比例還不夠!要提升熱電效果,還有一個重要因子:減低熱電材料的導熱率。微觀來看,就是精細地調控材料晶格或內部缺陷。

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晶格是材料的骨架,熱的本質是晶格振動,而熱傳導的本質便是晶格裡的原子以振動方式將能量傳遞給鄰近原子。因此,阻礙能量傳遞的方式,就是調控材料內原子的排列,以期達到導熱差、導電好的最終目的。

理想上可以利用「超晶格」,當不同種類的原子像三明治一般層層交替堆疊時,界面的原子與鄰近原子尺寸、重量都不同,這會造成晶格排列不順暢(晶格不匹配),彼此的振動能量也不易傳遞,大部分都會反彈回來,也就達到「導熱不佳」的效果了。

種類不同、尺寸與重量皆不同的原子間,由於晶格不匹配,振動比較不易傳遞,導熱率因此降低。

陳洋元進一步解釋,超晶格的每一層材料厚度、比例都必須嚴格控制,「因為我們只希望導熱率降低,但不希望影響到電子的移動。」也因此,這項製程「非常困難,需要的設備也很昂貴。超晶格結構如果要做到一張紙那麼厚,可能必須鍍膜上萬次,成本很高,東西也做不大。換言之,超晶格在學理上可行,但實際應用上有困難。」


「我們可以選擇退而求其次的做法。」陳洋元說。例如在材料裡刻意摻雜一些雜質,或製造晶格的空缺,包括:點缺陷、空位、差排、疊差等。以這些缺陷的數量來控制材料特性,在盡量不影響導電的狀況下降低熱傳導率。「這是比較簡單可行的做法。」

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圖片為「疊差」缺陷。對於熱電材料來說,為了降低導熱率,理想上可利用「疊差」來調控材料內部「缺陷」,最終目的是導熱變差,卻能保有良好的導電率。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)
圖片為「疊差」缺陷。對於熱電材料來說,為了降低導熱率,理想上可利用「疊差」來調控材料內部「缺陷」,最終目的是導熱變差,卻能保有良好的導電率。圖│研之有物(資料來源│陳洋元)

熱電材料自有用武之地

熱電材料在實際應用上,發展得比其他再生能源慢,主要原因還是在發電效率不夠好。目前在室溫下最好的熱電材料,轉換效率約 3~4%,相較之下,太陽能發電目前的轉換效率約在 15~20%。這也是熱電材料在能源發展上較少被提及的主因。

「不過其實熱電材料在 600°C~700°C 的高溫下,轉換效率可以超過 10%。」陳洋元說。因此,幾年前美國一度打算將熱電材料用在汽車的廢熱回收,畢竟燃油引擎的油電轉換效率大約在 30% 左右。「剩下的 70% 都變成廢熱排出去了。如果能把其中 10% 的廢熱轉換成電能,等於是引擎效率的一大躍進。」不過後來,隨著電動車逐漸成為主流發展方向,這項應用也就失去關注了。

熱電材料就這樣無英雄用武之地了嗎?並不是。其實早在 30~40 年前,它就已經應用在太空科技上了。太空船或衛星發射到太空中之後,需要電能維持運作,除了太陽能以外,熱電也是重要的電力來源。陳洋元以航海家一號舉例,「它朝著太陽系外離去,過程中太陽光會愈來愈微弱,因此不能完全仰賴太陽能做為電力來源。」因此,航海家一號就有使用熱電技術,其中熱的來源是鈾、鈽等放射性材料,它們在衰變過程會放熱,與外太空趨近絕對零度的環境產生溫差,藉此發電。「這些放射性材料的半衰期是幾十億年,對我們來說像是萬年之毒,但對太空船來說,卻像是永恆的電力來源。」陳洋元說。

熱電轉換效率不佳,但對於缺乏電力來源、外界環境溫度極低,又不怕放射性汙染的太空科技來說,是很好的發電選擇。

此外,熱電材料不只能把熱轉換成電,也能反過來,利用材料兩端的電壓差回推來產生溫度差。也就是說熱電材料的應用不限於發電,它也能做為冷氣、冰箱等使用的溫度計;或是在熱電材料上外加電壓,產生電流,造成材料兩端的溫度差,做為冰箱、電腦 CPU 的致冷元件。

