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네오디뮴 자석
네오디뮴 자석(Neodymium Magnet) 또는 NIB 자석(Neodymium-Iron-Boron Magnet)은 지구상에서 가장 널리 사용하는 희토류 자석이다. 네오디뮴과 철 및 붕소를 2:14:1의 비율로 분말 야금법으로 합금하여 만든다.
개요
NdFeB 자석이라고도 하는 네오디뮴 자석은 네오디뮴, 철 및 붕소의 합금으로 만든 영구 자석의 일종으로 이 자석은 매우 강력하며 높은 자기장 강도로 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있다.
네오디뮴 자석은 1980년대에 처음 개발되었으며 이후 가장 일반적으로 사용되는 자석 유형 중 하나가 되어 모터, 발전기, 스피커 및 의료 장비를 포함한 광범위한 응용 분야에 사용된다. 네오디뮴 자석의 주요 특징 중 하나는 놀라운 강도인데 자기장 강도가 최대 1.4테슬라인 현재 사용 가능한 가장 강력한 유형의 영구 자석이다. 따라서 강한 자기장이 필요한 응용 분야에 사용하기에 이상적이다.
특징
지구상에 현존하는 가장 강력한 영구자석이다. 네오디뮴 자석의 자력은 5000가우스로, 사마륨 코발트 자석은 3500가우스, 페라이트 자석이 1800가우스, 알니코 자석은 800가우스, 고무자석은 300가우스이다. 얼마나 강한지 붙다가 오히려 부서져 버리는 경우가 있다. 이 자석에서 네오디뮴이 하는 역할은 그 특이한 원자 모양으로 철 원자를 붙잡아서 자성 모멘트가 흐트러지지 않게 하는 것이다. 물론 여느 영구자석이 그렇듯이 자성을 잃을 수 있다.
일반 자석과는 달리 매끈한 표면과 완전한 금속성 광택을 가지고 있다. 이는 네오디뮴 자석이 공기중에서 쉽게 부식되기 때문에 부식을 방지하기 위해 내식성이 강한 금속으로 도금이 되어있기 때문이다. 즉 표면에 보이는 은색은 자석의 원래 색상이 아니라 도금된 금속의 색상이다. 코팅이 되어있어 일반 자석에서 자주 보이는 부스럼 현상이 거의 없다. 깨진 네오디뮴 자석에서 원래 색상을 볼 수 있다.
사용 온도는 보통 80℃이다, 200℃ 이상의 온도로 가열이 될 경우 원자 배열이 흐트러지면서 자성이 없어진다. 알니코나 페라이트 등 다른 영구자석에 비해 고온에서도 자력을 유지하는 보자력이 낮다. 페라이트 자석은 고온에서 오히려 보자력이 강해진다. 그래서 전기 자동차 등 내열성이 필요한 응용에는 네오디뮴 자석에 디스프로슘을 첨가해 고온 보자력을 강화하고 있다. 그런데 네오디뮴은 비교적 흔한 원소지만 (구리 급으로 흔하다) 디스프로슘은 지각구성비가 네오디뮴의 1/10 밖에 안되어 훨씬 귀하기 때문에 희토류 자원 분쟁은 사실 네오디뮴의 수급이 문제가 아니고 디스프로슘 수급 문제이다. 그래서 중일 외교 분쟁으로 중국이 희토류 대일 수출 중단 사태 이후 일본 스미모토나 파나소닉 등 네오디뮴 자석 생산기업들은 디스프로슘 대신 다른 대체 원소로 네오디뮴의 고온 보자력을 강화하는 대체자석 연구를 하고 있고 점차 성과를 올리고 있다.
원리
자석의 세기는 자석에 포함된 철 원자 하나하나가 S극과 N극의 방향이 얼마나 가지런히 정렬되어 있느냐에 따라 결정된다. 방향이 가지런할 수록 강한 자석이 되는데, 철(Fe)만으로 이루어진 자석은 방향이 제멋대로 흩어지기 쉽다. 우선 최초에 어느 영역의 원자가 한 덩어리가 되어 방향을 바꾸고, 그와 같은 영역이 증가함으로써 전체적으로 원자의 방향이 흩어지는 것이다.
