稀土磁鐵之所以重要，是因為在許多諸如電動汽車及風力發電用之永磁馬達等綠能產品在生產過程中都會使用到。因此含有稀土永磁成分的磁鐵（稀土磁鐵）已成為現階段被重視且廣泛應用的熱門材料，其戰略地位十分重要。

圖片來源：Gerwin Sturm, flickr

稀土磁鐵種類

磁鐵或稱磁石，是可以吸引鐵並於其外產生磁場的物體。磁鐵分為永久磁鐵與非永久磁鐵。非永久磁鐵在磁化後無法長期保有磁性，也稱為軟磁鐵；永久磁鐵在磁化後保有磁性期間長且不容易失去磁性，稱為永久磁鐵或硬磁鐵。

永久磁鐵一般分為三種：鐵氧體（Ferrite）、鋁鎳鈷合金（Alnico）以及稀土磁鐵。鐵氧體磁鐵係以氧化鐵為其主要成分的陶瓷材料。鋁鎳鈷合金磁鐵係由金屬鋁、鎳、鈷、鐵和其他微量金屬元素構成的合金。至於稀土磁鐵係由稀土元素合金所組成的強力永久磁鐵，其中常見的有稀土鈷磁鐵（rare earth-cobalt magnets）、釤鈷型磁鐵及釹鐵硼磁鐵（又稱釹磁鐵）。

以矯頑磁力大小劃分軟磁與硬磁

一般具有鐵磁性的物質都會有磁滯曲線(Hysteresis loop)的產生，而磁滯曲線形狀及大小代表著磁石材料的優與劣，一般表現磁滯曲線有二種圖型，即如圖1所示之B-H曲線和4πM-H曲線[1]。幾個重要指標包括B-H曲線中的殘留磁束密度Br、矯頑磁力Hc或bHc、磁能積(BH)max，以及4πM-H曲線中的最大感應磁化量4πMs、殘留感應磁化量4πMr、本質矯頑磁力iHc。其中矯頑磁力(coercivity，Hc)的大小可作為軟磁與硬磁材料的分野，當矯頑磁力<20奧斯特(Oe)時，材料屬於軟磁；矯頑磁力>200奧斯特(Oe)時，材料屬於硬磁或稱永久磁鐵；而20<矯頑磁力<200奧斯特(Oe)時，材料屬於半硬磁。一個好的永久磁鐵材料須具備較高的Br、Hc、iHc、(BH)max及居里溫度(Tc)，較低的不可逆溫度係數、較佳之機械強度及耐候性等特性。

圖1. 永久磁石之磁滯曲線圖

圖片來源：物理雙月刊

台灣廠商之稀土永久磁鐵專利概況

國內稀土永久磁鐵領域中，位於新竹湖口的速敏科技 (Spin Technology Corp.)自1982年起即在工研院磁性小組擔任稀土磁石 (SmCo / NdFeB) 的開發工作，隨即於1989年自工研院材料所(現為材化所)技轉並建廠生產燒結釹鐵硼磁鐵(Sintered NdFeB Magnet) 與粘結釹鐵硼磁鐵 (Bonded NdFeB Magnet) 生產技術。

速敏科技自2004年起申請布局稀土磁石相關專利共9件，專利類型有6件為發明、3件為新型 (圖2)，當前法律狀態如圖3所示。分析其國際專利分類號 (International Patent Classification, IPC) 係以H01F 1/057居多，也就是包含Ⅲa族元素(如Nd₂Fe₁₄B)成分為特徵之稀土金屬合金硬磁性材料最多。

圖2. 速敏科技專利申請類型占比

製圖：芮嘉瑋

圖3. 速敏科技專利當前法律狀態占比

製圖：芮嘉瑋

稀土磁石重要專利解析

速敏科技在稀土磁石領域的重要專利，包括含混合稀土之雙相奈米晶硬磁材料、含鐠磁性材料。

(一) 雙相奈米晶硬磁材料
利用純稀土元素來製作磁鐵雖具有較優異的磁特性，但卻因為純稀土元素具有相當昂貴的價格，相對的使得成本也提高。為了降低使用稀土元素製作硬磁材料的成本，並且使得磁特性可達到商用磁粉的標準，更具備軟磁相及硬磁相。速敏科技申請一種含混合稀土之雙相奈米晶硬磁材料專利[2]，其係由原子百分比以(Y_aLa_bCe_cPr_dNd_e)_xFe_100-x-y-z-uCo_yX_zB_u表示之組成物所組成，在其主張之申請專利範圍 (Claims)中，限制Y_aLa_bCe_cPr_dNd_e為混合稀土且為稀土元素提煉過程之中間產物，以避免以往利用純稀土元素造成成本過高的問題；專利權利範圍還將a+b+c≦0.6；d+e≧0.4；x=7~11原子%；y=0~5原子%；z=0.1~3原子%；以及8原子%<u≦11原子%等列為其限制條件。

該專利所指的稀土元素係為輕稀土元素(Light Rare Earth Elements, LREE)，是指原子序數較小的鈧(Sc)、釔(Y)、鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉕(Pm)、釤(Sm)及銪(Eu)，而X為諸如鈦(Ti)、釩(V)、鈮(Nb)、鉿(Hf)、鉻(Cr)、鋯(Zr)、鉬(Mo)、鎢(W)等耐火元素。利用Y_aLa_bCe_cPr_dNd_e混合稀土作為稀土元素的來源，以取代純稀土元素，可降低純稀土元素的用量，在達到商用磁粉之磁特性前提下節省大量原料成本。此外，該雙相奈米晶硬磁材料，包含有軟磁相及硬磁相二結晶相，藉由提高軟硬磁相間之交換耦合效應可提高殘留磁化量(Br)、磁能積((BH)max)，且提供適合之本質矯頑磁力(iHc)。

