희토류 사용 줄이고도 자성 강화된 나노자석 개발돼

[산업일보]
전자제품의 경량화, 초소형화 및 고성능화에 발맞춰, 단위 부피당 더 높은 자기적 성능을 갖는 고(高)에너지 밀도의 영구자석 소재가 요구된다.

기존 보자력이 큰 희토류 영구자석에 보자력이 상대적으로 작은 연자성 물질 일부를 도입해 두 물질 계면에서의 자기교환반응을 통해 더 높은 자성을 끌어내는 ‘교환스프링자석(exchange-spring magnet)’이 최근 주목받고 있다.

자기교환반응을 극대화하기 위해서는 희토류와 연자성 물질을 고르게 혼합하는 것과 희토류 표면을 균일한 두께의 연자성 물질로 코팅하는 것이 중요하다.

이에 한국연구재단(이사장 노정혜)은 좌용호 교수(한양대) 연구팀이 기존 희토류 영구자석을 대신해 새로운 코어-쉘(core-shell) 섬유 구조의 나노자석을 개발했다고 밝혔다.

이번에 개발된 나노자석은 하이브리드 자동차, 차세대 전기모터, 발전기, 마그네틱 센서 등 산업 전반에 폭넓게 사용되는 영구자석의 새로운 소재로 응용될 것으로 기대된다.

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.

연구진에 따르면, 기존에 제안된 비희토류계 코어-쉘 복합자석과 달리 본 연구에서는 자성 특성이 뛰어난 희토류 기반 복합자석의 제조를 보였으며, 일차원 형상을 통해 자가 응집 방지 및 형상 이방성을 높이는 효과를 보였다.

연구를 통해 얻은 ‘코어-쉘 구조를 갖는 섬유형 복합 나노자석’은 1차원 구조에 기인한 형상 이방성 향상 및 연·경자성 계면 간 자기교환결합효과에 기인한 최대자기에너지적의 증가를 통해, 현존 최고의 자석인 희토류 단일상을 능가하는 자기적 특성을 확보할 수 있었다.

연구팀이 제시한 1차원의 교환스프링자석 모델은 기존 0차원 소재와 비교해 146% 수준까지 자기적 특성을 증가시켰다는 면에서 그 우수성을 인정받았을 뿐만 아니라 희토류 소재 사용의 저감 효과 또한 제공해 기존 소재의 대체 및 차세대 자성재료로의 응용에 적용이 가능할 것으로 기대되고 있다.