즉, 네오디뮴 자석이 강력한 이유는 철 원자의 방향이 잘 흩어지지 않기 때문이다. 여기에는 네오디뮴 원자의 형태가 관련된다. 네오디뮴 원자는 철 원자에 비해 근소하게나마 평탄한 모양을 하고 있기 때문에 철 원자의 방향 변환을 막아 결과적으로 방향 변환이 어려워진다. 물론 네오디뮴 자석도 높은 온도에서 격렬하게 흔들리면 방향이 바뀐다.
제작
네오디뮴 자석은 아래와 같은 공정을 거쳐서 제작된다.
- 용해
네오디뮴 자석의 원료를 비율에 맞추어 용해시킨다. 이때 외부 다른 물질과의 반응에 의한 불순물 생성을 막기 위해, 진공상태의 용해로에서 강력한 코일을 사용해 금속체에 와전류를 생성시키는 방식으로 열을 가해 녹인다.
- 밀링
잘 용해되어 섞인 혼합체를 '제트 밀링 머신'을 통해 곱게 가루를 내어 분사한다.
- 성형
분사된 입자를 고온 고압의 환경에서 원하는 모양으로 압축한다. 이때, 제작하고자 하는 형상에 따라 방법은 다르지만 1차적으로 자화시키는 과정이 포함된다.
- 소결
일반적인 금속의 소결과정과 같은 공정으로, 분말이 서로 접착될때까지 고온 고압의 환경에서 압축시킨다.
- 가공
소결과정을 끝낸 물질을 다시 제작 목적에 맞는 형태로 가공한다. 형태에 따라 다르나, 절단 등의 방법으로 모양을 만들며, 일부 복잡한 형태는 전기를 이용한 가공 과정을 거친다.
- 코팅
이렇게 제작된 네오디뮴 자성체는 부식에 취약하므로 니켈, 구리-니켈, 아연 등의 3중 전기코팅 과정을 거친다. 이때 비로소 은백색의 우리가 알고 있는 네오디뮴 자석의 형태가 갖춰진다.
- 자화
하지만 높은 온도에 노출되는 자성체는 열 에너지에 의해 자극이 흐트러지며 자성을 잃는다. 이는 소결과정이라 해도 예외는 아니며, 다만 성형 과정에서 1차적으로 어느정도 자화가 되어 정렬이 된 상태이나, 자석이라고 할 수는 없는 상태이기 때문에 2차 자화 공정을 통해 완전히 자석으로 만들어주는 과정을 거친다. 이 때, 착자용 코일은 매우 큰 자석에 코일이 둘러진 형태의 전자석과 같은 형태를 하고 있다. 강한 전압에 의한 순간적인 고전류로 짧은 시간동안 자기장을 걸어 자극을 정렬하여 네오디뮴 자석은 비로소 자성체가 된다.
- 검사
이후 QC 과정을 거쳐 포장을 하고 출하되어 각 용도에 맞게 제품이 공급된다.
네오디뮴 자석의 종류
네오디뮴 자석에는 두 가지 주요 유형이 있다.
- 소결 네오디뮴 자석: 이 자석은 네오디뮴, 철 및 붕소의 미세한 분말을 압축하고 소결하여 만든다. 가장 일반적으로 사용되는 유형의 네오디뮴 자석이며 다양한 모양과 크기로 제공된다.
- 보세 네오디뮴 자석: 이 자석은 네오디뮴 분말을 플라스틱 바인더와 혼합한 다음 혼합물을 원하는 모양으로 성형하여 만든다. 소결 네오디뮴 자석만큼 강하지는 않지만 더 복잡한 모양으로 만들 수 있다.
활용
작은 사이즈에 강한 자력이 필요한 곳에서는 활용성이 무궁무진하다.
음향 기기에 많이 쓰인다. 기존 고성능 스피커에는 자력의 한계로 인해 사이즈를 무지막지하게 키웠으나 네오디뮴 자석으로 인해서 소형임에도 불구하고 고음질, 고출력을 구현할 수 있게 되었다. 최근에는 네오디뮴 자석의 가격이 떨어지면서 조금이라도 성능이 필요하다면 여지없이 네오디뮴 자석이 사용될 정도이다. 이외에도 큰 출력을 요구하는 서브우퍼 유니트의 경우 2개 이상의 보이스 코일 뭉치를 사용하고 영구자석은 네오디뮴 자석을 사용해 큰 힘을 내게 한다. 작은 사이즈임에도 출력이 탄탄한 밸런스드 아마추어도 네오디뮴 자석을 쓴다.
