네오디뮴 자석
[image]
'''Neodymium Magnet, NdFeB magnet'''
네오디뮴, 붕소, 철을 2:1:14의 비율로 소결 방식으로 합금하여 만든 자석.
지구상에 현존하는 가장 강력한 영구자석[1]이다. 이 자석에서 네오디뮴이 하는 역할은 그 특이한 원자 모양으로 철 원자를 붙잡아서 자성 모멘트가 흐트러지지 않게 하는 것이다.
흔히 보는 일반 자석과는 달리 매끈한 표면과 완전한 금속성 광택을 가지고 있는데, 이는 네오디뮴 자석이 공기중에서 쉽게 부식되기 때문에 부식을 방지하기 위해 내식성이 강한 금속(니켈, 구리-니켈 합금, 아연 등)으로 도금이 되어있기 때문이다. 즉 표면에 보이는 은색은 자석의 원래 색상이 아니라 도금된 금속의 색상이다. 코팅이 되어있는 탓에 또한 일반 자석에서 자주 보이는 부스럼 현상이 거의 없다. 이 때문에 막 다루어 충격을 자주 받은 네오디뮴 자석을 보면 모서리가 깨져서 자석의 원래 색상이 보이는 부분을 볼 수 있다.
자석의 세기는 자석에 포함된 철 원자 하나하나가 S극과 N극의 방향이 어느 정도 정렬되어 있느냐에 따라 결정된다.방향이 가지런할 수록 강한 자석이 된다. 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. 네오디뮴 자석은 주로 철 원자와 네오디뮴 원자로 되어 있다. 네오디뮴 자석이 강력한 이유는 철 원자의 방향이 잘 흩어지지 않기 때문이다.여기에는 네오디뮴 원자의 형태가 관련된다.[2] 네오디뮴 원자는 철 원자에 비해 근소하나마 평탄한 모양을 하고 있다. 그래서 철 원자의 방향 변환이 막혀서,결과적으로 방향 변환이 어려워진다. 그러나 네오디뮴 자석도 높은 온도에서 격렬하게 흔들리면 방향이 바뀐다.
작은 사이즈에 강한 자력이 필요한 곳에서는 활용성이 무궁무진하다.
음향기기에 많이 쓰인다. 기존에는 고성능 스피커에는 자력의 한계로 인해 사이즈를 무지막지하게 키웠으나 네오디뮴 자석으로 인해서 소형임에도 불구하고 고음질, 고출력을 구현할수 있게 되었다.[3] 최근에는 네오디뮴 자석의 가격이 떨어지면서 조금이라도 성능이 필요하다면 여지없이 네오디뮴 자석이 사용될 정도이다.
모터에도 사용된다. 모터는 자력이 곧 출력이자 성능이므로 마찬가지로 소형화, 고성능화에 지대한 영향을 끼쳤다.
애플 제품에서 매우 자주 쓰인다. 에어팟의 뚜껑에, 아이패드의 덮개식 스마트 커버와, 이후에 출시된 뒷면 부착식 커버와 키보드에 무수한 네오디뮴 자석이 내장되어있으며, Apple Pencil에도 내장되어있다. AirPods Max의 스마트케이스와, 아이폰12에 탑재된 MagSafe에도 사용된다.
마찬가지로 마이크로소프트사의 Surface Pen에도 내장되어있다. 모형 쪽에서는 레진 피규어의 파츠에 심어서 간단한 포즈 변경이나 부품 탈착이 가능하게 만드는 용도로 종종 쓰인다. 마개조 된 자석 장기의 경우 일반 자석을 떼어내고 네오디뮴 자석으로 대신 넣어 마개조하는데 흔들리는 차량 안에서도 장기를 둘 수 있는 대신 기물을 옮기려면 일정 수준 이상의 완력이 필요하다는 단점이 있다.
일부 Geek 상점에서는 냉장고용 자석으로 팔기도 하며[4] 네오큐브처럼 장난감으로 만들어지기도 한다. 구형의 자석들을 배치해 원하는 모양을 만드는 것이다.
HDD에도 들어간다. 특히 하드디스크에 들어가는 네오디뮴 자석은 판형으로 되어 있기 때문에 살점이 찝히면 뜯어져 나갈 수도 있으니 주의해야 한다.
현재는 산업계 전반에 널리 쓰이고 있으며 사마륨 코발트 자석보다 더 많이 생산되고 희토류 자원이 많은 중국이 주로 생산하고 있다. 그래서 미국에서는 중국에 희토류 의존을 줄이기 위해 희토류 자원을 쓰지않는 자석을 국가적 과제로 연구 개발중이다. 이 연구 개발의 성과로 질화철(Fe16N2) 기반의 강력 자석이 개발되었다. 희토류 대신 매우 값싼 질소를 사용하여 경제성이 뛰어나지만 아직 상용화까지는 거리가 있는 모양이다.
