한국재료연구원(KIMS·원장 최철진) 나노재료연구본부 김수민, 김태훈, 이정구 박사 연구팀이 고가의 중희토류를 사용하지 않고도 고성능 네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B) 영구자석을 제조할 수 있는 핵심 기술을 개발했다.
전기차와 로봇 등 첨단산업에 필수적인 영구자석의 해외 공급망 의존도를 낮추고 핵심 소재의 국산화와 기술 자립을 앞당길 수 있다는 점에서 의미가 크다.
Nd-Fe-B 영구자석은 강한 자기력이 장점이지만 전기차와 같이 고온에서 작동하는 환경에서는 자성을 잃지 않고 버티는 '보자력'도 중요하다. 보자력 확보를 위해서는 디스프로슘(Dy), 터븀(Tb)과 같은 중희토류를 첨가해야 하는데 가격이 비싸고 공급망이 일부 국가에 집중돼 있어 이를 대체할 기술 개발이 시급하다.
연구팀은 중희토류 대신 초미세분말을 제조하고 이를 활용해 영구 자석 결정립을 미세화함으로써 자기 성능을 향상시키는 핵심 기술을 개발했다. 기존 합금을 분쇄하는 방식에서 벗어나 희토류 산화물을 출발 원료로 미세한 Nd-Fe-B 결정 입자를 직접 합성하는 환원·확산(RD) 공정을 활용했다.
이 과정에서 기존 RD 공정의 주요 한계였던 분말 산화 문제를 해결하기 위해 새로운 후처리 기술을 적용해 약 1㎛ 크기 고순도 Nd-Fe-B 초미세분말을 제조하는 데 성공했다. 합금을 잘게 부수는 대신 미세 입자를 처음부터 직접 만들어, 기존 분쇄 공정의 크기 한계를 극복했다는 점에서 차별화된다.
연구팀은 초미세 Nd-Fe-B 분말을 고성능 영구자석으로 제조하기 위한 분말 정렬 및 소결 기술도 개발했다. 분말 크기가 작아지면 입자 간 마찰과 응집으로 자기장 내에서 분말을 일정한 방향으로 정렬하기 어려워지는 문제를 해결하기 위해 분말 표면에 윤활제를 코팅하고 자기장의 방향과 세기가 점차 변화하는 감쇠 교류 자장을 적용해 분말의 배향성과 성형체의 안정성을 향상시켰다.
여기에 수소 보조 공정을 통해 윤활제에서 유래한 잔류탄소를 저감하고 열처리 후 보자력이 저하되는 문제를 해결함으로써 초미세분말을 활용한 고성능 소결자석 제조기술을 확보했다.
김수민 박사는 “이번 연구성과는 고성능 Nd-Fe-B 영구자석 제조에 필요한 초미세분말 합성과 분말 정렬·소결 공정의 기술적 한계를 각각 극복하면서도 중희토류 없이 자석의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 기술적 접근법을 제시했다”면서 “향후 공정 간 연계 및 양산 기술이 확보되면 전기자동차 구동 모터와 휴머노이드 로봇 등 고성능 영구자석이 필요한 첨단산업 분야에 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.
창원=노동균 기자 defrost@etnews.com
