재료연, 고가 희토류 사용량 줄인 영구자석 기술 개발

해외 수입 의존 영구자석 국산화...희토류 자원 무기화 등 대응

한국재료연구원(원장 이정환)은 고가의 희토류인 네오디뮴(Nd) 사용량을 약 30% 줄이고도 상용 자석 수준의 성능을 구현하는 희토류 저감형 영구자석 소재 기술을 개발했다고 29일 밝혔다. 

거의 전량을 수입하는 영구자석을 국산화하고, 고효율 모터가 필요한 전기자동차와 드론, 플라잉카, 전기선박 등에 활용될 것이란 기대다. 

네오디뮴은 희토류 영구자석의 성능 구현에 필수적이지만, 값이 비싸고 수급이 불안정하다. 네오디뮴 함량을 줄이고 저가의 세륨(Ce) 함량을 늘이는 연구가 많이 이뤄졌지만, 세륨 함량 증가에 따라 자석의 자기적 특성이 나빠지는 것이 문제였다. 

연구팀은 기존 공정에서 제조된 희토류 저감형 영구자석 내에 불필요한 자성입자가 형성된다는 사실을 발견하고, 이 입자가 자석 미세구조와 자기적 특성 악화의 원인임을 규명했다. 이어 불필요한 자성입자를 구성하는 원자의 확산을 억제해 입자의 형성을 방해함으로써 자석의 미세구조를 개선하고 자기적 특성을 끌어올리는 연구를 진행했다.

연구팀은 기존 공정 대신 빠른 냉각 속도로 공정이 가능한 멜트스핀법과 열간변형법을 희토류 저감형 전구체와 최종 영구자석 제조에 각각 적용했다. 그 결과, 자석 내 불필요한 자성입자의 형성을 억제해 자석의 미세구조를 최적화했다. 이를 통해 영구자석의 주요 특성인 잔류자화와 보자력을 함께 높였다. 

기존 자석과 한국재료연구원이 개발한 자석의 실제 미세구조 사진 및 모식도. 불필요한 자성입자 형성을 억제해 자석 내 결정립의 정렬도가 향상됐고(1행), 수 나노의 결정립계 조성과 미세구조를 개선했음(2행)을 볼 수 있다 (자료=재료연)

연구를 주도한 김태훈 한국재료연구원 선임연구원은 "기술이 상용화되면 순수 국내기술로 국내 희토류 영구자석 소재 분야가 지닌 자원문제와 소재·부품·장비 이슈를 동시에 해결한 매우 성공적인 기술개발 사례가 될 것"이라고 말했다. 

이 연구는 과기정통부의 지원을 받아 한국재료연구원 주요사업 '성능재단형 복합자기구조 자성분말 소재기술 개발 과제'를 통해 수행됐다. 연구 결과는 학술지 '스크립타 머티리얼리아(scripta Materialia)'에 17일 자로 게재됐다