한국재료연구원(KIMS)은 나노재료연구본부 김태훈·이정구 박사 연구팀이 연세대학교 이우영 교수 연구팀과 공동연구를 통해 고가의 중희토류를 사용하지 않고 고성능 영구자석을 만드는 기술을 개발했다고 3일 밝혔다.

영구자석은 전기차 모터와 로봇 등 다양한 고부가가치 제품 핵심 부품으로 쓰인다. 다만 기존 영구자석 제조 공정은 중국이 독점 중인 중희토류에 의존해 자원 의존도가 높고 원가가 비싸다는 한계가 있었다.

이러한 영구자석 공정 단점을 극복하고자 연구에 들어간 연구팀은 고가의 중희토류 없이 고성능을 구현하는 영구자석 개발에 성공했다.

연구팀은 기술 핵심이 ‘2단계 입계확산공정’이라고 설명했다.

입계확산공정은 자석 성능을 향상하는 기술이다. 자석에 필요한 물질을 자석 표면에 얇게 바르고 고온에서 열처리하면 물질이 자석 내부에 들어가면서 보자력(자석이 자성을 유지하는 능력) 등 성능을 향상할 수 있다.

연구팀이 개발한 2단계 입계확산공정은 먼저 고융점 금속이 포함된 새로운 물질을 영구자석 표면에 고온 침투시키고 상온에서 냉각 처리하고 나서, 저가의 경희토류(프라세오디뮴) 함유 물질을 다시 발라 고온 처리하는 방식이다.

연구팀은 이 과정에서 비정상적인 결정립 조대화 현상(물질의 입계확산효율을 낮추고 자기적 성능을 감소시킴)을 억제해 업계확산효율을 높였다. 확산물질이 자석 내부에 빠르게 침투할 수 있도록 해 경희토류를 썼음에도 중희토류를 사용한 상용자석과 동등한 등급의 성능을 구현해 냈다.

연구팀은 이 기술이 상용화하면 고효율 모터를 요구하는 전기자동차, 드론, 플라잉카와 같은 고부가가치 산업 분야에서 영구자석 제조 원가 절감과 성능 향상을 모두 충족할 수 있으리라 봤다.

김태훈 선임연구원은 “현재 전기자동차와 고급 가전의 모터에 사용되는 자석에는 고가의 중희토류 사용이 불가피하다”며 “중희토류 자원의 편중과 높은 가격으로 전 세계 모든 연구자가 자석 내 중희토류를 줄이거나 대체할 수 있는 기술 개발에 집중하고 있다”고 말했다.

이어 “새로 개발한 기술은 고급 자석 제조에서 중희토류 의존을 탈피할 가능성을 보여줬고, 영구자석 분야 핵심 공정인 ‘입계확산공정 관련 연구’가 가야 할 방향을 제시했다”며 “이 기술이 상용화되면 우리나라는 영구자석 기술 분야에서 가장 핵심적인 부분을 선점할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단-나노 및 소재기술개발사업 지원을 받아 진행했다.

연구결과는 세계적인 학술지 ‘액타 머터리얼리아(Acta Materialia, 논문 제1 저자: 이설미 학생연구원)’에 12월 24일 자로 온라인 게재됐다.