네오디뮴 자석

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1. 개요
2. 역사
- 2.1. 개발 배경
- 2.2. 상용화 및 발전
3. 특징
4. 제조 방법
- 4.1. 소결 자석 공정 (분말 야금법)
- 4.2. 접합 자석 공정 (급속 응고법)
5. 활용 분야
- 5.1. 기존 활용 분야
- 5.2. 새로운 활용 분야
6. 위험성
7. 등급
참조

1. 개요

네오디뮴 자석은 지구상에서 가장 강력한 영구 자석으로, 1984년 제너럴 모터스와 스미토모 특수금속이 거의 동시에 Nd₂Fe₁₄B 화합물을 발견하면서 개발되었다. 초기 사마륨-코발트 자석의 높은 비용 문제를 해결하기 위해 개발되었으며, 멜트 스핀 방식과 소결 방식을 통해 제조된다. 네오디뮴 자석은 다양한 물리적, 기계적 특성을 가지며, 2000년대 이후 디스프로슘 첨가를 통해 내열성을 향상시켰다. 현재는 중국이 네오디뮴 자석 생산을 주도하고 있으며, 미국 에너지부는 희토류 금속 대체 연구를 지원하고 있다. 네오디뮴 자석은 스피커, 하드디스크 드라이브, 전기 모터, 풍력 터빈 등 다양한 분야에 활용되며, 의료 기기, 자석 크레인, 장난감 등 새로운 분야에서도 사용된다. 하지만 강력한 자력으로 인해 신체 부상, 자기 매체 손상, 화학적 위험 등의 안전 문제가 발생할 수 있으며, 최대 에너지 곱에 따라 N27에서 N55까지 등급이 매겨진다.

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네오디뮴 자석
네오디뮴 자석
네오디뮴 자석
재료 및 특성
주성분	네오디뮴 (Nd) 철 (Fe) 붕소 (B)
유형	소결 네오디뮴 자석
결정 구조	Nd2Fe14B 사방정계 구조
보자력	높음
최대 에너지 곱	56 MGOe
잔류 자속 밀도	1.0-1.4T
퀴리 온도	310-400 °C
자기 이방성	단축 자기 이방성
특징	매우 강한 자력 영구 자석 고온에서 자력 감소
발견	사가와 마사토 외 연구팀 (1982년)
생산 및 가공
제조 방법	분말 야금 용융 방사
추가 가공	절단 연마 코팅
모양	원형 사각형 링형 특수 형상
응용 분야
산업	하드 디스크 드라이브 스피커 모터 센서 발전기 자기 공명 영상 (MRI) 자기 분리 기술
일상	자기 펜 장난감 보석 문구류 가방 잠금 장치
기타	항공 우주 의료 기기 연구 개발 자석 요법
위험성
물리적 위험	파손 시 파편 위험 삼킬 경우 위험
자기장	의료 기기에 영향 신용 카드 등 자기 매체 손상 강한 자력으로 인해 부상 위험
주의사항	어린이가 만지지 않도록 주의 심박 조율기 착용자는 주의
기타
환경 영향	채굴 과정에서 환경 오염 발생 생산 과정에서 환경 오염 발생
재활용	재활용 기술 개발 중
관련 기술	영구 자석

2. 역사

1980년대 초, 강력한 영구 자석이었던 사마륨-코발트 합금은 높은 가격으로 인해 보급에 어려움을 겪었다. 이러한 상황에서 1983년, 스미토모 특수금속의 사가와 마사토는 희토류 원소 중 비교적 매장량이 많은 네오디뮴을 이용한 새로운 영구 자석 소결 공정을 발표했다.^[48] 이듬해인 1984년, 제너럴 모터스(GM)와 스미토모 특수금속은 거의 동시에 Nd₂Fe₁₄B 화합물을 발견했다.^[3] 이후, GM은 멜트 스피닝 방식의 나노결정 Nd₂Fe₁₄B 자석 개발에 집중했고, 스미토모는 완전 밀도의 소결 Nd₂Fe₁₄B 자석을 개발하는 데 주력했다.^[9]