上述含混合稀土之雙相奈米晶硬磁材料通常係製成合金薄帶，更可在添加一黏結劑後，應用在製作永久磁石上。圖4為該專利合金薄帶製備程序示意圖，首先將欲配製的合金成分換算成重量比例，並取用混合稀土合金為稀土來源，接著將秤好重量的原料熔煉澆鑄成合金鑄塊(20)，接著進行熔融旋淬(melt-spinning)，利用電磁感應線圈供給交流變頻電源，使合金鑄塊(20)產生焦耳熱，進而熔融合金鑄塊(20)，再將熔融態合金(24)噴出在快速旋轉的銅輪(26)表面上，利用高速轉動之銅輪(26)加以瞬間冷卻，以獲得非晶態或微晶態合金薄帶(28)。其中熔融旋淬法是目前製備非晶態材料常採用的方法。

圖4. 含混合稀土之雙相奈米晶硬磁材料製備合金薄帶程序示意圖

圖片來源：專利說明書

(二)含鐠磁性材料
速敏科技申請一種以鐠鐵硼(PrFeB)三元合金為主要成分之含鐠元素的磁性材料(Praseodymium-containing magnetic material)專利[3]，其申請專利範圍主張一種含鐠磁性材料，其組成係由原子百分比以(PrNd)_xT_100-x-y-zX_yQ_z表示其組成物，且具有一軟磁相與一硬磁相。其中，(PrNd)係由稀土元素鐠或釹所組成，且一定含有鐠；T係選自鐵或鈷且較佳為鐵；X為耐火元素，其係選自鈦、釩、鈮、鉿、鉻、鋯、鉬、鎢；Q係選自硼或碳。組成比率x、y及z分別滿足x=8-11 at%，y =0-3 at%以及z=6-12 at%。該軟磁相之晶粒大小為10至30奈米且體積百分比為5至25%，以及該硬磁相之晶粒大小為20至50奈米且體積百分比為75至95%。

該專利主張之含鐠磁性材料，係透過適當之比例組成，改善磁性材料的微結構，增強軟、硬磁相之間的交換耦合效應，增加殘餘磁化強度和最大磁能積，並提供適當的矯頑力，使其適用於低溫環境之多極環形磁鐵或製成合金薄片。相較於稀土元素釹(Nd)，稀土元素鐠(Pr)具有容易取得且價格低廉之優點，同時具有良好低溫特性，不會因溫度降低而劣化磁特性，俾使高性能磁性材料可同時兼具低成本之經濟效益及優良的低溫磁特性。此外，藉由使用釹(Nd)作微量的置換鐠(Pr)，以提高合金薄片之整體飽和磁化量，且藉由改變一系列之製程參數使其微結構最佳化，進而提高其殘餘磁化量、磁能積與適宜之矯頑磁力。

人才和技術需要整合

速敏科技副總官志誠深深感覺台灣的磁石設計技術其實已具國際水準，特別是稀土金屬提取冶煉等前段製程，台灣過去其實是有這方面人才和技術能力的；然而，過去有經驗的技術前輩大多已屆齡退休，為免於斷層，需要進一步整合，且亟需政府輔助支持。

此外，應該加強回收技術的開發，特別是在加工下腳料之回用（燒結NdFeB約有30~50%之下腳料），或是風力發電機之廢料（160~650 kg/MW）。國家級研究單位(例如工研院)若能協助國內稀土磁石加工產業，開發稀土材料自主化技術，有效降低成本及料源掌握，對於台灣稀土永磁磁石加工及馬達應用業者將有極大之助益。

稀土磁鐵是綠能產業發展的關鍵組件

電動車是綠能產業典型的應用產品。基於電動車產業的發展，車輛電動化浪潮下，電動車構造也因電動車革命而使新的零組件需求增加，首先是馬達，其次是電池。馬達的需求增加，從而製造馬達的零件需求也增加。馬達主要係由永久磁鐵、線圈及鐵芯等關鍵零件構成。選擇適合的永久磁鐵可以提升馬達的性能，其材料將是關鍵，從而稀土永久磁性材料在全球綠能永續產品中扮演重要角色，例如近來國內外電動車產業運用稀土永磁材料開發生產耐高溫且不易消磁的高性能馬達，便是一例。

在稀土永久磁石領域長期耕耘的台灣廠商，憑藉著對永久磁鐵的專業與熱情，致力於製造品質優異的永久磁鐵，成為國內綠能永續產品不可或缺關鍵組件，支撐下游終端應用帶動整個稀土產業持續發展。

備註：

【本文僅反映專家作者意見，不代表本報及其任職單位之立場。】

作者： 芮嘉瑋 現任： 中技社能源暨產業研究中心組長 學歷： 國立清華大學 奈米工程與微系統研究所 博士 中原大學 財經法律研究所 碩士 國立台灣科技大學 材料科學與工程研究所 碩士 經歷： 工研院技術移轉與法律中心執行長室 工研院電子與光電研究所專利副主委 光電產業智權經理 專長： 長期從事產業研究、專利智財與投資評估等工作，專注於能源、產業、環境、經濟等議題。擅長創新技術策略分析、科技預測及評估、專利分析與布局、產業分析、智慧財產權管理與經營策略、專利的商業化與貨幣化。熟捻產業技術發展趨勢，並常在各媒體平台發表文章、應邀演講，成功引領技術前瞻與產業關鍵議題。

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