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한양대 희토류 46%가량 줄인 나노자석 개발양산 전단계 수준...연구재단 지원받아
한양대학교 나노자석 연구팀이 최근 연구실에서 기념촬영했다. 왼쪽부터 김종렬교수, 좌용호교수, 이지민 연구원, 황태연 연구원, 강민규 연구원, 이규태 연구원.
<좌용호 한양대 교수>

[취재]영구자석 희토류 사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 ‘코어-쉘’ 섬유 구조의 나노자석이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

희토류는 중국이 일본에 수출금지령을 내렸던 품목으로 첨단 제품이나 군사장비 제조에 반드시 쓰이는 재료다. 중국이 전세계 생산량의 71%를 차지하고 있다. 소비량도 69%나 된다.

연구를 주도한 좌용호 한양대 재료화학공학과 교수는 “양산공정에 가깝게 기술이 개발됐다”면서 “대량생산을 하기 위해서는 스케일 업과 소결 등 일부 공정 연구를 좀더 진행해야할 것으로 본다”고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 진행됐다. 연구결과는 미국화학회(Americal Chemical Society, ACS)가 발행하는 국제학술지 'ACS 어플라이드 머터리얼즈앤 인터페이스(Applied Materials & Interfaces)' 29와 30호에 연속 표지논문으로 게재(7월24일자, 31일자)됐다.

이 연구의 활용처는 영구자석이 쓰이는 차세대 전기모터(하이브리드 및 전기 자동차 등), 발전기, 스마트 모빌리티, 마그네틱 센서, 전자 기계 시스템, 자동 제어 공학, 미세 기계 장치, 본드 마그넷 등 산업 전반에 걸쳐 있다.

이번에 개발한 나노 자석은 단위 부피당 기존 자석대비 더 높은 자기적 성능을 갖기 때문에 전자제품을 경량화하거나 초소형화 또는 고성능화하는데 보다 유리하다.

◇기존 방식의 4가지 문제

기존의 비희토류계 기반 교환스프링자석은 실제 산업에서 가장 많이 활용되는 고에너지밀도의 희토류 자석을 대체하기 어려운게 현실이다.

또 볼 밀링 등 단순 혼합에 의해 제조되는 교환스프링자석은 적층구조(layer-by-layer) 또는 코어-쉘(core-shell) 구조를 갖는 교환스프링자석 대비 경·연자성 두 개의 상이 상호작용을 하는 부분이 매우 제한적이다. 자기적 특성을 향상시킬 정도의 효율적인 자기교환결합효과를 기대하기가 어렵다는 것이다.

구조체 형태에 따른 무전해도금 결과와 자기적 특성을 나타낸 그림. 구형의 경자성체는 자기적 인력에 의한 자가 응집(self-aggregation) 때문에 고르지 못한 도금층과 자성 특성이 저하(아래 빨강색 그래프)하는 반면, 섬유형 구조체(아래 파랑색 그래프)는 응집 방지 및 추가적인 자성 특성 향상까지 나타났다.

코어-쉘 구조를 합성하기 위해 일반적으로 경자성체에 연자성 도금을 거치나, 경자성체가 0차원의 구조를 가질 경우(예, 구형 입자) 도금 공정 중 자기적 인력에 의해 자가 응집(self-aggregation)되기 쉬운 단점이 있다. 결과적으로 고르지 못한 도금 결과와 자성 특성의 저하가 유발된다는 것이다.

2차원 복합 자석구조(예, 필름)에서는 균일한 경·연자성 층 및 가장 밀집한 적층 구조를 얻을 수 있다는 장점이 있으나, 대량생산이 어려워 실용화가 쉽지 않다.

◇자성 46% 늘린 교환스프링 자석 만들어

연구진이 이 같은 4가지 문제를 해결했다.

기존의 보자력(자기장이 제거되어도 자성을 유지하는 능력)이 큰 희토류 영구자석에 보자력이 상대적으로 작은 연자성 물질 일부를 도입해 두 물질 계면에서의 자기교환 반응을 통해 더 높은 자성을 끌어내는 ‘교환스프링자석(exchange-spring magnet)’을 만들었다.

연구진은 자기교환반응을 극대화하기 위해 희토류와 연자성 물질을 고르게 혼합하고, 희토류 표면을 균일한 두께의 연자성 물질로 코팅했다.

연구팀은 희토류계 경자성 나노섬유(사마륨-코발트, 200 nm의 직경과 수십 μm의 길이)에 연자성을 띄는 나노두께의 철-코발트를 감싸 코어-쉘 구조의 교환자기결합형 자성 재료를 개발하는데 성공했다.

좌용호 교수는 “기존 희토류계 영구자석 대비 자기에너지밀도를 46% 이상 높일 수 있었다”며 “또 비희토류계 도금층의 두께도 조절하는 방법으로 자기적 특성을 향상시켜 고가의 희토류 사용량을 에너지 밀도 증가폭 이상으로 줄였다”고 말했다.

희토류 사용을 기존 대비 최소 46%는 줄일 수 있다는 얘기다.

좌용호 교수는 “그동안 1차원 소재를 이용한 영구자석 연구는 사실 섬유형태여서 만들기가 쉽지 않았던 것이 사실”이라며 “향후 미래자성소재 개발을 위한 기초 연구에 크게 기여할 것”으로 내다봤다.

논문명
Exchange-Coupling Interaction in Zero- and One-Dimensional Sm2Co17/FeCo Core–Shell Nanomagnets.

저자
△제1저자 : 이지민(한양대학교)
△교신저자 : 좌용호 교수(한양대학교),
△공저자 : 김지원 박사(고등기술연구원), 김단비(부경대학교), 이규태(/한양대학교), 오영빈(한양대학교), 황태연 박사 (한국과학기술연구원), 임재홍 교수(가천대학교), 조홍백 교수(한양대학교), 김종렬 교수(한양대학교)

■제1저자 이지민 한양대 연구원

<이지민 연구원>

“나노섬유 합성이 가능한 전기방사공정(electrospinning process) 중에 액상 용매가 있는데, 이 용매는 일부 휘발돼야 고른 섬유 형상을 얻을 수 있는 특성이 있습니다. 이를 휘발시키기 위해 온·습도 제어가 매우 중요하죠. 그런데 당시 실험실에 제습시스템이 없었습니다. 이 때문에 늘 노심초사했습니다.”

이번 연구결과의 제1저자인 이지민 연구원(한양대 재료화학공학과 박사과정)은 “비만 오면 포집된 섬유들이 습기에 녹아 제습에 매달려야 했다”며 “냉장고만한 아크릴 박스 안에 전기 방사 장치를 세팅하고, 헤어드라이어기를 30시간 이상씩 틀어 제습 및 온도를 유지 했다”고 초기 연구과정에 대해 술회했다.

이지민 연구원은 연구 배경에 대해 “복합체 제조 과정에서 발생하는 ‘자성 입자의 응집’ 과 ‘경·연자성 물질 계면 간 불균일한 교환자기결합효과’와 같은 문제를 해결하기 위해 ‘1차원 섬유 형상의 자성체’를 연구하게 됐다”고 설명했다.

그동안 영구자석 소재 연구는 주로 구형의 0차원이나 필름형의 2차원 소재를 대상으로 이루어졌다. 1차원 연구는 섬유형으로 만들어야 하는데, 이 섬유형으로 만드는 작업이 생각만큼 쉽지 않이 좋은 특성을 가지고 있음에도 연구가 일반화되지 않았었다고 이 연구원은 덧붙였다.

박희범 기자  snews@s-news.kr

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