서 론

Nd-Fe-B계 자석은 네오디뮴(Nd)으로 대표되는 희토류 원소와 철, 붕소의 화합물인 Nd₂Fe₁₄B 물질에 의해 강자 성특성이 발현되는 영구자석으로 1983년 M. Sagawa와 J. Croat에 의해 개발된 이래 약30년 동안 가장 강한 상용 영 구자석으로 자리매김하고 있다. 이 Nd-Fe-B 영구자석은 자석의 세기를 나타내는 최대자기 에너지적[(BH)max] 값 이 타 영구자석인 알니코(Alnico, 1~7.5 MGOe), 페라이트 (Ferrite, 1.1~4.5 MGOe), 사마리움코발트(SmCo₅, Sm₂Co₁₇, 18~33 MGOe)보다 높은 29~53 MGOe 값을 가지고 있다 [1]. 이는 쉽게 말해 알니코나 페라이트 자석의 약 1/50정 도 크기로 같은 힘을 가질 수 있어, 최근 산업 트랜드인 경량화, 소형화에 발맞춰 공작기기와 전자 정보기기, 산업 로봇용 모터, 의료 분야의 자기공명영상(MRI), 풍력발전 용 발전기, 자동차용 소형 및 구동모터 등의 제품에 사용 되고 있거나 적용을 검토하고 있는 상황이다.

최근 Nd-Fe-B계 자석의 이용이 가장 급속하게 증가하는 응용분야 중에 하나는 자동차용 모터가 있으며, 대표적으 로 조향 모터(Electric power steering motors) 및 하이브리 드/전기(HEV/EV) 자동차의 구동용 모터(Traction motors) 로 사용되고 있다. 이 중에서도 HEV/EV 자동차의 구동용 모터로 대부분 영구자석 삽입 형 모터가 사용됨에 따라 국내외 완성 차 메이커들이 많은 관심을 가지고 연구 개 발을 진행하고 있다. HEV/EV용 구동모터는 차량 구동력 의 일부 또는 전체를 모터가 제공하여야 하기 때문에 고 회전·고출력이 필요하고 이로 인해 모터 내부에 많은 열 이 발생하여 영구 자석의 높은 열적 안정성이 요구되고 있다. 그러나 Nd-Fe-B계 소결자석은 큐리 온도가 타 영구 자석에 비하여 낮고 온도 상승에 따른 자기적 성능의 열 화(thermal degradation)가 심하다는 단점이 있기 때문에 HEV/EV 자동차의 응용에 있어서는 이를 극복하는 것이 매우 중요하다. 일반적으로 HEV/EV 자동차의 구동모터 는 기존에 생산 가능한 고보자력 Nd-Fe-B 소결자석의 성 능 열화를 고려하여 200℃ 이하에서 작동하도록 설계되었 다. 그러나 최근에는 풀하이브리드차나 전기자동차로 이 전이 가속화 됨에 따라 기존 구동모터보다 고출력이 요구 되어 모터 내부에 냉각수나 유체를 이용한 열제어 시스템 을 도입하여 온도 상승에 의한 소결자석의 열적 안정성 저하를 최소화 하여 보자력을 일부 낮추고 잔류자화 값을 높이고자 하는 노력을 하고 있다.

자기적 성능 열화는 잔류자화와 보자력 모두에서 일어 나게 되나 온도 상승에 대한 성능 감소율은 보자력이 잔 류자화보다 약 4~6배 정도 크기 때문에 영구자석의 자기 적 성능의 열화 현상을 극복하기 위해서는 고보자력 특성 이 필수적으로 요구된다. 일반적으로 영구자석 삽입 형 구 동모터는 고정자(Stator)와 회전자(Rotor)로 구성 되어 있 으며 고정자에서 발생하는 자기장에 의해 영구자석이 삽 입되어 있는 회전자가 구동하게 된다. 이때 영구자석의 보 자력이 전자석에서 발생하는 자기장보다 크게 되면 잔류 자속밀도가 감소되는 모터의 성능 저하가 발생 하지 않으 나, 이와 반대가 될 경우는 영구자석의 잔류 자속밀도가 감소하여 모터의 영구적 성능 저하를 초래 하게 된다[2]. 그렇기 때문에 Nd-Fe-B 소결자석이 상온에서 최대한 높 은 보자력을 가지게 하여 사용 환경 온도에서도 일정 이 상의 보자력을 유지 하게 하는 방법이 사용된다[3, 4].

