DGIST, 중희토 사용 줄인 차세대 영구자석 입계확산공정 개발

[대구=뉴시스] 박준 기자 = 대구경북과학기술원(DGIST) 나노기술연구부 김정민·김동환 연구팀은 기존 입계확산기술의 한계를 극복한 새로운 Nd-Fe-B(네오디뮴-철-붕소) 영구자석 입계확산원 코팅 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

이번 연구를 통해 중희토 사용량을 획기적으로 줄이면서도 자석 성능을 확보할 수 있는 기술적 방향을 제시했다.

최근 전기차와 풍력발전 등 고효율 모터 및 발전 시스템 수요가 증가함에 따라 고온 환경에서도 자기 특성을 안정적으로 유지할 수 있는 Nd-Fe-B 영구자석의 성능 향상 기술 중요성이 커지고 있다.

이를 보완하기 위해 중희토(Tb, Dy)를 활용하는 방식이 널리 적용되고 있으나 높은 비용과 공급 불안정성으로 인해 중희토 사용을 최소화하면서도 성능을 확보할 수 있는 공정 전략이 요구되고 있다.

이러한 요구에 대응하는 대표적인 기술이 입계확산공정(Grain Boundary Diffusion Process, GBDP)이다.

이 공정은 자석 표면에 코팅된 중희토가 자석 내부로 확산되며 결정립 표면에 중희토 쉘을 형성해 자기 특성을 향상시키는 방식이다.

그러나 기존 슬러리 기반 습식 코팅은 코팅량과 코팅면을 정밀하게 제어하기 어렵고 공정 과정에서 폐확산소스가 발생해 자원 손실이 크다는 한계가 있다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 분말형 확산소스를 필요한 면에만 선택적으로 정밀 코팅할 수 있는 건식 스탬프 코팅 기술을 새롭게 개발했다.

이 기술은 슬러리 기반 습식 코팅을 대체할 수 있으며 폐확산소스 발생을 줄이고 분말 기반 공정 특성상 산화 억제에도 유리하다.

또한 슬러리 제조 공정이 필요 없어 전체 공정을 단순화하고 공정 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

연구팀은 성능 측면에서도 스탬프 코팅 기술의 효과를 확인했다.

특히 확산소스 조성 설계를 통해 기존 중희토 단독 사용 방식에서 벗어나 중희토를 경희토와 전이금속으로 대체하는 전략을 적용해 중희토 사용량을 약 80%까지 줄였다.

또 Tb 단독 확산 시 발생하는 자석 표면 축적 및 소진 문제를 Pr 첨가로 개선해 Tb 활용 효율을 높였으며 중희토 저감과 고성능을 동시에 달성할 수 있는 새로운 확산소스 설계 방향을 제시했다.

김정민 책임연구원은 "이번 연구는 기존 코팅 공정의 한계를 보완하는 동시에 확산소스 조성 설계 전략을 함께 제시함으로써 중희토 사용을 크게 줄이면서도 영구자석의 성능을 확보할 수 있는 기술적 방향을 제시했다"며 "친환경 모빌리티와 에너지 산업에서 요구되는 고성능 영구자석 기술 개발에 의미 있는 기여를 할 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구는 DGIST 기관고유사업과 경북대학교 탄소중립 지능형 에너지시스템 지역혁신 선도연구센터, 성림첨단산업(주)의 지원을 받아 수행됐다.

연구 성과는 2025년 국내 특허 등록과 함께 금속재료 분야의 국제 학술지 저널 오브 머테리얼스 리서치 테크놀로지(Journal of Materials Research and Technoloy)에 게재됐다.


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