สินค้าที่ใช้ได้สองทาง (Dual-Use Items : DUI) ตอนที่ ๖ MO Memoir : Wednesday 4 September 2562

เมื่อราว ๆ ๒๐ ปีเศษที่แล้วผมได้รับการติดต่อจากบริษัทแห่งหนึ่งร่วมกับทางกรมศุลการกรว่า สามารถที่จะวิเคราะห์องค์ประกอบของพื้นผิวโลหะได้หรือไม่ คือเรื่องมันเกิดจากการที่บริษัทแห่งนั้นนำเข้าชิ้นงานเหล็กชนิดหนึ่งที่มีการเคลือบผิวโลหะ ทีนี้มันก็ไปเกี่ยวพันกับอัตราภาษีนำเข้า กล่าวคือถ้าหากชิ้นงานเดียวกันนั้นสามารถผลิตได้เองในประเทศ ก็จะต้องเสียภาษีในอัตราที่สูงกว่ากรณีที่ชิ้นงานนั้นยังไม่มีการผลิตในประเทศ ทางผู้นำเข้าก็อ้างว่าชิ้นงานของเขานั้นมีการเคลือบผิวมาเป็นพิเศษ แต่เมื่อนำไปทดสอบหาองค์ประกอบของพื้นผิวแล้วปรากฏว่า "ไม่พบ" ชั้นผิวเคลือบ แต่ทางบริษัทก็ยืนยันว่าชิ้นงานดังกล่าวมีการเคลือบผิวจริง และบังเอิญช่วงเวลานั้นทางห้องปฏิบัติการวิจัยที่ผมทำงานอยู่เพิ่งจะได้รับอุปกรณ์วัดองค์ประกอบของพื้นผิวมาตัวหนึ่ง และผมก็บังเอิญเป็นคนที่ใช้เครื่องนั้นเป็นพอดี
   

แต่ก่อนอื่นเราลองไปทำความรู้จัก "การเคลือบผิว" และดูคำจำกัดความของคำว่า "พื้นผิว" กันก่อนดีไหมครับ

 

รูปที่ ๑ รายละเอียดบางส่วนของรายการ 2B350 ตัวเลข 2หมายถึงวัสดุที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการผลิต อักษร B หมายถึงส่วนที่เกี่ยวข้องกับการทดสอบ ตรวจสอบ และการผลิต เลข 3 หมายถึงหมวดหมู่นี้มีที่มาจาก Australia Group (AG) ที่เกี่ยวข้องกับการผลิตอาวุธเคมีและชีวภาพ ส่วน 50 คือลำดับรายการ รายการนี้ยังมีข้อย่อย a, b, c, d, ... ลงไปอีก ในรูปนี้ตัดมาเฉพาะข้อย่อย d

การเคลือบผิวโลหะเป็นวิธีการหนึ่งในการป้องกันโลหะที่อยู่ลึกลงไปจากพื้นผิวจากความเสียหาย (ที่อาจเกิดจากกระบวนการทางเคมีหรือทางกายภาพ) เช่นการชุบแผ่นเหล็กด้วยสังกะสีหรือโครเมียมเพื่อป้องกันการเกิดสนิม ซึ่งโดยปรกติแล้วจะเลือกชั้นผิวเคลือบให้มีความคงทนต่อสภาพแวดล้อมที่สูงกว่าตัวโลหะที่ถูกเคลือบปิดผิวเอาไว้ ในกรณีเช่นนี้ความหนาของชั้นผิวเคลือบจะอยู่ที่ระดับไมครอน (10^-6 m หรือ micrometre หรือไมโครเมตร) ก็ไม่แปลก
    

แต่ถ้าเป็นในกรณีของการทำปฏิกิริยาบนตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธ์ (Heterogeneous catalyst) ที่เป็นของแข็ง ส่วนที่มีบทบาทในการทำปฏิกิริยานั้นเป็นเพียงแค่ "อะตอม" ชั้นบนสุดของพื้นผิวของแข็งเท่านั้น ดังนั้นในงานนี้เวลาพูดถึง "พื้นผิว" ก็จะจำกัดอยู่ที่ความหนาเพียงแค่ระดับชั้นอะตอม
    