높은 보자력을 가지는 Nd-Fe-B 소결 자석을 제조하기 위한 가장 쉬운 접근 방법은 재료의 고유 보자력이 큰 중 희토류(Dy, Tb) 원소를 첨가하는 것이다[5, 6]. Dy, Tb 등 의 중희토류를 첨가하게 되면 Dy₂Fe₁₄B 또는 Tb₂Fe₁₄B 상 이 형성되는데, 이 두 상은 Nd₂Fe₁₄B 상 (자기이방성 상수 (HA): 67 kOe) 보다 자기 이방성이 Dy₂Fe₁₄B의 경우 자기 이방성 상수가 150 kOe 그리고 Tb₂Fe₁₄B의 경우 220 kOe 로 매우 크기 때문에 보자력 향상에 이바지하기 때문이다 [7]. 하지만 중희토류(HREE)의 경우 경희토류(LREE)에 비해 매장량이 매우 적고 자원편중화에 의한 수급 불안정 으로 가격상승 문제가 발생하고 있다. 그렇기 때문에 최근 에는 중희토류의 사용을 감소 하거나 사용하지 않는 (HREE-free) 연구를 진행 중이다.

중희토류(Dy, Tb) 첨가 이외의 방법으로 보자력을 향상 시키기 위해서는 Nd-Fe-B 소결자석의 보자력 메커니즘을 고려해야 한다. Nd-Fe-B 소결자석은 핵생성형 (nucleation type) 보자력 기구를 가지며[8], 자구(domain)는 일반적으 로 하나의 결정립내에 다자구(multi-domain) 형태로 존재 한다. 이때 결정립 내에 역자구(reverse domain)가 형성되 면 순식간에 인접한 자구로 전파가 일어나 결정립 및 인 근 결정립으로 확산하게 되는 자기교환결합(exchange coupling effect)이 일어나 보자력 특성이 저하 되게 된다 [9]. 따라서 Nd-Fe-B계 자석에서 보자력을 높이기 위해서 는 역자구의 생성 및 전파에 의한 자기교환결합을 억제하 는 것이 중요하다.

Nd-Fe-B 소결 자석의 연구 동향

Nd-Fe-B 소결 자석의 연도별 국외 저널 논문 수의 변화 량을 통해 연구 동향을 파악하고자 Nd-Fe-B 소결 자석이 개발된 1984년부터 2014년 7월까지 키워드 Nd-Fe-B로 검 색된 국외 저널 전체 논문 수를 학술 검색 엔진 SCOPUS 를 이용하여 검색하였으며 그 결과를 그림 1에 나타내었 다. Nd-Fe-B 소결 자석의 개발 이후 10년이 지난 1990년 대 초반과 20년이 지난 2000년대 초반의 논문 수를 비교 한 결과 10년간 약 46% 증가하며 가파른 상승세를 보여 주고 있다.

Fig. 1.

A result of annual paper number, which search for the keyword of “Nd-Fe-B” (source: SCOPUS, keyword: Nd-Fe- B, survey period: 1984Y~2014Y.07M).

Table 1.

