한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진, 이하 재료연)이 희토류에 의존하지 않는 차세대 영구자석 기술을 세계 최고 수준으로 끌어올리는 데 성공했다.

재료연 나노재료연구본부 박지훈‧김종우 박사 연구팀은 비희토류 기반의 Mn-Bi(망간-비스무스) 영구자석 제조 기술을 개발하고, 자석 제조 전문기업 노바텍에 기술이전을 진행 중이라고 밝혔다.

이번에 개발된 기술이 상용화될 경우, 세계 최초로 비희토류 기반 Mn-Bi 영구자석이 산업에 적용되는 사례가 될 것으로 기대된다.

기존의 영구자석 산업은 Nd(네오디뮴)와 같은 희토류 원소에 크게 의존해왔다. 하지만 중국의 희토류 공급 정책 변화와 가격 급등락은 세계 시장에 큰 파장을 일으켰고, 이에 따라 각국에서는 희토류를 대체할 고성능 자석 기술의 확보가 시급한 과제로 떠올랐다.

Mn-Bi는 이러한 대체 소재로 주목받아왔으나, 기존 기술로는 상용화에 한계가 있었다. Mn-Bi 분말이 자성을 발휘하려면 저온상(LTP) 구조의 고순도를 유지해야 하지만, 고온 소결 과정에서 쉽게 산화되거나 상분해되며 자석의 성능이 급격히 저하되기 때문이다.

이는 마치 밀가루 반죽이 너무 뜨거운 물과 섞일 경우 형태 없이 흐물거려 단단한 반죽을 만들기 어려운 것과 같은 원리다.

재료연 연구팀은 이러한 한계를 극복하고자, 고순도의 단자구 크기 Mn-Bi 분말을 대량으로 제조할 수 있는 기술을 개발하고, 자석의 밀도를 95% 이상 확보할 수 있는 저온 소결 공정을 새롭게 설계했다. 이를 통해 최대자기에너지적 10.5MGOe(메가-가우스-에르스테드)를 안정적으로 구현하며, 세계 최고 수준의 성능을 입증했다.

무엇보다도 소결 이후에도 자성이 유지되며 산화나 분해 현상이 없어 벌크화와 대량 생산이 가능하다는 점에서 기술적 가치가 높다.

이 기술은 전기차 모터, 발전기, 반도체 부품은 물론, 기존에 페라이트 자석을 사용하던 전동기를 더욱 소형화하고 효율도 향상시킬 수 있어 다양한 산업 분야에 널리 활용될 수 있다.

특히 공조기 등 실생활과 산업 전반에 걸쳐 대량으로 사용되는 자석을 대체할 수 있어, 국내외에서 막대한 경제적 파급효과가 기대된다.

현재 연구팀은 노바텍과 협력해 준양산 규모의 생산 장비를 구축하고, 대량 생산 및 상용화를 위한 공정 최적화에 착수한 상태다.

더불어 향후 최대자기에너지적 12MGOe 달성을 목표로 지속적인 성능 향상 연구도 이어갈 계획이다.

박지훈 선임연구원은 “이번 연구를 통해 한국이 세계 최초로 Mn-Bi 영구자석의 상용화를 실현할 가능성을 확보했다”며 “이 기술이 성공적으로 상용화되면 희토류 자석 의존도를 줄이고, 국내 기업의 글로벌 경쟁력을 높이는 데 크게 기여할 것”이라고 밝혔다.

mahler@electimes.com 윤재현 기자 – 전기신문(https://www.electimes.com)
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