ความสับสน (โดยเฉพาะในกรณีของวงการวิจัยตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธ์ ที่ผมเห็นบ่อยในบ้านเรา) มันเกิดขึ้นเมื่อมันมีเครื่องมือวิเคราะห์ที่สามารถวิเคราะห์องค์ประกอบของธาตุบน "พื้นผิว" ของแข็ง แล้วก็มีการนำมาใช้ในการวัดองค์ประกอบของธาตุบน "พื้นผิว" แต่ความหมายของ "พื้นผิว" ที่เครื่องวัดได้นั้น กับความหมายของ "พื้นผิว" ที่ผู้ใช้เครื่องเข้าใจนั้นมันไม่ตรงกัน มันก็เลยกลายเป็นว่าสิ่งที่เครื่องวัดได้นั้นคือองค์ประกอบทางเคมีโดยรวมของตัวอย่างทั้งชิ้น ไม่ใช่ "พื้นผิว" ดังที่ผู้ส่งตัวอย่างต้องการวิเคราะห์ เรื่องแบบนี้เห็นได้บ่อยครั้งในกรณีของการวัดด้วยเทคนิคการวิเคราะห์รังสีที่เปล่งออกมาจากตัวอย่างในขณะที่ถูกระดมยิงด้วยลำอิเล็กตรอนในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (Scanning Electron Microscope ที่เรียกกันย่อ ๆ ว่า SEM)
    

คลื่นนั้นมันมองไม่เห็นสิ่งที่เล็กกว่าความยาวคลื่น ดังนั้นขนาดที่เล็กที่สุดของสิ่งของที่แสงในช่วงที่ตามองเห็นได้ (visible light) จะมองเห็นก็คือความยาวคลื่นแสงที่สั้นที่สุดที่ตามองเห็นได้ ถ้าเราอยากมองเห็นสิ่งที่เล็กกว่านั้นลงไปอีกก็ต้องใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นลงไปอีก เช่นถ้าอยากดูว่าอะตอมมีการเรียงตัวกันอย่างไรในโครงร่างผลึกที่ระยะห่างระหว่างอะตอมนั้นอยู่ในระดับอังสตรอม (Å - Angstrom หรือ 10^-10 m) ก็ต้องใช้คลื่นที่มีความยาวคลื่นในระดับนี้ซึ่งก็ได้แก่รังสีเอ็กซ์ แต่ปัญหาก็คือเราไม่มีเลนส์ที่สามารถโฟกัสรังสีเอ็กซ์ได้ (ถ้านึกภาพไม่ออกว่าปัญหามันเป็นอย่างไร ก็ลองเอากล้องถ่ายรูปที่ถอดเลนส์ได้ (ถ้ามี) มาถ่ายรูปโดยไม่ใส่เลนส์ดูก็ได้ครับ)
     

แต่เนื่องจากอนุภาคที่มีความเร็วมากพอนั้นสามารถแสดงคุณสมบัติเป็นคลื่นได้ (ตามที่ De Broglie ได้ทำนายไว้และได้รับการพิสูจน์ในช่วงเวลาต่อมา) ดังนั้นถ้าเราเร่งลำอิเล็กตรอนให้มีความเร็วสูงมากพอ ลำอิเล็กตรอนนั้นก็จะแสดงคุณสมบัติเป็นคลื่นที่มีความยาวคลื่นในระดับอังสตรอมได้ และเนื่องจากอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคมีประจุ เราจึงสามารถใช้สนามแม่เหล็ก/สนามไฟฟ้าในการเร่งความเร็วและโฟกัสลำอิเล็กตรอนได้ และนี่ก็เป็นที่มาของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (Electron Microscope - EM)
     

