[논문]Nd-Fe-B 소결 자석의 보자력 향상

김세훈; 김진우; 변종민; 김영도

doi:10.4150/kpmi.2015.22.1.60

Nd-Fe-B 소결 자석의 보자력 향상
Enhancement of Coercivity for Nd-Fe-B Sintered Magnets 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.22 no.1, 2015년, pp.60 - 67

김세훈 (자동차부품연구원 소재융합디자인연구센터) , 김진우 (한양대학교 신소재공학과) , 변종민 (한양대학교 신소재공학과) , 김영도 (한양대학교 신소재공학과)

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문제 정의

이 기술은 단일 도메인으로 미세구조를 만들 수는 없지만, 그에 준하는 미세구조를 가지게 함으로써 최대한 역자구 생성 및 전파에 의한 강자성 간의 자기교환결합을 제한하고자 하는 것이다.

제안 방법

Nd-Fe-B 소결 자석의 연구 논문 수 증가 원인을 분석하기 위하여 같은 검색 조건으로 출판된 논문의 수를 국가 별로 분류하여 주요 국가의 연구 동향을 파악하고자 하였으며 그 결과를 그림 2에 나타내었다. 분석 결과 총 2,700여 편의 논문 중 일본이 22% 비율로서 600여 편의 가장 많은 논문 수를 기록하였고 중국 역시 일본과의 유사한 비율로 논문이 출판된 것으로 분석되었다.
Nd-Fe-B 소결 자석의 연도별 국외 저널 논문 수의 변화량을 통해 연구 동향을 파악하고자 Nd-Fe-B 소결 자석이 개발된 1984년부터 2014년 7월까지 키워드 Nd-Fe-B로 검색된 국외 저널 전체 논문 수를 학술 검색 엔진 SCOPUS 를 이용하여 검색하였으며 그 결과를 그림 1에 나타내었다. Nd-Fe-B 소결 자석의 개발 이후 10년이 지난 1990년대 초반과 20년이 지난 2000년대 초반의 논문 수를 비교 한 결과 10년간 약 46% 증가하며 가파른 상승세를 보여 주고 있다.

대상 데이터

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 논문 발표가 많은 최상위 연구 기관은 Hitachi Metals과 Tohoku University로 분석되었다.
미국의 상위 논문 발표 기관은GM Research Lab, Iowa State University, University of Dayton, University of Delaware, Magnequench International, Inc.이며, 독일은 LeibnizInstitut 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 연도별 Nd-Fe-B의 소결 자석에 대한 논문 수의 변화를 그림 3에서 보여주고 있다.

