실험 결과: 액체 금속 TIM은 건조되지 않고 고체로 변함

유튜버 하드웨어 애호가이자 Thermal Grizzly의 보스인 der8auer가 새 영상에서 2년 된 액체 금속 열 인터페이스 재료(TIM, thermal interface material) 도포 부위를 전자 현미경으로 테스트하며 이것이 건조되지 않는다는 것을 발견했습니다. 대신 갈륨은 구리(copper)와 반응하여 고체 화합물을 형성합니다. 구리에 있는 이 층의 열 전도 성능은 맨 금속 대비 약 4분의 1 수준이며, 니켈 도금(nickel plating)을 하면 그 두께가 약 10배 더 얇게 유지됩니다.

그의 테스트에 따르면 TIM은 1시간 후 액체 상태였고, 2개월 차에는 곳곳에 결정체가 있는 액체는 보이지 않았으며, 이후 2년이 지나도 변화가 없었습니다. 그는 “총 2년이 지난 후에도 솔직히 더 이상 변하지 않았다”고 말했습니다. 이 테스트는 산화를 방지하기 위해 세션 사이에 장치를 진공 또는 질소(nitrogen) 충전 상자에 보관하는 것에 의존했습니다.

문제의 TIM은 갈륨과 인듐(indium) 합금으로, 종종 주석(tin)이 포함되며 실온에서 액체 상태입니다 (Thermal Grizzly는 자체 제품인 Conductonaut을 판매합니다). 갈륨은 약 30도 셀서스에서 녹고, 갈륨-인듐-주석 혼합물은 단지 11도에서 녹습니다. 표면적당 열이 계속 증가함에 따라 인터페이스 병목 현상에서의 냉각 개선이 실제 문제가 되고 있습니다. 그의 예시로는 RTX 5090과 RTX 5080이 있으며, 그는 이들이 8800 GTX보다 “두 배” 그리고 “세 배”의 전력 밀도를 가졌다고 말합니다.

액체 금속의 반응은 쿨러 재질에 따라 다릅니다. 알루미늄의 경우, 산화층이 파괴되면 갈륨(gallium)이 결정립계(grain boundaries)를 따라 이동하며 금속을 약하게 만듭니다. 그는 폐기된 2mm 두께의 알루미늄 시트에서 약 5분 후 표면 팽창이 일어났으며, 30분 이내에 부서지기 쉬운 상태가 되었다고 보여주었습니다. 이러한 반응은 “오랫동안 일반적인 지식”이었다고 합니다.

구리(copper)의 경우, Thermal Grizzly의 새로운 스테인리스 스틸 워터 블록 냉각판에 있는 액체 금속은 이소프로필 알코올이나 아세톤으로 5분도 안 되어 닦아낼 수 없습니다. 갈륨이 구리와 결합하여 CuGa2(구리 원자 1개당 갈륨 원자 2개)를 형성하며, 남은 인듐과 주석은 다른 고체 영역을 만듭니다. 이로 인해 막이 마치 응고되는 것처럼 보입니다. CuGa2의 열전도도는 약 100 W/mK로, 구리의 약 400 W/mK에 비해 낮습니다. CuGa2는 약 섭씨 254도까지 고체 상태를 유지하기 때문에 “다시 녹일 수 없습니다.”

이 막은 하루에 약 1 마이크로미터씩 성장하여, 온도와 이용 가능한 갈륨의 양에 따라 약 50~100 마이크로미터에 도달합니다. 그가 보여준 70도에서 구리 판 사이에 순수 갈륨을 놓은 예시에서는 96시간 동안 약 4 마이크로미터를 보였습니다. 액체 금속은 “실제로 건조되지 않습니다”; 이는 “화학적으로 반응하여 고체 화합물을 형성했기” 때문에, 금속은 여전히 다른 형태로 존재합니다.

니켈 도금된 쿨러의 경우, 갈륨이 대신 NiGa5(니켈 원자 1개당 갈륨 원자 5개)를 형성하며, 이 역시 상온에서 고체입니다. 니켈 도금은 막을 약 10배 더 얇게, 즉 슬라이드에서 보듯이 15 마이크로미터 또는 510 마이크로미터에 멈추게 하지만, NiGa5는 구리-갈륨 화합물보다 열전도도가 떨어집니다. 하지만 그는 니켈이 “대부분의 경우 우수하다”고 추정하는데, 이는 표면에 흡수되는 갈륨의 양이 훨씬 적고 아래쪽의 구리를 보호하기 때문입니다.

잔여물을 제거하는 것은 까다롭기 때문에 그는 표면 장력을 낮추는 화학 물질이 포함된 Thermal Grizzly의 TG Metal Polish & Restore를 추천했다. 이 회사의 9월 30일 블로그 게시물에 따르면, 이는 갈륨을 결합시켜 다시 달라붙는 것을 막는 계면활성제(surfactant)라고 설명한다. 이 제품은 페이스트 30g, 폴리싱 펜, 극세사 천으로 구성되어 있으며 가격은 직접 구매 시 $22.11이다. 그의 데모에서는 맨 구리판에서 신선한 필름이 떨어져 나오는 것을 보여주었다. PC Games Hardware 포럼 사용자는 이 제품을 사용하여 2018년부터 액체 금속을 사용했던 분해된 Skylake-X의 Aqua Computer 블록을 청소했으며, 제거하는 데 약 한 시간이 걸렸다고 한다.

이는 일반 사용자들을 위한 TIM(Thermal Interface Material)이 아니며, 그는 이것이 수동 오버클럭킹 CPU와 같이 매우 높은 전력 밀도 부품에 사용되는 '매니아들의 영역'에 머물러야 한다고 추천한다. Thermal Grizzly는 니켈을 새로운 코팅으로 대체하는 것을 목표로 하며, “아마 내년에” 출시할 계획이다. 또한 맨 다이(bare dies)용 KryoSheet 그래핀 패드의 새 버전을 곧 출시할 예정이며, 그는 이것이 액체 금속보다 3~4도 정도 성능은 떨어지지만, “특히 가격을 고려하면” 시도해 볼 만하다고 말한다.

비용 측면에서 그는 자신의 회사가 갈륨에 대해 5년 후에는 거의 10배나 더 많은 비용을 지불한다고 지적했다. 키로그램당 €300에서 €2,500~€3,000까지 올랐다. 가격은 2025년 초부터 두 배 이상 상승했다. 중국이 전 세계 갈륨의 99%를 공급하며, 대중국 갈륨 수출 금지는 2026년 11월 27일까지 유예되었지만, 여전히 수출 허가가 필요하다.