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่ใช้กันทั่วไปมีอยู่ ๒ แบบ แบบแรกนั้นคือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (Transmission Electron Microscope - TEM) ที่มีหลักการทำงานแบบเดียวกับกล้องจุลทรรศน์ใช้แสงทั่วไป คือยิงให้ลำอิเล็กตรอนวิ่งทะลุผ่านตัวอย่างไปยังฉากรับภาพ ในกรณีนี้ตัวอย่างต้องมีความบางมากไม่เช่นนั้นลำอิเล็กตรอนจะไม่ทะลุผ่าน
     

แบบที่สองนั้นคือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (Scanning Electron Microscope - SEM) ที่มีหลักการเดียวกันกับเวลาที่เรามองเห็นวัตถุต่าง ๆ ที่เราเห็นด้วยการที่วัตถุนั้นมีแสงตกกระทบแล้วแสงนั้นก็สะท้อนเข้าดวงตาเรา แต่ในกรณีของ SEM นั้นเป็นลำอิเล็กตรอนที่ตกกระทบวัตถุและสะท้อนเข้าฉากรับภาพ ข้อดีของ SEM ก็คือไม่ต้องเตรียมตัวอย่างให้บางมากแบบ TEM ทำให้สามารถดูตัวอย่างที่มีชิ้นใหญ่กว่าได้ (เช่นยุงทั้งตัวหรือเหรียญบาททั้งเหรียญ)
    

ในระหว่างการส่องดูตัวอย่างด้วย SEM นั้น เนื่องด้วยลำอิเล็กตรอนที่ยิงใส่ตัวอย่างนั้นมีพลังงานจลน์ที่สูง (เพราะถูกเร่งความเร็วด้วยความต่างศักย์ระดับหลายพันโวลต์หรือหมื่นโวลต์ ขึ้นกับกำลังขยายภาพที่ต้องการ) ลำอิเล็กตรอนที่ไม่สะท้อนออกจะสามารถซึมลึกเข้าไปในตัวอย่างได้ในระดับความลึกที่เป็นไมครอน และอิเล็กตรอนบางตัวที่ซึมลึกเข้าไปในตัวอย่างนั้นจะเข้าไปชนให้อิเล็กตรอนในชั้นวงโคจรในของอะตอมตัวอย่างหลุดออก เกิดการเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรชั้นนอกที่มีระดับพลังงานมากกว่า เคลื่อนตัวลงมาแทนที่ตำแหน่งอิเล็กตรอนที่ถูกชนหลุดออกไป โดยในการนี้อิเล็กตรอนที่เคลื่อนตัวลงมาแทนที่นั้นต้องคายพลังงานบางส่วนออก โดยพลังงานที่คายออกนั้นอยู่ในรูปของรังสีเอ็กซ์ และเนื่องจากรังสีเอ็กซ์ที่เปล่งออกมาด้วยกลไกนี้ของแต่ละธาตุนี้แตกต่างกัน ถ้าเราทำการวิเคราะห์พลังงานหรือความยาวคลื่นรังสีเอ็กซ์ที่ตัวอย่างเปล่งออกมา เราก็จะสามารถระบุได้ว่าตำแหน่งของตัวอย่างที่ถูกลำอิเล็กตรอนยิงเข้าไปนั้นประกอบด้วยธาตุอะไรบ้าง ด้วยเหตุนี้จึงมีการออกแบบอุปกรณ์ติดตั้งเสริมเข้ากับ SEM ที่อาจเป็นอุปกรณ์วัดพลังงานรังสีเอ็กซ์ที่เปล่งออกมาที่เรียกว่า Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (ย่อว่า EDX หรือ EDS) หรือเป็นอุปกรณ์ที่วัดความยาวคลื่นรังสีเอ็กซ์ที่เปล่งออกมาที่เรียกว่า Wavelength Dispersive X-ray Spectroscopy (ย่อว่า WDX หรือ WDS) และเรียกเครื่อง SEM ที่มีการติดตั้งอุปกรณ์เหล่านี้ว่า SEM-EDX, SEM-EDS หรือSEM-WDX, SEM-WDS
     

