샌드위치 구조 기반 입계확산·접합 공정
차세대 모터 등 미래 고부가가치 시장 선점
한국재료연구원(KIMS·원장 최철진) 나노재료연구본부 김수민, 이정구 박사 연구팀은 자석이 두꺼워져도 성능이 떨어지지 않으면서 동시에 발열까지 줄일 수 있는 차세대 자석 핵심 제조 기술을 세계 최초로 개발했다.
전기차 구동 모터 등 고출력 장비에 사용되는 자석의 효율과 안정성을 크게 높일 수 있는 기술로 차세대 모터 성능 향상에 기여할 것으로 기대된다. 고특성 대형 자석이 요구되는 전기 선박 등 새로운 응용 시장에도 적용될 수 있어 미래 고부가가치 시장 선점의 기반 기술이 될 전망이다.
전기차, 풍력발전기 등에 사용되는 고성능 자석인 네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B) 자석은 강한 자성을 갖는다. 고출력 모터에서는 더 큰 힘을 내기 위해 자석 크기와 두께를 키울 필요가 있지만 자석이 두꺼워질수록 외부 환경 변화에도 자성을 유지하는 보자력을 내부까지 높이기 어려워 성능 향상에 한계가 있었다.
특히 고속으로 작동하는 환경에서는 자석 내부에서 전기가 빙글빙글 흐르며 열을 만드는 '와전류'가 발생해 발열이 증가하고 이는 자석 성능 저하와 모터 효율 감소로 이어지는 문제도 있다.
기존에는 고온에서도 자성을 유지하기 위해 고가의 중희토 원소를 추가로 사용하는 방식을 활용했다. 자석 표면에 중희토 원소를 코팅하여 내부로 확산시키는 '입계확산 공정'을 주로 썼는데 이는 자석 표면 중심으로만 확산이 이뤄지는 구조적 한계로 인해 두꺼운 자석 내부까지 그 효과가 충분히 전달되지 못했다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 자석을 여러 층으로 쌓은 뒤 다시 결합하는 '샌드위치 구조 기반 입계확산·접합 공정'을 개발했다. 자석 표면뿐 아니라 층 사이 경계면에도 낮은 온도에서 잘 녹는 저융점 경희토(프라세오디뮴) 합금을 동시에 적용해 확산이 내부에서도 시작되도록 설계한 게 특징이다.
이를 통해 두꺼운 자석에서도 보자력을 안정적으로 확보하면서 자석 전체에 걸쳐 균일한 성능을 구현할 수 있게 됐다. 무엇보다 경희토를 효율적으로 활용해 고가의 중희토 사용을 줄일 수 있는 가능성도 제시했다.
이 기술은 자석 내부에 전기 흐름을 억제하는 구조(고비저항 구조)를 형성해 와전류 발생을 줄임으로써 발열 문제까지 동시에 해결했다. 기존처럼 자석 분할, 입계확산, 절연 접합의 과정을 각각 별도의 공정으로 수행하지 않고 입계확산 공정만으로 보자력 향상과 비저항 증가를 동시 구현해 공정을 단순화하면서도 자성과 전기적 특성, 구조적 안정성까지 함께 개선했다.
김수민 선임연구원은 “이 기술은 전기차 구동 모터뿐 아니라 전기 선박 등 고특성 대형 자석이 필요한 다양한 응용 분야에서도 경쟁력을 가질 수 있으며 차세대 모터용 핵심 소재 기술로 성장할 가능성이 크다”고 말했다.
창원=노동균 기자 defrost@etnews.com
