질화철: 희토류 원소가 없는 강력한 자석

비교적 최근에 상업 현장에 등장한 이래로 희토류 자석은 대중의 상상 속에서 큰 화제를 불러일으켰습니다. 이 작고 반짝이는 물체에 담긴 자기 에너지의 양은 휴대폰의 진동 모터나 이어버드 및 보청기의 작은 스피커처럼 그것이 등장하기 전에는 불가능했던 기술적 도약을 가져왔습니다. 그리고 전기 자동차의 모터와 풍력 터빈의 발전기는 물론 셀 수 없이 많은 의료, 군사, 과학 용도는 말할 것도 없습니다.

그러나 이러한 발전에는 비용이 발생합니다. 이를 만드는 데 필요한 희토류 원소를 얻기가 점점 더 어려워지기 때문입니다. 네오디뮴과 같은 희토류 원소가 지질학적으로 그렇게 희귀한 것은 아닙니다. 오히려 광상이 고르지 않게 분포되어 끝없는 지정학적 체스 게임에서 금속이 전당포가 되기 쉽습니다. 게다가 광석에서 이를 추출하는 것은 환경 고려 사항에 대한 민감도가 높아지는 시대에 까다로운 사업입니다.

운 좋게도 자석을 만드는 방법은 여러 가지가 있으며 곧 네오디뮴 자석만큼 강력하면서도 희토류 금속이 없는 영구 자석을 만드는 것이 가능할 수도 있습니다. 실제로 이를 만드는 데 필요한 유일한 것은 철과 질소, 그리고 결정 구조에 대한 이해와 약간의 공학적 독창성뿐입니다.

우선, 영구 자석이란 무엇일까요? 자연에 관한 많은 간단한 질문처럼, 상당한 양의 손을 흔들 필요가 없는 쉬운 대답은 없습니다. 심지어 물리학자들조차도 결국 "우리는 단지 모른다"라는 대답을 내놓는 지점에 이르게 됩니다. 그러나 이것이 자성이 완전한 미스터리라는 것을 의미하는 것은 아니며, 우리가 그것에 대해 알고 있는 것들은 매우 간단하며 실제로 희토류 자석과 그 대안이 어떻게 작동하는지 이해하는 데 도움이 됩니다.

우리는 이전에 자성의 기초를 다루었지만 요약하자면 전자와 같은 모든 하전 입자는 고유 자기 모멘트라고 알려진 것을 가지고 있습니다. 즉, 작은 자석처럼 행동한다는 의미입니다. 전자 껍질이 채워진 원자에서는 각 전자 쌍이 반대 방향을 가리키는 모멘트를 갖기 때문에 이러한 자기 모멘트가 서로 상쇄됩니다. 그러나 외부 껍질에 짝을 이루지 않은 전자가 있는 원자의 경우 자기 모멘트를 상쇄할 수 있는 것이 없습니다. 이는 이러한 요소가 자성을 띤다는 것을 의미합니다. 이러한 원소는 주기율표의 두 특정 영역, 즉 코발트, 니켈, 철과 같은 d-블록 금속과 사마륨, 네오디뮴, 프라세오디뮴과 같은 희토류 금속을 포함하는 f-블록 악티늄족 란탄족에서 나오는 경향이 있습니다.

하지만 자석에는 주기율표의 성분이 어디에서 왔는지보다 더 많은 것이 있습니다. 자성은 모든 고유한 자기 모멘트를 정렬하고 동일한 방향으로 작용하는 것입니다. 자기 요소의 원자에 있는 전자가 서로 싸우지 않아야 하는 것처럼 원자도 자기 모멘트가 모두 같은 방향을 가리키도록 배열되어야 합니다. 이는 자기이방성이 크다고 하며, 강한 자석의 특징 중 하나이다. 네오디뮴과 같은 희토류 금속은 자기 이방성이 매우 높아 희토류 자석의 강도를 높이는 데 기여합니다.

그러나 희토류 금속 자체는 실제로 적어도 실용적인 수준에서는 매우 열악한 자석을 만듭니다. 이는 물질이 자기 특성을 잃는 온도인 퀴리점이 상대적으로 낮기 때문입니다. 실온에서 순수한 네오디뮴 막대는 전혀 자석이 될 수 없습니다. 실제로 자기 특성을 가지려면 20K 미만으로 냉각해야 합니다. 이를 해결하기 위해 희토류 금속을 다른 강자성 원소와 혼합하여 강한 자기 보자력을 가지면서도 적절한 퀴리점을 갖는 합금을 형성합니다. 철, 네오디뮴, 붕소가 결합된 가장 일반적인 희토류 자석 합금은 정확한 원소 혼합에 따라 300~400°C 범위의 퀴리 온도를 갖습니다.

자기의 토끼굴을 더 깊이 파고들려면 결정학의 개념에 익숙해져야 합니다. 이것은 표준 화학 공식 표기법과 동일한 것처럼 보이지만 분명히 그렇지 않기 때문에 혼란스러운 명명법과 용어로 인해 엄청나게 복잡한 주제입니다. 철에 네오디뮴을 첨가하여 강력한 영구 자석을 만드는 방법과 희토류 없이 강력한 자석을 만드는 방법을 완전히 이해하려면 여기에 있는 공간보다 결정학에 대해 더 깊이 파고드는 것이 필요합니다. 운 좋게도 약간의 손 흔들기와 함께 기본 사항으로 충분합니다. 그리고 이 어려운 주제에 대해 제가 이해하도록 도와준 제 친구 Zachary Tong 덕분입니다.