저렴한 영구 자석의 개발은 휴대전화, 컴퓨터, 자동차, 풍력 터빈 등 현대 문명의 다양한 곳에서 정보와 동력을 이용할 수 있게 되는 발판을 마련하였다. 2022년 사가와는 "네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B) 영구 자석의 분말 소결 제법을 개발한 공로"로 엘리자베스 여왕 공학상을 수상했다.^[48] 엘리자베스 공학상 재단은 전 세계 850만 대 이상의 전기 자동차, 하이브리드 자동차에 네오디뮴 영구 자석이 사용되고 있으며, 2026년까지 네오디뮴 자석 시장이 193억 달러(193억달러)에 달할 것으로 예상하고 있다.^[48]

한편, 미국 에너지부는 영구 자석 기술에서 희토류 금속을 대체할 필요성을 인지하고 관련 연구에 자금을 지원해왔다. 첨단연구계획국-에너지는 대체 재료를 개발하기 위해 중요 기술 분야의 희토류 대체(REACT) 프로그램을 후원했으며, 2011년에는 희토류 대체 프로젝트에 3,160만 달러(31.6억달러)의 자금을 지원했다.^[11]

2. 1. 개발 배경

1984년, 제너럴 모터스(GM)와 스미토모 특수금속(현 히타치 금속)이 거의 동시에 Nd₂Fe₁₄B 화합물을 발견했다.^[3] 이 연구는 초기 단계에서 개발된 사마륨-코발트 영구 자석(SmCo)의 높은 원료 비용 문제에서 비롯되었다. GM은 멜트 스핀 방식의 나노결정 Nd₂Fe₁₄B 자석 개발에 집중했고, 스미토모는 완전 밀도의 소결 Nd₂Fe₁₄B 자석을 개발했다.^[9]

GM은 1986년 마그네퀀치(Magnequench)를 설립하여 등방성 네오디뮴 분말, 본드 네오디뮴 자석 및 관련 생산 공정에 대한 발명품을 상용화했다. (마그네퀀치는 이후 네오 머티리얼스 테크놀로지(Neo Materials Technology, Inc.)의 일부가 되었고, 나중에 몰리코프와 합병되었다). 이 회사는 본드 자석 제조업체에 멜트 스핀 방식의 Nd₂Fe₁₄B 분말을 공급했다. 스미토모 시설은 히타치의 일부가 되었으며, 소결 Nd₂Fe₁₄B 자석을 제조했을 뿐만 아니라 다른 회사에도 생산 라이선스를 제공했다. 히타치는 네오디뮴 자석에 관한 600개 이상의 특허를 보유하고 있다.^[9]

1983년, 주식회사 스미토모금속에 재직 중이던 사가와 마사토는 미국에서 열린 국제 학회에서 세계 최초로, 희토류 중 세 번째로 매장량이 많은 네오디뮴을 철에 첨가한 새로운 영구 자석의 소결 공정을 발표했다.^[48] 최종적으로 붕소를 첨가함으로써 자성이 유지될 수 있는 한계 온도를 높여, 자동차 엔진처럼 고온에서 작동하는 환경에서도 사용할 수 있게 되었다.^[48]

사가와 마사토는 스미토모금속을 퇴직한 후, 인터메탈릭스(Intermetallics)라는 회사를 설립하여 네오디뮴 자석의 개량을 계속했다. 1990년대에는 고온에서 네오디뮴-철-붕소 영구 자석의 성능이 급격히 저하되는 문제를 디스프로슘을 첨가함으로써 해결했다. 2012년에는 NDFEB 주식회사를 설립하여 디스프로슘 없이 네오디뮴-철-붕소 영구 자석의 성능을 유지하는 방법을 연구하고 있다.^[48]

2. 2. 상용화 및 발전

GM은 1986년 마그네퀀치를 설립하여 본드 네오디뮴 자석을 상용화했다.^[3] 이 회사는 본드 자석 제조업체에 멜트 스피닝 방식의 Nd₂Fe₁₄B 분말을 공급했다. 스미토모 시설은 히타치의 일부가 되었으며, 소결 Nd₂Fe₁₄B 자석을 제조했을 뿐만 아니라 다른 회사에도 생산 라이선스를 제공했다. 히타치는 네오디뮴 자석에 관한 600개 이상의 특허를 보유하고 있다.^[9]

