나노복합희토류영구자석개발

경애하는 김정은동지께서는 다음과 같이 말씀하시였다.

《정보기술, 나노기술, 생물공학을 비롯한 핵심기초기술과 새 재료기술, 새 에네르기기술, 우주기술, 핵기술과 같은 중심적이고 견인력이 강한 과학기술분야를 주타격방향으로 정하고 힘을 집중하여야 합니다.》

김일성종합대학 물리학부의 과학자들이 나라의 경제발전에 이바지하는 첨단수준의 나노복합희토류영구자석을 새롭게 개발하였다.

연구집단이 개발한 나노복합희토류자석은 Nd₂Fe₁₄B와 α-Fe나노결정립자들사이의 효률적인 자기적교환결합에 의하여 높은 자기적성능과 낮은 희토류함량을 가지는 첨단나노자성재료이다.

일반적으로 희토류영구자석은 지하전동차와 전기자동차의 에네르기절약형 고성능영구자석견인동기전동기, 고성능풍력발전기와 무접촉직류전동기, 무인기와 위성의 추진전동기, 자기랭동기, 5만r/min이상의 회전속도를 보장할수 있는 자기베아링을 제작하는 등 콤퓨터, 정보, 통신, 전기, 자동차, 핵자기공명, 우주개발분야에서 널리 쓰이고있다.

Sm-Co나 Nd-Fe-B같은 희토류자석은 Al-Ni-Co나 경자성훼리트를 비롯한 종전의 영구자석에 비하여 그 자기적특성 특히 최대자기에네르기적과 보자력이 10배이상으로 높은것으로 하여 많은 응용적가치를 가진다.

제3세대희토류영구자석으로 불리우는 Nd₂Fe₁₄B자석은 1984년에 처음으로 개발되였는데 1960년대와 1970년대에 각각 개발되여 제1세대와 제2세대희토류영구자석으로 불리운 SmCo₅, Sm₂Co₁₇에 비하여 원가가 낮고 자기적특성이 높은 자석으로 인정되였고 이미 세계적으로 그 개발이 완성되였으며 공업화가 실현되였다.

세계적인 생산량은 2001년의 1만t 수준에서 급격히 장성하여 2010년에 5만t수준을 초과하였으며 최근에는 년산 10만t수준을 넘어섰다.

그러나 Nd₂Fe₁₄B자석의 결함은 기본원료인 Nd의 가격과 생산공정원가가 높은것으로 하여 그 가격이 여전히 비싸고 열안정성이 좋지 못한것이다. 또한 자기적특성의 온도의존성이 강하며 보통 중희토류원소인 Dy를 첨가하는 방법으로 열안정성을 개선하는데 Dy은 Nd에 비해 10배정도 비싸기때문에 자석의 원가도 비싸다.

이로부터 종전의 Nd₂Fe₁₄B자석보다 더 높은 자기적특성을 가지면서도 희토류함량을 대폭 낮출수 있는 첨단영구자석재료로서 일명 제4세대 희토류영구자석이라고도 불리우는 Nd₂Fe₁₄B/α-Fe나노복합희토튜영구자석이 연구되였다.

이 재료를 개발하는데서 기본은 합리적인 나노결정자립자구조를 형성하여 Nd₂Fe₁₄B합금의 함량을 낮추면서도 높은 자기적특성을 얻는것이다.

이 자석은 희토류함량이 비교적 낮고 기계력학적세기가 높으며 고온안정성과 화학적안정성이 높은 등 실용화의 종합적우점을 가지기때문에 원가가 눅은 희토류절약형고성능자석으로서 주목되고있으며 그 자기적특성을 높이기 위한 기초리론적연구와 제조공정을 확립하고 공업화하기 위한 연구들이 세계적인 범위에서 광범히 진행되고있다.

기초리론적연구에서는 Nd₂Fe₁₄B/α-Fe의 자기적특성이 나노급미시결정구조에 어떻게 관계되는가를 해명하기 위한 연구들을 진행하고있으며 Nd₂Fe₁₄B/α-Fe의 최대자기에네르기적의 리론값은 1MJ/m³정도로서 종전의 제3세대희토류자석으로 불리우는 Nd₂Fe₁₄B자석의 최대자기에네르기적의 리론값인 512kJ/m³보다 2배정도로 높다는것이 밝혀졌다.

제조공정을 개선하고 나노급미시결정구조를 조종하여 높은 자기적특성을 가진 Nd₂Fe₁₄B/α-Fe나노복합희토류영구자석을 개발하기 위한 실험적연구들이 많이 진행되고있으며 현재까지 Nd₂Fe₁₄B경자성함량을 30~40%수준까지 낮추면서 200kJ/m³정도의 최대자기에네르기적을 가지는 나노복합희토류영구자석을 제조한 실험결과들이 발표되였다.

우리 나라는 국토면적에 비하여 적지 않은 희토류자원매장량을 보유하고있는것으로 하여 희토류영구자석을 개발생산할수 있는 자원적토대가 충분하다.

김일성종합대학을 비롯한 여러 단위들에서 기본원료인 Nd원소의 산화물을 국내산모나즈광석에서 고순도분리정제하는 기술을 완성하였다.

이에 기초하여 김일성종합대학 물리학부 연구집단에서는 2016~2018년사이에 새형의 Nd₂Fe₁₄B/α-Fe나노복합희토류영구자석의 자기적특성에 대한 리론적연구를 진행하였다.

연구집단에서는 Nd₂Fe₁₄B함량을 종전에 비하여 70~80%정도 낮추면서도 300 kJ/m³이상의 최대자기에네르기적을 가지는 등방성나노복합희토류영구자석의 새로운 미시구조를 설계하고 그 제조방법을 연구하여 희토류함량을 종전에 비하여 80% 낮추면서도 200kJ/m³정도의 최대자기에네르기적을 가지는 희토류절약형고성능나노복합희토류영구자석을 개발하였다.

이 성과에 기초하여 연구집단에서는 이방성 Nd₂Fe₁₄B/α-Fe나노복합희토류영구자석을 개발하고 그 자기적성능과 열안정성을 개선하기 위한 연구사업들을 진행하고있다.