마법의 희토류 원소: "영구 자석의 왕"-네오디뮴

바스트나사이트

네오디뮴은 원자번호 60, 원자량 144.24이며, 지각 내 함량은 0.00239%로 주로 모나자이트와 바스트네사이트에 존재합니다. 자연에는 네오디뮴의 동위원소가 7가지 있습니다. 네오디뮴 142, 143, 144, 145, 146, 148, 150이며, 그중 네오디뮴 142의 함량이 가장 높습니다. 프라세오디뮴의 탄생과 함께 네오디뮴이 탄생했습니다. 네오디뮴의 등장은 희토류 산업을 활성화시켰고, 희토류 시장에 중요한 역할을 했습니다.

네오디뮴의 발견

네오디뮴을 발견한 칼 오르본 웰스바흐(Karl Orvon Welsbach, 1858-1929)

1885년, 오스트리아 화학자 카를 오르본 벨스바흐(Carl Orvon Welsbach)는 비엔나에서 네오디뮴을 발견했습니다. 그는 질산에서 질산암모늄 사수화물을 분리하고 결정화하여 대칭 네오디뮴 물질에서 네오디뮴과 프라세오디뮴을 분리했고, 동시에 분광 분석을 통해 분리했습니다. 하지만 1925년이 되어서야 비교적 순수한 형태로 분리되었습니다.

1950년대 이후, 고순도 네오디뮴(99% 이상)은 주로 모나자이트의 이온 교환 공정을 통해 얻어졌습니다. 금속 자체는 할로겐화물 염을 전기분해하여 얻습니다. 현재 대부분의 네오디뮴은 바스타 나타나이트(Basta Nathanite)의 (Ce,La,Nd,Pr)CO3F에서 추출하여 용매 추출법으로 정제합니다. 이온 교환 정제를 통해 최고 순도(일반적으로 99.99% 이상)를 확보할 수 있습니다. 제조가 단계 결정화 기술에 의존했던 당시에는 프라세오디뮴의 마지막 흔적까지 제거하기 어려웠기 때문에, 1930년대에 제조된 초기 네오디뮴 유리는 현대 유리보다 더 순수한 보라색과 붉은색 또는 주황색 색조를 띠고 있습니다.

네오디뮴 금속

금속성 네오디뮴은 밝은 은색 금속 광택을 띠며, 녹는점은 1024°C, 밀도는 7.004 g/cm³이고 상자성입니다. 네오디뮴은 가장 활성이 높은 희토류 금속 중 하나로, 공기 중에서 빠르게 산화되어 어두워진 후 산화막을 형성하고 벗겨지면서 금속이 추가 산화에 노출됩니다. 따라서 1cm 크기의 네오디뮴 시료는 1년 이내에 완전히 산화됩니다. 차가운 물에서는 느리게 반응하고, 뜨거운 물에서는 빠르게 반응합니다.

네오디뮴 전자 배열

전자 구성:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f4

네오디뮴의 레이저 성능은 4f 궤도 전자가 서로 다른 에너지 준위 사이에서 전이하는 현상에 의해 결정됩니다. 이 레이저 소재는 통신, 정보 저장, 의료, 가공 등에 널리 사용됩니다. 그중에서도 이트륨 알루미늄 가닛(Y3Al5O12:Nd(YAG:Nd))은 우수한 성능으로 널리 사용되고 있으며, Nd가 도핑된 가돌리늄 스칸듐 갈륨 가닛은 더 높은 효율을 보입니다.

네오디뮴의 응용

네오디뮴의 가장 큰 사용처는 NdFeB 영구자석 소재입니다. NdFeB 자석은 높은 자기 에너지 함량으로 인해 "영구자석의 왕"으로 불립니다. 뛰어난 성능 덕분에 전자, 기계 및 기타 산업 분야에서 널리 사용됩니다. 영국 엑서터 대학교 컴벌랜드 광업대학 응용광업학과 프랜시스 월 교수는 "자석 측면에서 네오디뮴과 경쟁할 수 있는 것은 사실상 없습니다. 알파 자기 분광기의 성공적인 개발은 중국 NdFeB 자석의 자기 특성이 세계 최고 수준에 도달했음을 보여줍니다."라고 말했습니다.

하드 디스크의 네오디뮴 자석

네오디뮴은 세라믹, 밝은 자주색 유리, 레이저에 사용되는 인공 루비, 그리고 적외선을 걸러낼 수 있는 특수 유리를 만드는 데 사용될 수 있습니다. 프라세오디뮴과 함께 유리 공예가용 고글을 만드는 데 사용됩니다.

마그네슘이나 알루미늄 합금에 1.5%~2.5% 나노 네오디뮴 산화물을 첨가하면 합금의 고온 성능, 기밀성, 내식성이 향상되며 항공 우주용 재료로서 널리 사용됩니다.

나노 네오디뮴 산화물이 도핑된 나노 이트륨 알루미늄 가넷은 단파 레이저 빔을 생성하는데, 이는 산업계에서 두께가 10mm 이하인 얇은 소재의 용접 및 절단에 널리 사용됩니다.

Nd:YAG 레이저 막대

의료 치료에서는 나노 네오디뮴 산화물이 도핑된 나노 이트륨 알루미늄 가넷 레이저를 수술 칼 대신 사용하여 수술 상처를 제거하거나 상처를 소독합니다.

네오디뮴 유리는 유리 용융물에 산화 네오디뮴을 첨가하여 만듭니다. 네오디뮴 유리는 보통 햇빛이나 백열등 아래에서 라벤더색을 띠지만, 형광등 아래에서는 연한 파란색을 띱니다. 네오디뮴은 순수한 보라색, 와인색, 따뜻한 회색과 같은 섬세한 색조의 유리를 만드는 데 사용할 수 있습니다.

네오디뮴 유리

과학기술의 발전과 희토류 과학기술의 확대·확대에 따라 네오디뮴의 활용공간은 더욱 확대될 것으로 전망된다.