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한국재료연구원(KIMS)이희토류 원소를 사용하지 않고도 강력한 자석 성능을 발휘하는 망간-비스무스(Mn-Bi)영구자석 제조 기술을 나노재료연구본부 박지훈, 김종우 박사연구팀이개발했다고 26일 밝혔다.

기존 영구자석 산업은 네오디뮴(Nd)과 같은 희토류 원소가 주요 재료로 사용됐다. 이로 인해 중국의 희토류 공급 정책 변화와 가격 변동성에 민감하게 반응했다.희토류 없이도 고성능을 발휘할 수 있는 대체 기술 개발이 요구됐던 배경이다.

비희토류 소재인 Mn-Bi가 대안으로 주목받았으나, 이 소재는 고온에서 분말을 압축해 단단한 덩어리로 만드는 소결 공정에서 쉽게 산화되거나 상분해되면서 순도가 낮아지는 한계가 있었다. 강한 자성을 가지려면 저온상(LTP) 고순도를 유지해야 하는데, 소결 과정에서 이를 유지하기 어려웠기 때문이다.

재료연구원 연구팀은 이러한 한계를 극복하는 해결책으로 대량 생산이 가능한 공정을 통해 고순도 단자구 크기의 Mn-Bi 분말을 개발했다. 또한 새로운 설계의 저온 소결 기술을 적용해 자석의 밀도를 95% 이상 높였다. 연구팀은 이를 통해 최대 자기 에너지적 10.5MGOe를 안정적으로 구현하며 성능을 입증했다.

개발된 Mn-Bi 영구자석은 소결 이후에도 자성이 유지되고 산화나 분해 현상이 발생하지 않아 벌크화와 상용화 수준의 대량 생산이 가능하다는 장점이 있다. 이 기술은 전기차 모터, 발전기, 반도체 부품 등 다양한 산업에 적용할 수 있으며, 기존의 페라이트(Ferrite) 자석을 사용하던 전동기를 소형화하고 효율도 높일 수 있을 것으로 전망된다.

해당 기술은자석 제조기업인 노바텍에 기술이전을 진행 중이다. 이 기술이 상용화되면 비희토류 기반의 Mn-Bi 영구자석이 산업에 적용되는 사례가 될 전망이다.연구팀은 노바텍과 협력하여 준양산 규모의 장비를 구축하고, 대량 생산과 상용화를 위한 공정을 최적화하고 있다.

향후 연구팀은 지속적인 연구개발을 통해 최대 자기 에너지적 12MGOe 수준의 자석 제조를목표로 하고 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 내다봤다.

/육지훈 기자 editor@popsci.co.kr