재료硏, 중희토류 배제 고성능 Nd-Fe-B 영구자석 제조기술 개발

▲ 중희토류 완전배제형 고성능 영구자석 구현을 위한 초미세분말 정렬·탄소제어 공정 모식도

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진)이 고가의 중희토류를 사용하지 않고도 고성능 네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B) 영구자석을 제조할 수 있는 핵심 공정기술을 확보했다. 초미세분말 합성부터 분말 정렬과 소결까지 공정을 통합 개발해 중희토류 의존도를 낮추고 전기차 구동 모터와 로봇 등 첨단산업용 영구자석의 국산화 기반을 마련했다.

한국재료연구원은 나노재료연구본부 김수민·김태훈·이정구 박사 연구팀이 약 1㎛ 크기의 Nd-Fe-B 초미세 단결정 분말을 합성하고, 이를 고성능 소결자석으로 제조하는 정렬·소결 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

Nd-Fe-B 영구자석은 강한 자기력을 바탕으로 전기차 구동 모터와 로봇 관절, 풍력발전기 등에 활용된다. 특히 고온에서 작동하는 구동 모터 등에서는 자성을 유지하는 능력인 보자력을 높이는 것이 중요해 디스프로슘(Dy), 터븀(Tb) 등 중희토류를 첨가해 왔다. 그러나 중희토류는 가격이 비싸고 공급망이 일부 국가에 집중돼 있어 대체 기술 확보가 요구된다.

연구팀은 중희토류 첨가 대신 자석의 결정립을 미세화하는 방식으로 성능을 높이는 데 주력했다. 기존 합금을 기계적으로 분쇄하는 방식에서 벗어나 희토류 산화물을 출발 원료로 사용하는 환원·확산(Reduction-Diffusion·RD) 공정으로 미세한 Nd-Fe-B 결정 입자를 직접 합성했다. 이어 기존 RD 공정에서 문제가 됐던 분말 산화를 해결하는 후처리 기술을 개발해 약 1㎛ 크기의 고순도 초미세분말 제조에 성공했다.

초미세분말을 자석으로 만드는 정렬·소결 공정도 개선했다. 분말이 미세해질수록 입자 간 마찰과 응집으로 자기장 내 정렬이 어려워지는 문제를 해결하기 위해 분말 표면에 윤활제를 코팅하고, 방향과 세기가 점차 변하는 감쇠 교류 자장을 적용해 분말의 배향성과 성형 안정성을 높였다. 또한 수소 보조 공정으로 윤활제에서 유래한 잔류탄소를 줄여 열처리 후 보자력이 저하되는 문제를 개선했다.

이번 연구는 초미세분말 합성과 정렬·소결 공정의 기술적 한계를 각각 극복하고, 이를 연계해 중희토류 없이 고성능 소결자석을 제조할 수 있는 기술적 기반을 확보했다는 데 의미가 있다. 향후 공정 연계와 양산 기술이 확보되면 전기차와 휴머노이드 로봇 등 고성능 영구자석 수요가 큰 산업에서 활용될 것으로 기대된다.

김수민 연구책임자는 “고성능 Nd-Fe-B 영구자석 제조에 필요한 초미세분말 합성과 분말 정렬·소결 공정의 기술적 한계를 각각 극복하고, 고가의 중희토류에 의존하지 않고 자석 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 기술적 접근법을 제시했다”며 “향후 공정 간 연계 및 양산 기술이 확보되면 전기자동차 구동 모터와 휴머노이드 로봇 등 첨단산업 분야에 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 본 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 한국연구재단 ‘나노 및 소재기술개발사업’을 통해 수행됐다. 초미세분말 제조 연구는 금속·재료 분야 학술지 ‘Journal of Alloys and Compounds’에 2026년 7월 14일, 분말 정렬 및 자석 제조 연구는 화학공학 분야 학술지 ‘Chemical Engineering Journal’에 9월 19일 온라인 게재됐다. 연구팀은 관련 기술로 총 9건의 특허를 창출했다.