ガリウム | 液体金属と半導体の二面性を持つレアメタル【世界の資源#7】
ガリウムの重要性とその背景
ガリウムは、現代の産業において重要な役割を果たす金属の一つであり、そのユニークな特性から幅広い用途で利用されています。特に、半導体産業をはじめ、電子機器製造分野でも 欠かせない存在となっています。窒化ガリウム（GaN）やガリウム砒素（GaAs）は、次世代通信技術（5Gや高周波デバイス）、高効率電力変換技術に不可欠な素材 であり、再生可能エネルギーや電動化技術の発展に伴い、その需要が高まっています。また、ガリウムはLED（発光ダイオード）や太陽電池にも利用されており、「未来技術を支える金属」としての地位を確立しています。
ガリウムは元素記号 Ga で表され、周期表では原子番号 31 のポスト遷移金属に分類されます。
ガリウムの物理的特性とその影響
ガリウムの特性は、その独自性によって現代技術と次世代産業を支える重要な要素となっています。
低融点と液体状態での安定性: ガリウムは、約30℃という低融点を持ち、わずかに温度が上昇すると液体になります。この特性により、熱管理が求められるデバイスや冷却技術に応用されています。特に、液体ガリウムは非毒性で安定しており、代替冷却材として注目されています。
優れた電子特性: ガリウム化合物（窒化ガリウムやガリウム砒素）は、高速スイッチングや高効率電力変換を可能にします。これらの材料は5G通信、レーダーシステム、高周波デバイス、高効率電力変換装置に使用され、次世代半導体材料として注目されています。
光学特性と発光効率: 窒化ガリウム（GaN）は青色や紫外線の光を生成し、ガリウム砒素（GaAs）は赤外線光を発する ため、LED（発光ダイオード）技術において不可欠です。省エネルギー照明やディスプレイ技術の実現を可能にし、太陽電池でも高い光変換効率を発揮します。LEDやレーザーダイオードの材料として使用され、光通信や医療機器、車載ランプに応用されています。
高温安定性: 窒化ガリウム（GaN）は高温でも動作可能な特性を持ち、航空宇宙産業や高耐久性が求められる産業用電子機器で利用されています。高温安定性と高効率特性により、高周波通信機器やセンサー、レーダーシステムで使用され、極限環境下でも安定した性能を発揮します。
化学的安定性: ガリウムは多くの環境下で安定しており、厳しい条件下で使用される電子デバイスの材料として重要です。
これらの特性により、ガリウムは現代産業と次世代技術の進展を支える金属として位置づけられています。
世界にあるガリウム
ここから、資源量、埋蔵量、生産量のデータについて確認していきます。なお、参照元は以下の通りです。
資源量、埋蔵量：USGS
生産量：World Mining Data
資源量
世界には約100万トンのガリウム資源が存在すると推定されています。ただし、ボーキサイトや亜鉛資源中に含まれるガリウムのうち、実際に回収可能と考えられているのは 10%未満 とされています。
生産量
2022年のデータによれば、世界のガリウム総生産量は約610トンで、4か国が生産国として含まれています。
中国は世界全体の約98%のガリウムを生産しており、最大の生産国です。
ガリウム資源の種類と特徴
以下は、中国がどのような形でガリウムを生産しているのかを説明します。
生産形態:
中国では、主にアルミニウム精錬プロセスの副産物としてガリウムが生産されています。また、一部の亜鉛鉱石の精錬からもガリウムが回収されていますが、その割合は小さいです。
主な産地:
河南省、山西省、貴州省
これらの地域では、豊富なボーキサイト資源を活用したアルミニウム精錬が行われており、その副産物としてガリウムが回収されています。雲南省、内モンゴル自治区
亜鉛鉱石の精錬施設において、ガリウムが一部回収されるものの、アルミニウム精錬ほどの生産規模には至っていません。
生産方法:
アルミニウム精錬の副産物としての回収
中国のガリウム生産の大半は、ボーキサイトを原料とするアルミニウム精錬の過程で発生します。このプロセスでは、「バイヤー法（Bayer process）」によってアルミナ（酸化アルミニウム）を生成する際に、ボーキサイトに含まれる微量のガリウムが溶液中に取り込まれます。バイヤー法の概要
ボーキサイトを水酸化ナトリウム（強アルカリ）で処理し、アルミナを溶液中に溶かす。
ガリウムもこの溶液中に溶解し、ナトリウムアルミン酸溶液として蓄積される。
ガリウムの回収プロセス
アルミナを沈殿・分離させる際、ガリウムは溶液中に残る。
溶媒抽出法や電解法などの化学的・電気化学的手法によってガリウムを効率的に分離・回収する。
この回収プロセスは、中国のアルミニウム精錬技術の高度化とともに最適化されており、中国が世界のガリウム市場を支配する要因となっています。特に、中国は世界最大規模のアルミニウム精錬能力を有しており、その副産物として得られるガリウムの生産効率を向上させています。
亜鉛鉱石の精錬副産物としての回収
中国では、一部の亜鉛鉱石に含まれるガリウムを化学的に分離し、補助的なガリウム供給源としています。ただし、アルミニウム精錬に比べると生産量は限定的であり、あくまで補助的な生産形態にとどまっています。