네오디뮴 자석은 워낙 강력하기 때문에 작은 크기라고 할지라도 심각한 부상을 입을 수 있으며 대형의 경우 뼈가 부러지는 사고가 생길 수 있다. 이걸 먹거나 가지고 놀면 안 되므로 어린이에게 주어선 안 된다.[5] 실제로 어린이가 네오디뮴 자석을 삼켰다가 장 천공이 발생하는 사고가 매년 꾸준히 발생하고 있다.
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. 작은 것 역시 마찬가지지만 심하진 않다. 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 거의 여지없이 깨질것이다.
열에 약하다는 단점이 있다. 그러나 다른 희토류 원소인 '디스프로슘'(Dy)을 넣으면 열에 약하지 않게 된다. 디스프로슘 원자는 네오디뮴 원자보다 더욱 평탄한 모양을 하고 있기 때문에 방향이 잘 바뀌지 않는다. 그래서 디스프로슘을 가한 네오디뮴 원자는 고온이 되어도 철 원자의 방향이 흩어지기 어려워진다. 그러나 디스프로슘은 디스프로슘의 원래의 자성 방향이 철 원자와 반대이기 때문 상온에서의 자기력은 일반 네오디뮴 자석보다 약해진다. 그래서 용도에 따라 디스프로슘의 함유량이 다른 자석을 사용한다.
네오디뮴 자석에서 네오디뮴을 회수하는 것도 가능한데,네오디뮴 자석을 고온의 염화마그네슘 액체에 반나절 담가 두면 네오디뮴이나 디스프로슘이 염화물로 녹아 나온다. 다음에 이 액체를 진공 유리관에 넣고 6시간 가열하면 네오디뮴이나 디스프로슘이 분리된다.
일반인들은 네오디'''움''' 자석이라고 잘못 부르는 경우가 많은데 네오디'''뮴''' 자석이 올바른 명칭이다.
'''Neodymium Magnet, NdFeB magnet'''
1. 개요
네오디뮴, 붕소, 철을 2:1:14의 비율로 소결 방식으로 합금하여 만든 자석.
2. 특징
지구상에 현존하는 가장 강력한 영구자석[1]이다. 이 자석에서 네오디뮴이 하는 역할은 그 특이한 원자 모양으로 철 원자를 붙잡아서 자성 모멘트가 흐트러지지 않게 하는 것이다.
흔히 보는 일반 자석과는 달리 매끈한 표면과 완전한 금속성 광택을 가지고 있는데, 이는 네오디뮴 자석이 공기중에서 쉽게 부식되기 때문에 부식을 방지하기 위해 내식성이 강한 금속(니켈, 구리-니켈 합금, 아연 등)으로 도금이 되어있기 때문이다. 즉 표면에 보이는 은색은 자석의 원래 색상이 아니라 도금된 금속의 색상이다. 코팅이 되어있는 탓에 또한 일반 자석에서 자주 보이는 부스럼 현상이 거의 없다. 이 때문에 막 다루어 충격을 자주 받은 네오디뮴 자석을 보면 모서리가 깨져서 자석의 원래 색상이 보이는 부분을 볼 수 있다.
3. 원리
자석의 세기는 자석에 포함된 철 원자 하나하나가 S극과 N극의 방향이 어느 정도 정렬되어 있느냐에 따라 결정된다.방향이 가지런할 수록 강한 자석이 된다. 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. 네오디뮴 자석은 주로 철 원자와 네오디뮴 원자로 되어 있다. 네오디뮴 자석이 강력한 이유는 철 원자의 방향이 잘 흩어지지 않기 때문이다.여기에는 네오디뮴 원자의 형태가 관련된다.[2] 네오디뮴 원자는 철 원자에 비해 근소하나마 평탄한 모양을 하고 있다. 그래서 철 원자의 방향 변환이 막혀서,결과적으로 방향 변환이 어려워진다. 그러나 네오디뮴 자석도 높은 온도에서 격렬하게 흔들리면 방향이 바뀐다.
4. 활용
작은 사이즈에 강한 자력이 필요한 곳에서는 활용성이 무궁무진하다.
음향기기에 많이 쓰인다. 기존에는 고성능 스피커에는 자력의 한계로 인해 사이즈를 무지막지하게 키웠으나 네오디뮴 자석으로 인해서 소형임에도 불구하고 고음질, 고출력을 구현할수 있게 되었다.[3] 최근에는 네오디뮴 자석의 가격이 떨어지면서 조금이라도 성능이 필요하다면 여지없이 네오디뮴 자석이 사용될 정도이다.
모터에도 사용된다. 모터는 자력이 곧 출력이자 성능이므로 마찬가지로 소형화, 고성능화에 지대한 영향을 끼쳤다.
애플 제품에서 매우 자주 쓰인다. 에어팟의 뚜껑에, 아이패드의 덮개식 스마트 커버와, 이후에 출시된 뒷면 부착식 커버와 키보드에 무수한 네오디뮴 자석이 내장되어있으며, Apple Pencil에도 내장되어있다. AirPods Max의 스마트케이스와, 아이폰12에 탑재된 MagSafe에도 사용된다.