1990년대, 사가와 테루오(전 스미토모 특수금속)는 디스프로슘을 첨가하여 네오디뮴 자석의 내열성을 향상시키는 기술을 개발했다. 2012년, 그는 NDFEB 주식회사를 설립하여 디스프로슘 없이 네오디뮴-철-붕소 영구 자석의 성능을 유지하는 방법을 연구하고 있다.^[48] 2022년, 사가와 테루오는 "네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B) 영구 자석의 분말 소결 제법을 개발한 공로"로 엘리자베스 여왕 공학상을 수상했다.^[48]

세계 희토류 광산의 상당 부분을 장악하고 있는 중국 제조업체들은 네오디뮴 자석 생산에서 주도적인 세력이 되었다.^[10]

3. 특징

네오디뮴 자석은 현재 지구상에서 사용되는 자석 중 가장 강력한 자력(25~50MGOe)을 가진다. 사마륨-코발트 자석이나 알니코 자석에 비해 가공성이 좋고 가격이 저렴하지만, 녹이 쉽게 슬기 때문에 니켈 합금으로 도금하여 사용한다. 또한, 온도에 따라 자성이 약해지는 특성이 있다.

2000년대 이후에는 디스프로슘을 소량 첨가하여 온도 계수를 200°C까지 높인 네오디뮴 자석이 개발되어, 현재는 200°C까지 자력을 유지하는 자석이 생산되고 있다. 네오디뮴 자석은 기본적으로 철(약 60%)과 네오디뮴(약 30%)으로 구성되며,^[51] 내열성을 높이기 위해 디스프로슘을 약 3% 정도(내열 용도에서는 6~8%) 포함하기도 한다.^[51]

네오디뮴 자석의 성능은 페라이트 자석의 약 10배로 알려져 있으며,^[51] 자기 세기에 따라 N24부터 N54까지(이론적으로는 N64까지) 등급이 매겨진다. 2021년, 일본 국립연구개발법인 물질·재료 연구기구(NIMS)는 인공지능 학습을 통해 기존보다 1.5배 강한 자력을 가진 네오디뮴 자석 제조에 성공했다.^[52]

3. 1. 자기적 특성

네오디뮴 자석의 강한 자기력은 사방정계 Nd₂Fe₁₄B 결정 구조가 매우 높은 단축 자기결정 이방성을 갖기 때문입니다. 이는 재료의 결정이 특정 결정축을 따라서는 자화되기 쉽지만, 다른 방향으로는 자화하기 매우 어렵다는 것을 의미합니다.^[13]^[3] 네오디뮴 원자는 전자 구조에 4개의 쌍을 이루지 않은 전자를 가지고 있어 큰 자기 쌍극자 모멘트를 가질 수 있습니다.^[14] 자석에서는 스핀이 같은 방향으로 정렬된 쌍을 이루지 않은 전자가 자기장을 생성합니다. 이는 Nd₂Fe₁₄B 화합물에 높은 포화 자화와 잔류 자화를 제공하며, 결과적으로 높은 자기 에너지 밀도를 갖게 됩니다.

반자성체인 붕소 원자는 자성에 직접적으로 기여하지 않지만, 강한 공유 결합으로 응집력을 향상시킵니다.^[3]

네오디뮴 자석은 사마륨-코발트 자석보다 퀴리 온도가 낮지만, 잔류 자기장, 보자력, 에너지 곱이 더 높습니다. 더 높은 퀴리 온도를 위해 테르븀과 디스프로슘을 포함하는 특수 합금이 개발되었습니다.^[15]

다음은 다양한 영구 자석의 자기적 특성을 비교한 표입니다.

다양한 영구 자석의 자기적 특성
자석	B_r (T)	H_ci (kA/m)	BH_max (kJ/m³)	T_C
자석	B_r (T)	H_ci (kA/m)	BH_max (kJ/m³)	(°C)	(°F)
Nd₂Fe₁₄B, 소결	1.0–1.4	750–2000	200–440	310–400	590–752
Nd₂Fe₁₄B, 접합	0.6–0.7	600–1200	60–100	310–400	590–752
SmCo₅, 소결	0.8–1.1	600–2000	120–200	720	1328
Sm(Co, Fe, Cu, Zr)₇, 소결	0.9–1.15	450–1300	150–240	800	1472
알니코, 소결	0.6–1.4	275	10–88	700–860	1292–1580
Sr-페라이트, 소결	0.2–0.78	100–300	10–40	450	842