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陳洋元也在近兩年,研究開發出薄型熱電晶片,裡面的結構是 128 對微小的 p 型、n 型半導體柱,就像 128 個小小的乾電池串聯一樣,能把熱電效應放大百倍。陳洋元解釋,雖然熱電效率不高,無法用在大型工廠等需要巨大電量的狀況,但這樣的晶片可以用來製作「熱電自充隨身電源」,應用在手機或電子手錶等隨身穿戴式電子裝置上,這類裝置需要的電量不高,但可能隨時有充電需求。「想像一下這樣的場景,你走在路上發現手機沒電了,於是拿出熱電自充隨身電源,利用自身體溫與室溫的溫差,幫手機緊急充電。」

薄型熱電晶片內包含了 128 對 p 型、 n 型半導體,具有輕巧的外形。圖│陳洋元
薄型熱電晶片內包含了 128 對 p 型、n 型半導體,具有輕巧的外形。
圖│陳洋元

隨著網際網路的發展,基地台熱點愈來愈多,這也讓陳洋元對於熱電材料的應用潛力更加樂觀。「在某些偏遠地帶,例如玉山的基地台,電力供給或許就不需要建置發電站,利用熱電材料(透過溫差發電的特性),只要送一桶瓦斯去就好,方便多了!」或者,熱電材料也能與太陽能互補,「因為太陽能發電使用的是太陽光,它的輻射熱並沒有被利用到,這一點可以用熱電材料來加強補足。」陳洋元說。

另外,陳洋元也正在與廠商合作,希望能製作中型、大型的發電機。陳洋元說:「一個熱電晶片大約能發 20 瓦的電,把 25 個晶片合起來,就能有 500 瓦。」儘管成本比一般發電機高,但熱電發電機具有輕巧、無噪音等優點,「我相信它在未來是一個機會。」

熱電材料的研究還在如火如荼的進展著,而陳洋元對它的未來也抱持著樂觀的態度。回頭看看熱電材料的優質係數 ZT 值,「只要我們想辦法降低導熱率,它理論上還能再拉高。」陳洋元說:「現在室溫下的 ZT 值最高是 1 點多,在不久的未來,我們很有可能就突破它了」

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研之有物│中央研究院_96
296 篇文章 ・ 3394 位粉絲
研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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HOW TO 一直玩一直玩還能智慧省電?@宜蘭傳藝園區
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2020/09/10 ・1701字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 508 ・六年級

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本文由 宜蘭縣政府環境保護局 委託,泛科學企劃執行

將傳統紅磚街屋、廟宇完整復原,重現台灣過去生活精髓的宜蘭傳藝園區(以下簡稱傳藝園區),腹地廣大,讓遊客能盡情來場穿越之旅。但你是否曾想過,占地 24 公頃的園區,光是準時開關電源空調就是個大挑戰,而在講究節能減碳的今日,又該怎麼做才能一直玩一直玩還能智慧省電呢?

加入「能源管理系統」智慧省電

過去對於電源的管理,只能以人工巡園的方式,一個個手動開關,耗時耗力。為了改善效率及節能,負責營運傳藝園區的全聯善美的文化藝術基金會,自 2017 年起陸續規畫更新。如今傳藝園區完成「能源管理系統」(Energy Management System, EMS)的建置,將電燈、冷氣等電力設備全都連上光纖網路,再傳送到中央管理系統,讓工作人員只需在辦公室內遠端遙控,不但大幅減少作業時間,更能有效節電,達到節能減碳的效果。

「能源管理系統」其實就像是管理用電的自動記帳秘書,基礎功能就是分類電力的流向,協助用戶管理能源。除了用在占地廣大、用電量大的各種場地,其實一般住宅也能導入類似的系統,像是智慧電表,讓使用者可以隨時掌控自家的用電情況。了解用電情況後,要如何才能達到節電以及多數人最在意的省錢目的呢?讓我們繼續看下去吧!