ด้วยการที่รังสีเอ็กซ์เป็นรังสีที่มีพลังงานสูง รังสีเอ็กซ์ที่เกิดจากอะตอมที่อยู่ลึกจากพื้นผิวลงไปในระดับไมครอนจึงสามารถทะลุผ่านพื้นผิวไปยังตัวรับสัญญาณได้ ดังนั้นองค์ประกอบของธาตุที่เห็นจึงเป็นองค์ประกอบของธาตุที่เป็นอะตอมชั้นบนสุดลึงลงไปถึงระดับหลายไมครอนจากพื้นผิว และถ้าตัวอย่างที่วิเคราะห์นั้นเป็นผงละเอียดที่ขนาดอนุภาคอยู่ในระดับไมครอน องค์ประกอบธาตุที่วัดได้จะเป็นองค์ประกอบรวมทั้งอนุภาค (bulk composition) ของตัวอย่างนั้น ไม่ได้เป็นเพียงแค่เฉพาะส่วนพื้นผิวของผงอนุภาคนั้น

 

รูปที่ ๒ ตัวอย่างที่ยกมาโดยวิทยากรของ Mitsubishi Electric เกี่ยวกับ Heat sink ที่ใช้ระบายความร้อนจากอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ แต่ชิ้นส่วนนี้ถูกควบคุมในฐานะที่เป็นอุปกรณ์ระบายความร้อนที่สามารถนำไปใช้ในกระบวนการเคมีที่สารเคมีนั้นมีฤทธิ์กัดกร่อนที่สูงได้

เทคนิคที่ในปัจจุบันมีการนำมาใช้วิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีของพื้นผิวกันมากขึ้นได้แก่ XPS (ที่ย่อมาจาก X-ray Photoelectron Spectroscopy หรือในชื่อเดิมคือ ESCA ที่ย่อมาจาก Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) เพราะว่าตัวเครื่องมีราคาถูกลงมาก เทคนิคนี้จะใช้รังสีเอ็กซ์พลังงานต่ำ (ที่ใช้โลหะ Mg หรือ Al เป็นแหล่งกำเนิดโดยมีพลังงานอยู่ระดับ 1000 eV ต้น ๆ) ฉายลงไปบนตัวอย่างของแข็ง รังสีเอ็กซ์ที่ฉายลงไปจะไปกระตุ้นให้อิเล็กตรอนของอะตอมของธาตุที่เป็นองค์ประกอบของตัวอย่างหลุดออกมา และเมื่อทำการวิเคราะห์พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจากตัวอย่างก็จะสามารถระบุธาตุที่เป็นองค์ประกอบของตัวอย่างหรือเลขออกซิเดชันของธาตุที่เป็นองค์ประกอบนั้นได้ แม้ว่ารังสีเอ็กซ์ที่ฉายลงไปนั้นจะส่องทะลุผ่านตัวอย่างทั้งชิ้น แต่อิเล็กตรอนที่หลุดออกมานั้นมีพลังงานจลน์ที่ต่ำ ด้วยเหตุนี้จึงมีเฉพาะอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจากอะตอมที่อยู่ลึกจากพื้นผิวลงไปไม่เกินประมาณ 10 ชั้นอะตอมที่สามารถหลุดพ้นออกมาจากตัวอย่างและวิ่งไปถึงตัวตรวจวัดได้โดยไม่ถูกอะตอมอื่นที่อยู่ในเส้นทางจับเอาไว้ ดังนั้นการวัดองค์ประกอบทางเคมีของพื้นผิวด้วยเทคนิค XPS นี้จึงเป็นการวัดในระดับชั้นอะตอม
    

