고급 LFA 솔루션: 갈륨 기반 액체의 분석

서론

갈륨(Ga) 기반 액체 금속은 뛰어난 전기 전도도, 열 전도도 및 유동성을 바탕으로 고출력 전자기기 냉각 분야의 핵심 소재로 부상하고 있습니다. 열 관리 분야에서 갈륨(Ga) 및 갈륨-인듐(In) 합금은 열 인터페이스 재료로 사용되어 칩과 방열판 사이의 틈을 메움으로써 CPU 및 GPU와 같은 핵심 부품에서 발생하는 열을 효율적으로 방출할 수 있습니다. 이를 통해 작동 온도를 크게 낮추고 장치의 안정적인 작동을 보장합니다. 이들의 열 방출 효율은 열전도 그리스나 열전도 패드의 효율을 훨씬 능가합니다. 또한, 갈륨(Ga) 및 갈륨 기반 합금은 극히 넓은 액상 온도 범위(영하에서 2000°C 이상까지)를 가지며, 물보다 훨씬 뛰어난 열전도도를 갖추고 있어 고출력 밀도 칩, 항공우주 응용 분야 및 기타 분야에서 매우 유망한 대류 냉각 매체로 주목받고 있습니다.

중요한 열 관리 응용 분야에서 Ga 및 Ga-In 합금의 안전하고 효율적인 작동을 보장하기 위해서는 열전도율에 대한 정확한 시험이 필수적입니다. 레이저/라이트 플래시 분석(LFA)은 기존의 고체 시료의 열전도도를 측정할 뿐만 아니라, 적절한 시료 홀더를 사용하고 적합한 계산 모델을 선택하면 액체, 페이스트, 분말과 같은 특수 시료의 열확산도를 측정하여 열전도도를 계산할 수도 있습니다. 이 애플리케이션 노트는 NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® 에서 PEEK 액체 시료 홀더를 사용하여 순수 Ga 및 Ga-In 합금 시료의 열전도도를 측정하는 데 사용하는 방법에 중점을 둡니다.

표 1: 측정 조건

측정 결과

그림 1은 30°C에서 120°C의 온도 범위에서 측정된 순수 Ga 시료의 열확산율, 비열용량(_{비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp}), 열전도도 측정 결과를 보여준다. 30°C에서 시료의 열확산율과 열전도율은 각각 11.4 mm²/s와 26.6 W/(m·K)로, 이는 문헌[1]에 보고된 값과 일치한다. 열확산율과 열전도율은 모두 온도가 상승함에 따라 증가한다. 비열용량(_{비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp})은 NETZSCH DSC 300 Caliris^®Select 을 사용하여 측정하였다. Ga와 알루미늄(Al) 간의 격렬한 반응으로 인해, 측정 시 Al₂O₃로 내벽을 코팅한 백금(Pt) 도가니를 사용했다는 점에 유의해야 한다.

PEEK 액체 시료 홀더는 3층 구조를 기반으로 합니다. 조립이 완료된 후, 상부 및 하부 스테인리스강 디스크와 PEEK 링으로 구성된 용기에 주입, 액적 첨가 또는 도포 방식을 통해 액체 시료를 넣을 수 있습니다(그림 2 참조). 이 특수 시료 홀더는 액체, 액체 금속, 페이스트 등의 시료를 시험하는 데 사용할 수 있습니다.

이 홀더를 사용할 때, 열확산율을 계산하기 위해 3층 모델이 적용됩니다. 그림 3은 30°C에서 순수 Ga 시편의 온도 상승 곡선을 보여줍니다. 측정된 곡선(파란색)이 모델에 의해 적합된 곡선(빨간색)과 매우 잘 일치하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 액체용 PEEK 시편 홀더를 사용하여 얻은 시험 결과의 타당성과 정확성을 다시 한번 입증합니다.

순수 갈륨(Ga)의 녹는점은 약 29.8°C입니다. 이는 일반적인 실온 조건에서는 고체 상태를 유지하므로, 액체 열전도 재료나 유동성 작업 유체로 직접 사용할 수 없습니다. 갈륨에 인듐(In)이나 주석(Sn)과 같은 원소를 첨가하면 공융 합금이 형성되어 녹는점이 현저히 낮아집니다. 예를 들어, 상용 Ga-In-Sn 합금인 갈린스탄(Galinstan)의 녹는점은 -19°C까지 낮습니다. 이는 대부분의 자연 환경 조건에서 액체 상태를 유지함을 의미하며, 이에 따라 적용 범위가 크게 확대됩니다.

그림 4는 30°C에서 120°C까지 PEEK 액체 시료 홀더를 사용하여 시험한 순수 Ga 및 GaIn(_Ga75In25), GaInSn(_{Ga68.5In21.5Sn10}) 합금의 열전도도 측정 결과를 보여줍니다. 갈륨에 인(In)과 주석(Sn)을 합금화하면 열전도율이 감소하는 것이 분명합니다. 인과 주석을 첨가하면 액체 갈륨 내에 추가적인 자유전자 산란 중심이 생겨 전자의 평균 자유 행로가 짧아지며, 갈륨 액체 금속의 열 전달은 주로 자유전자에 의해 이루어지기 때문에 열전도율이 낮아집니다 [2]. 합금 조성(In 및 Sn 함량 포함)은 열전도도에 상당한 영향을 미치며, 열전도도의 정확한 측정은 갈륨 기반 액체 금속의 선별 및 조성 최적화를 위한 기초를 제공한다.

요약

갈륨을 주성분으로 하는 액체 금속은 물처럼 흐르면서도 뛰어난 열전도성과 안정성을 갖추고 있어, 방열 분야에서 탁월한 잠재력을 보여주고 있습니다. NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® 는 액체용 특수 PEEK 시료 홀더와 전용 3층 계산 모델을 결합하여 갈륨 기반 액체 금속의 열전도율을 정확하게 측정할 수 있습니다. 이는 액체 금속의 방열 능력을 정확하게 평가하고, 나아가 효율적이고 신뢰할 수 있는 열 관리 솔루션을 제공하는 데 매우 중요합니다.