ちなみに、中国のアルミニウムの生産は世界第1位となっています。
このように、ガリウムは専用鉱山から採掘されるのではなく、アルミニウムや亜鉛の精錬プロセスの副産物として生産されています。特に、中国は圧倒的なアルミニウム生産能力と高度な精錬技術を持つため、世界のガリウム生産の中心的な役割を担っています。
ガリウム化合物半導体
半導体といえばシリコン、その強みと課題
シリコン（Si）は、半導体技術の基盤を築き、長年にわたりエレクトロニクス産業を支えてきた材料です。地球上に豊富に存在し、加工が容易でコストパフォーマンスが高いことから、トランジスタ、IC（集積回路）、CMOS回路といったあらゆる電子機器の心臓部として使用されています。
しかし、技術が進化するにつれて、シリコンには以下のような物理的限界が見え始めました。
高電圧・高周波への対応力不足
シリコンはバンドギャップが小さいため、高電圧での動作や高周波通信には向いておらず、特に5G通信やレーダーなどの高周波用途では効率が低下します。
熱伝導性の低さ
シリコンは熱伝導率が比較的高いが、高温環境下では電子特性の劣化が早く、性能が低下しやすいため、放熱設計が課題になります。
光学的特性の欠如
シリコンは発光特性がないため、LEDやレーザーデバイスには利用できません。このため、光通信やディスプレイ技術では別の材料が必要とされています。
これらの課題が、シリコンの限界を明確にし、新しい半導体材料の登場を促しました。その答えが、ガリウムを基盤とする化合物半導体なのです。
なぜガリウムなのか？
ガリウムは、シリコンでは対応できない問題を解決する特性を持ち、次世代技術の中心に位置付けられるようになりました。特に、窒化ガリウム（GaN）とガリウム砒素（GaAs） は、以下の点でシリコンを凌駕しています。
高耐電圧・高周波特性
GaNはバンドギャップが広く、高電圧や高周波での動作に適しています。これにより、5G通信、電力変換、宇宙分野での用途が拡大しています。
優れた光学特性
GaAsは赤外線から可視光領域までの発光特性を持ち、レーザーダイオードや赤外線センサーに不可欠です。
GaNは青色LEDや紫外線LEDの基盤として、照明技術やディスプレイ革命を支えてきました。
高温環境での動作
GaNは高温環境下でも性能が安定しており、航空宇宙分野や耐久性が求められる産業用途での採用が進んでいます。
シリコンは半導体技術の基盤ですが、高電圧・高周波・高温環境・光学特性に課題があり、GaNやGaAsが次世代の材料として注目されているのは事実です。ただし、シリコンも依然としてコストや加工性で優れており、用途ごとに最適な材料が選ばれている点を理解することが重要です。
ガリウムの課題
ガリウムは先端技術分野で重要な役割を果たしていますが、いくつかの課題も抱えています。
供給の不安定性
ガリウムは専用鉱山から採掘されるわけではなく、主にアルミニウム精錬の副産物として生産されます。そのため、アルミニウム市場の動向に生産量が左右され、需要が増えても簡単に供給を増やせない という課題があります。さらに、中国が世界の生産量の約98%を占めるため、地政学的リスクや輸出規制の影響を受けやすい点も懸念されています。
高コスト
ガリウムは大量に存在するものの、回収可能な濃度で存在するわけではなく、抽出コストが高いのが特徴です。特に、高純度のガリウム化合物（GaNやGaAs）の製造には精密な精製プロセスが必要であり、価格が高騰しやすい傾向にあります。そのため、コスト競争力のあるシリコンと比較すると、特定用途に限定されることが多いです。
化学的安定性の課題
ガリウム自体は比較的安定した金属ですが、酸化しやすく、空気中では酸化膜を形成します。また、液体ガリウムは他の金属と反応しやすく、特定の金属を腐食するため、使用環境によっては制約が生じます。
技術的制約
ガリウム化合物半導体は高性能な特性を持つものの、製造プロセスが複雑で、シリコンと比べると加工の難易度が高いという問題があります。例えば、GaNの成膜には高温・高圧環境が必要 であり、製造コストが高くなりやすいのが課題です。
廃棄とリサイクルの難しさ
ガリウムを含む半導体デバイスやLEDのリサイクル技術は、シリコンほど確立されていません。ガリウムの回収は技術的に困難であり、リサイクルコストが高いのが現状です。環境負荷を抑えながら、効果的な回収・再利用技術を確立することが今後の課題となります。
終わりに
ガリウムは、そのユニークな特性により、現代技術と未来技術を支える重要な金属の一つです。 特に、窒化ガリウム（GaN）とガリウム砒素（GaAs）は、次世代通信、高効率電力変換、再生可能エネルギー、航空宇宙産業などの分野で幅広く活用され、技術革新を支えています。
一方で、中国に生産が集中していることや、回収可能な資源量が限られていることから、供給の安定性に課題があります。 また、高コストやリサイクル技術の確立といった課題もあり、効率的な資源利用と代替技術の開発が今後の重要なテーマとなるでしょう。