はじめに
ガリウム（Ga）系液体金属は、その卓越した電気伝導性、熱伝導率、および流動性により、高出力電子機器の冷却分野において重要な材料として注目されています。 熱管理において、ガリウム（Ga）およびガリウム・インジウム（In）合金は、熱界面材料として機能し、チップとヒートシンクの間の隙間を埋めることで、CPUやGPUなどのコアコンポーネントから発生する熱を効率的に放散することができます。これにより、動作温度を大幅に低減し、デバイスの安定した動作を確保します。その放熱効率は、サーマルグリースやサーマルパッドのそれをはるかに上回ります。 さらに、GaおよびGa系合金は、極めて広い液相温度範囲（氷点下から2000°C以上）と、水よりもはるかに優れた熱伝導率を有しており、高電力密度チップや航空宇宙用途、その他の分野において、非常に有望な対流冷却媒体となっています。
重要な熱管理用途において、GaおよびGa-In合金の安全かつ効率的な動作を確保するためには、それらの熱伝導率を正確に測定することが不可欠です。 レーザー／光フラッシュ分析（LFA）は、従来の固体試料の熱伝導率を測定するだけでなく、適切な試料ホルダーを使用し、適切な計算モデルを選択することで、液体、ペースト、粉末などの特殊な試料の熱拡散率も測定し、そこから熱伝導率を算出することができます。 本アプリケーションノートでは、NETZSCH （LFA 717 HyperFlash® ）が、PEEK製液体試料ホルダーを用いて、純GaおよびGa-In合金試料の熱伝導率を測定するために採用した手法に焦点を当てています。
表1：測定条件
| 試料 | 純Ga GaIn (Ga75In25) GaInSn (Ga68.5、In21.5、Sn10) |
| 温度 | 30°C、60°C、90°C、120°C |
| 試料ホルダー | 液体用 PEEK 試料ホルダー |
| 比熱容量 | DSC 300Caliris Select |
| 雰囲気 | N2 |
| モデル | 3層 + パルス補正 |
測定結果
図1は、30°Cから120°Cの温度範囲で測定された、純Ga試料の熱拡散率、比熱容量（比熱容量（cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ることによって決定される。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp）、および熱伝導率の結果を示している。 30°Cにおいて、試料の熱拡散率と熱伝導率は、それぞれ11.4 mm²/sおよび26.6 W/(m·K)であり、これは文献[1]で報告されている値と一致している。熱拡散率と熱伝導率はいずれも、温度の上昇に伴い増加する。 比熱容量（比熱容量（cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ることによって決定される。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp）は、NETZSCH 社製DSC 300（Caliris® Select ）を用いて測定した。なお、Gaとアルミニウム（Al）の間で激しい反応が生じるため、測定にはAl₂O₃で裏打ちされた白金（Pt）容器を使用した。
PEEK製液体試料ホルダーは、3層構造を採用しています。 組み立て後、上部および下部のステンレス鋼ディスクとPEEKリングで構成されるこの容器に、注入、液滴添加、または塗布によって液体試料を充填することができます（図2参照）。この特殊な試料ホルダーは、液体、溶融金属、ペーストなどの試料の試験に使用できます。
このホルダーを使用する場合、熱拡散率の計算には3層モデルが採用される。 図3は、30°Cにおける純Ga試料の温度上昇曲線を示しています。測定曲線（青）がモデルによる近似曲線（赤）と非常に良く一致していることが確認でき、液体用PEEK試料ホルダーを用いて得られた試験結果の妥当性と精度がさらに実証されています。
純粋なガリウム（Ga）の融点は約29.8°Cである。一般的な室温条件下では固体状態を保つため、液体の熱界面材料や流動性のある作動流体として直接使用することはできない。ガリウムにインジウム（In）やスズ（Sn）などの元素を添加すると、共晶合金が形成され、融点が大幅に低下する。 例えば、市販のGa-In-Sn合金であるガリスタン（Galinstan）の融点は-19°Cと極めて低い。これは、ほとんどの自然環境条件下で液体の状態を保つことを意味し、その応用範囲を大幅に拡大している。
図4は、PEEK製液体試料ホルダーを用いて30°Cから120°Cの範囲で測定した、純GaおよびGaIn（Ga75In25）、GaInSn（Ga68.5In21.5Sn10）合金の熱伝導率の結果を示している。 GaにInおよびSnを合金化すると、熱伝導率が低下することが明らかである。Ga液体金属における熱輸送は自由電子によって支配されているため[2]、InおよびSnの添加により、液体Ga内に余分な自由電子散乱中心が導入され、電子の平均自由行程が短縮され、熱伝導率が低下する。 合金組成（InおよびSnの含有量を含む）は熱伝導率に著しい影響を及ぼし、熱伝導率の正確な測定は、ガリウム系液体金属のスクリーニングおよび配合の最適化のための基礎となる。
概要
ガリウムを主成分とする液体金属は、水のように流れる一方で、優れた熱伝導率と安定性を兼ね備えており、放熱の分野において並外れた可能性を示しています。NETZSCH （LFA 717 HyperFlash® ）は、液体用特殊PEEK試料ホルダーと組み合わせ、専用の3層計算モデルを使用することで、ガリウム系液体金属の熱伝導率を正確に測定することができます。これは、液体金属の放熱能力を正確に評価し、さらに効率的で信頼性の高い熱管理ソリューションを提供するために極めて重要です。