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admin

2016-12-28 15:13:15

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희토류전이금속자석[rare earth magnet]

사마륨(Sm)이나 네오디뮴(Nd) 등의 희토류원소인 4f전자에 의한 자기적성질과 철, 코발트 등의 전이금속인 3d 전자에 의한 자기적성질을 잘 조합시킨 강력한 금속간화합물 타입의 자석. 자력이 세고 철의 산화물로 만든 페라이트자석의 약1/10 체적으로 같은 작용을 하므로, AV기기나 컴퓨터기기의 소형모터에 수요가 많고 전자기기의 경박단소화(輕薄短小化)에 기여하고 있다.

최근은 포켓벨의 진동용모터나 휴대전화의 스피커, 마이크로폰에도 쓰이고 있다. 이 밖에 핵자기공명의 원리를 의료에 응용한 보급타입의 자기공명단층촬영장치(MRI)의 자기장발생장치에도 대량 쓰이고 있다.

희토류전이금속자석재료의 계보는 1965년에 미국에서 발견된 2원계 금속간화합물의 사마륨-코발트자석에 시작되고, 1985년에 미국과 일본에서 발표된 3원계 금속간화합물의 네오디뮴-철-보론자석을 거쳐 1990년에 아일랜드에서 발표된 사마륨-철-질소자석에 이르고 있다. 더욱이 이들 주변에는 다른 희토류원소나 전이금속원소 등을 첨가하여 내열성이나 내부식성 등 실용성을 높인 희토류전이금속자석재료가 수 없이 탄생하고 있다.

희토류자석의 제조방법에는 2개로 대별된다.

하나는 고주파유도로를 이용하여 자석 조성의 합금을 용해하고 2～4μm지름에 분쇄한 후 자기장을 걸면서 프레스하고 1000～1200℃에서 소결하는 방법. 또 하나는 자석 조성의 급냉응고분말을 만들어 수지와 혼합시켜서 사출성형기를 사용하여 성형하는 방법. 어느 방법에 있어서도 희토류전이금속 분말의 산화방지대책이 고려된다.

자석재료에 우선 요구되는 물리적성질은 다음 세가지가 있다.

① 자속밀도가 클 것

② 자기이방성이 강할 것

③ 퀴리점이 높을 것. 이러한 관점에서 자석을 구성하는 원소인 희토류, 전이금속, 여기에 보론(붕소B)이나 질소 역할을 설명하면 다음과 같이 된다.

희토류원소는 보통은 ＋3가의 이온으로 금속간화합물에 짜 넣어져 있다. 1개의 희토류이온이 갖는 자기모멘트라고 불리우는 자기적강도와 희토류원소가 가지고 있는 4f 전자 수의 관계를 그림에 나타내고 있다.

철, 코발트, 니켈 등의 전이금속 원자는 금속간화합물 중에서도 금속적원자 집단으로 자기적성질을 발휘하고, 자기모멘트의 크기는 1원자당 철에서 2.2μB, 코발트에서 1.7μB, 니켈에서 0.6μB 정도이다.

희토류와 전이금속의 자기모멘트가 가산이 되는 것은 그림에서 Sm(사마륨)까지의 가벼운 희토류원소만이고, 이보다 무거운 희토류원소는 감산이 되는 것으로 알려지고 있다. 따라서 큰 자속밀도는 Pr, Nd, Sm을 채용한 희토류자석에서 실현되고 있다. 또 Ce(세슘)은 ＋4가 되기 쉬우므로 사용되는 경우는 적다.

강한 자기이방성은 큰 보자력이 필요조건이다. 희토류전이금속자석에서는 자기이방성의 대부분은 희토류이온의 4f 전자와 주변전자의 전자와의 상호작용에 의한다. 희토류이온의 4f 전자구름의 형태는 그림의 횡축에 나타난 것처럼 구○, 편평 , 종장 의 3종류로 대별되는데, 1축자기이방성이 생기는 것은 구형이 아닌 경우로서 편평(Nd 등), 종장(Sm 등) 어느 것이나 된다.

이것이 사마륨계자석과 네오디뮴계자석의 차이이다. 퀴리점이 높은 것은 금속간화합물 중에서 금속적원자 집단으로 행동하는 전이금속에 의해 실현된다. 그 효과는 Ni, Fe, Co 순(順)으로 커진다.

보론이나 질소는 상기 3조건이 모두 만족되는 결정구조를 만드는[줄기]의 역할을 한다고 볼 수 있다.