국내 연구진, 희토류 사용 줄이면서 더 강한 자성 갖는 나노자석 개발

[이데일리 이연호 기자] 한국연구재단은 좌용호 한양대 교수 연구팀이 기존 희토류 영구자석을 대신해 새로운 코어-쉘(core-shell) 섬유 구조의 나노자석을 개발했다고 12일 밝혔다.

소결형 교환스프링자석 제조 공정 모식도. 코어-쉘(core-shell) 섬유형 복합자석을 제조하고자 전기방사(electrospinning) 공정 및 추가 열처리를 통해 200 nm의 직경과 수십 μm의 길이를 갖는 경자성 Sm-Co 나노섬유를 준비하고, 연자성 Fe-Co 도금을 위해 무전해도금 공정을 진행했다. 그림=한국연구재단.

하이브리드 자동차, 차세대 전기모터, 발전기, 마그네틱 센서 등 산업 전반에 폭넓게 사용되는 영구자석의 새로운 소재로 응용될 것으로 기대된다.

전자제품의 경량화, 초소형화 및 고성능화에 발맞춰 단위 부피당 더 높은 자기적 성능을 갖는 고(高)에너지 밀도의 영구자석 소재가 요구된다. 기존 보자력(保磁力)이 큰 희토류 영구자석에 보자력이 상대적으로 작은 연자성 물질 일부를 도입해 두 물질 계면에서의 자기교환반응을 통해 더 높은 자성을 끌어내는 ‘교환스프링자석(exchange-spring magnet)’이 최근 주목받고 있다.

자기교환반응을 극대화하기 위해서는 희토류와 연자성 물질을 고르게 혼합하는 것과 희토류 표면을 균일한 두께의 연자성 물질로 코팅하는 것이 중요하다.

연구팀은 희토류계 경자성 나노섬유(사마륨-코발트, 200nm의 직경과 수십μm의 길이)에 연자성을 띄는 나노두께의 철-코발트 코팅층을 형성해 코어-쉘 구조의 교환자기결합형 자성 재료를 개발했다.

높은 보자력을 갖는 경자성 소재와 높은 자화값을 갖는 연자성 소재의 시너지 효과에 의해 기존 희토류계 영구자석 대비 자기에너지밀도를 146% 수준으로 끌어올렸다.

인력에 의해 서로 응집되는 데다 고르게 도금하기 어려웠던 기존 구형 소재 대신 섬유형 구조체를 활용하는 한편 비(非)희토류계 도금층의 두께를 조절함으로써 자기적 특성을 향상시켜 고가의 희토류 사용량도 줄일 수 있었다.

연구진은 실용화를 위해 자석의 소결 및 벌크화 관련 연구를 진행하고 있다.

좌용호 교수는 “기존 자성재료의 구조적 문제 및 성능 한계를 극복할 수 있는 가능성을 확인함으로써 향후 미래자성소재 개발을 위한 기초 연구에 이바지할 수 있을 것”이라고 말했다.

과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 미국화학회(Americal Chemical Society, ACS)가 발행하는 국제학술지 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’ 29·30호 표지논문으로 각각 7월 24일, 31일자에 게재됐다.