기존 자석과 한국재료연구원이 개발한 자석의 실제 미세구조(HAADF-STEM) 사진 및 모식도. (사진=재료연 제공)

과학기술정보통신부 산하 정부출연연구기관인 한국재료연구원(KIMS, 이하 재료연)의 연구성과가 ‘2022년 국가연구개발 우수성과 100선’에 선정됐다. 선정된 기술은 분말재료연구본부 자성재료연구실 이정구 박사의 ‘Nd(네오디뮴) 저감형 고특성 영구자석 소재기술’이다.

본 기술은 고가의 희토류인 네오디뮴(Nd)의 사용량을 약 30% 저감하고도 상용자석(42M 등급) 수준의 성능을 구현할 수 있는 희토류 저감형 영구자석 소재 기술이다. 네오디뮴(Nd)은 고가에 수급이 매우 불안정하지만, 희토류 영구자석의 성능 구현에 필수적이다. 이의 개발을 위해서는 네오디뮴(Nd)의 함량을 저감하고 저가의 세륨(Ce) 함량을 증가시켜야 한다. 하지만, 지금까지는 세륨(Ce) 함량이 증가함에 따라 자석의 자기적 특성이 악화하는 것을 막을 수 없었다. 본 기술을 이용할 경우, 원자 규모의 미세조직 제어를 통해 이 문제를 해결하는 게 가능하다.

연구팀은 기존 공정에서 제조된 희토류 저감형 영구자석 내에 세륨(Ce)이 응집된 불필요한 비자성 입자(Non magnetic particle)가 형성된다는 사실을 발견했다. 그리고 해당 입자가 자석의 미세구조와 자기적 특성 악화의 원인이 되고 있음을 밝혀냈다. 이에 기존 공정 대신 매우 빠른 냉각 속도로 공정이 가능한 멜트스핀법(Melt-spinning)과 열간변형법(Hot-deformation)을 희토류 저감형 전구체와 최종 영구자석 제조에 각각 적용했다. 그 결과, 자석 내 불필요한 자성입자의 형성을 억제해 자석의 미세구조를 최적화하는데 성공할 수 있었다.

재료연 이정구 책임연구원은 “국내 희토류 영구자석 소재 분야가 지닌 자원문제와 소재·부품·장비 이슈를 동시에 해결한 연구성과를 인정받았다는 점에 의미를 두고자 한다”며 “앞으로도 국내 희토류 영구자석 산업의 발전을 이끌기 위해 최선을 다해 노력하겠다”고 말했다.

국가연구개발사업 우수성과 100선은 국가 발전을 견인해 온 과학기술의 역할에 대한 국민의 이해와 관심을 제고하고, 과학기술인들의 자긍심을 고취하기 위해 정부가 국가연구개발 우수성과를 선정하는 제도이다. 지난 2006년부터 이를 매년 선정 및 발표해오고 있다.