(왼쪽부터) 재료연구원 박지훈 선임연구원, 김종우 책임연구원. (사진=재료연 제공)

한국재료연구원은 나노재료연구본부 박지훈, 김종우 박사 연구팀이 세계 최고 수준의 강력한 자석 성능을 발휘할 수 있는 차세대 비희토류 Mn-Bi(망간-비스무스) 영구자석 제조 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

연구팀은 해당 기술을 대표적인 자석 제조기업 ㈜노바텍에 기술이전을 진행 중이라고 밝혔다. 본 기술이 상용화되면 세계 최초로 비희토류 기반의 Mn-Bi 영구자석이 산업에 적용되는 사례가 될 것으로 기대된다.

기존의 영구자석 산업 시장은 Nd(네오디뮴)와 같은 희토류 원소가 주요 재료였다. 이는 중국의 희토류 공급 정책의 변화와 가격 변동성에 따라 큰 영향을 받았으며, 국가적 차원에서 희토류 없이 고성능을 발휘할 수 있는 대체 기술이 절실한 상황이었다. 이에 대해 비희토류인 Mn-Bi가 대체 소재로 조명받았으나 근본적인 한계로 인해 상용화에 어려움을 겪었다.

Mn-Bi 분말이 강한 자성을 가지기 위해서는 저온상(LTP) 고순도를 유지해야 하지만, 소결 공정(고온에서 분말을 압축해 단단한 덩어리로 만드는 과정)에서 쉽게 산화되거나 상분해되면서 순도가 낮아지는 성질이 그 한계였다. 예를 들어 밀가루를 일정 온도 이상의 물로 반죽할 때 형태 없이 묽어지고 단단한 덩어리를 만들기 어려운 것처럼 Mn-Bi 분말도 고온 소결 과정에서 분해되거나 벌크화(하나의 고밀도 덩어리로 만드는 과정)가 어렵다.

연구팀이 개발한 Mn-Bi 분말과 Mn-Bi 기반의 비희토류 영구자석. (사진=재료연 제공)

재료연 연구팀은 한계를 뛰어넘는 해결책으로 Mn-Bi 비희토류 영구자석 제조 기술을 개발했다. 대량 생산이 가능한 공정으로 고순도 단자구 크기의 Mn-Bi 분말을 개발해 보자력을 강화하고, 새로운 설계의 저온 소결 기술로 자석의 밀도를 95% 이상 높인 것이다. 이를 통해 최대자기에너지적 10.5MGOe(메가-가우스-에르스테드)를 안정적으로 구현하면서 세계 최고 수준임을 입증했다. 또한 소결 이후에도 자성은 유지되고 산화 또는 분해되는 현상이 없어 벌크화와 상용화 수준의 대량 생산이 가능하다는 것이 장점이다.

본 기술은 전기차 모터, 발전기, 반도체 부품 등 다양한 산업에 적용할 수 있으며, 기존 페라이트(Ferrite) 자석을 사용하던 전동기를 소형화하고 효율도 높일 수 있다. 무엇보다 공조기 등 실생활이나 산업에서 대량으로 쓰이는 자석을 대체할 수 있다는 점에서 국내를 넘어 세계 시장에서도 막대한 경제적 가치를 창출할 것으로 예상된다.

연구팀은 ㈜노바텍과 협력해 준양산 규모의 장비를 구축하고, 대량 생산과 상용화를 위한 공정을 최적화하는 작업을 진행 중이다. 또한 향후 지속적인 연구개발을 통해 최대자기에너지적 12MGOe 달성을 목표하고 있다.

연구책임자인 박지훈 선임연구원은 “이번 연구를 통해 한국이 세계 최초로 Mn-Bi 영구자석의 상용화를 실현할 가능성을 확보했다”며 “이 기술이 성공적으로 상용화된다면 희토류 자석에 대한 의존도를 낮추고, 국내 기업이 글로벌 시장에서 경쟁력을 갖추는 데 큰 도움이 될 것”이라고 전했다.

본 연구성과는 한국연구재단과 한국에너지기술평가원, 국가과학기술연구회의 지원을 받아 수행됐으며, 연구팀은 국내외 특허 출원 8건을 비롯해 각종 논문을 발표하는 등 연구성과를 지속해서 축적하고 있다.