▲ KIMS가 개발한 ‘샌드위치 구조 기반 입계확산 공정’ 모식도와 성능 결과로, 자석 내부까지 확산이 이뤄져 두꺼운 자석에서도 보자력이 향상되고 와전류에 의한 발열이 감소하는 모습을 보여준다.

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진)이 두꺼운 자석에서도 성능 저하 없이 발열을 억제하는 차세대 자석 기술을 세계 최초로 구현했다. 중희토 없이도 고성능을 확보해 전기차·풍력 등 모터 효율 향상이 기대된다.

한국재료연구원은 나노재료연구본부 김수민·이정구 박사 연구팀이 자석 두께 증가에 따른 성능 저하 문제를 해결하고 발열까지 낮출 수 있는 ‘샌드위치 구조 기반 입계확산·접합 공정’을 개발했다고 29일 밝혔다.

전기차와 풍력발전기 등에 사용되는 네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B) 자석은 높은 자성을 지니지만, 고출력 모터 적용을 위해 자석이 두꺼워질 경우 내부까지 보자력을 균일하게 확보하기 어려운 한계가 있었다. 여기에 고속 회전 환경에서는 자석 내부에 와전류가 발생해 발열이 증가하고, 이는 자석 성능 저하와 모터 효율 감소로 이어지는 문제로 지적돼 왔다.

기존에는 이를 보완하기 위해 중희토 원소를 활용한 입계확산 공정이 사용됐지만, 자석 표면 중심으로만 확산이 이뤄져 두꺼운 자석 내부까지 효과가 미치지 못하는 구조적 한계와 함께 원가 부담이 큰 문제가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 자석을 다층 구조로 적층한 뒤 재결합하는 ‘샌드위치 구조’를 적용하고, 층간 경계면에도 저융점 경희토(프라세오디뮴) 합금을 도입해 내부에서도 확산이 동시에 이뤄지도록 설계했다. 이를 통해 두꺼운 자석에서도 보자력을 균일하게 확보하면서 성능을 안정적으로 유지할 수 있게 됐다.

특히 자석 내부에 전기 흐름을 억제하는 고비저항 구조를 형성해 와전류 발생을 줄이고 발열을 낮춘 점도 주목된다. 기존처럼 자석 분할, 입계확산, 절연 접합을 각각 수행하던 복잡한 공정을 하나로 통합해 보자력 향상과 전기적 특성 개선을 동시에 구현한 것도 차별화된 성과다.

이번 기술은 전기차 구동 모터, 고효율 산업용 전동기, 풍력발전용 발전기 등 다양한 분야에 적용 가능하며, 고성능 자석의 국산화와 수입 의존도 완화에도 기여할 것으로 기대된다. 특히 자석 발열 저감과 효율 향상은 전동기 전체 성능 개선으로 이어져 에너지 절감 효과까지 확보할 수 있을 것으로 전망된다.

김수민 재료연 선임연구원은 “두꺼운 자석에서도 높은 보자력을 확보하면서 발열 문제까지 동시에 해결한 것이 이번 연구의 핵심”이라며 “단일 공정으로 자성과 전기적 특성, 구조적 안정성을 함께 개선한 점에서 의미가 크다”고 설명했다.

한편, 이번 연구는 산업통상부 소재부품기술개발사업의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 국제 학술지 ‘스크립타 머테리얼리아(Scripta Materialia)’에 게재됐다. 연구팀은 현재 실제 전동기 적용을 위한 후속 연구를 진행하고 있다.