กรณีของปัญหาที่เขาติดต่อผมมานั้นเขาวัดด้วย SEM-EDX ก่อน และพบว่าตัวอย่างมีแต่เหล็กเป็นองค์ประกอบ แต่เมื่อผมทำการวิเคราะห์ด้วยเทคนิค XPS ผมตรวจไม่พบอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจากอะตอมเหล็ก ก็เลยแจ้งเขากลับไปว่าตัวอย่างที่ส่งมาให้วิเคราะห์นั้น 10 ชั้นอะตอมแรกไม่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบ ต่อจากนั้นจะเป็นยังไงต่อไปก็ไม่รู้เหมือนกัน

รูปที่ ๓ ผลการวินิจฉัยตัว Heat sink ที่ไปปรากฏอยู่กับสินค้าอิเล็กทรอนิกส์ แต่ชิ้นส่วนนี้ถูกควบคุมไว้ในรายการอุปกรณ์การผลิตทางเคมี

ของเหลวนั้นระบายความร้อนได้ดีกว่าอากาศ ดังนั้นในที่แคบ ๆ หรือจำกัดนั้นการระบายความร้อนด้วยของเหลวจะกินพื้นที่ต่ำกว่าการระบายความร้อนด้วยอากาศ ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือเครื่องยนต์รถยนต์ ที่เราใช้น้ำไปหล่อเย็นรอบกระบอกสูบในเครื่องยนต์ (ที่ไม่ได้มีที่กว้างอะไรนั้น) แล้วจึงค่อยระบายความร้อนออกจากน้ำสู่อากาศที่รังผึ้งของหม้อน้ำอีกที ในกรณีของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ก็เช่นกัน ถ้ามันไม่ร้อนมากก็อาจทำเพียงแค่ติดแผงระบายความร้อนและใช้พัดลมเป่าช่วยแบบ CPU ที่ใช้ในเครื่องคอมพิวเตอร์ทั่วไป แต่ถ้ามันร้อนมาก็ต้องติดตั้งตัว Heat sink (ที่ทำจากโลหะ) ช่วยในการดึงความร้อนออกจากตัวอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์นั้น ส่งต่อสู่น้ำระบายความร้อนที่ไหลผ่านตัว Heat sink อีกที
    

ในการบรรยายให้ความรู้โดยวิทยากรของ Mitsubishi Electric ที่จัดโดย Ministry of Economy, Trade and Industry (METI) ของประเทศญี่ปุ่น ที่ Keio Hotel ในช่วงบ่ายของวันพุธที่ ๓๑ กรกฎาคม ๒๕๖๒ นั้นมีการยกตัวอย่างที่น่าสนใจหลายตัวอย่างที่ได้เล่าไปในหลายตอนก่อนหน้านี้ อันนี้ก็เป็นอีกตัวอย่างหนึ่งที่เป็นกรณีของ "ชิ้นส่วนที่ไปปรากฏอยู่กับสินค้าอิเล็กทรอนิกส์ แต่มันเป็นสินค้าควบคุมที่อยู่ในรายการของอุปกรณ์การผลิตในกระบวนการทางเคมี" ความท้าทายของตัวอย่างนี้ก็คือ ผู้ที่มีความถนัดในแขนงหนึ่ง จะรู้ได้อย่างไรว่าสิ่งที่กำลังตรวจสอบนั้นแม้ว่าจะดูแล้วอยู่ในแขนงที่เขาเชี่ยวชาญ แต่ในความเป็นจริงนั้นมันมีการซ่อนสิ่งที่ถูกควบคุมไว้อยู่ในรายการอีกแขนงหนึ่งที่เขาไม่มีความถนัด ซึ่งตรงนี้อาจจะช่วยบรรเทาได้ด้วยการบันทึกความรู้และประสบการณ์ และแบ่งปันสิ่งที่เรียนรู้นั้นร่วมกัน
    

