DGIST, 전기차 모터용 영구자석 핵심 기술 개발… 고가 희토류 사용량 절감

중희토류 과도 축적 원인 규명… 자석 성능 유지하면서 사용량 줄여
희토류 공급망 불안·제조 원가 부담 완화 기대
연구 결과 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널' 게재

(왼쪽부터)DGIST 김정민 나노기술연구부장,김동환 책임연구원,정현종 석박사통합과정,KNU Viltalii Galkin 박사후연구원,이동현 박사과정. DGIST 제공

대구경북과학기술원(DGIST) 연구팀이 전기차 모터 등에 사용되는 고성능 영구자석의 핵심 소재인 중희토류 사용량을 80% 줄이면서도 기존과 유사한 자기 성능을 유지하는 기술을 개발했다. 가격이 비싸고 공급망이 불안정한 희토류의 사용 효율을 높여 제조 비용을 낮추는 데 기여할 전망이다.

DGIST는 나노기술연구부 김정민·김동환 연구팀은 영구자석 제조 과정에서 중희토류가 불필요하게 소모되는 원인을 규명하고, 이를 최소화할 수 있는 소재 설계 기술을 개발했다고 10일 밝혔다.

이번 연구는 DGIST 기관고유사업과 경북대 탄소중립 지능형 에너지시스템 지역혁신 선도연구센터, 성림첨단산업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 화학·재료공학 분야 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 게재됐다.

네오디뮴(Nd-Fe-B) 영구자석은 전기차 구동 모터와 풍력발전기 등에 사용되는 핵심 부품이다. 특히 고온에서도 자석이 자성을 유지하도록 하는 데 중희토류가 활용되지만, 가격이 높고 공급망이 불안정해 사용량을 줄이는 것이 주요 기술 과제로 꼽힌다.

기존에는 자석 표면에 중희토류를 바른 뒤 열처리해 내부로 스며들게 하는 '입계확산 공정'이 주로 활용됐다. 중희토류가 자석 내부 결정립의 경계를 따라 확산하면서 결정립 표면에 얇은 껍질 형태의 층을 형성해 자석의 보자력(자성을 유지하는 능력)을 높이는 방식이다.

그러나 이 과정에서 중희토류가 자석 내부로 고르게 퍼지지 않고 표면 부근에 과도하게 축적되면 불필요하게 두꺼운 층이 형성돼 고가의 중희토류가 낭비되는 문제가 있었다.

연구팀은 이러한 현상의 원인을 분석하고, 자석에 포함된 경희토류의 비율을 고려해 표면에 도포하는 확산물질의 조성을 새롭게 설계했다. 이를 통해 중희토류가 특정 부위에 과도하게 축적되는 현상을 억제하고, 결정립 표면에 얇고 균일한 층이 형성되도록 했다.

실험 결과 기존의 디스프로슘(Dy) 단일 물질을 사용하는 방식과 비교해 디스프로슘 사용량을 80% 줄이면서도 기존과 동등한 수준의 자기 성능을 확보한 것으로 나타났다.

이번 연구는 고가의 중희토류를 보다 효율적으로 활용할 수 있는 소재 설계 방안을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 연구팀은 향후 중희토류를 사용하지 않고 상대적으로 저렴한 경희토류만 활용하는 차세대 영구자석 공정 개발에도 이번 기술을 응용할 수 있을 것으로 보고 있다.

김정민 DGIST 나노기술연구부 책임연구원은 "이번 연구는 고가 중희토류의 이동과 분포를 정밀하게 제어해 사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 소재 설계 전략을 제시한 것"이라며 "이를 경희토류 기반 공정에도 확대 적용해 희토류 자원의 효율적 활용과 차세대 고성능 영구자석의 기술 경쟁력 강화에 기여하겠다"고 말했다.