재료연구원, 비희토류 차세대 Mn-Bi 영구자석 제조 기술 개발

나노재료연구본부 박지훈·김종우 박사 연구팀

저온 소결 공정 개발해 고성능 대량 생산 가능

세계 최고 성능·세계 최초 상용화 가능성 확보

[창원=뉴시스]한국재료연구원의 비희토류 차세대 Mn-Bi 영구자석 제조 기술 개발에 참여한  송영운 학생연구원(왼쪽부터), 연구책임자인 박지훈 선임연구원, 김종우 책임연구원. (사진=한국재료연구원 제공) 2025.03.26. [e-mail]

[창원=뉴시스]홍정명 기자 = 한국재료연구원(KIMS)은 나노재료연구본부 박지훈·김종우 박사, 송영운 학생연구원 연구팀이 세계 최고 수준의 강력한 자석 성능을 발휘할 수 있는 '차세대 비희토류 Mn-Bi(망간-비스무스) 영구자석 제조 기술'을 개발했다고 26일 밝혔다.

연구팀은 국내 대표 자석 제조기업인 ㈜노바텍에 기술이전을 진행 중이며, 이 기술이 상용화되면 세계 최초로 비희토류 기반의 Mn-Bi 영구자석이 산업에 적용되는 사례가 될 것이라고 강조했다.



기존의 영구자석은 Nd(네오디뮴)와 같은 희토류 원소가 주요 재료였고, 중국의 희토류 공급 정책 변화와 가격 변동성에 따라 큰 영향을 받았다.

이에 국가적 차원에서 희토류 없이 고성능을 발휘할 수 있는 대체 기술이 절실한 상황이었고, 비희토류인 Mn-Bi가 대체 소재로 조명을 받았으나 근본적 한계로 상용화에는 어려움이 있었다.
 
Mn-Bi 분말이 강한 자성을 가지기 위해서는 저온상(LTP) 고순도를 유지해야 하는데, 소결 공정(고온에서 분말을 압축해 단단한 덩어리로 만드는 과정)에서 쉽게 산화되거나 상분해되면서 순도가 낮아지는 성질이 문제였다.



예를 들어 밀가루를 일정 온도 이상의 물로 반죽할 때 형태 없이 묽어지고 단단한 덩어리를 만들기 어려운 것처럼, Mn-Bi 분말도 고온 소결 과정에서 분해되거나 벌크화(하나의 고밀도 덩어리로 만드는 과정)가 어렵다.

이에 재료연 연구팀은 대량 생산이 가능한 공정으로 고순도 단자구 크기의 Mn-Bi 분말을 개발해 보자력을 강화하고, 새로운 설계의 저온 소결 기술로 자석의 밀도를 95% 이상 높이는 데 성공했다.

이를 통해 최대자기에너지적 10.5MGOe(메가-가우스-에르스테드)를 안정적으로 구현하면서 세계 최고 수준임을 입증했다.

[창원=뉴시스]한국재료연구원 나노재료연구본부 박지훈·김종우 박사 연구팀이 개발한 Mn-Bi(망간-비스무스) 분말(왼쪽)과 Mn-Bi 기반의 비희토류 영구자석.(사진=한국재료연구원 제공) 2025.03.26. [e-mail]

또한 소결 이후에도 자성은 유지되고, 산화 또는 분해되는 현상이 없어 벌크화와 상용화 수준의 대량 생산이 가능하다는 것이 장점이다.

연구팀이 개발한 기술은 전기차 모터, 발전기, 반도체 부품 등 다양한 산업에 적용할 수 있으며, 기존 페라이트(Ferrite) 자석을 사용하던 전동기를 소형화하고 효율도 높일 수 있다.

무엇보다 공조기 등 실생활이나 산업에서 대량으로 쓰이는 자석을 대체할 수 있다는 점에서 국내를 넘어 세계 시장에서도 막대한 경제적 가치를 창출할 것으로 예상된다.

연구팀은 ㈜노바텍과 협력하여 준 양산 규모의 장비를 구축하고, 대량 생산과 상용화를 위한 공정을 최적화하는 작업을 진행 중에 있다.

또, 최대자기에너지적 12MGOe 달성을 목표로 연구개발을 지속한다는 계획이다.

연구책임자인 박지훈 선임연구원은 "이번 연구를 통해 한국이 세계 최초로 Mn-Bi 영구자석의 상용화를 실현할 가능성을 확보했다"면서 "성공적으로 상용화된다면 희토류 자석에 대한 의존도를 낮추고, 국내 기업이 글로벌 시장에서 경쟁력을 갖추는 데 큰 도움이 될 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단과 한국에너지기술평가원, 국가과학기술연구회 지원을 받아 수행했으며, 연구팀은 국내외 특허 출원 8건, 각종 논문 발표 등 연구 성과를 지속해서 축적하고 있다.


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