DGIST, 희토류 낭비 줄이는 차세대 자석 기술 개발

디스프로슘 투입량 80% 절감에도 자기 성능은 그대로...중희토류 과도 축적 원인 규명

[프라임경제] 전기차와 풍력발전 산업의 핵심 부품인 고성능 영구자석 제조 과정에서 값비싼 희토류 소재의 투입량을 대폭 줄일 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 

사진 왼쪽부터 DGIST 김정민 나노기술연구부장, 김동환 책임연구원, 정현종 석·박사통합과정, KNU 비탈리 갈킨 박사후연구원, 이동현 박사과정. ⓒ DGIST

핵심 소재인 디스프로슘 사용량을 80%까지 낮추면서도 기존과 유사한 성능을 구현해 희토류 수급 불안에 대응할 새로운 돌파구가 될지 주목된다.

DGIST(총장 이건우)는 나노기술연구부 김정민·김동환 연구팀이 영구자석 내부의 중희토류 분포를 제어하는 새로운 소재 설계 기술을 개발했다.

이번 성과의 핵심은 고성능 자석을 만드는 데 필요한 중희토류를 무조건 많이 투입하는 기존 접근에서 벗어나, 적은 양으로도 필요한 성능을 확보할 수 있도록 소재의 이동 경로와 분포를 정밀하게 조절했다는 데 있다.

전기차 모터 등에 쓰이는 네오디뮴(Nd-Fe-B) 영구자석은 강한 자기력을 갖지만, 작동 온도가 높아지면 자력을 유지하는 데 어려움이 생길 수 있다. 

이를 보완하기 위해 디스프로슘(Dy) 등 중희토류를 첨가하지만, 높은 가격과 불안정한 공급 여건은 관련 산업의 비용 경쟁력을 떨어뜨리는 요인으로 작용해 왔다.

연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해 영구자석 제조 공정에서 중희토류가 실제로 어떻게 이동하고 축적되는지에 주목했다.

기존 입계확산 방식은 자석 외부에 확산 물질을 바른 다음 열처리를 통해 내부로 침투시키는 기술이다. 이때 중희토류가 결정립 사이의 경계를 따라 이동해 입자 표면에 보호층을 형성하면 고온에서도 자기력을 유지하는 데 도움이 된다.

그러나 확산 과정에서 중희토류가 표면 가까이에 집중되는 현상이 발생하면서 일부 영역에는 필요 이상의 소재가 쌓이는 문제가 있었다. 

결과적으로 자석의 성능 향상에 직접적인 도움이 되지 않는 부분까지 고가의 희토류가 투입되는 비효율이 발생했다.

연구팀은 이 같은 현상의 원인을 분석한 뒤 자석 원료에 포함된 경희토류의 비율에 따라 외부에서 공급하는 확산 소재의 성분을 달리하는 설계 전략을 도입했다.

이를 통해 중희토류가 한곳에 과도하게 축적되는 것을 막고, 자석을 구성하는 입자 표면에 필요한 두께의 균일한 층이 형성되도록 했다. 소재가 불필요하게 소모되는 부분을 줄이면서 성능 확보에 필요한 영역에 효율적으로 활용되도록 한 것이다.

실제 적용 실험에서는 기존 디스프로슘 단일 물질을 이용한 공정과 비교해 투입량을 약 80% 줄이는 성과를 거뒀다. 그럼에도 자석의 자기적 특성은 기존 방식과 대등한 수준을 유지한 것으로 확인됐다.

이번 기술은 중희토류 가격 변동과 공급망 불안에 민감한 전기차 및 에너지 산업에 실질적인 대안이 될 가능성이 있다. 

특히 동일한 성능을 더 적은 원료로 확보할 수 있다는 점에서 향후 영구자석 생산비 절감과 핵심 광물 자원의 효율적인 활용에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 보인다.

아울러 이번 연구에서 확보한 소재 제어 원리는 고가의 중희토류 사용을 최소화하고 경희토류 중심으로 고성능 자석을 제조하는 차세대 공정 연구에도 활용될 전망이다.

김정민 DGIST 나노기술연구부 책임연구원은 "중희토류의 확산과 분포를 정밀하게 제어하는 소재 설계 전략을 확보했다"는 점을 강조하며, "앞으로 경희토류 기반 공정으로 연구를 확대해 희토류 자원의 활용 효율과 차세대 영구자석 기술 경쟁력을 높이겠다"는 뜻을 밝혔다.

한편 이번 연구는 DGIST 기관고유사업과 경북대학교 탄소중립 지능형 에너지시스템 지역혁신 선도연구센터, 성림첨단산업㈜의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 화학·재료공학 분야 국제 학술지인 'Chemical Engineering Journal'(IF 12.5)에 게재됐다.