재료硏, 두꺼운 자석 성능·발열 동시 개선 기술 개발…고부가 시장 공략

한국재료연구원(KIMS)이 두꺼운 자석에서도 성능 저하 없이 보자력을 유지하면서 발열까지 줄일 수 있는 차세대 자석 제조 기술을 세계 최초로 개발했다. 전기차 구동 모터 등 고출력 장비에 적용되는 자석의 효율과 안정성을 동시에 높일 수 있는 기술로, 향후 차세대 모터 성능 향상에 기여할 것으로 기대된다.

한국재료연구원은 나노재료연구본부 김수민·이정구 박사 연구팀이 ‘샌드위치 구조 기반 입계확산·접합 공정’을 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 자석을 여러 층으로 쌓은 뒤 결합하는 방식으로, 자석 표면뿐 아니라 층 사이 접합 계면에서도 확산이 이루어지도록 설계한 것이 특징이다. 이를 통해 두꺼운 자석 내부까지 균일한 보자력을 확보할 수 있게 됐다.

전기차와 풍력발전기 등에 사용되는 네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B) 자석은 강한 자성을 지니지만 고출력 모터에 적용하기 위해 자석의 크기와 두께를 키울 경우 내부까지 보자력을 높이기 어려운 한계가 있었다. 특히 고속 구동 환경에서는 자석 내부에 와전류가 발생해 발열이 증가하고, 이는 자석 성능 저하와 모터 효율 감소로 이어지는 문제가 지적돼 왔다.

기존에는 이러한 문제를 해결하기 위해 고온에서도 자성을 유지할 수 있도록 중희토 원소를 사용하는 방식이 활용됐으나 높은 가격과 제한된 공급망이 부담으로 작용했다. 또한, 자석 표면에 중희토를 코팅해 내부로 확산시키는 입계확산 공정은 표면 중심 확산에 그쳐 두꺼운 자석 내부까지 효과가 충분히 전달되지 않는 구조적 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 개선하기 위해 저융점 경희토인 프라세오디뮴(Pr) 합금을 접합 계면에 적용해 자석 내부에서도 확산이 시작되도록 설계했다. 이를 통해 자석 전체에 걸쳐 균일한 성능을 구현하는 동시에 고가의 중희토 사용을 줄일 수 있는 가능성을 제시했다.

아울러 자석 내부에 전기 흐름을 억제하는 고비저항 구조를 형성해 와전류 발생을 감소시키고 발열 문제를 동시에 해결했다. 특히 기존의 자석 분할, 입계확산, 절연 접합 과정을 별도로 수행하던 방식과 달리, 단일 공정으로 보자력 향상과 비저항 증가를 동시에 구현해 공정 단순화와 함께 자성·전기적 특성·구조적 안정성을 모두 개선한 것이 특징이다.

이번 기술은 전기차 구동 모터를 비롯해 고효율 산업용 전동기, 풍력발전용 발전기 등 다양한 분야에 적용될 수 있으며 고특성 대형 자석이 요구되는 전기 선박 등 신규 시장으로의 확장 가능성도 제시됐다. 또한, 고성능 자석의 국산화와 수입 의존도 완화에도 기여할 것으로 기대된다.

김수민 선임연구원은 “두꺼운 자석에서도 높은 보자력을 확보하면서 발열 문제까지 동시에 해결한 것이 핵심”이라며 “보자력 향상, 비저항 증가, 접합 공정을 하나로 통합한 점에서 기존 기술과 차별화된다”고 설명했다. 이어 “전기차 모터뿐 아니라 대형 자석이 필요한 다양한 응용 분야에서 경쟁력을 가질 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 산업통상자원부 소재부품기술개발사업 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 국제 학술지 ‘스크립타 머테리얼리아’(Scripta Materialia, IF=5.6)에 지난 3월 18일 온라인 게재됐다. 현재 연구팀은 실제 전동기 적용을 위한 후속 연구를 진행 중이다.

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