재료연, 중희토류 없이 ‘고성능 영구자석 제조기술’ 개발

왼쪽부터 한국재료연구원 김소연 석사후연구원, 김수민 선임연구원, 김태훈 책임연구원, 이정구 책임연구원.

한국재료연구원(KIMS) 연구팀이 고가의 중희토류를 사용하지 않고도 고성능 네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B) 영구자석을 제조할 수 있는 핵심 기술을 개발했다.

한국재료연구원 나노재료연구본부 김수민·김태훈·이정구 박사 연구팀이 약 1㎛(마이크로미터) 크기의 Nd-Fe-B 초미세 단결정 분말을 제조하고, 이를 정렬·소결해 고성능 영구자석으로 만드는 공정기술을 확보했다.

Nd-Fe-B 영구자석은 전기차 구동 모터와 로봇 관절, 풍력발전기 등에 쓰인다. 특히 고온에서 자성을 유지하려면 높은 보자력이 필요한데, 기존에는 디스프로슘(Dy)과 터븀(Tb) 등 중희토류를 첨가해 성능을 높여왔다. 그러나 중희토류는 가격이 비싸고 공급망이 일부 국가에 집중돼 있다.

연구팀은 중희토류를 첨가하는 대신 자석 내부 결정립 크기를 줄이는 방식으로 보자력을 높였다. 기존처럼 합금을 잘게 분쇄하는 방식이 아니라 희토류 산화물을 원료로 미세한 Nd-Fe-B 결정 입자를 직접 합성하는 환원·확산(RD) 공정을 적용했다.

또 기존 RD 공정의 한계였던 분말 산화 문제를 줄이는 후처리 기술을 개발해 약 1㎛ 크기의 고순도 Nd-Fe-B 초미세분말을 제조했다.

초미세분말을 자석으로 만드는 정렬·소결 공정도 함께 개발했다. 분말이 작아질수록 입자끼리 뭉쳐 자기장 안에서 일정한 방향으로 정렬하기 어려운데, 연구팀은 분말 표면에 윤활제를 입히고 방향과 세기가 변하는 감쇠 교류 자장을 적용해 배향성을 높였다.

수소 보조 공정을 이용해 윤활제에서 발생하는 잔류탄소도 줄였다. 이를 통해 열처리 뒤 보자력이 떨어지는 문제를 개선하고 초미세분말을 이용한 고성능 소결자석 제조기술을 확보했다.

김수민 한국재료연구원 선임연구원은 “중희토류에 의존하지 않고 자석 성능을 높일 수 있는 새로운 접근법을 제시한 데 의미가 있다”며 “공정 연계와 양산 기술이 확보되면 전기차 구동 모터와 휴머노이드 로봇 등 고성능 영구자석이 필요한 분야에 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 한국연구재단 ‘나노 및 소재기술개발사업’의 지원을 받아 수행됐다. 초미세 Nd-Fe-B 분말 제조와 정렬·자석 제조 관련 연구 결과는 각각 ‘Journal of Alloys and Compounds’와 ‘Chemical Engineering Journal’에 게재됐으며, 관련 기술로 총 9건의 특허를 냈다.

김나혜 인턴기자 kim.nahye1@joongang.co.kr