Magnetic properties of commercial permanent magnets

	Alnico	Ferrite	SmCo5	Nd-Fe-B
(BH)max	1-7.5	1.1-4.5	18-33	29-53
Br (kG)	7-14	3.5-4.5	8-9	11-14.5
Hc (kOe)	0.5-1.8	3-5	14-16	10-30

Nd-Fe-B 소결 자석의 연구 논문 수 증가 원인을 분석하 기 위하여 같은 검색 조건으로 출판된 논문의 수를 국가 별로 분류하여 주요 국가의 연구 동향을 파악하고자 하였 으며 그 결과를 그림 2에 나타내었다. 분석 결과 총 2,700 여 편의 논문 중 일본이 22% 비율로서 600여 편의 가장 많은 논문 수를 기록하였고 중국 역시 일본과의 유사한 비율로 논문이 출판된 것으로 분석되었다. 그 뒤를 이어 미국, 독일, 한국, 영국 등의 국가에서 발표된 논문이 많은 것으로 나타났다. 또한, 논문 수가 많은 상위 6개 국가를 기준으로 주요 연구 기관을 분석한 결과, 일본은 총 600 여 편의 논문 중 약 65%의 비율을 차지하고 있는 Hitachi Metals, Tohoku University, Nagasaki University, Osaka University, NIMS가 주도적으로 Nd-Fe-B 소결자석에 대한 연구를 수행 하는 것으로 나타났다. 이 중에서도 가장 논 문 발표가 많은 최상위 연구 기관은 Hitachi Metals과 Tohoku University로 분석되었다.

Fig. 2.

A result of paper number classified in country on Nd- Fe-B permanent magnets (source: SCOPUS, keyword: Nd- Fe-B, survey period: 1984Y~2014Y.07M).

중국은 China Iron and Steel Research Institute Group, University of Science and Technology Beijing, Beijing University of Technology, Chinese Academy of Sciences, Shandong University, Institute of Physics Chinese Academy of Sciences의 6개 연구 기관에서 논문 출판이 많았다. 이중 가장 많은 연구를 진행하는 대표적 연구 기관은 China Iron and Steel Research Institute Group, University of Science and Technology Beijing으로 중국 내 논문 수의 20%를 차지하고 있다. 특히, 이 두 기관은 2008년 이후부 터 논문 수가 급격히 증가하고 있었는데 이는 Nd-Fe-B 영 구자석의 주요 원천특허가 만료됨에 따라 본격적으로 연 구를 가속화했기 때문인 것으로 판단된다. 이외에도 33개 의 다양한 기관들이 활발하게 연구를 하고 있는 것으로 분석되었다.

미국의 상위 논문 발표 기관은GM Research Lab, Iowa State University, University of Dayton, University of Delaware, Magnequench International, Inc.이며, 독일은 Leibniz- Institut fur Festkorper-und Werkstoffforschung(IFW) Dresden, Vacuumschmelze GmbH, Siemens AG, 영국은 University of Birmingham, University of Sheffield으로 분석되었다. 추가로 앞서 분석된 한국을 제외한 상위 5개 국가의 연도 별 Nd-Fe-B의 소결 자석에 대한 논문 수의 변화를 그림 3에서 보여주고 있다. 일본의 경우 1983년 Nd-Fe-B 영구자 석의 개발 이후 꾸준히 논문 수가 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 2000년 이후에는 중국의 논문 수가 급격히 증 가하는 경향을 보였다. 이처럼 중국의 논문 수가 급격히 증가하며 2005년 이후부터 일본의 논문 수를 초과하고 있 는데 그 이유는 앞서 언급한 원천특허의 만료와 함께 중 국이 전세계 희토류 매장량의 37%를 보유하고 있으며, 2005년도부터 본격적으로 희토류 수출쿼터제를 도입함에 따라 중국 내에서 Nd-Fe-B 소결 자석의 연구개발이 활발 히 이루어지고 있기 때문으로 판단된다. 기타 미국, 독일, 한국, 영국은 일본과 중국에 비해 논문 수의 증가가 크지 않지만 매년 지속해서 연구가 이루어지고 있는 것으로 판 단할 수 있다. 특히 한국 역시 주요 원천특허 만료시점인 2008년 이후부터 논문 수가 증가하고 있다. 동일 방법으 로 검색된 논문을 논문이 게재된 저널 별로 분류한 결과 를 그림 4에 나타내었다. 분류 결과 총 2,700여 편의 논문 중 전체 논문의 수가 100편 이상인 저널로는 289편의 Journal of Applied Physics, 280편의 Journal of Magnetism and Magnetic Materials와 275편의 IEEE Transactions on Magnetics, 134편의 Journal of Alloys and Compounds가 있는 것으로 나타났으며, 검색된 전체 논문 수의 37%가 이 상위 네 개의 저널에 게재된 것으로 분석되어 주도적 으로 관련 논문이 게재되고 있음을 판단할 수 있다. 추가 로 인용지수가 높은 저널로는 Scripta Materialia, Acta Materialia등이 있었다.