성능/효과

또 다른 연구 주제인 결정립계 제어는 총 247편 중에 171편의 논문이 게재된 것으로 분석되어 Nd-Fe-B 영구자석에서 가장 활발하게 연구가 수행되고 있는 주제로 나타났다. 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 분석되었다. 이렇게 논문 동향을 분석한 결과를 바탕으로 Nd-Fe-B 소결 자석의 결정립 미세화와 결정립계 제어의 두 가지 연구 동향을 각각 아래와 같이 정리하였다.
Nd-Fe-B 소결 자석은 발명된 이후 높은 잔류자화를 목표로 연구되어 왔으나 2000년 후반부터 하이브리드/전기차의 구동모터 등으로의 수요가 급증할 것으로 예상되자 고온 환경에서 사용하기 위한 고보자력화로 그 연구 방향이 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.
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 논문 발표가 많은 최상위 연구 기관은 Hitachi Metals과 Tohoku University로 분석되었다.
동일 방법으로 검색된 논문을 논문이 게재된 저널 별로 분류한 결과를 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 주도적으로 관련 논문이 게재되고 있음을 판단할 수 있다. 추가로 인용지수가 높은 저널로는 Scripta Materialia, Acta Materialia 등이 있었다.
Nd-Fe-B 소결 자석의 연구 논문 수 증가 원인을 분석하기 위하여 같은 검색 조건으로 출판된 논문의 수를 국가 별로 분류하여 주요 국가의 연구 동향을 파악하고자 하였으며 그 결과를 그림 2에 나타내었다. 분석 결과 총 2,700여 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.
최근 6년간의 논문 조사를 통하여 Nd-Fe-B 영구자석에 관한 동향을 분석한 결과, 크게 결정립 미세화(grain refinement) 와 결정립계 제어(interfacial control)의 두 가지 연구가 대다수인 것으로 분류되었으며, 이 두 가지 연구 모두 NdFe-B 영구자석의 핵생성 보자력 기구를 고려한 역자구 생성 및 전파를 억제하여 보자력을 향상시키고자 하는 것으로 분석되었다. 특히, 두 가지 연구 동향 중 결정립계 제어 연구가 지배적으로 수행되었으며, 이러한 분석 결과로 판단 할 때 Nd-Fe-B 결정립계에서의 역자구 생성 및 전파를 최대한 억제하는 연구가 최근의 가장 큰 이슈라고 판단된다.
최근 6년간의 논문 조사를 통하여 Nd-Fe-B 영구자석에 관한 동향을 분석한 결과, 크게 결정립 미세화(grain refinement) 와 결정립계 제어(interfacial control)의 두 가지 연구가 대다수인 것으로 분류되었으며, 이 두 가지 연구 모두 NdFe-B 영구자석의 핵생성 보자력 기구를 고려한 역자구 생성 및 전파를 억제하여 보자력을 향상시키고자 하는 것으로 분석되었다. 특히, 두 가지 연구 동향 중 결정립계 제어 연구가 지배적으로 수행되었으며, 이러한 분석 결과로 판단 할 때 Nd-Fe-B 결정립계에서의 역자구 생성 및 전파를 최대한 억제하는 연구가 최근의 가장 큰 이슈라고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Nd-Fe-B 소결자석이 상온에서 최대한 높은 보자력을 가지게 하여 사용 환경 온도에서도 일정 이상의 보자력을 유지하게 하는 방법을 사용하는 이유는?	일반적으로 영구자석 삽입 형 구동모터는 고정자(Stator)와 회전자(Rotor)로 구성 되어 있으며 고정자에서 발생하는 자기장에 의해 영구자석이 삽입되어 있는 회전자가 구동하게 된다. 이때 영구자석의 보자력이 전자석에서 발생하는 자기장보다 크게 되면 잔류자속밀도가 감소되는 모터의 성능 저하가 발생 하지 않으나, 이와 반대가 될 경우는 영구자석의 잔류 자속밀도가 감소하여 모터의 영구적 성능 저하를 초래 하게 된다[2]. 그렇기 때문에 Nd-Fe-B 소결자석이 상온에서 최대한 높은 보자력을 가지게 하여 사용 환경 온도에서도 일정 이상의 보자력을 유지 하게 하는 방법이 사용된다[3, 4].
	Nd-Fe-B계 자석이란?	Nd-Fe-B계 자석은 네오디뮴(Nd)으로 대표되는 희토류 원소와 철, 붕소의 화합물인 Nd2Fe14B 물질에 의해 강자성특성이 발현되는 영구자석으로 1983년 M. Sagawa와 J.
	Nd-Fe-B계 소결자석의 단점은?	HEV/EV용 구동모터는 차량 구동력의 일부 또는 전체를 모터가 제공하여야 하기 때문에 고회전·고출력이 필요하고 이로 인해 모터 내부에 많은 열이 발생하여 영구 자석의 높은 열적 안정성이 요구되고 있다. 그러나 Nd-Fe-B계 소결자석은 큐리 온도가 타 영구자석에 비하여 낮고 온도 상승에 따른 자기적 성능의 열화(thermal degradation)가 심하다는 단점이 있기 때문에 HEV/EV 자동차의 응용에 있어서는 이를 극복하는 것이 매우 중요하다. 일반적으로 HEV/EV 자동차의 구동모터는 기존에 생산 가능한 고보자력 Nd-Fe-B 소결자석의 성능 열화를 고려하여 200℃ 이하에서 작동하도록 설계되었다.

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