중희토류 의존 없는 2단계 입계확산공정을 개발한 재료연 연구팀. 이설미 학생연구원(논문 제1저자, 우측에서 두 번째), 이정구 책임연구원(우측에서 세 번째), 김태훈 선임연구원(논문 교신저자, 우측에서 네 번째)

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진/이하 재료연) 나노재료연구본부 김태훈, 이정구 박사 연구팀이 연세대학교 이우영 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 고가의 중희토류를 사용하지 않고도 고성능 영구자석을 제작할 수 있는 독자적인 신규 입계확산공정을 세계 최초로 개발했다.

영구자석은 전기차 모터와 로봇 등 다양한 고부가가치 제품에 핵심 부품으로 사용된다. 기존 영구자석 제조 공정은 중국이 독점적으로 생산하는 중희토류에 의존해 자원 의존도가 높고 원가가 비싸다는 한계가 있었다. 연구팀은 기존 영구자석 공정의 단점을 극복하기 위해 고가의 중희토류 없이 하이엔드(high-end)급의 강력한 성능을 구현하는 영구자석 개발에 성공했다. 기술의 핵심은 2단계 입계확산공정이다.

입계확산공정은 자석의 성능을 향상시키기 위한 기술이다. 자석에 필요한 물질을 자석 표면에 얇게 도포하고, 고온에서 열처리를 하면 물질이 자석 내부에 들어가면서 보자력(자석이 자성을 유지하는 능력) 등 성능을 향상시킬 수 있다.

연구팀이 개발한 2단계 입계확산공정은 1단계에서 고융점 금속이 포함된 신(新)물질을 영구자석 표면에 고온 침투시키고 상온에서 냉각 처리한 후, 2단계에서 저가의 경희토류(Pr, 프라세오디뮴) 함유물질을 재도포해 고온 처리하는 방식이다. 해당 기술은 연구팀이 새롭게 밝혀낸 입계확산공정에서 발생하는 비정상적인 결정립 조대화 현상(입계확산에 의해 작은 결정이 점점 커지는 특이 현상. 물질의 입계확산효율을 저하시키고 자기적 성능을 감소시킴.)을 성공적으로 억제해 입계확산효율을 향상시킨 것이 특징이다. 이를 통해 확산물질이 자석 내부에 빠르게 침투해, 경희토류를 사용했음에도 중희토류를 사용한 상용자석과 동등한 등급(45SH~40UH)의 성능을 구현할 만큼 보자력이 향상됐다.

본 기술이 상용화되면 고효율 모터를 요구하는 전기자동차, 드론, 플라잉카와 같은 고부가가치 산업 분야에서 영구자석의 제조 원가 절감과 성능 향상을 모두 충족할 것으로 기대된다.

연구책임자인 김태훈 선임연구원은 “현재 전기자동차와 고급 가전의 모터에 사용되는 자석에는 고가의 중희토류 사용이 불가피한데, 중희토류 자원의 편중 및 높은 가격으로 인해 전 세계 모든 연구자들이 자석 내 중희토류를 저감하거나 대체할 수 있는 기술 개발에 집중하고 있음에도 수 년째 제자리걸음인 상황.”이라며, “본 기술은 새로운 개념 도입을 통해 고급 자석 제조에서 중희토류 의존을 탈피할 수 있는 가능성을 보여줬으며, 나아가 영구자석 분야의 핵심 공정인 입계확산공정 관련 연구가 가야 할 새로운 방향을 제시했다.”라고 말했다. 이에 덧붙여, “본 기술이 상용화되면 우리나라가 영구자석 기술 분야에서 가장 핵심적인 부분을 선점하는 첫 사례가 될 것.”이라고 전했다.

본 연구성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단-나노 및 소재기술개발사업의 지원을 받아 진행됐다. 연구결과는 세계적인 학술지 ‘액타 머터리얼리아(Acta Materialia, 논문 제1저자: 이설미 학생연구원)’에 12월 24일자로 온라인 게재됐다.