[동아사이언스] 희토류 자석

비싼 희토류 사용 줄인 값싸고 강한 차세대 자석 기술 개발

윤신영 기자 입력 2019.08.12 12:00

국내 연구팀이 나노 섬유 형태로 희토류 자성 물질을 가공한 뒤 다시 다른 물질을 코팅하는 방식으로 기존보다 성능을 높인 자석을 개발했다. 전기차와 소형 전자기기에 활용될 것으로 기대된다. 한국연구재단 제공

국내 연구팀이 값비싼 희토류 사용을 줄이면서도 전기모터나 발전기, 자성 센서 등 산업에 널리 쓰이는 자석의 성능을 강화한 새로운 나노 자석을 개발했다. 전기자동차는 물론 초소형 가전과 센서에 활용할 차세대 미세 자석을 개발하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

한국연구재단은 좌용호 한양대 재료화학공학과 교수와 이지민 연구원팀이 단위 부피당 자성이 높은 고에너지 영구자석 소재를 개발했다고 12일 밝혔다.

최근 전자공학계는 작고 가벼운 자석에 주목하고 있다. 전자제품 및 기계의 초소형, 고성능화에 발맞추기 위해서다. 이를 위해 자기장이 제거돼도 자성을 유지하는 능력이 큰 희토류를 쓰는 자석에 자기장이 제거되면 자성이 쉽게 사라지는 ‘연자성 물질’을 섞어 두 물질의 경계면(인터페이스)에서 더 높은 자성이 나타나는 ‘교환스프링자석’이라는 새로운 자석을 연구 중이다.

교환스프링자석의 효율을 높이려면 연자성 물질을 고르게 혼합하는 기술과 희토류 표면에 연자성 물질을 균일한 두께로 코팅하는 게 중요하다. 보통 희토류를 공 모양으로 빚은 뒤 연자성 물질을 코팅했는데, 공 모양 물질에 코팅하기가 어려워 자석의 성능을 높이기 어려웠던 단점이 있었다.

좌 교수팀은 희토류를 쓴 나노섬유 자석을 만들어 이 문제를 해결했다. 굵기가 200nm(나노미터. 1nm는 10억 분의 1m)이고 길이가 수십 μm(마이크로미터, 1 μm는 100만 분의 1m)인 사마륨-코발트 나노섬유를 만들었다. 여기에 연자성 철-코발트를 수 nm 두께로 코팅해 효율 높은 새로운 자석을 개발했다.

소결형 교환스프링자석 제조 공정을 단계별로 표현했다. 한국연구재단 제공

연구팀의 성능 실험 결과 이 자석은 기존 희토류 자석에 비해 단위 부피당 내는 자성이 1.46배 정도로 높았다. 또 값비싼 희토류의 사용량도 줄일 수 있어 자석의 가격도 낮췄다.

연구팀은 현재 실용화를 위해 자석을 크게 만드는 등 후속 연구를 진행 중이다. 좌 교수는 “기존 자성재료의 성능 한계와 구조적 문제를 극복할 수 있게 됐다”며 “미래 자성소재 개발을 위한 기초연구에 도움이 될 것”이라고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘미국화학회(ACS) 응용재료 및 인터페이스’ 24일과 31일자에 발표됐다.

[윤신영 기자 ashilla@donga.com]