희토류 영구자석 대체하나 … 국내 연구진, 나노자석 개발
희토류 영구자석 대체하나 … 국내 연구진, 나노자석 개발
경자성 나노섬유를 연자성 물질로 감싼 코어-쉘 구조

희토류 영구자석 대비 자기에너지밀도 146% 수준
  • 박정식 기자
  • 승인 2019.08.12 13:11
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[헬스코리아뉴스 / 박정식 기자] 기존 희토류 영구자석을 대신해 미세 기계 장치, 마그네틱 센서, 차세대 전기 모터 등 영구자석 산업에 폭넓게 적용할 수 있는 차세대 영구자석이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

12일 한국연구재단에 따르면 한양대 좌용호 교수 연구팀이 기존 희토류 영구자석을 대신해 새로운 코어-쉘(core-shell) 섬유 구조의 나노자석을 개발했다.

 

소결형 교환스프링자석 제조 공정 모식도. (그림=한국연구재단)
소결형 교환스프링자석 제조 공정 모식도. (그림=한국연구재단)

연구팀은 희토류계 경자성 나노섬유(사마륨-코발트, 200 nm의 직경과 수십 μm의 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.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐다. 연구성과는 미국화학회(Americal Chemical Society, ACS)가 발행하는 국제학술지 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’ 29·30호 표지논문으로 각각 7월24일, 31일자에 게재됐다.

 

구조체의 형태에 따른 무전해도금 결과와 자기적 특성. (그림=한국연구재단)
구조체의 형태에 따른 무전해도금 결과와 자기적 특성. (그림=한국연구재단)

아래는 좌용호 교수와의 미니 인터뷰.

■ 연구를 시작한 계기나 배경은?

전자기기들이 가벼워지고, 작아지기 위해서는 그 내부에 들어가는 부품 또한 가볍고 작아져야하며 동시에 높은 효율을 지녀야 한다. 특히나 하이브리드 또는 전기 자동차 성능을 높이려면 가볍고 특성이 매우 뛰어난 전기모터가 요구된다. 하지만 자성 재료마다 특성 임계점이 있어, 이론적으로 기대되는 물성 그 이상으로는 특성 향상을 이뤄내기가 일반적으로 매우 어렵다.

이를 보완하여 경·연자성 복합체인 ‘교환스프링자석(exchange-spring magnet)’이 최근 많이 연구되는데, 복합체 제조 과정에서 발생하는 ‘자성 입자의 응집’ 및 ‘경·연자성 물질 계면 간 불균일한 교환자기결합효과’와 같은 문제를 해결하고자 ‘일차원 섬유 형상의 자성체’를 아이디어로 하여 본 연구를 시작하게 되었다. 전기화학 공정 진행과 관련하여 소중한 조언을 얻고자 가천대 임재홍 교수님, 그리고 자성 소재에 대한 이해와 개념 확립을 위해 한양대 김종렬 교수님으로부터 많은 도움을 받았다.

 

■ 이번 성과, 무엇이 다른가?

나노 소재에서는 구조체의 주된 성장 방향 또는 크기에 따라 구형의 0차원, 섬유형(막대형)의 1차원, 그리고 필름형의 2차원 소재로 구분 지을 수 있다. 하지만 기존 영구자석 소재 연구는 주로 0차원, 2차원의 소재만 다룰 뿐 1차원 구조에 대한 연구는 찾아보기가 어려웠다. 1차원이 과연 답이 아닐까 하는 생각에 시작하게 된 연구를 통해, 0차원 구조체와 확연한 자성 물성 차이를 보이는 1차원 구조체의 뛰어난 특성 뿐만 아니라 1차원 구조체만이 갖는 고유한 형상 이방성 덕분에 추가적인 자기적 물성 향상 결과까지 얻을 수 있었다.

 

■ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?

본 연구의 희토류 기반 교환스프링자석은 기존 단일상의 희토류 소재 대비, 46%에 달하는 최대자기에너지적의 증대 효과 및 희토류 소재 사용의 저감 효과를 제공하며, 기존 소재의 대체가 가능할 뿐만 아니라 전반적인 영구자석 산업(예, 하이브리드 및 전기 자동차 등 차세대 전기 모터, 발전기, 스마트 모빌리티, 마그네틱 센서, 전자 기계 시스템, 자동 제어 공학, 미세 기계 장치, 본드 마그넷 등)에 폭 넓게 적용이 가능할 것으로 예상된다. 향후 실용화를 위해 나노 자석의 소결 및 벌크화 관련 연구가 현재 진행 중이다.

 

■ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

나노섬유 합성이 가능한 전기방사공정(electrospinning process) 중에는 액상 용매가 일부 휘발되어야 고른 섬유 형상을 얻을 수 있기에 온·습도 제어가 매우 중요하다. 지금은 제습 시스템이 잘 갖추어져 날씨에 상관없이 재현성 높은 실험이 가능하지만, 처음 예비실험을 진행하던 단계에는 여름과 겨울에 실험한 결과가 다르게 나왔고, 특히 비 오는 날처럼 습도가 높은 날 방사를 하면 포집된 섬유들이 주변 습기 때문에 다 녹아버리는 경우가 잦았다.

당시엔 제습 시스템을 갖추지 못해 냉장고만한 아크릴 박스 안에 전기방사 장치를 세팅하고, 아크릴 박스 벽 한 켠에 구멍을 뚫어 헤어드라이어 ‘강풍’을 30시간 이상 쐬어주면서 적정 온·습도를 유지하고자 했었는데, 불안한 마음에 학생들과 함께 방사 장비 앞에서 노심초사 했던 기억이 난다.


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