3. 2. 물리적, 기계적 특성

네오디뮴 자석은 사마륨-코발트 자석에 비해 밀도는 비슷하지만, 굽힘 강도, 압축 강도, 인장 강도가 더 높다. 비커스 경도 역시 사마륨-코발트 자석과 비슷한 수준이다. 하지만 전기 저항률은 네오디뮴 자석이 더 높다.^[16]

소결 네오디뮴 자석과 사마륨-코발트 자석(Sm-Co)의 물리적 특성 비교^[16]
특성	네오디뮴	사마륨-코발트 자석(Sm-Co)
밀도(g/cm³)	7.3–7.7	8.2–8.5
굽힘 강도(N/mm²)	200–400	150–180
압축 강도(N/mm²)	1000–1100	800–1000
인장 강도(N/mm²)	80–90	35–40
비커스 경도(HV)	500–650	400–650
전기 저항률(Ω·cm)	(110–170)×10^-6	(50–90)×10^-6

3. 3. 내식성

소결 Nd₂Fe₁₄B는 특히 소결 자석의 결정립계를 따라 부식되기 쉽다. 이러한 유형의 부식은 자석이 작은 자성 입자의 분말로 부서지거나 표면층이 박리되는 등 심각한 열화를 일으킬 수 있다.

이러한 취약성은 대기 노출을 방지하기 위해 보호 코팅을 추가하는 많은 상용 제품에서 해결된다. 니켈, 니켈-구리-니켈 및 아연 도금이 표준 방법이지만, 다른 금속 도금이나 고분자 및 래커 보호 코팅도 사용되고 있다.^[17]

3. 4. 온도 민감성

네오디뮴은 음의 온도 계수를 가지고 있어, 온도가 상승함에 따라 보자력과 자기 에너지 밀도(BH_max)가 감소한다. 네오디뮴-철-붕소 자석은 상온에서 높은 보자력을 가지지만, 온도가 100°C 이상으로 상승하면 퀴리 온도(약 320°C)에 이를 때까지 보자력이 급격히 감소한다.^[18] 이러한 보자력 감소는 풍력 터빈이나 하이브리드 자동차 모터와 같이 고온 조건에서 자석의 효율을 제한한다.

온도 변화에 따른 성능 저하를 억제하기 위해 디스프로슘(Dy) 또는 테르븀(Tb)을 첨가한다. 그러나 디스프로슘은 희소 자원이기 때문에, 디스프로슘 첨가는 자석의 생산 비용을 증가시킨다.^[18] 디스프로슘을 1% 첨가하면 열감자가 15℃ 개선된다고 알려져 있다.^[53] 최근에는 디스프로슘을 사용하지 않고 네오디뮴 자석의 결정 입자 크기를 작게 함으로써 열감자를 개선하는 연구가 진행되고 있다.^[53]

4. 제조 방법

네오디뮴 자석은 주로 다음 두 가지 방법으로 제조된다.

소결 자석 공정 (분말 야금법): 원료를 녹여 잉곳을 만들고, 이를 분쇄하여 분말을 만든 후 소결하는 방식이다.^[24]
접합 자석 공정 (급속 응고법): 얇은 리본 형태의 합금을 만든 후 분쇄하고, 폴리머와 혼합하여 압축 성형 또는 사출 성형으로 자석을 만드는 방식이다.^[24]

4. 1. 소결 자석 공정 (분말 야금법)

소결 Nd 자석은 원료를 용광로에서 용융시켜 금형에 주입하고 냉각하여 잉곳을 형성하는 방식으로 제조된다.^[24] 이 잉곳을 분쇄 및 밀링하여 분말을 만들고, 이 분말을 고밀도 블록으로 소결한다. 이후 열처리, 가공, 표면 처리 및 자화 과정을 거친다.