마찬가지로 마이크로소프트사의 Surface Pen에도 내장되어있다. 모형 쪽에서는 레진 피규어의 파츠에 심어서 간단한 포즈 변경이나 부품 탈착이 가능하게 만드는 용도로 종종 쓰인다. 마개조 된 자석 장기의 경우 일반 자석을 떼어내고 네오디뮴 자석으로 대신 넣어 마개조하는데 흔들리는 차량 안에서도 장기를 둘 수 있는 대신 기물을 옮기려면 일정 수준 이상의 완력이 필요하다는 단점이 있다.
일부 Geek 상점에서는 냉장고용 자석으로 팔기도 하며[4] 네오큐브처럼 장난감으로 만들어지기도 한다. 구형의 자석들을 배치해 원하는 모양을 만드는 것이다.
HDD에도 들어간다. 특히 하드디스크에 들어가는 네오디뮴 자석은 판형으로 되어 있기 때문에 살점이 찝히면 뜯어져 나갈 수도 있으니 주의해야 한다.
현재는 산업계 전반에 널리 쓰이고 있으며 사마륨 코발트 자석보다 더 많이 생산되고 희토류 자원이 많은 중국이 주로 생산하고 있다. 그래서 미국에서는 중국에 희토류 의존을 줄이기 위해 희토류 자원을 쓰지않는 자석을 국가적 과제로 연구 개발중이다. 이 연구 개발의 성과로 질화철(Fe16N2) 기반의 강력 자석이 개발되었다. 희토류 대신 매우 값싼 질소를 사용하여 경제성이 뛰어나지만 아직 상용화까지는 거리가 있는 모양이다.
5. 주의사항
네오디뮴 자석은 워낙 강력하기 때문에 작은 크기라고 할지라도 심각한 부상을 입을 수 있으며 대형의 경우 뼈가 부러지는 사고가 생길 수 있다. 이걸 먹거나 가지고 놀면 안 되므로 어린이에게 주어선 안 된다.[5] 실제로 어린이가 네오디뮴 자석을 삼켰다가 장 천공이 발생하는 사고가 매년 꾸준히 발생하고 있다.
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. 작은 것 역시 마찬가지지만 심하진 않다. 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 거의 여지없이 깨질것이다.
열에 약하다는 단점이 있다. 그러나 다른 희토류 원소인 '디스프로슘'(Dy)을 넣으면 열에 약하지 않게 된다. 디스프로슘 원자는 네오디뮴 원자보다 더욱 평탄한 모양을 하고 있기 때문에 방향이 잘 바뀌지 않는다. 그래서 디스프로슘을 가한 네오디뮴 원자는 고온이 되어도 철 원자의 방향이 흩어지기 어려워진다. 그러나 디스프로슘은 디스프로슘의 원래의 자성 방향이 철 원자와 반대이기 때문 상온에서의 자기력은 일반 네오디뮴 자석보다 약해진다. 그래서 용도에 따라 디스프로슘의 함유량이 다른 자석을 사용한다.
6. 기타
네오디뮴 자석에서 네오디뮴을 회수하는 것도 가능한데,네오디뮴 자석을 고온의 염화마그네슘 액체에 반나절 담가 두면 네오디뮴이나 디스프로슘이 염화물로 녹아 나온다. 다음에 이 액체를 진공 유리관에 넣고 6시간 가열하면 네오디뮴이나 디스프로슘이 분리된다.
일반인들은 네오디'''움''' 자석이라고 잘못 부르는 경우가 많은데 네오디'''뮴''' 자석이 올바른 명칭이다.
[1] 물론 여느 영구자석이 그렇듯이 자성을 잃을 수 있다. Physics Stackexchange 링크 [2] 원자의 형태란 원자핵을 둘러싼 '전자구름'의 형태를 말한다.전자구름이란 전자가 존재할 수 있는 영역이며,전자구름의 모양은 전자의 수나 전자의 에너지 상태에 따라 변한다.[3] 물론 자석의 자력이 강하다고 다 되는게 아니고 보이스 코일에 코일을 얼마나 많이 감느냐도 출력에 영향을 준다. 하지만 보이스 코일을 많이 감는 것으로는 부피의 한계가 있기 때문에 영구자석을 강력한 것으로 쓰는것. 애초에 스피커의 구동 원리는 보이스 코일에 전기가 흘러 전자석이 되면 영구 자석의 자기력과 연동되어 진동하는 것이다. 즉 보이스 코일을 많이 감고 자력이 강한 영구 자석을 쓰면 출력이 커진다.[4] 이 경우 강한 자력 때문에 꽤나 떼기 힘들어 질 수 있다. 냉장고용 자석을 뗄 수 없다는 상상을 해보았는가? 큰 네오디뮴 자석을 사용해 만든 DIY 제품을 냉장고에 붙인다면 펜치 등의 공구로 때야하며 최악의 경우 뗄 수 없을 지도 모른다. 가열을 하면 떼어낼 수도 있지만 그렇게 하다가 냉장고가 손상되거나 화재가 발생할 수 있다.[5] 어린이용 제품에는 애초에 쓰지도 않지만, 어린이가 쓸 수도 있는 제품을 마개조 할 때 쓰면 안된다.