HRE-Free Magnet 보완 기술보고서

선행 보고서와의 역할 구분
HRE-Free 정의, 개발배경, 일본 개발역사, Motor Co-design, Maxwell 감자해석, Aisin 고객입력 및 Stage-Gate는 2026-09-15 보고서를 참조하십시오.

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보완편의 범위와 핵심 결론

본 문서는 선행 보고서의 반복 설명을 제외하고, 실제 개발에서 추가 판단이 필요한 GBD 확산거리, Segment 목적 구분, 접합층의 전자기·열·기계 영향과 양산 검증항목만 다룬다.

GBD

위치선택적 HRE 사용

결정립 Core 전체가 아니라 역자구 발생이 쉬운 표면에 HRE-rich Shell을 형성해 Hcj/HRE 사용량 효율을 높인다.

SEGMENTATION

같은 적층이라도 목적이 다름

와전류 저감, GBD 확산거리 단축, Mixed Grade 배치는 설계목표와 검증방법이 서로 다르다.

JOINT

접합층이 새로운 설계변수

접착층 두께·열전도율·전기저항·전단강도와 공극은 Flux, Magnet Loss, 온도 및 Overspeed 신뢰성을 동시에 바꾼다.

GATE

최종 판단은 Rotor 수명

자석 단품 Hcj 향상보다 접합 Rotor가 최고속도·최고온도·열사이클에서 수명 동안 유지되는지가 더 중요한 승인조건이다.

800-1000°C문헌상 대표 GBD 확산 열처리 범위

≈ 4 mm연구에서 언급된 기존 GBD 두께 제약 예

< 10 μm2026 연구의 Segment 간 저융점 합금층

L² / D확산시간의 기본 Scaling 관계

수치 사용 주의: 위 값은 공개문헌의 대표 사례다. 실제 조건은 자석 조성, 소결조직, 치수, 확산원, Coating 및 목표 Hcj에 따라 별도 최적화해야 한다.

결정립계 확산(GBD) 공정 상세

① 소결 자석 준비
치수·표면·조직 확인

→

② 확산원 도포
Dy/Tb 금속·합금·화합물

→

③ 확산 열처리
입계를 통한 침투

→

④ 후속 Annealing
입계상·자기특성 조정

2.1 HRE-rich Shell 형성

소결 NdFeB는 Nd₂Fe₁₄B 결정립과 Nd-rich Grain-boundary Phase로 구성된다. 역자구는 결함과 낮은 이방성 영역이 있는 결정립 표면에서 시작되기 쉽다. GBD에서는 확산원 원소가 주로 액상 또는 준액상 입계경로를 따라 이동하고, 결정립 표면에서 Nd 일부를 치환해 높은 Anisotropy Field를 갖는 Shell을 만든다.

HRE가 Grain Core까지 과도하게 침투하면 Br 손실과 자원효율 저하가 커진다. 따라서 공정 목표는 “깊이 많이 확산”이 아니라, 필요한 깊이까지 균일하고 재현성 있게 표면강화층을 만드는 것이다.

도포 균일성확산원 도포량과 표면상태 편차는 두께방향·면내 Hcj 편차로 이어진다.

입계 연속성Nd-rich Phase의 조성·연결성이 확산경로와 최종 Shell 균일성을 좌우한다.

후열처리확산 후 Annealing은 입계상 재배열과 보자력 회복에 중요하지만 치수·부식·Coating 영향도 확인해야 한다.

그림 1. 위치선택적 보자력 향상 개념

2.2 확산거리와 시간의 Scaling

확산거리

L ≈ √(D · t)

확산계수 D가 같다면 시간 t가 길수록 확산거리는 제곱근에 비례해 증가한다.

필요 확산시간

t ≈ L² / D

목표거리를 절반으로 줄이면 이상화된 조건에서 필요한 시간은 약 1/4 Scaling이 된다.

Segment 효과

Lmax = h / 2

양면 확산되는 두께 h의 Segment에서는 중앙까지 최대 확산거리가 h/2가 된다.

해석 한계: 실제 GBD는 단순 Fick 확산만으로 설명되지 않는다. 입계 액상, 계면반응, 농도 의존 D, 확산원 고갈과 조직 변화가 결합되므로 위 식은 Segment 두께 선정의 1차 Scaling에만 사용한다.

2.3 공정관리 및 분석항목

관리항목	발생 가능한 편차	권장 분석·검증
확산원 도포	면내 농도와 Hcj 불균일	도포중량, XRF/ICP, 면내 자속·Hcj Mapping
두께방향 확산	표면은 강화되지만 중앙부 Margin 부족	EPMA/EDS Line Scan, 절단 위치별 Hcj
열처리 조건	결정립 성장, Br 저하, 치수 변화	Microstructure, Br/Hcj, 치수·평탄도
입계상	확산경로 단절과 Lot 편차	SEM/TEM, Grain-boundary Chemistry
표면·Coating	부식 및 접착력 저하	염수·습열, Coating Adhesion, 접착 전처리

적층 Magnet의 세 가지 목적

① 전기적 Segmentation

절연 Segment로 와전류 Loop의 유효 길이를 줄여 Magnet Loss와 발열을 낮춘다. HRE 절감은 온도저감에 따른 간접효과다.