2015년, 일본의 닛토덴코(Nitto Denko)는 새로운 네오디뮴 자석 재료 소결 방법을 개발했다고 발표했다. 이 방법은 "유기/무기 하이브리드 기술"을 이용하여 점토와 같은 혼합물을 형성하여 다양한 모양으로 성형한 후 소결하는 방식이다. 소결된 재료에서 자기장의 불균일한 배향을 제어하여 자기장을 국부적으로 집중시켜 전기 모터의 성능을 개선하는 등의 응용이 가능하다고 하며, 2017년 대량 생산을 계획하고 있다.^[27]^[28]

4. 2. 접합 자석 공정 (급속 응고법)

NdFeB 합금의 얇은 리본을 멜트 스피닝(melt spinning) 방식으로 제조한다. 이 리본에는 무작위로 배향된 Nd₂Fe₁₄B 나노 크기의 결정이 포함되어 있다. 이 리본을 분말로 분쇄한 후, 폴리머와 혼합하여 압축 성형 또는 사출 성형을 통해 접합 자석을 제조한다.^[24]

접합형 네오(Bonded neo) Nd-Fe-B 분말은 열가소성 폴리머 매트릭스에 결합되어 자석을 형성한다. 자성 합금 재료는 수냉식 드럼에 스플랫 퀀칭(splat quenching)하여 형성된다. 이 금속 리본을 분쇄하여 분말로 만들고, 열처리하여 자기 보자력(coercivity)을 향상시킨다. 이 분말을 폴리머와 혼합하여 유리 충전 폴리머와 유사한 성형 가능한 퍼티를 만든다. 이것을 펠릿화하여 보관하고, 나중에 사출 성형으로 성형할 수 있다. 성형 과정 중에 외부 자기장을 적용하여 완성된 자석의 자기장을 배향한다.^[25]^[26]

5. 활용 분야

네오디뮴 자석은 하드 디스크의 헤드 엑추에이터, 자기공명영상(MRI), 기타 픽업, 스피커와 헤드폰, 자기 베어링과 커플링, 벤치 탑 MR 분광계, 전기 모터, 풍력 발전기, 네오디뮴 자석 장난감 등 다양한 분야에서 활용된다.

5. 1. 기존 활용 분야

네오디뮴 자석은 현대 기술의 수많은 응용 분야에서 알니코 및 페라이트 자석을 대체하여 사용되고 있다. 네오디뮴 자석의 더 강력한 자력 덕분에 특정 용도에 더 작고 가벼운 자석을 사용할 수 있기 때문이다.

활용 분야	설명
컴퓨터 하드디스크	헤드 액추에이터^[31]
기계식 전자 담배	발화 스위치
문	자물쇠
스피커 및 헤드폰
휴대폰	진동 모터, 스피커 등
자기 베어링 및 커플링
탁상형 NMR 분광기
전기 모터	무선 드릴, 서보 모터, 스핀들 및 스테핑 모터, 동기 모터, 압축기 모터 등^[31]
전기 파워 스티어링
하이브리드 및 전기 자동차	구동 모터 (예: 토요타 프리우스 (Toyota Prius))^[15]
풍력 터빈	발전기 (영구 자석 여기 방식)^[51]
공정 산업	이물질 제거, 제품 및 공정 보호^[32]
엘리베이터	권상기
에어컨	실외기 모터

5. 2. 새로운 활용 분야

네오디뮴 자석의 강력한 자력은 이전에는 자석이 사용되지 않던 분야에 새로운 활용 기회를 제공하였다. 예를 들어, 쥬얼리 자석 걸쇠, 호일 단열재 고정, 어린이용 자석 조립 장난감(및 기타 네오디뮴 자석 장난감)과 현대 스포츠 낙하산 장비의 잠금 장치 부품 등에 사용된다.^[33] 한때 인기 있었던 책상 위 장난감 자석인 "버키볼"과 "버키큐브"는 어린이 안전 문제로 일부 미국 소매업체에서는 판매를 중단했다.^[34] 캐나다에서는 같은 이유로 판매가 금지되었다.^[35] 미국에서는 2016년에 유사한 금지 조치가 해제되었지만, CPSC는 권장 최소 연령을 14세로 상향 조정하고 새로운 경고 라벨 요구 사항을 도입했다.^[36]

네오디뮴 자석의 강력한 자력과 자기장 균질성은 의료 분야에도 새로운 활용 기회를 제공하였다. 방사선과 부서에서 신체를 영상화하는 데 사용되는 개방형 자기 공명 영상(magnetic resonance imaging) (MRI) 스캐너는 자기장을 생성하기 위해 초전도 와이어 코일을 사용하는 초전도 자석의 대안으로 사용된다.^[37]