Fig. 3.

A result of annual paper number of the top six countries in Nd-Fe-B permanent magnets (source: SCOPUS, keyword: Nd-Fe-B, survey period: 1984Y~2014Y.07M).

Fig. 4.

A result of paper number classified in journal (source: SCOPUS, keyword: Nd-Fe-B, survey period: 1984Y~ 2014Y.07M).

이에 따라 게재된 논문 수가 많은 4개의 저널과 인용지 수가 상대적으로 높은 2개의 저널을 기준으로 최근 6년간 (2008년~2014년), 출판된 Nd-Fe-B 영구자석의 논문 247여 편을 초록 및 본문 내용을 분석하여 논문을 내용별로 분 류한 결과를 그림 5에 나타냈다. 분류 결과 결정립 미세화 (grain refinement)와 결정립계 제어(interfacial control) 관 련 주제가 전체 논문 수의 80%를 차지하여 Nd-Fe-B 소결 자석 분야에서 가장 많이 연구되고 있는 것으로 분석되며, 이 두 가지 연구 주제는 일반적으로 Nd-Fe-B 소결자석의 역자구 생성 및 전파에 의한 자벽 이동을 제한하여 보자 력을 향상시키기 위한 연구로 분류된다.

Fig. 5.

Classification of research trend on Nd-Fe-B permanent magnets in the top six journals (source: SCOPUS, keyword: Nd-Fe-B, survey period: 2008Y~2014Y.07M. journal title: J. Appl. Phys, J. Magn. Magn. Mater, IEEE Trans. Magn, J. Alloys. Compd, Scr. Mater, Acta Mater).

결정립 미세화 연구는 초기 Nd-Fe-B 분말의 입자 미세 화 관련 연구 논문이 전체 결정립 미세화 연구 논문 26편 중 62%를 차지했으며 소결 공정 중 결정립 성장 제어에 관련된 연구 논문은 38%로 분류되어, 초기 분말의 미세화 연구와 더불어 소결 공정 중 결정립 성장 제어 연구도 활 발히 진행 중 것으로 판단된다.

또 다른 연구 주제인 결정립계 제어는 총 247편 중에 171편의 논문이 게재된 것으로 분석되어 Nd-Fe-B 영구자 석에서 가장 활발하게 연구가 수행되고 있는 주제로 나타 났다. 가장 많은 연구가 진행되고 있는 결정립계 제어가 보자력 향상에 미치는 영향에 관련된 논문들은 보다 세부 적으로 역자구 생성의 제한(Suppression of reverse domain nucleation)과 역자구 전파 제한(Suppression of reverse domain propagation)으로 분류가 가능하며 관련 논문 중 각각 70.2%와 29.8%의 비율을 차지하고 있는 것으로 분 석되었다. 이렇게 논문 동향을 분석한 결과를 바탕으로 Nd-Fe-B 소결 자석의 결정립 미세화와 결정립계 제어의 두 가지 연구 동향을 각각 아래와 같이 정리하였다.