모터에도 사용된다. 모터는 자력이 곧 출력이자 성능이므로 마찬가지로 소형화, 고성능화에 지대한 영향을 끼쳤다.
Apple은 자사 제품의 사용자 편의성을 위해 이 자석을 자주 사용한다. AirPods의 뚜껑, iPad Pro, iPad의 Smart Cover와, 이후에 출시된 Smart Folio와 Smart Keyboard Folio, Magic Keyboard(iPad)에 많은 네오디뮴 자석이 내장되어 있으며, Apple Pencil에도 내장되어 있다. AirPods Max의 스마트 케이스, Apple Watch의 충전기, MagSafe, iMac 24(M1, 2021년)의 전원 연결부에도 사용된다.
마찬가지로 마이크로소프트사의 Surface Pen에도 내장되어있다. 모형 쪽에서는 레진 피규어의 파츠에 심어서 간단한 포즈 변경이나 부품 탈착이 가능하게 만드는 용도로 종종 쓰인다.
자석 보드 게임의 경우 기물이 게임판에 강하게 달라붙게 해서 차량 내부와 같이 흔들리는 곳에서도 게임을 할 수 있게 만든다. 대신 기물을 옮기려면 좀 힘이 든다는 단점이 있다.
일부 Geek 상점에서는 냉장고용 자석으로 팔기도 하며 네오큐브처럼 장난감으로 만들어지기도 한다. 구형의 자석들을 배치해 원하는 모양을 만드는 것이다.
HDD에도 들어간다. 특히 하드디스크에 들어가는 네오디뮴 자석은 판형으로 되어 있기 때문에 살점이 뜯어져 나갈 수도 있으니 주의해야 한다.
현재는 산업계 전반에 널리 쓰이고 있으며 사마륨 코발트 자석보다 더 많이 생산되고 희토류 자원이 많은 중국의 점유율이 압도적이라, 중국의 희토류 무기화의 얼굴마담으로 등극한 원소다. 당장 2023년 4월 일본의 대중(對中) 핵심 반도체 수출 제한 조치에 중국이 즉시 강력 반발하며 일본을 압박할 카드로 이 네오디뮴 자석 제조 기술의 수출 제한을 들고 나온 상황이다. 이에 미국에서는 중국에 희토류 의존을 줄이기 위해 희토류 자원을 쓰지 않는 자석을 국가적 과제로 연구 개발중이다. 연구 개발의 성과로 질화철(Fe16N2) 기반의 강력 자석이 개발되었는데, 희토류 대신 매우 값싼 질소를 사용하여 경제성이 뛰어나며, 자력과 내열성도 네오디뮴 자석보다 우수하여 네오디뮴 자석의 상위호환이지만 아직 상용화까지는 거리가 있다.
Mythbusters에선 상어의 생태에 대해 연구할 때 건전지를 대신하여 활용한 적도 있다. 상어의 경우는 로렌치니 기관이 미세한 전류도 감지하기 때문에 네오디뭄 자석에서 나온 전류가 상어의 행동에 영향을 미치도록 실험해봤는데 상어의 행동에 영향을 주는 것엔 실패했다고 한다.
풍력 발전 등 소규모 발전기에도 사용된다. 타 자석들보다 강력하므로 발전기의 무게와 부피를 줄이고 성능을 향상시킬 수 있다.
