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희토류 줄인 더 강한 영구자석 개발···차세대 소재 기대

좌용호 한양대 교수팀, '코어-쉘' 섬유 구조 나노자석 개발
하이브리드 자동차·전기모터·발전기 등의 신소재로 응용 기대
최근 전자 제품의 경량화, 초소형화, 고성능화에 따라 보다 향상된 영구자석 소재가 요구된다. 희토류 소재로는 특성 임계점으로 개발에 제한이 있다. 이에 희토류 영구자석의 특성을 증대시킬 교환스프링 자석이 주목돼 왔다. 국내 연구진은 비싼 희토류를 적게 쓰면서도 에너지밀도가 높은 나노자석을 만들었다. 

한국연구재단(이사장 노정혜)은 좌용호 한양대학교 교수팀이 기존 희토류 영구자석을 대신해 코어 쉘(core-shell) 섬유 구조의 나노자석을 개발했다고 12일 밝혔다.  

영구자석은 영구적으로 자성을 나타내는 자석이다. 이 자석은 전기에너지를 기계에너지로 바꿀 수 있어 액추에이터, 모터, 센서 등에 쓰인다.

전자기기나 전기자동차 등을 가볍게 하려면 내부에 들어가는 모터도 가벼워야 한다. 따라서 단위 부피당 더 높은 자기적 성능을 갖는 고에너지 밀도의 영구자석 소재가 필요하다.


연구팀은 자성 유지 능력이 강한 '강자성' 물질과 자성 유지 능력이 약한 '연자성' 물질을 섞어 새로운 소재를 개발했다. 강자성 물질인 희토류계 나노섬유에 연자성 물질인 '철-코발트'를 얇게 감싼 '코어-쉘' 구조의 교환자기결합형 자성 재료다. 새로운 자성 재료의 자기에너지 밀도는 희토류만으로 구성된 영구자석 밀도보다 146% 크다.

소결형 교환스프링자석 제조 공정 모식도. 여러 공정을 거쳐 직경 200㎚에 길이 수십 ㎛인 섬유형 희토류 경자성체를 제조한다. 그다음 철, 코발트, 니켈 등 연자성 물질을 나노 두께로 코팅해 경·연자성 복합체를 만든다. <그림=한양대 제공>소결형 교환스프링자석 제조 공정 모식도. 여러 공정을 거쳐 직경 200㎚에 길이 수십 ㎛인 섬유형 희토류 경자성체를 제조한다. 그다음 철, 코발트, 니켈 등 연자성 물질을 나노 두께로 코팅해 경·연자성 복합체를 만든다. <그림=한양대 제공>

연구팀이 사용한 희토류계 자성체의 모양이 긴 나노섬유형이라는 것도 주목할 만하다. 기존에 사용된 '구형' 자성체는 자가 응집 현상이 일어나 코팅을 고르게 하기 어렵고 자성이 떨어졌다.

반면, 섬유형 구조체는 응집되지 않고 자성 특성도 높다. 또한, 코팅 물질인 
비(非)희토류계 자성체의 두께를 조절하면 자기적 특성이 높아져, 비싼 희토류의 사용량을 줄일 수 있다.

구형의 경자성체(위쪽)는 자가 응집 때문에 도금층을 고르게 바르기 어렵고, 자성 특성이 저하된다. 반면, 섬유형 구조체(아래쪽)는 응집이 방지되고 자성 특성 향상까지 기대할 수 있다. <그림=한양대 제공>구형의 경자성체(위쪽)는 자가 응집 때문에 도금층을 고르게 바르기 어렵고, 자성 특성이 저하된다. 반면, 섬유형 구조체(아래쪽)는 응집이 방지되고 자성 특성 향상까지 기대할 수 있다. <그림=한양대 제공>

나노자석은 하이브리드 자동차, 차세대 전기모터, 발전기, 마그네틱 센서 등에 사용되는 영구자석의 소재로 응용될 전망이다. 연구팀은 실용화를 위해 자석 소결과 벌크화 연구를 진행 중이다.

좌용호 교수는 "기존 자성재료의 구조적 문제와 성능 한계를 극복할 가능성을 확인했다"며 "미래 자성소재 개발을 위한 기초 연구에 이바지할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 학술지 'ACS Applied Materials & Interfaces' 29·30호 표지논문으로 각각 7월 24일, 31일 자에 실렸다. 논문명은 'Exchange-Coupling Interaction in Zero- and One-Dimensional Sm2Co17 /FeCo Core–Shell Nanomagnets'다. 

좌용호 교수팀의 연구 결과 실린 논문 표지. <사진=한양대 제공>좌용호 교수팀의 연구 결과 실린 논문 표지. <사진=한양대 제공>
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