2.1. 결정립 미세화(grain refinement) 연구

Nd-Fe-B계 소결자석은 핵생성형 (nucleation type) 보자 력 기구를 가지고 있으며, 자구(domain)는 일반적으로 다 자구(multi-domain) 형태로 존재하고 있다. 이렇게 다자구 를 가지는 자석의 경우 자기 이방성 상수(HA)보다 낮은 강도를 가지는 외부자계에서도 역자구가 생성되어 자벽 이동(Domain wall motion)에 의한 자화의 반전이 일어나 게 된다. 자화의 반전은 순식간에 인접한 자구로 전파가 일어나고 결국 인접한 결정립을 통해 시편 전체로 확산하 게 되며 이러한 현상을 자기교환결합(exchange coupling) 이라고 한다. 그렇기 때문에 역자구의 생성 및 전파에 의 하여 강자성 간의 자기교환결합이 일어남에 따라 보자력 은 감소하게 되고 실제 Nd-Fe-B계 소결자석에서 얻어지 는 보자력은 이론치의 10~40% 수준에 불과하다[9].

따라서 다자구를 가지는 Nd-Fe-B 소결 자석의 보자력을 향상시킬 수 있는 가장 효과적인 방법은 인접한 자구 간 의 자기교환결합을 억제하는 것이다. 이를 위해서는 결정 립 크기를 작게 하여 하나의 결정립 안에 자구의 수를 최 대한 적게 형성시키는 것이 중요하다. 그 이유는 일반적으 로 결정립이 작아짐에 따라 역자구의 생성빈도는 오히려 늘어 날 수 있으나 하나의 결정립이 가지는 자구의 수가 줄어들어 발생한 역자구가 영향을 미칠 수 있는 주변 자 구의 수가 적어짐에 따라 자기교환결합이 최소화되고 스 핀의 회전(Rotational magnetization)에 의한 자화 반전이 지배적으로 일어나게 되기 때문이다. 결국 미세구조적 결 함이 없다고 가정한다면 자화 반전이 스핀 회전에 의해서 만 일어나는 경우에 가장 큰 보자력을 가지게 된다[9].

즉, 핵생성형 (nucleation type) 보자력 기구를 가지는 Nd-Fe-B 소결자석의 결정립 크기가 줄어듦에 따라 결정립 내의 자구 수가 줄어들게 되어 인접한 자구 간의 자기교 환결합 작용의 가능성을 낮추게 되면 보자력이 향상된다. 실험적으로 결정립 크기가 단자구(Single domain)의 크기 (Nd-Fe-B magnet의 경우 200~300 nm)에 도달할 때까지 보자력은 결정립 크기에 반비례하여 커지는 것으로 알려 져 있다[9]. 이러한 이유로 인하여 결정립 미세화(grainrefinement) 는 Nd-Fe-B 소결자석에서의 가장 효과적으로 보자력을 증가시킬 수 있는 기술 중 하나이다[4, 10].

결정립 크기를 줄이기 위한 방법은 HDDR (Hydrogenation, Disproportionation, Desorption and Recombination) 공정이 대표적이다[11, 12]. 이 공정은 1989년 일본의 Central Research Institute, Mitsubishi Materials Corporation의 Takeshita에 처음 개발되었으며 Nd-Fe-B계에 적용된 논문 은 1993년 Journal of Alloys and Compounds에 출판 되었 다[13, 14]. 그림 6(a)는 HDDR 공정의 모식도 및 이에 따 른 분말의 미세구조를 보여 주고 있다. HDDR 공정은 특 정 온도 범위에서 합금에 수소를 흡수 및 방출시키는 과 정을 반복적으로 실시함으로써 입자를 구성하는 결정립을 반응 전 수백 μm에서 반응 후 수백 nm 크기로 미세화시 키고 동시에 형성된 미세 결정립의 결정학적 배향을 한 방향으로 이방화 시키는 기술이다. 이와 관련된 연구는 현 재 미국의 Delaware 대학, 영국의 Birmingham, 일본의 Hitachi Metals, 한국의 재료연구소 등에서 주로 수행하고 있다.

Fig. 6.

(a) Fabrication process and the microstructure in the HDDR Nd-Fe-B powder, (b) SEM images of powder and sintered specimens fabricated by helium jet mill process [14].