② GBD 확산거리 단축

얇은 Segment별 확산 또는 Segment 사이 기능성 합금층으로 최대 확산거리를 줄인다. 확산·접합 균일성이 핵심이다.

③ Graded / Mixed Grade

Hotspot에는 높은 Hcj, 중앙에는 높은 Br 또는 저원가 Grade를 배치한다. Grade·치수·착자·재고 관리가 복잡해진다.

3.1 두꺼운 일체형과 얇은 Segment 적층

그림 2. 두께방향 GBD 한계와 적층 Concept

3.2 기술별 적용성 비교

평가항목	전기적 Segmentation	GBD용 얇은 적층	Mixed Grade 적층
주 목적	와전류·온도 저감	확산거리 한계 극복	Hcj·Br·원가 위치 최적화
HRE 절감	간접적	직접적	직접적 가능
성숙도	높음	연구·산업화 확장 단계	설계별 편차 큼
핵심 공정	절연·접착·조립	확산·접합 동시 제어	Grade 식별·방향·위치관리
주요 Gate	Magnet Loss와 접착 신뢰성	중앙 Hcj, 접합 내열·강도	Rotor Balance와 공급망 복잡도

접합층이 만드는 전자기·열·기계 영향

적층 구조에서는 자석 자체 물성만큼 접착층과 계면이 중요하다. 동일한 Segment 개수라도 접합층 두께, 재료, 위치와 공극이 달라지면 Motor 성능과 수명이 크게 달라질 수 있다.

열저항

Rth = t / (k · A)

접착층 두께 t가 증가하거나 열전도율 k가 낮으면 Magnet Hotspot이 상승한다. 접착층과 공극을 Thermal Model에 분리 입력한다.

와전류 Loss Scaling

Pe ∝ B² · f² · l² / ρ

단순화된 관계에서 전류 Loop 길이 l을 줄이면 Loss가 제곱에 비례해 감소할 수 있다. 실제 형상은 3D Harmonic 해석이 필요하다.

접합 전단하중

F ≈ m · r · ω²

원심력은 회전속도 제곱에 비례한다. 접착층의 고온 전단강도, Creep, 계면 Peel 성분과 Rotor 구속조건을 함께 평가한다.

4.1 접합층 설계 Checklist

설계항목	성능 영향	필수 입력·시험
접착층 두께	유효 Magnet 체적, Flux Leakage, 열저항, 공차누적	도포량, Bondline Gauge, CT/단면검사
열전도율	Segment 사이 및 Rotor 방향 Heat Path	온도별 k, Cured Density, Void Ratio
전기저항·절연	와전류 Loop 차단 성능	절연저항, Breakdown, 열화 후 저항
고온 전단·Peel	Overspeed·Thermal Cycle 박리	온도별 Lap Shear, Peel, Creep, Fatigue
CTE	자석·접착제·Rotor 간 열응력	CTE, Tg, Cure Shrinkage, Cycle 시험
공극·Void	국부 열저항, 응력집중, Flux 변화	Void 허용률, X-ray/CT, 파괴분석

핵심 Failure Mode와 검증방법

층간 박리접착제 열화·CTE 차이·원심력
→ 고온 회전내구 + Thermal Cycling

자속 저하비자성 접합층·공극 증가
→ 3D Maxwell + Back-EMF

국부 발열절연 불량·와전류 Loop 형성
→ Magnet Loss + Thermal Map

치수 누적Segment·Bondline 편차
→ Stack Tolerance + Air-gap 분석

Rotor 불평형질량·위치·접착량 편차
→ Dynamic Balance + Overspeed

감자 편차GBD Depth·Grade 위치 편차
→ Hcj Mapping + Post-demag EMF/Torque

5.1 DVP 항목

시험	가혹조건	측정 Output	주 Failure 검출
Thermal Cycle	저온↔최고 Magnet 주변온도 반복	박리, Crack, Bondline 변화	CTE Mismatch, 접착 열화
고온 Soak / Creep	Tmax 장시간 유지 + 하중	변위, 전단강도 Retention	Creep, Tg 부족
Overspeed Spin	Max Speed 상회 조건	변형, Balance, 파손	원심력·접합강도 부족
Humidity / Chemical	습열, ATF/Oil, Salt 환경	부식, 접착력, 절연저항	계면·Coating 열화
Magnetic Durability	Tmax + Peak / Max -Id 반복	BEMF, Flux, Torque Retention	국부·누적 감자
NVH / Balance	전 회전영역 Run-up	Order, 진동, 소음, Balance	질량·자속 비대칭

