'네오디뮴 자석(Neodymium Magnet)'은 일본 '스미토모 특수금속(Sumitomo Metal Industries)'의 '사가와 마사토(佐川眞仁)'가 개발한 사상 최강의 영구 자석이다. 네오디뮴 자석은 이름 그대로 '네오디뮴(Nd, 원자번호 60번)'을 사용한 자석으로, 매우 강력한 '자기력(Magnetic Force)'을 가지고 있다. 세탁기, 냉장고, 에어컨, 하이브리드 자동차 등의 '모터(Motor), '하드디스크(Hard Disk)', '헬스케어 기기(Healthcare Device)', '스마트폰(Smarphone)' 등 여러 가지 제품에 '네오디뮴 자석(Neodymium Magnet)'이 사용되고 있다.
0. 목차
- 네오디뮴 자석의 개발
- 자석이 될 수 있는 원소
- 네오디뮴 자석의 약점
- 고온에서도 작용하는 네오디뮴 자석 만들기
1. 네오디뮴 자석의 개발
'모터(Motor)'는 영구 자석을 써서 '전기의 힘'을 '물건을 움직임'으로 바꾼다. 최강의 자석으로 알려진 '네오디뮴 자석(Neodymium Magnet)'을 쓰면, 강력한 모터를 만들 수 있다. 그리고 강력한 모터는 자동차나 컴퓨터 등 전자제품 등에 많이 쓰인다. '네오디뮴 자석'은 일본의 '사가와 마사토(佐川眞仁, 1943~)' 박사가 1983년에 개발했다.
'네오디뮴(Neodymium)'은 '희토류 원소(Rare Earth Elements)' 중의 하나이다. '희토류 원소'를 사용한 자석은 1950년대 후반에 알려져 있었는데, '네오디뮴 자석'이 등장하기 전에는 희토류 원소인 '사마륨(Sm)'을 사용한 '사마륨·코발트 자석'이 주류를 이루고 있었다. '사가와 마사토(佐川眞仁)' 박사는 더욱 강력한 '사마륨·코발트 자석'의 개발에 종사하고 있었다. 또 그와는 별도로 합금 소재로 네오디뮴의 연구를 진행하고 있었다. 이 두 가지 연구가 연결되어서 '네오디뮴 자석(Nd2Fe14B)'가 탄생하게 되었다.
2. 자석이 될 수 있는 원소
자석은 '강자성 원소(ferromagnetic elements)'라는 원소에 몇 가지 원소를 섞어 만든다. 그런데 118개의 원소 중에서 '강자성 원소'가 될 수 있는 원소는 '철(Fe)', '코발트(Co)', '니켈(Ni)' 3개뿐이다. '가돌리늄(Gd)'도 강자성 원소 중 하나이긴 하지만, 존재량이 너무 적고 자기력도 약해서 현실적으로는 자석의 원료로 쓰기는 어렵다.
'강자성 원소'는 그 자체로는 영구자석이 될 수 없고, 반드시 함께 섞는 물질이 필요하다. 그리고 어떤 원소를 섞는지에 따라 자석의 성능이 크게 달라진다. 네오디뮴 자석은 일반적으로 무게로 따졌을 때, '철(Fe)' 60~70%, '네오디뮴(Nd)' 30% 정도, '붕소(B)' 1% 정도가 섞여 있다.
2-1. 강자성 원소로 영구 자석 만들기
사실 강자성 원소의 원자 하나하나는 N극과 S극을 가진 자석이다. '강자성 원소(네오디뮴 자석에서는 철)'의 내부는 원자 자석들이 무질서하게 배열되어 서로의 자기장을 상쇄하여, '강자성 원소' 자체로는 자석이 되지 않는다. 그런데 바깥에서 자석을 가까이하여 '강자성 원소'에 가하면, 강한 자기력을 N극과 S극의 방향이 일치하는 원자 자석의 비율의 늘어나면서 최종적으로는 강자성 원소 전체가 자석이 된다.
하지만 철 원자가 늘어서 있는 가운데 네오디뮴 원자를 넣으면, 바깥에서 가해지는 강한 자기력에 의해 일치된 원자 자석의 N극와 S극을 그대로 고정시킬 수 있다. 이렇게 고정된 원자의 집합체 전체가 자기력을 갖게 되면, 영구 자석이 만들어진다.
3. 네오디뮴 자석의 약점
네오디뮴 자석의 자기력은 매우 강력하지만, 네오디뮴 자석에도 약점이 있다. 바로 열을 가하면 그 자기력이 없어진다는 것이다. 사실은 네오디뮴 자석뿐만 아니라, 자석은 일반적으로 열에 약하다. 열이 가해지면 원자는 격렬하게 진동하여, 정렬되어 있던 원자가 격렬하게 진동하여 'N극', 'S극'의 방향이 흩어져 자기력을 잃는다. 하지만 열 때문에 자기력이 사라지면 곤란한 상황이 생길 수 있다. 예컨대, 하이브리드 자동차의 모터에서 사용되는 경우, 모터가 200℃ 정도의 고온이 되면, 네오디뮴 자석의 자기력이 약해져 자석의 역할을 못 하게 될 수 있다.