그림 6(b)는 초기 Nd-Fe-B 분말의 크기를 줄이고자 젯 밀(jet mill) 공정에서 캐리어 가스로 질소나 아르곤이 아 닌 헬륨을 사용하여 초미세분말을 제조하고 이 분말을 이 용하여 소결한 후의 미세구조를 보여주고 있다. 이 기술은 Intermetallics, NIMS(National Institute for Materials Science) 에서 주로 연구를 하고 있으며, 이 연구진들은 제조된 초 미세분말을 Low-oxygen process인 새로운 Pressless Process 방법에 적용하여 개발을 진행하고 있다. Pressless Process 방법은 Nd-Fe-B분말 미세화 시 공정 중 유입된 산소로 인 한 Nd-rich의 산화를 방지 하기 위해 고순도의 Ar 가스로 채워진 챔버 내에서 Nd-Fe-B 분말의 충진 및 소결을 진행 하는 것으로 알려져 있다[15].

이 기술은 단일 도메인으로 미세구조를 만들 수는 없지 만, 그에 준하는 미세구조를 가지게 함으로써 최대한 역자 구 생성 및 전파에 의한 강자성 간의 자기교환결합을 제 한하고자 하는 것이다.

또한, 초기 분말의 미세화 이외에도 소결 기술 개발을 통해 결정립 성장을 제어하고자 한 연구들이 있다. 관련된 연구들의 예로는 1999년 Z.G. Liu(Toyohashi University of Technology)와 H. Kanekiyo (Sumitomo Special Metals Co. Ltd)에 의하여 처음으로 방전 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering; SPS)[16]을 이용하여 Nd-Fe-B 소결 자석에 적용하 였으며, 그 이후 지속해서 연구가 진행되고 있다[17, 18]. 최 근 2014년 5월에는 독일 IEEE International Magnetics Conference에서 M. Gjoka(University of Delaware) 에 의해 처 음으로 Microwave Sintering을 Nd-Fe-B 소결 자석 제조에 적용하여 짧은 소결 시간을 이용하여 결정립 성장을 억제 하고자 한 연구가 보고된 바 있다[19].

그러나 이러한 소결 기술들은 결정립 성장은 억제되나 급격한 승온과 냉각에 인한 상변태가 급격히 진행됨에 따 라 비평형상(non-equilibrium phase)이 형성되어 역자구 생 성 사이트로서 작용하여 보자력이 급격히 감소하게 된다. 또한 비평형상 증가에 의한 강자성 상(Nd₂Fe₁₄B) 분율 감 소와 짧은 액상 출현 시간으로 인해 완전 치밀화가 어려 워 잔류자속밀도의 감소가 일어나 전반적으로 자성특성이 현저히 감소되는 현상이 발생하게 되어 이를 극복하기 위 한 방안이 요구되고 있다.

2.2. 결정립계 제어(interfacial control) 연구

앞서 언급한 바와 같이 Nd-Fe-B 소결 자석은 전형적인 핵생성형 보자력 기구를 가지는 영구자석이기 때문에 그 자성특성의 변화가 입계제어(interfacial control)에 의하여 크게 좌우된다[8]. 핵생성 유형 영구자석의 입계제어 (interfacial control)에는 역자구 생성의 제한(Suppression of reverse domain nucleation) 기술과 역자구 전파 제한 (Suppression of reverse domain propagation) 기술로 재분 류할 수 있다.

첫 번째, 입계제어 기술에서의 핵심 키워드는 역자구 생 성의 제한 (Suppression of reverse domain nucleation)이다. 핵생성 유형(Nucleation type) 영구자석은 외부 자장에 의 해서 자구가 한 방향으로 정렬되어 착자된 이후 그 반대 방향으로 자장이 인가될 때 역자구가 형성이 된다. 이러한 역자구는 재료의 결함에서 매우 쉽게 생성되는 것으로 알 려져 있다[8].

