대구경북과학기술원(DGIST·총장 이건우)은 나노기술연구부 김정민·김동환 연구팀이 고성능 영구자석 제조에 필수적인 고가의 '중희토류' 사용 효율을 극대화해 낭비를 획기적으로 줄이는 소재 설계 기술을 개발했다고 10일 밝혔다.
네오디뮴(Nd-Fe-B) 영구자석은 전기차 구동 모터와 풍력발전기 등에 쓰이는 핵심 부품이다. 특히 고온에서도 자석의 힘(보자력)을 유지하기 위해 첨가하는 중희토류는 가격이 매우 비싸고 공급망이 불안정해 산업계의 큰 부담이 되고 있다. 중희토류를 완전히 배제하기 어려운 현시점에서는 자석의 성능은 유지하되 중희토류 사용량을 최소화하는 것이 가장 중요한 기술적 과제다.
이를 위해 자석 표면에 중희토류를 바른 뒤 열처리해 내부로 스며들게 하는 '입계확산 공정'이 주로 쓰인다. 중희토류가 자석 내부 입자(결정립)의 경계를 따라 퍼지면서 입자 표면에 얇은 껍질(쉘)을 형성해 자석의 성능을 높이는 원리다. 하지만 이 과정에서 중희토류가 자석 내부로 고르게 퍼지지 못하고 표면 부근 입자 안쪽에 과도하게 뭉치면, 껍질이 불필요하게 두꺼워져 값비싼 중희토류가 낭비된다.
연구팀은 이러한 중희토류 과소모 현상의 원인을 정밀하게 규명하고, 자석 모재에 포함된 가벼운 희토류(경희토류)의 비율을 고려해 표면에 바르는 확산물질의 조성을 새롭게 설계했다. 이를 통해 중희토류가 자석 표면에 뭉치는 현상을 억제하고, 입자 표면에 얇고 균일한 껍질이 형성되도록 유도해 중희토류의 활용 효율을 극대화했다.
실제로 연구팀이 개발한 기술을 적용한 결과, 기존의 대표적인 중희토류인 디스프로슘(Dy) 단일 물질을 사용했을 때와 비교해 디스프로슘 사용량을 80%나 대폭 줄이면서도 기존과 동등한 수준의 뛰어난 자석 성능을 확보하는 데 성공했다.
이번 성과는 고가 중희토류의 낭비 원인을 밝히고 이를 해결할 실질적인 소재 설계 지침을 제시했다는 데 큰 의미가 있다. 나아가 중희토류를 전혀 쓰지 않고 저렴한 경희토류만을 활용하는 차세대 자석 공정 개발에도 중요한 기반이 될 것으로 기대된다.
특히 이번 연구는 전기차(EV)의 생산 단가를 낮추고 대형 풍력 발전기 등 친환경 에너지 인프라 구축비를 줄일수 있을 뿐만 아니라 정밀하고 강력한 출력을 내면서도 발열을 견뎌야 하는 휴머노이드 로봇의 관절 모터나 드론, 플라잉카(에어택시)의 구동계 성능 최적화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
김정민 책임연구원은 “이번 연구는 고가 중희토류의 이동과 분포를 정밀하게 제어해 사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 소재 설계 전략을 제시한 것”이라며, “이를 경희토류 기반 공정에도 확대 적용해 희토류 자원의 효율적 활용과 차세대 고성능 영구자석의 기술 경쟁력 강화에 기여하겠다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 DGIST 기관고유사업, 경북대학교 탄소중립 지능형 에너지시스템 지역혁신 선도연구센터 및 성림첨단산업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 재료 및 화학공학 분야의 세계적 학술지인 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