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即時記錄用電資訊,節能計較到分分秒秒

對於多數人來說,通常要等到電費單出現,才能知道當月電費的支出總金額。如果能引入「能源管理系統」,任何一台電器每分鐘支出的電力都會被詳實記錄。

以傳藝園區舉例,導入「能源管理系統」後,所有電錶數據會自動匯入並做成圖表及資訊報表,方便工作人員快速找出異常耗能,分分秒秒都能計較;此外,內建的警報系統也可讓園區用電量超過警戒值的時候發出提醒。

自 106年以來,根據傳藝園區的統計指出,使用能源管理系統後,光是冷氣的部分,一年減少運轉的時數約180小時,平均一年可省下將近 10萬度的電量,一年節省了 30.9萬元。

其實過去也有類似例子,2011年國立中央大學與國外廠商合作,透過系統自動控制整棟行政大樓的照明及空調設備,省掉效能達到 40%,相當於一年省了 12萬度電,33 萬元的電費。

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空調照明即時調整,環境舒適又省電

如同開頭所提,過去透過人工巡園的方式開關電源,一天必須耗掉近 2 小時,且要是遇到緊急狀況,例如雷陣雨突襲導致天色瞬間轉暗,園區無法及時開燈。如今導入「能源管理系統」後,能透過排程與遠端遙控兩種方式來處理,工作人員不用親臨現場就能完全掌握電源開關,方便又及時。

目前傳藝園區就透過該套系統,也算出最省電又有效的「黃金時間」,排定開園前 12 分鐘開空調,讓遊客一進場就感到舒適,也不會浪費電。

抓出耗電小壞蛋!汰換老舊器材

透過能源管理系統的資訊報表,工作人員能一眼就看出用電狀況,把特別耗電的小壞蛋抓出來,進而將老舊電器更新,就可省下許多不必要的電費。

舉例來說,單單將傳統燈泡更換為省電燈泡,其實就能省下不少電,本次傳藝園區除了安裝能源管理系統,也一併更新了許多過去老舊的燈泡、空調設備等。而 2015 年基隆市將 8成以上的水銀路燈都改為 LED燈泡,以七堵區換裝 4818 盞 LED 路燈後,一年的節電效益可達 719.9萬度電。

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新竹市 2015 年也從集合式住宅公設的照明系統更新下手,配合用電行為改變,在住宅部門達到了 2.11%的高節電率。台中市同樣也將公有停車場、公有市場等場所的燈具改為 LED燈,一年大幅節省 14萬度電。

透過第一期的智慧省電系統導入,傳藝園區除了提供遊客最舒適的傳統文化體驗,也達到節能減碳目的。而遊客最能直接感受的好康,就是能準時享有被譽為「最浪漫地標」的魚耀隧道美景,這個長達 65公尺的燈廊在夜幕低垂時亮起,魚形倒映在湖面相當夢幻,是近期最夯的 IG打卡景點。

未來也會開啟第二與第三期的能管系統建置,使整個園區的能源管控都智慧化,讓遊客可以一直玩一直玩,還能超省電,享受科技與傳統合作無間。

本文由 宜蘭縣政府環境保護局 委託,泛科學企劃執行

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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人類可以創造出最純粹的藍色嗎?比星期一更blue的「真藍」
Sophie Liao
・2016/08/01 ・4340字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 532 ・七年級

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尋找「真藍」的煉金術士

在你的認知裡,藍色帶給你甚麼感受?是冷靜、憂鬱,還是理智?在星際爭霸戰(Star Trek)裡藍色制服代表的是科學組,像是史巴克和麥考伊醫官;在藝術家的眼裡,藍色可以創造出廣闊無邊界的深邃感,或是河流、海洋以及天空的流動感;不過在最近的新發現裡,藍色除了開啟我們對於視覺以及心理的感受以外,還擁有了科學上的新功用。

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史巴克在平常時候都保持著瓦肯星人冷靜,依循邏輯的形象。圖/Bill Lile@flickr

法國的創作藝術家伊夫·克萊因(Yves Klein)不是第一個發現藍色的男人,但卻可能是第一個為藍色配方申請專利的藝術家[1]。在這裡我們要說明一下顏色(Color)和顏料(Pigment)的不同。所有的顏色都是由光的三原色(RGB),也就是(Red),(Green),和(Blue)組成;因此當我們在色座標上定義出三種主要顏色的位置,並以 X、Y、Z 來表示其在座標軸上的相對位置時,我們就可以依據座標位置來表示色彩[2]。