일반적으로 Nd-Fe-B 소결자석의 미세구조는 강자성상 (hard-magnetic phase)으로서 Nd₂Fe₁₄B 상과 그 주위로 비 자성 상(non-magnetic phase)인 Nd-rich 상이 둘러싸고 있 는 형태로 존재한다. 결정립계 존재하는 이러한 Nd-rich (또는 Nd-oxide) 상은 그 결정 구조에 따라 강자성 상인 Nd₂Fe₁₄B 상과의 계면에서 격자 교합 여부가 달라져 역자 구 생성을 증가 또는 감소 시킬 수 있기 때문에 결정립계 제어 기술에서 가장 중요한 상으로 알려져 있다. 결함이 적은 결정립계를 얻기 위한 연구들의 예로는 열처리 공정 개선을 통한 결정립계에 존재하는 Nd-rich의 분포 제어 및 Nd-oxide의 결정상 변화 연구가 있다[20, 21].

분석된 연구 동향에서는 비자성인 Nd-rich의 미세구조 변화에 의한 역자구 생성 억제 연구 이외에 역자구 생성 억제 방법으로는 중희토류(Dy, Tb) 첨가를 통해 선택적으 로 결정립계에 결정자기이방성 상수가 큰 Dy₂Fe₁₄B 또는 Tb₂Fe₁₄B상을 형성시키는 입계확산(Grain boundary diffusion process; GBDP)법이 있다[22, 23]. 그림 7은 Dy 및 Tb을 이용한 입계확산법의 대표적 연구 결과를 보여주는 SEM 이미지이다. 결정립계에 코어-쉘(Core-shell) 형태로 형성 된 Dy₂Fe₁₄B 또는 Tb₂Fe₁₄B 상은 Nd-Fe-B 소결자석의 결 정립계에서 주로 발생하는 역자구의 생성을 매우 효과적 으로 억제함으로써 잔류자화의 큰 변화 없이 보자력을 향 상시키는데 크게 이바지할 수 있다[24, 25]. GBDP 기술은 모합금 제조 시 중희토류를 첨가하는 기존의 방법에 비해 적은 중희토류 양을 첨가하기 때문에 잔류자화의 저하를 최소화하면서도 보자력을 극대화할 수 있어 최근 중희토 류의 자원 희소성에 인하여 자원 수급과 가격이 불안정한 문제를 일부 해소해 줄 수 있어 크게 주목 받고 있다.

Fig. 7.

Back-scattered electron SEM images of grain boundary diffusion process (GBDP) samples [22, 23].

두 번째, 입계 제어 기술에서의 또 다른 핵심 키워드는 역 자구 전파 제한(Suppression of reverse domain propagation) 이다. 입계에서 역자구 핵생성이 일어나게 되면 결정립 전 체로 전파되고 이후 맞닿아 있는 결정립에도 전파되게 되 는데 이는 자구의 벽이 이동하는 것에 기인한다[9]. 이러 한 자벽의 이동은 인접한 자구 간의 간섭에 의해 발생하 게 되며 이는 보자력을 낮추는 요인으로 작용하지만 결정 립 내에 존재하는 다자구 사이의 자벽이 이동하는 것을 제한하는 것은 매우 어렵다. 따라서 차선으로 맞닿아 있는 결정립으로 전파되는 것을 제한하는 것이 필수적이며 이 자벽이동을 제한하는 방법으로는 결정립계 존재하는 비자 성상인 Nd-rich를 강자상 상인 Nd₂Fe₁₄B 상 주위로 균일 하게 분포시켜 강자성상을 고립화 시키는 것이 효과적이 다[26-28]. 이때 강자성상을 둘러싸고 있는 Nd-rich의 두께 가 두꺼울수록 Decoupling 효과는 커지게 되나 Nd-rich의 분율이 커지게 되어 잔류자속밀도가 떨어지게 된다. Nd- Fe-B 소결자석의 경우 Nd₂Fe₁₄B의 화학양론적 성분비보 다 네오디뮴을 많이 첨가하여 대략 Nd₁₄Fe₈₀B₆ (at%)의 조 성을 가지도록 합금 설계하여 제조하기 때문에 제조된 소 결 자석의 미세구조는 Nd₂Fe₁₄B 결정립 주위로 반드시 Nd-rich 상이 존재하게 된다. 하지만 현재 개발된 Nd-Fe- B 소결자석의 경우 Nd-rich상이 불균일하고 불연속적인 미세구조를 나타내고 있으며, 삼중점(triple junction) 등의 국부적인 곳에 편중되어 분포하고 있기 때문에 많은 연구 자들이 Nd-Fe-B 소결자석에서 Nd-rich 상의 제어를 통해 균일하고 연속적인 분포를 가지도록 하는 연구를 하고 있 다. 그림 8에는 Cu 및 Al 첨가를 통해 Nd-rich의 젖음성 을 향상시켜 연속적인 계면상을 형성시키는 대표적인 결 과를 나타내었다[29, 30].

