DGIST, 친환경 산업용 고성능 영구자석 제조 기술 개발

대구경북과학기술원(DGIST) 나노기술연구부 김동환·김정민 공동연구팀이 기존 방식의 한계를 극복한 새로운 영구자석 제조 공정을 개발했다. 이번 연구는 자석의 성능을 높이는데 중요한 확산 기술을 혁신적으로 개선해 전기자동차와 풍력 발전기, 로봇 등 다양한 친환경 산업 분야에 활용 가능성을 열었다.

최근 전기차와 풍력발전 산업이 빠르게 성장하면서 강력하면서도 고온 환경에서 안정적으로 작동할 수 있는 영구자석의 수요가 급증하고 있다. 대표적 고성능 자석인 네오디뮴(Nd-Fe-B) 영구자석은 전기차 모터에 주로 쓰인다.

그러나 이 자석은 고온에서 자기 성능이 떨어지기 때문에 성능을 보완하기 위해 희귀 원소인 중희토류(Tb, Dy)를 첨가해야 한다. 문제는 이 원소가 희귀하고 비싸다는 점이다.

이를 해결하기 위해 널리 사용되는 방법이 입계확산 공정이다. 자석 표면에 소량의 중희토류를 침투시켜 성능을 높이는 기술인데 확산이 표면에만 머물러 자석 내부까지 깊게 퍼지지 못하는 한계가 있었다. 이 때문에 두꺼운 자석에는 적용하기 어려웠다.

김동환·김정민 공동연구팀은 이 한계를 극복하기 위해 방전 플라즈마 소결이라는 제조 기술과 입계확산을 결합했다. 또 자석을 분말 상태에서 만들 때 미리 확산 물질을 혼합해 자석 전체에 골고루 확산이 일어나도록 한 것이다. 그 결과 기존 방식보다 확산 깊이가 훨씬 깊어졌고 자석 전체가 균일하게 성능을 발휘하는 코어-쉘(core-shell) 구조를 구현할 수 있었다.

특히, 동일한 양의 희토류 원소를 사용했음에도 기존보다 확산 효율이 높고 성능도 크게 향상되는 것을 확인했다. 이는 자석을 더 작고 가볍게 만들면서도 강력한 성능을 유지할 수 있음을 의미하며 앞으로 전기차 모터의 소형화·경량화와 에너지 효율 향상에 기여할 것으로 기대된다. 또 입계확산 공정을 대형 자석에도 적용할 수 있는 가능성을 열었다.

김동환 책임연구원은 “이번 연구는 기존 입계확산 기술의 한계를 넘어 자석 전체에서 균일한 성능을 낼 수 있는 방법을 제시했다”며, “특히 전기차와 풍력 발전 등 친환경 에너지 산업에서 요구되는 고성능 영구자석 개발에 중요한 기여를 할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 DGIST 기관고유사업, 경북대학교 탄소중립 지능형 에너지시스템 지역혁신 선도연구센터, 성림첨단산업(주)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 2025년 국내 특허 등록 및 미국 출원과 함께 금속 재료 분야의 저명한 국제 학술지 저널 오브 엘로이즈 앤 컴파운즈(Journal of Alloys and Compounds)에 게재됐다.