而顏料則是包含將帶有顏色的粉料(像是有機、無機或是金屬的材料)與不同的介質(像是水、溶劑、樹脂或是油)均勻混合後的產物,如何在成膜物質中展現色彩的著色力,調配出藝術家心裡的目標顏色,是許多藝術家以及顏料公司一直煩惱的問題。

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光的三原色:紅、綠和藍色。圖/wikipedia

距離現在 60 年前左右,克萊因在米蘭展示了 11 幅全為藍色的單色畫布,這種絕對的藍色被評論家認為能引導人類超越現實的層面,象徵著沒有界線的天空和大海。藍色單色畫的展出獲得了空前的成功,克萊因也將這個純粹的藍色命名為國際克萊因藍(International Klein Blue, IKB),並將克萊因藍衍生到一系列的實驗以及人體創作[3]。

克萊因藍主要的組成採用了群青顏料(Utramarine pigment),在文藝復興時期群青被視為最高級/高貴的顏料,在人工製造技術開發以前,只能由青金石(lapis lazuli)研磨後的粉末取得。群青能呈現藍色的原因在於礦石中含有硫化物的陰離子(S3−)[4];但是隨著畫家將群青與不同的介質混合調配成顏料後,樹脂的選用、群青粉末聚集或分散不均的狀況都會造成色澤變得黯淡,無法呈現群青的真實樣貌。

為了改善這樣的狀況,克萊因與一位巴黎的顏料交易商愛德華·亞當(Edouard Adam)合作,找到一種組成為聚醋酸乙烯酯(Polyvinyl acetate, PVA)的透明合成樹脂,作為混合群青粉末的媒介[5]。以樹脂作為載體,搭配相容性的溶劑,讓群青粉末能在介質中保持均勻懸浮的狀態,大幅保留了群青的色彩強度,展現一種深邃的光澤感。

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克萊因藍。圖/wikipedia

克萊因的發現使我們找到一種能保留群青粉末的色彩,又能具備加工性,應用在衣物、繪畫、甚至是宮殿建築施工的顏料製作技術。但就如同大部分人類眼睛所能看到的顏色,克萊因藍實際上也不是全然的藍色,而是混雜了部分的綠色[6],人類對於創造出「真藍」的遐想:毫無其他顏色干擾的 100% 純藍色,仍舊停留在想像的區域。

意外發現的科學產物—「真藍」

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YInMn Blue(釔銦錳藍)。圖/OSU授權使用

直到 2009 年,俄勒岡州立大學(Oregon State University, OSU)的瑪斯.薩柏拉瑪尼安(Mas Subramanian)教授與他的研究團隊卻在一次高溫實驗中,發現了可能是目前最接近「真藍」的無機粉末。

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瑪斯教授的研究生安德魯.史密斯(Andrew E. Smith)原先的目標是了解氧化錳(Manganese Oxide)的電子特性。在華氏 2000 度(相當於攝氏 1100 度)的燒結下,釔氧化錳(YMnO3)與釔氧化銦(YInO3)形成的固溶體(solid solution)結構因為錳離子(Manganese ions)的配位差異,展現出只吸收紅和綠色波長光線的特性,其餘的藍光則被反射。他們還發現,只要調整銦和錳的比例,就能夠調整吸收與反射的波段,也就能創造出不同深淺的藍色。如果能夠達到完全吸收紅光與綠光,真正反射到人眼的就只剩下藍光區域的波段,也就能創造出所謂「真藍」的純粹感。瑪斯教授依照組成元素將這個新發現命名為「YInMn Blue(釔銦錳藍)」。不過在俄勒岡州立大學大家都暱稱為瑪斯藍(Mas Blue)[7]

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調整錳離子的比例可以調整藍色的深淺。圖/OSU授權使用

有趣的是,這樣特別的藍色並沒有在當時引起廣泛的討論,因為釔銦錳藍並不是一個全新的無機結構,隨著科學期刊的發表,科學家並沒有了解到釔銦錳藍潛在的可能性,「真藍」也因此沉沒在廣大的科學文獻裡。