รูปที่ ๒ นั้นเป็นสไลด์ประกอบการบรรยายที่กล่าวถึง Heat sink ที่ใช้สำหรับระบายความร้อนออกจากอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ ปรกติตัว Heat sink ก็จะทำจากโลหะที่นำความร้อนได้ดี ซึ่งถ้าหากเป็นการใช้งานในสภาพแวดล้อมธรรมดา ๆ ก็อาจไม่จำเป็นต้องมีการเคลือบผิวตัว Heat sink เพื่อป้องกันการเกิดปฏิกิริยากับอากาศหรือสภาพแวดล้อม ที่ทำให้เกิดเป็นชั้นสารประกอบที่นำความร้อนไม่ดีที่ไปปิดกั้นการไหลของความร้อน ดังนั้นถ้าเป็นการใช้งาน Heat sink ในสภาพแวดล้อมที่อาจเกิดปฏิกิริยาได้ก็ต้องทำการเคลือบผิวของ Heat sink เอาไว้เพื่อป้องกันการกัดกร่อน
    

รูปที่ ๓ เป็นผลการวินิจฉัยชิ้นส่วน Heat sink ดังกล่าวที่พบว่าโครงสร้างของพื้นผิวของ Heat sink ตัวนี้ที่มีการเคลือบผิวให้ทนการกัดกร่อนสูง ทำให้มันเป็นชิ้นส่วนที่ต้องควบคุมการส่งอออก แต่ชื่อมันไปปรากฏอยู่ในรายการที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการผลิตทางเคมี
    

ในตอนที่ ๓ ของบทความชุดนี้ผมเริ่มต้นเอาไว้ด้วยเรื่องเกี่ยวกับการผสมสารปนเปื้อนให้กับสารเคมีที่ต้องควบคุมการส่งออก เพื่อให้ความบริสุทธิ์ของสารนั้นไม่อยู่ในข่ายต้องถูกควบคุม แต่ทางผู้รับนั้นสามารถแยกเอาสารปนเปื้อนออกได้ง่ายเพื่อให้มันกลับมามีคุณสมบัติดังเช่นสารเคมีที่ต้องถูกควบคุมตามเดิม ในกรณีเช่นนี้จะพิจารณาอย่างไร และได้ทิ้งท้ายเอาไว้ว่าทางวิทยาการผู้บรรยายนั้นก็ได้ยกตัวอย่างที่ผมเห็นว่าคล้ายกันขึ้นมา ซึ่งก็คือกรณีของ Heat sink ตัวนี้

ประเด็นที่ผมสนใจก็คือ พื้นผิวของตัว Heat sink ตัวนี้ได้รับการเคลือบเอาไว้ด้วยโลหะที่ทนการกัดกร่อนสูง แต่ถ้าหากมีการเคลือบพื้นผิวนี้ทับอีกชั้นด้วยโลหะที่ไม่ทนการกัดกร่อนสูง จะเรียกว่าเป็นการเลี่ยงบาลีข้อกำหนด "พื้นผิว" ของข้อ2B350 ที่แสดงในรูปที่ ๑ ก็ได้ เพื่อให้ยากที่จะตรวจสอบได้ว่าภายใต้ชั้นผิวเคลือบนั้นมีชั้นโลหะที่ทนการกัดกร่อนสูงซ่อนอยู่หรือไม่ (เช่นเคลือบไว้หนาจนกระทั่งตรวจสอบด้วยเทคนิค SEM-EDX ไม่ได้) ซึ่งถ้าชิ้นส่วนนี้หลุดผ่านไปได้ ทางผู้รับก็สามารถกำจัดชั้นผิวเคลือบที่ไม่ทนการกัดกร่อนสูงออกได้ง่าย (เช่นละลายด้วยกรดหรือด่าง) ทำให้ได้ตัวอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนที่มีพื้นผิวสัมผัสทนการกัดกร่อนสูงกลับคืนมา และถ้าต้องการตรวจสอบนั้นจะใช้เทคนิคการตรวจสอบใด ที่จะตรวจสอบได้โดยไม่ทำลายตัวอย่าง

ปิดท้ายที่ว่างของหน้าด้วยภาพบรรยากาศสี่แยกข้างโรงแรมที่ผมไปฟังบรรยายก็แล้วกันครับ :) :) :)