네오디뮴 자석은 수술적으로 삽입되는 역류 방지 시스템으로 사용된다. 이는 자석 밴드^[38]로 하부 식도 괄약근(lower esophageal sphincter) 주변에 수술적으로 이식되어 위식도 역류 질환(gastroesophageal reflux disease) (GERD)을 치료한다.^[39] 또한 자기장에 대한 지각(Perception)을 제공하기 위해 손가락 끝에 이식되기도 했다.^[40] 하지만 이는 바이오 해커와 그라인더들 사이에서만 유행하는 실험적인 절차이다.^[41]

네오디뮴은 자력(magnetic force)으로 물체를 들어 올리는 들어올림 장치인 자석 크레인에 사용된다.^[42] 이러한 크레인은 영구 자석의 지속적인 자기장을 사용하여 강판, 파이프 및 고철과 같은 강철 재료를 들어 올리며, 지속적인 전원 공급이 필요하지 않다.^[43] 자석 크레인은 고철장, 조선소(shipyards), 창고(warehouses) 및 제조 공장(manufacturing plants)에서 사용된다.^[44]

6. 위험성

희토류 자석이 발휘하는 강력한 힘은 다른 종류의 자석에서는 발생하지 않을 수 있는 위험을 초래한다. 몇 세제곱센티미터보다 큰 네오디뮴 자석은 두 개의 자석 또는 자석과 강철 금속 표면 사이에 끼인 신체 부위에 부상을 입힐 정도로 강력하며, 심지어 골절을 유발할 수도 있다.^[45]

서로 너무 가까워진 자석은 충분한 힘으로 서로 부딪혀서 잘 부서지는 자석에 균열이 가고 산산조각 날 수 있으며, 튀는 파편은 특히 눈 부상을 포함한 다양한 부상을 일으킬 수 있다. 여러 개의 자석을 삼킨 어린아이의 경우 두 개의 자석 사이에 소화 기관의 일부가 끼여 부상을 입거나 사망하는 사례도 있었다.^[46] 또한 자석이 내장되거나 부착된 기계를 사용하는 경우 심각한 건강 위험이 될 수 있다.^[47]

더 강력한 자기장은 자기 매체(예: 플로피 디스크, 신용카드)를 지울 수 있고, 시계와 CRT 형 모니터의 섀도우 마스크를 다른 종류의 자석보다 더 먼 거리에서 자화시킬 수 있으므로 기계 및 전자 장치에 위험할 수 있다. 어떤 경우에는 균열이 간 자석이 서로 결합할 때 라이터의 부싯돌처럼 불꽃을 튀기며 화재 위험으로 작용할 수 있는데, 이는 일부 네오디뮴 자석에 철세륨이 포함되어 있기 때문이다.

7. 등급

네오디뮴 자석은 단위 부피당 자속 출력과 관련된 최대 에너지 곱에 따라 등급이 매겨진다. 값이 높을수록 더 강력한 자석을 나타낸다. 소결 NdFeB 자석의 경우 널리 인정되는 국제 분류가 있다. 이 값의 범위는 N28에서 N55까지이며, 이론적 최대값은 N64이다. 값 앞의 N은 네오디뮴을 의미하며, 소결 NdFeB 자석을 나타낸다. 값 뒤의 문자는 보자력과 최대 작동 온도(퀴리 온도와 정비례)를 나타내며, 기본값(최대 80°C)에서 TH(230°C)까지의 범위를 갖는다.^[19]^[20]^[21]

소결 NdFeB 자석의 등급은 다음과 같다.^[7]^[22]^[23]

N27 – N55
N30M – N50M
N30H – N50H
N30SH – N48SH
N28UH – N42UH
N28EH – N40EH
N28TH – N35TH
N33VH/AH

참조

_[1] 서적 Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications, 4th Ed https://books.google[...] Springer Publishing
_[2] 웹사이트 What is a Strong Magnet? http://www.adamsmagn[...] Adams Magnetic Products 2012-10-05
_[3] 서적 Rare Earths: Science, Technology, Production and Use https://books.google[...] Elsevier 2014
_[4] 학술지 New material for permanent magnets on a base of Nd and Fe (invited) 1984
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