권장 PoC 및 양산검증 계획

Phase 1 · Coupon접착제 2-3종, Bondline 두께, Surface Treatment DOE

Output: 전단·Peel·열전도·절연 Data

Phase 2 · Magnet StackSegment 수, GBD 조건, 합금층/접착층 비교

Output: Hcj Depth, Br, 공극, 치수누적

Phase 3 · Rotor PrototypeBaseline 일체형 vs Segmented vs GBD Stack

Output: BEMF, Loss, Thermal, Balance, Overspeed

Phase 4 · Pilot Process도포·정렬·경화·검사 자동화 및 공정능력

Output: Cpk, Scrap, Traceability, Cost

6.1 최소 비교 Matrix

Case	Magnet 구조	목적	필수 비교값
A0	기존 일체형 HRE Magnet	Reference	Hcj, BEMF, Torque, Loss, Tmax
A1	일체형 HRE-Free	재료 자체 차이 분리	Demag Hotspot, Post-demag 성능
B1	HRE-Free Segmented	와전류·온도 저감	Magnet Loss, Tmax, 접착신뢰성
B2	GBD Thin Stack	확산거리·HRE 효율	두께방향 Hcj, Br, 접합강도
B3	Mixed Grade Stack	Hotspot 위치 최적화	Flux, Demag, Balance, 원가

6.2 양산 Control Plan 핵심

Segment Grade·자화방향·위치의 Poka-Yoke와 2D Code Traceability
확산원 도포중량, 열처리 Recipe 및 Furnace 위치별 Hcj Mapping
Bondline 두께·Void·경화도 검사와 접착제 Lot 관리
Stack 높이, Rotor 삽입위치, Air-gap 영향에 대한 공정능력
Rotor Dynamic Balance 및 Overspeed Sampling 기준
EOL Flux·No-load BEMF로 Grade 혼입·감자·조립오류 검출

공식 적용사례 사진

아래 사진은 GBD 적층의 직접 양산증거가 아니라, HRE-Free Magnet과 Rotor Co-design이 실제 양산에 적용된 대표사례를 보여주는 참고자료다.

Honda와 Daido의 HRE-Free 열간가공 네오디뮴 자석 — **Honda · Daido HRE-Free Hot-deformed Magnet**
HRE 없는 미세결정 열간가공 NdFeB 양산사례. Honda 공식 출처

Honda i-DCD 구동모터 Rotor — **Honda i-DCD Drive Motor Rotor**
Magnet와 Rotor 형상을 함께 변경해 자속경로를 최적화한 사례. Honda 공식 출처

적용 판단 기준

질문	YES일 때	NO일 때
Magnet Loss가 Tmax와 Demag를 지배하는가?	전기적 Segmentation 우선 검토	냉각·Rotor Geometry·Grade 영향 분리
두꺼운 Magnet 중앙 Hcj가 부족한가?	얇은 Segment GBD PoC 검토	일체형 GBD 공정 최적화 유지
Hotspot이 특정 Edge에 국한되는가?	Mixed Grade 또는 국부 Geometry 대책	재료·Tmax·전류 Limit 재평가
접합층 수명 Margin이 확보되는가?	Rotor Prototype·Pilot Process 진행	접착제·구속구조·Segment 수 재설계
HRE 절감가치가 공정·품질비용보다 큰가?	양산 Business Case 추진	GBD HRE-Reduced 또는 기존안 유지

권고: Segmentation은 손실·온도 문제에 직접적이고 성숙도가 높다. GBD용 얇은 적층은 두께방향 확산한계가 실제 병목일 때 PoC 가치가 크다. Mixed Grade 적층은 이론적 자원효율이 높지만 물류·조립·Balance Complexity가 커, Hotspot 위치와 절감효과가 명확할 때만 추진하는 것이 적절하다.

본 보완편의 참고자료

Liu, Z. et al., Materials & Design 209 (2021) 110004, Review of Grain Boundary Diffusion.
Journal of Magnetism and Magnetic Materials 514 (2020) 167227, Recent Progress of GBD in NdFeB.
Chen, S. et al., Journal of Alloys and Compounds 1050 (2026) 185724, Progress on Grain-boundary-diffused NdFeB.
Durgun, A. et al., Scripta Materialia 275 (2026) 117164, Combining GBD and Segmentation.
Honda / Daido Steel, HRE-Free Hot-deformed Magnet for Hybrid Drive Motor, 2016.

문서 사용상 주의: 본 HTML은 선행 보고서의 반복내용을 의도적으로 제외한 보완편이다. 확산·접합 관련 식은 Concept Screening용이며, 실제 설계는 공급사 물성, 시험편 Data, 3D EM·Thermal·Structural 해석 및 DVP 결과를 기준으로 승인해야 한다.