Fig. 8.

The changes of Nd-rich phase modified by Al₈₅Cu₁₅ on Nd-Fe-B sintered magnet [30].

결 론

Nd-Fe-B 소결 자석은 발명된 이후 높은 잔류자화를 목 표로 연구되어 왔으나 2000년 후반부터 하이브리드/전기 차의 구동모터 등으로의 수요가 급증할 것으로 예상되자 고온 환경에서 사용하기 위한 고보자력화로 그 연구 방향 이 변화되었다. 또한 일본 등 특정국가에 집중되어 있던 Nd-Fe-B관련 주요 원천 특허들의 특허권이 소멸됨에 따라 그에 맞춰 연구 논문 수도 급격히 증가되고 있는 것으로 분석되었다.

최근 6년간의 논문 조사를 통하여 Nd-Fe-B 영구자석에 관 한 동향을 분석한 결과, 크게 결정립 미세화(grain refinement) 와 결정립계 제어(interfacial control)의 두 가지 연구가 대 다수인 것으로 분류되었으며, 이 두 가지 연구 모두 Nd- Fe-B 영구자석의 핵생성 보자력 기구를 고려한 역자구 생 성 및 전파를 억제하여 보자력을 향상시키고자 하는 것으 로 분석되었다. 특히, 두 가지 연구 동향 중 결정립계 제 어 연구가 지배적으로 수행되었으며, 이러한 분석 결과로 판단 할 때 Nd-Fe-B 결정립계에서의 역자구 생성 및 전파 를 최대한 억제하는 연구가 최근의 가장 큰 이슈라고 판 단된다.

조사된 연구 논문 분류에 따라 보자력 향상에 있어서 각 공정별 연구들을 종합해 정리한다면 다음과 같다. 첫 번째 HDDR이나 헬륨 젯밀 공정을 통한 입도가 제어된 Nd-Fe- B 초미세분말 제조 연구, 두 번째 초미세분말 제조 시 희 토류 원소의 산소 친화력에 의한 산화문제로 생기는 난소 결성 극복 기술 연구, 세 번째 미세구조 제어를 위한 새로 운 소결공정 개발, 네 번째 소결공정 중 결정립 성장거동 해석을 통한 결정립 성장 억제 연구, 다섯 번째 비자성상 인 Nd-rich와 강자성상인 Nd₂Fe₁₄B의 계면결함 감소를 위 한 결정립계 정밀제어 연구, 여섯 번째 기존 입계확산 (GBDP)연구의 표면에서의 확산 깊이의 한계를 극복하기 위 한 초기 분말의 중희토류 원소 분포 [(core(Nd₂Fe₁₄B)- shell(HREE) type structure]의 제어 및 소결공정 중 중희토류 의 입내(Nd₂Fe₁₄B phase) 확산제어 연구로 분류될 수 있다.

Acknowledgements

감사의 글

이 연구는 2014년도 산업통상자원부 지원의 기술혁신사 업(No.10043780)과 2014 년도 생산기술 연구원 지원의 희 소금속 산업기술센터 연구용역사업 의하여 수행되었으며, 이에 감사 드립니다.

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