개발한 자석의 실제 미세구조(HAADF-STEM) 및 모식도./한국재료연구원 제공
한국재료연구원(KIMS) 이정구·김태훈 박사 연구팀이 고가의 희토류인 네오디뮴(Nd)의 사용량을 약 30% 저감하고도 상용 자석(42M 등급) 수준의 성능을 구현할 수 있는 희토류 저감형 영구자석 소재 기술을 개발했다.
상용화될 경우 현재 중국과 일본 등에서 거의 전량을 수입하고 있는 고효율 모터용 희토류 영구자석 분야의 국산화에 큰 도움이 될 것으로 보인다.
네오디뮴(Nd)은 고가에 수급이 매우 불안정하지만, 희토류 영구자석의 성능 구현에 필수적인 품목이다.
네오디뮴(Nd) 저감형 영구자석 개발을 위해서는 네오디뮴(Nd)의 함량을 저감하는 대신 저가의 세륨(Ce) 함량을 증가시켜야 한다.
다만 세륨(Ce) 함량이 증가하면서 자석의 자기적 특성이 악화되는 것을 막을 수 없었다.
연구팀은 세륨(Ce) 함량 증가에 따른 자석의 자기적 특성 악화 원인과 기구를 명확히 규명하는 것에 초점을 맞췄다.
이를 통해 원자 규모의 미세조직 제어를 통해 희토류 저감형 영구자석이 가진 자기적 특성 악화 문제를 해결했다.
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.
불필요한 자성입자를 구성하는 원자의 확산을 억제해 입자의 형성을 방해함으로써, 자석의 미세구조 개선과 자기적 특성을 끌어올리기 위한 연구도 진행했다.
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 성공했다.
영구자석의 주요 특성인 잔류자화와 보자력을 동시에 향상시켰다.
자석의 잔류자화와 보자력의 특성은 상충 관계를 갖는다.
이번 기술은 두 주요 특성을 동시에 향상시켜 기술적으로 효용성과 가치가 매우 높다는 평가를 받고 있다.
고효율 모터가 요구되는 전기자동차, 드론, 플라잉카, 전기선박 등의 고부가가치 산업 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
여기에 해외 수입에 의존하고 있는 상황을 타개하는 첩경이 될 것으로 여겨지고 있다.
2021년 기준으로 연 1860억 원의 고효율 모터용 희토류 영구자석 분야의 국내 시장은 거의 전량을 해외에서 수입하고 있다.
연구팀은 순수 국내기술로 국내 희토류 영구자석 소재 분야가 지닌 자원문제와 소재·부품·장비 이슈를 동시에 해결한 매우 성공적인 기술개발 사례로 자평하고 있다.
이번 연구 결과는 학술지 ‘스크립타 머티리얼리아(Scripta Materialia)’ 3월 17일자에 실렸다.
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