「如果不是因為我有在產業界(杜邦有一個專門開發顏料的部門)工作過的經驗,我不會知道這個無機材料的發現是極不尋常,而且具有相當高的商業價值的。」瑪斯教授說。在經過了三年的努力,2012 年 10 月,沒有放棄的瑪斯教授與他的研究團隊為這個藍色粉末取得了美國專利(US 8282728),薛特顏料公司(Shepherd Color Company)在這之後立即與俄勒岡州立大學達成了獨家的保密授權協議,並開始對釔銦錳藍進行各項嚴苛的測試,進而發現了釔銦錳藍更多的可能性。

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釔銦錳藍—超越顏色以外的應用

傳統的藍色顏料—鈷藍(Cobalt Blue, CoAl2O4)具備穩定的尖晶石(spinel)結構,耐溫性可以高達攝氏 1200 度以上,這在其他的顏料中是非常少見的特性。由於釔銦錳藍也是在 1100 度的高溫下製作而成,釔銦錳藍本身就已經具備極佳的耐溫性,但除此之外,在薛特顏料公司的測試中,他們還發現釔銦錳藍有三個獨特的特性:

第一、釔銦錳藍無毒也無致癌性

鈷藍在使用時若發生吸入或食入的狀況,可能會導致鈷中毒(Cobalt poisoning)的狀況。

第二、釔銦錳藍在 UV 吸收測試,戶外環境測試的表現都能相當或優於鈷藍

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研究團隊依照工業用顏料的標準,對釔銦錳藍進行了 5000 小時的 QUV 紫外光加速老化測試,釔銦錳藍會在設定的溫度以及濕度條件下,進行反覆的 UV 曝曬,藉此模擬陽光照射的影響,以及在露水或雨水噴灑下的表現。同時研究團隊也在辛辛那提(Cincinnati, Ohio)針對釔銦錳藍與鈷藍(比較對象為 CI Pigment Blue 28)進行 48 個月的連續戶外測試,發現釔銦錳藍能達到工業級顏料的需求。這說明了釔銦錳藍在建材、軍事防偽、以及工程塑料等領域都具有潛在的應用價值。[8]

第三、釔銦錳藍具有紅外線反射功能。

紅外線佔了太陽光輻射光譜一半以上的比例,也因此是主要的熱能來源。如果屋頂能塗上一層紅外線抗反射材料,大部分的太陽光輻射就可以被反射回去,間接降低了屋頂熱能的吸收,就能達到室內恆溫的效果。釔銦錳藍因此提供了一種新的抗反射材料的顏色可能。[8]

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釔銦錳藍相較於鈷藍可以反射長波長的紅外線,使其可以應用在屋頂塗料,保持室內的恆溫。圖/OSU授權使用

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接續這些研究的發現,2016年對薛特顏料公司或是瑪斯教授來說都將是一個全新的開始。薛特顏料公司預備擴大釔銦錳藍的製造,在法規審核通過後就能開始進行商品化的生產,藝術家和畫家也可以與薛特顏料公司申請釔銦錳藍的樣品進行創作,包含水彩或是銅版畫作品。依據薛特顏料公司的網頁說明,只要付出每十公克十美金的價格,大家就可以在網頁上申請釔銦錳藍的粉末樣品。

而瑪斯教授也沒有閒著,位於俄勒岡州立大學的研究團隊已經展開一系列不同顏色的開發工作,從亮橘色、紫色到綠色的無機顏料,期望能找到更穩定、具備紅外線反射特性、同時又能展現明亮色澤的新材料。

「釔銦錳藍的出現告訴我們,無機顏料家族裡還有許多顏色等著被發現。」薛特顏料公司的研發主管傑佛里.T.皮克(Geoffrey T. Peake)這樣說。

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瑪斯教授期望能開發出更多穩定的新顏色。圖/OSU授權使用

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https://www.youtube.com/watch?v=mxK4eAZUoJw

註:

  1. 克萊因實際上完成的是 Soleau envelope(法國專有名詞,形式上是一個密封的信函),內文詳載發明的日期以及想法,在法國法律下可以當作一種發明的優先權,遞交到法國工業財產權局(Institut national de la propriété industrielle, INPI)可用於專利權的申請。
  2. 常用的色座標有 RGB 或是 CMYK 系統。
  3. 想親眼看到克萊因藍的作品可以到巴黎龐畢度中心或是美國的現代藝術博物館(MOMA)。
  4. 三硫化物的陰離子(S3−)會吸收 600 奈米左右波長的光線。
  5. 克萊因使用的合成樹脂至今仍在販售,型號為 Rhodopas M or M60A。
  6. 克萊因藍的色座標為 RGB(0, 47, 167),或是 RGB(0%, 18.4%, 65.5%)。實際上也幾乎是公認的克萊因藍色座標。主要原因在於克萊因當年提交Soleau envelope時,詳列了完整的顏料調整配方以及使用材料名稱:包含 1.2 公斤的Rhodopas M;2.2公斤的乙醇(95%工業級);0.6公斤的乙酸乙酯,總共 4 公斤的基料在低溫攪拌下後,再加入50%的群青粉末即可完成克萊因藍的顏料。理論上任何人依照同樣的配方都可以調配出相同的克萊因藍。而RGB(0, 47, 167)或是 RGB(0%, 18.4%, 65.5%)並非是科學上我們描述的顏色比例,而是提供給CSS、HTML辨識的顏色定義代碼。
  7. 釔銦錳藍的參考色座標為 RGB(0, 0, 255)。須注意這裡所列之釔銦錳藍的色座標數值為參考值,並非原始作者測試數據。由於從無機的粉料到調配成顏料配方,到在標準環境光源下去做色座標鑑定,在不同環境光源下皆會有很大的影響,要知道釔銦猛藍做成顏料後的色號,應以薛特顏料公司或其他使用釔銦猛藍之顏料,以標準測試手法才具相對參考價值。因本文在截稿日前未能取得瑪斯教授實驗室的參考數據,故在此列出網路上大家的推測色號,讓讀者能比較看看克萊因藍以及釔銦猛藍的顏色差異。想了解更多釔銦錳藍的發現故事,請參考論文出處:“Mn3+ in Trigonal Bipyramidal Coordination: A New Blue Chromophore”, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131 (47), pp 17084–17086
  8. 想了解釔銦錳藍在 UV 和近紅外線波段的吸收數據,請參考論文出處;Andrew E. Smith, Matthew C. Comstock, M.A. Subramanian, “Spectral properties of the UV absorbing and near-IR reflecting blue pigment, YIn1-xMnxO3, Dyes and Pigments“, Volume 133, October 2016, Pages 214-221, ISSN 0143-7208,

參考資料:

  1. Sasha Frere-Jones, “All About Yves: The Story of International Klein Blue” [May 20, 2015]
  2. Alastair Sooke, “Yves Klein: The man who invented the color“, BBC [August 28, 2014]
  3. 與火同行—-談談 Yves Klein [November 18, 2008]
  4. Stacey Leasca, “A Gorgeous New Color Is About To Be Released Into The World” [June 28, 2016]
  5. Jacob L. Heller, MD, MHA, Emergency Medicine, Virginia Mason Medical Center, “Cobalt poisoning“, MedlinePlus, Medical Encyclopedia
  6. Department of Chemistry, Oregon State University, “The Story of YInMn Blue
  7. List of inorganic pigments, wikipedia
  8. Symbolism of the Color Blue
  9. Megan Fellman, “Who knew there was so much to blue?“, Northwestern University [November 5, 2014]
  10. Aurarelles de Mas Blue, water color of Mas Blue
  11. Philip Ball, “Blue Standard“, [September 27, 2012]
  12. Pigment Discovery Media Attention, Subramanian Research Group [May 23, 2015]
  13. Subramanian Research Group Webpage, Oregon State University
  14. Eliane Coser, Vicente Froes Moritz, Arno Krenzinger, Carlos Arthur Ferreira, “Development of paints with infrared radiation reflective properties” [January 15, 2015]
Sophie Liao
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泛科學實習編輯,台大化工系畢,涉獵領域包含文學、化學到能源,現在是Big Bang Theory前兩季的忠實觀眾與科學宅,最愛電影之一是星際大戰第六集,家裡尚無光劍。