- 컴퓨터의 하드 디스크의 헤드 엑추에이터(Head actuators)
- 자기공명영상(MRI)
- 자기 기타 픽업
- 스피커와 헤드폰
- 자기 베어링과 커플링
- 벤치 탑 MR 분광계
- 전기 모터
- 풍력 발전기
- 네오디뮴 자석 장난감
주의사항
네오디뮴 자석은 자력이 워낙 강력하기 때문에 작은 크기라고 할지라도 심각한 부상 내지는 사망을 초래할 수 있으며, 대형의 경우 뼈가 부러지거나 죽는 사고가 생길 수 있다. 이걸 먹거나 가지고 놀면 안 되므로 어린이에게 주어선 안 된다. 실제로 어린이가 네오디뮴 자석을 삼켰다가 장 천공이 발생하는 사고가 매년 꾸준히 발생하고 있다. 때문에 어린이용 완구에는 자력이 약한 자석이 쓰이는 경우가 많다. 또한 정신질환력이 있는 사람이 사용하기에는 매우 부적절하다.
자력이 워낙 강하다보니 보관할 때에는 2개의 자석 사이에 나무나 플라스틱 조각을 끼워 보관한다. 대형 네오디뮴 자석의 경우 사이에 뭔가가 끼워져 있지 않으면 쉽게 떼어낼 수 없다. 이럴경우 옆으로 밀면서 떼어내야 하는데 너무 크면 이마저도 어려워 지렛대의 원리를 이용한 도구가 따로 필요하다. 이렇게 위험한 물건이기 때문에 미국의 경우 일정 크기 이상의 네오디뮴 자석을 다루려면 별도의 자격증이 있어야 한다.
충격에 주의해야 한다. 이는 네오디뮴 자석의 강도가 약해서라기보단 자력이 워낙 강해서 충격이 크기 때문이다. 실수로 2개를 놓쳐서 자력의 힘으로 붙는 순간 스파크를 튀기면서 깨질 가능성이 매우 높다. 오죽하면 사과를 가운데에 두고 네오디뮴 자석의 위력을 테스트하는 영상에서 두 자석의 충격으로 인해 오히려 자석이 깨지고 사과는 튕겨나가는 영상도 있다!
열에 매우 약하다는 단점이 있다. 자력이 제일 약한 냉장고에 붙이는 고무 자석도 90°C 정도는 되어야 자력이 손실되는데, 네오디뮴 자석은 50°C 정도만 되어도 네오디뮴의 평탄한 분자 구조가 흔들려 자력이 손실되기 시작한다. 이를 보완하기 위해 다른 희토류 원소인 '디스프로슘'(Dy)을 첨가하여 내열성을 개선할 수 있으며, 이렇게 내열성이 보완된 네오디뮴 자석의 경우 약 200°C 정도까지는 견딜 수 있도록 만들 수 있다. 디스프로슘 원자는 네오디뮴 원자보다 더욱 평탄한 모양을 하고 있기 때문에 방향이 잘 바뀌지 않아 디스프로슘을 가한 네오디뮴 원자는 고온이 되어도 철 원자의 방향이 흩어지기 어려워 지기 때문이다. 그러나 디스프로슘은 디스프로슘의 원래의 자성 방향이 철 원자와 반대이기 때문에 철의 자성을 상쇄해 버려서 상온에서의 자기력은 일반 네오디뮴 자석보다 약해진다. 결국 용도에 따라 디스프로슘의 함유량이 다른 자석을 사용해야 한다.
또 다른 종류의 자석인 알니코 자석에는 가까이 가져가면 안 된다. 네오디뮴 자석에게는 아무런 문제도 없지만, 알니코 자석 쪽이 네오디뮴 자석 때문에 자성이 교란/손실되어 못 쓰게 되어 버린다.
하드 디스크, 신용카드 등 자성을 이용한 저장매체나 자기장에 민감한 각종 전자기기 또한 고장낼 수 있으므로 네오디뮴 자석을 취급 및 보관시 이들로부터 반드시 멀리해야 한다. 다만 SSD를 비롯하여 플래시 메모리를 사용한 저장매체는 네오디뮴 자석에 접촉하여도 데이터를 잃지 않기 때문에 그래픽 카드 지지대에 네오디뮴 자석을 부착하여 판매하는 경우도 있다.
참고자료
- 〈네오디뮴 자석〉, 《위키백과》
- 〈네오디뮴 자석〉, 《나무위키》
- 메카럽, 〈네오디뮴(네오디움) 자석이란? - 개요, 특징, 작동원리, 종류, 장단점〉, 《티스토리》, 2023-03-05
같이 보기
