재료연구원 '희토류 저감형 영구자석 소재기술' 개발

분말재료연구본부 김태훈·이정구 박사 팀

회토류 사용량 30% 적고, 성능은 동등 수준

[창원=뉴시스] 희토류 저감형 영구자석 소재 기술 개발을 주도한 한국재료연구원 김태훈 선임연구원.(사진=한국재료연구원 제공) 2022.3.29. [email protected]

[창원=뉴시스] 홍정명 기자 = 한국재료연구원은 분말재료연구본부 자성재료연구실 김태훈·이정구 박사 연구팀이 고가의 희토류인 네오디뮴(Nd)의 사용량을 약 30% 줄이면서 기존 상용 자석(42M 등급)의 동등 수준 성능을 구현할 수 있는 '희토류 저감형 영구자석 소재 기술' 개발에 성공했다고 29일 밝혔다.

네오디뮴은 고가에 수급이 매우 불안정하지만, 희토류 영구자석의 성능 구현에 필수적이기 때문에 지금까지 선택의 여지 없이 사용됐다.

네오디뮴 저감형 영구자석 개발을 위해서는 네오디뮴의 함량을 저감하는 대신 저가의 세륨(Ce) 함량을 증가시켜야 하는데, 기존의 연구는 세륨 함량 증가에 따라 자석의 자기적 특성이 악화하는 것을 막을 수 없었다.

이에 김태훈·이정구 박사 연구팀은 세륨 함량 증가에 따른 자석의 자기적 특성 악화 원인과 기구를 명확히 규명하는 것에 초점을 맞추고 연구를 시작했고,  를 기반으로 원자 규모의 미세조직 제어를 통해 희토류 저감형 영구자석이 가진 자기적 특성 악화 문제를 해결에 성공했다.

연구팀은 연구 과정에서 기존 공정에서 제조된 희토류 저감형 영구자석 내에 불필요한 자성입자(Magnetic particle)가 형성된다는 사실을 발견하고, 해당 입자가 자석의 미세구조와 자기적 특성 악화의 원인이 되고 있음을 규명했다.

그리고 이에 불필요한 자성입자를 구성하는 원자의 확산을 억제해 입자의 형성을 방해함으로써 자석의 미세구조 개선과 자기적 특성을 끌어올리기 위한 연구를 진행했다.

연구팀은 기존 공정 대신 매우 빠른 냉각 속도로 공정이 가능한 멜트스핀법(Melt-spinning)과 열간변형법(Hot-deformation)을 희토류 저감형 전구체와 최종 영구자석 제조에 각각 적용했다.

그 결과, 자석 내 불필요한 자성입자의 형성을 억제해 자석의 미세구조를 최적화하는데 성공했고, 이를 통해 영구자석의 주요 특성인 잔류자화와 보자력을 동시에 향상할 수 있었다.

일반적으로 자석의 잔류자화와 보자력의 특성은 상충관계를 갖기 때문에 두 주요 특성을 동시에 향상한 김태훈·이정구 박사팀 기술은 기술적으로 효용성과 가치가 매우 높다고 할 수 있다.

[창원=뉴시스] 기존 자석(왼쪽)과 한국재료연구원 개발 자석의 실제 미세구조(HAADF-STEM) 및 모식도.(자료=한국재료연구원 제공) 2022.03.29. [email protected]

고효율 모터용 희토류 영구자석 분야의 국내시장 규모는 2021년 기준 연간 1860억 원에 달하고 있지만, 거의 전량을 해외로부터 수입하고 있다.

여기에 최근 중국의 희토류 자원 무기화, 일본의 소재 수출 규제, 그리고 전 세계적인 탄소 저감 이슈를 고려하면, 희토류 영구자석 소재 기술의 국산화는 반드시 해내야 할 숙제와도 같다.

김태훈·이정구 박사팀이 개발한 기술이 상용화되면 고효율 모터가 요구되는 전기자동차, 드론, 플라잉카, 전기선박 등의 고부가가치 산업 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

연구를 주도한 김태훈 박사(선임연구원)는 "기술이 상용화되면 순수 국내기술로 국내 희토류 영구자석 소재 분야가 지닌 자원문제와 소재·부품·장비 이슈를 동시에 해결한 매우 성공적인 기술개발 사례가 될 것"이라고 강조했다.

이어 "이번 연구 결과는 이제 시작에 불과한 만큼, 앞으로 더욱 연구에 매진해 대한민국 희토류 영구자석 산업의 발전을 이끄는 데 최선을 다하겠다"고 말했다.

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국재료연구원 주요사업인 '성능재단형 복합자기구조 자성분말 소재기술 개발 과제'를 통해 수행됐다.

연구 결과는 금속재료 분야 세계 탑(Top) 5 학술지에 해당하는 '스크립타 머티리얼리아(Scripta Materialia)' 3월 17일 자에 제1저자 김가영 박사과정생으로 해 게재됐다.


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