한국재료연구원 나노재료연구본부 박지훈 선임연구원(왼쪽)과 김종우 책임연구원이 차세대 비희토류 기반 Mn-Bi 영구자석 제조 기술을 개발했다.

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한국재료연구원(KIMS·원장 최철진) 나노재료연구본부 박지훈, 김종우 박사 연구팀이 세계 최고 수준의 강력한 자석 성능을 내는 차세대 비희토류 망간-비스무스(Mn-Bi) 영구자석 제조 기술을 개발했다.

연구팀은 해당 기술을 국내 자석 제조기업에 기술이전 중이다. 상용화되면 세계 최초로 비희토류 기반 Mn-Bi 영구자석이 산업에 적용되는 사례가 될 것으로 기대를 모은다.

기존 영구자석은 네오디뮴(Nd)과 같은 희토류 원소가 주 재료다. 중국의 희토류 공급 정책 변화와 가격 변동성에 따라 큰 영향을 받을 수밖에 없어 국가 차원에서 희토류 없이 고성능을 발휘하는 대체 영구자석 기술 개발이 요구됐다.

Mn-Bi는 대안 중 하나로 조명됐으나 분말이 강한 자성을 가지려면 저온상(LTP) 고순도를 유지해야 하는 어려움이 있었다. 고온에서 분말을 압축해 단단한 덩어리로 만드는 소결 공정에서 쉽게 산화되거나 상분해되면서 순도가 낮아지는 문제가 발생했다.

연구팀은 대량 생산 가능한 공정으로 고순도 단자구 크기 Mn-Bi 분말을 개발해 보자력을 높이고 새로운 설계의 저온 소결 기술로 자석 밀도를 95% 이상 높이는 방법으로 Mn-Bi의 한계를 극복했다.

이를 통해 세계 최고 수준인 10.5MGOe 최대자기에너지적을 안정적으로 구현했다. 소결 이후에도 자성을 유지하고 산화되거나 분해되는 현상이 없어 벌크화와 상용화 수준 대량 생산이 가능하다는 게 장점이다.

연구팀이 개발한 Mn-Bi 분말과 이를 기반으로 한 비희토류 영구자석.

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이 기술은 전기차 모터, 발전기, 반도체 부품 등 다양한 산업에 적용할 수 있으며 기존 페라이트 자석 기반 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 기대된다.

연구팀은 국내 대표 자석 제조기업 노바텍과 협력해 준양산 규모 장비를 구축하고 대량 생산과 상용화를 위한 공정을 최적화하는 작업을 진행 중이다. 지속적인 연구개발을 통해 최대자기에너지적 12MGOe 달성을 목표하고 있다.

박지훈 선임연구원은 “한국이 세계 최초로 Mn-Bi 영구자석 상용화를 실현할 가능성을 확보했다”며 “기술이 성공적으로 상용화된다면 희토류 자석에 대한 의존도를 낮추고 국내 기업이 글로벌 시장에서 경쟁력을 갖추는 데 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.

창원=노동균 기자 defrost@etnews.com

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