한국재료연구원 나노재료연구본부 김수민 박사팀
1㎛급 Nd-Fe-B 초미세분말의 제조, 정렬, 소결까지
전기차, 로봇 등 첨단산업용 영구자석 국산화 기반
중희토류(Heavy Rare Earth, HRE)는 디스프로슘(Dy), 터븀(Tb) 등 희토류 원소의 일부를 말한다.
연구원은 김수민 박사팀의 연구 성과는 자석의 보자력 향상에 유리한 초미세분말 제조부터 분말의 배향성을 극대화하는 정렬·소결까지 핵심 공정기술을 통합 개발한 것으로, 향후 전기차, 로봇 등 첨단산업에 필수적인 영구자석의 핵심 소재 국산화 및 기술 자립을 앞당길 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다고 전했다.
연구결과에 따르면 영구자석은 전기차의 구동 모터, 로봇의 관절, 풍력발전기 등 다양한 첨단산업에 사용되는 핵심 소재다.
Nd-Fe-B 영구자석의 경우 강한 자기력을 낼 수 있어 널리 활용되지만 높은 온도에서 작동하는 전기차 구동모터 등 환경에서는 자성을 잃지 않도록 보자력을 확보하는 것이 중요하다.
기존에는 디스프로슘(Dy), 터븀(Tb)과 같은 중희토류를 첨가해 왔지만 중희토류는 가격이 비싸고 공급망이 일부 국가에 집중돼 있어 대체기술 개발이 요구되고 있다.
이에 김수민 박사팀은 중희토류를 첨가하는 대신 초미세분말을 제조하고, 이를 활용해 영구 자석의 결정립을 미세화함으로써 자기 성능을 향상시키는 핵심 기술을 개발한 것이다.
연구팀은 기존 합금을 분쇄하는 방식에서 벗어나 희토류 산화물을 출발 원료로 미세한 Nd-Fe-B 결정 입자를 직접 합성하는 환원·확산(Reduction&-Diffusion, RD) 공정을 활용했다.
특히 기존 RD 공정의 주요 한계였던 분말의 산화 문제를 해결하기 위해 새로운 후처리 기술을 개발하고, 이를 통해 약 1㎛ 크기의 고순도 Nd-Fe-B 초미세분말 제조에 성공했다.
이는 합금을 잘게 부수는 대신 미세 입자를 처음부터 직접 만들어 기존 분쇄 공정상 크기 한계를 극복했다는 점에서 차별화된다.
연구팀은 초미세 Nd-Fe-B 분말을 고성능 영구자석으로 제조하기 위한 분말 정렬 및 소결 기술도 개발했다.
일반적으로 분말 크기가 작아지면 입자 간 마찰과 응집으로 자기장 내에서 분말을 일정한 방향으로 정렬하기 어려워지는데, 분말 표면에 윤활제를 코팅하고 자기장 방향과 세기가 점차 변화하는 감쇠 교류 자장을 적용하여 분말의 배향성과 성형체의 안정성을 향상시킨 것이다.
아울러 수소 보조 공정을 통해 윤활제에서 유래한 잔류탄소를 저감하고, 열처리 후 보자력이 저하되는 문제를 해결함으로써 초미세분말을 활용한 고성능 소결자석 제조기술을 확보했다.
연구책임자인 김수민 박사는 "이번 성과는 고성능 Nd-Fe-B 영구자석 제조에 필요한 초미세분말 합성과 분말 정렬·소결 공정의 기술적 한계를 각각 극복한 것"이라며 "특히 고가의 중희토류에 의존하지 않고 자석의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 기술적 접근법을 제시했다"고 강조했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 한국연구재단 '나노 및 소재기술개발사업을 통해 수행했으며, 연구팀은 관련 기술을 통해 총 9건의 특허를 회득했다.
그리고 초미세 Nd-Fe-B 분말 제조에 관한 연구 성과는 금속·재료 분야 세계적 학술지 '저널 오브 알로이 앤 컴파운드'에 2026년 7월 14일 실렸고, 초미세분말 정렬 및 자석 제조에 관한 연구 성과는 화학공학 분야 세계적 학술지 '케미칼 엔지니어링 저널' 9월 19일 온라인판에 게재됐다.
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