중희토류 없이 고성능 영구자석 개발…초미세분말로 무엇을 바꿨나

한국재료연구원 연구팀이 디스프로슘·터븀 같은 중희토류를 넣지 않고 고성능 네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B) 영구자석을 만드는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

핵심은 약 1μm 크기의 고순도 초미세분말이다.

중희토류 사용을 줄일 대안을 마련하면서 전기차 구동 모터와 로봇 등에 쓰이는 자석의 성능을 높이는 방법을 제시했다.

네오디뮴-철-붕소 자석은 강한 자기력을 내지만, 전기차 모터처럼 높은 온도에서 쓰려면 반대 방향의 자기장을 받아도 자성을 유지하는 ‘보자력’이 중요하다.

이를 높이기 위해 첨가해 온 중희토류는 가격이 비싸고 공급망이 일부 국가에 집중돼 있다.

연구팀은 원소를 더하는 대신 자석을 이루는 결정립을 미세하게 만들어 자성을 유지하는 능력을 높이는 접근을 택했다.

분말을 잘게 만드는 기존의 기계적 분쇄에는 한계가 있어, 연구팀은 희토류 산화물에서 미세한 결정 입자를 합성하는 환원·확산(RD) 공정을 활용했다.

기존 공정에서 생기던 분말 산화 문제는 후처리 기술로 다뤘다.

이렇게 만든 초미세분말은 작을수록 서로 달라붙고 마찰이 커져 자기장 안에서 한 방향으로 정렬하기 어렵다.

연구팀은 분말 표면에 윤활제를 입히고, 방향과 세기가 점차 변하는 감쇠 교류 자장을 적용해 정렬과 성형체의 안정성을 개선했다.

수소 보조 공정으로 윤활제에서 비롯된 잔류탄소를 줄여 열처리 뒤 보자력이 낮아지는 문제도 해결했다.

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

다만 연구진은 공정 간 연계와 양산 기술이 확보되면 전기차 모터와 휴머노이드 로봇 등에 활용될 것으로 내다봤다.

즉, 이번 성과는 양산 완료가 아니라 중희토류 의존을 낮출 제조 공정의 기반을 마련한 단계다.