고온에서도 작용하는 '네오디뮴 자석'을 만드는 방법으로는 두 가지 방법이 알려져 있다. 바로 '디스프로슘을 섞는 방법'과 '네오디뮴-구리 합금을 침투시키는 방법'이다.
4. 고온에서도 작용하는 네오디뮴 자석 만들기
4-1. 디스프로슘 섞기
자동차의 모터 등에서 '네오디뮴 자석(Neodymium Magnet)'에는 고온에서도 자기력을 유지시키기 위해 '디스프로슘(Dy, 원자번호 66번)'이 가해진다. 그래서 고온 환경에서도 '네오디뮴 자석'을 사용할 수 있도록, '디스프로슘(Dy)'이라는 희토류 원소를 추가하는 방법이 개발되었다. 이것도 '사가와 마사토(佐川眞仁)' 박사가 개발하였다.
추가하는 홑원소 물질은 원자 7개에 디스프로슘 3개이다. '디스프로슘'은 고온 환경에서 '철(Fe)' 원자 등의 N, S극의 방향이 바뀌는 것을 방지하는 역할을 한다. 다만 자석은 기본적으로 강자성 원소의 비율이 높을수록 자기력이 강하므로, 디스프로슘을 섞으면 상온에서 자기력이 약해진다. 그래서 네오디뮴 자석에 디스프로슘을 섞을수록 열에는 잘 견디지만 그만큼 상온에서 자기력은 약해진다. 또 디스프로슘은 희소 금속이라 가격도 비싸다. 그래서 디스프로슘을 사용하지 않고 네오디뮴 자석의 내열성을 높이는 방법이 필요하다.
4-2. '네오디뮴-구리 합금' 침투시키기
자동차의 모터 등에서 '네오디뮴 자석'에는 고온에서도 자기력을 유지시키기 위해 '디스프로슘(Dy)'이 가해진다. 다만, 디스프로슘을 넣으면 '내열성(물질이 영구적인 변화 없이 고온을 견디는 능력)'은 높아지기지만 자석의 본질적인 '자기력'이 약해진다. 디스프로슘을 가하지 않고 네오디뮴 자석의 내열성을 올릴 수 있다면, '디스프로슘'의 희소 문제는 해결된다.
일본 재료연구기구 자기성 재료센터의 '호노 가스히로' 센터장 등은 디스프로슘이 들어 있지 않은 네오디뮴 자석의 표면을 구리-네오디뮴 합금으로 덮고 600℃에서 열처리했다. 그 결과 예상대로 '항자기력'은 더욱 올라갔고 디스프로슘이 들어 있지 않은 네오디뮴 자석으로는 매우 높은 '항자기력'을 얻을 수 있었다. '항자기력(coercive force)'이란 자기력이 상실되는 데 저항하는 힘을 말한다. '항자기력'이 높으면, 자기력이 안정되고 내열성이 기대된다. 디스프로슘을 전혀 사용하지 않고, 네오디뮴 자석의 내열성을 높이는 이 방법은 2010년에 발견되었다. 그 방법은 네오디뮴 자석 안에, '네오디뮴-구리의 합금'을 스며들게 하는 것이다.
네오디뮴 자석을 현미경으로 살펴보면 '결정립(Crystal Grain, 미세한 결정)'의 모임이라는 사실을 알 수 있다. 네오디뮴 자석에 '네오디뮴-구리 합금'의 분말을 묻혀 온도를 550℃까지 올리면, '네오디뮴-구리 합금'이 녹아 네오디뮴 자석의 결정립 사이로 침투한다. 일반적인 네오디뮴 자석은 고온이 되어 하나의 결정립이 자기력을 잃으면, 그 주위의 결정립에도 영향을 미쳐 연쇄적으로 자기력이 사라진다. 하지만 '네오디뮴-구리 합금'에 결정립이 코팅되면 연쇄 반응이 일어나기 어려워지기 때문에, 고온에서도 원래의 자기력을 유지할 수 있다.
아래의 사진 A는 네오디뮴 자석의 '결정립' 사이에 네오디뮴과 구리의 합금을 스며들게 한 것이다. 검고 가늘고 길게 보이는 것이 네오디뮴과 철과 붕소로 이루어진 '결정립(Nd2Fe14B)'이며, 그 사이에 밝은 부분은 '네오디뮴-구리 합금'이다. 아래의 사진 B는 팽창하지 않도록 압력을 가하고 '네오디뮴-구리 합금'을 스며들게 한 것이다. 결정립이 더욱 빽빽해져 같은 부피라도 A보다 자기력이 강해진다. 이처럼 같은 소재라도 제조 방법에 따라 자석의 성능이 향상될 수 있다.
