중희토류 없이 고성능 영구자석 개발…초미세분말을 어떻게 자석으로 만들었나

한국재료연구원 연구팀이 비싼 중희토류를 넣지 않고도 고성능 네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B) 영구자석을 만드는 기술을 확보했다고 23일 밝혔다.

전기차 구동 모터와 로봇 관절 등에 쓰이는 자석의 성능을 높이면서 중희토류 의존도를 낮출 수 있는 접근이다.

네오디뮴-철-붕소 자석은 강한 자기력을 내지만, 전기차 모터처럼 높은 온도에서 작동할 때는 자성을 잃지 않도록 보자력을 높여야 한다.

기존에는 디스프로슘이나 터븀 같은 중희토류를 첨가해 이를 확보했다.

그러나 중희토류는 비싸고 공급망이 일부 국가에 집중돼 있어 대체 기술의 필요성이 제기돼 왔다.

연구팀은 중희토류를 더하는 대신 자석의 결정립을 작게 만들어 성능을 높이는 길을 택했다.

합금을 기계적으로 갈아 분말 크기를 줄이는 방식에는 한계가 있어, 희토류 산화물에서 미세한 네오디뮴-철-붕소 결정 입자를 합성하는 환원·확산(RD) 공정을 활용했다.

기존 RD 공정에서 문제가 된 분말 산화는 새로운 후처리 기술로 해결했고, 약 1μm 크기의 고순도 초미세분말을 얻었다.

작은 분말은 입자끼리 마찰하고 뭉쳐 자기장 속에서 한 방향으로 정렬하기 어렵다.

이를 해결하기 위해 분말 표면에 윤활제를 입히고, 방향과 세기가 점차 바뀌는 감쇠 교류 자장을 적용해 분말 배향과 성형체의 안정성을 높였다.

이어 수소 보조 공정으로 윤활제에서 비롯된 잔류탄소를 줄여 열처리 뒤 보자력이 떨어지는 문제도 개선했다.

김수민 선임연구원과 김태훈·이정구 책임연구원이 참여한 이번 연구는 초미세분말 합성부터 정렬·소결까지의 기술적 난제를 다뤘다.

연구 결과는 국제학술지 ‘저널 오브 알로이 앤 컴파운드’와 ‘케미칼 엔지니어링 저널’에 각각 7월 14일과 9월 19일 게재됐고, 연구팀은 관련 기술로 특허 9건을 창출했다.

연구팀은 공정 간 연계와 양산 기술이 확보되면 전기차 구동 모터와 휴머노이드 로봇 등에 활용될 수 있다고 밝혔다.