KIMS, 샌드위치 구조로 보자력·효율 동시 개선
전기차·풍력·전기선박까지 확장…모터 성능 혁신 기대

두꺼워질수록 성능이 떨어지던 고성능 자석의 한계를 극복하고, 발열 문제까지 동시에 해결한 핵심 제조 기술이 국내에서 개발됐습니다. 전기차 모터를 비롯한 고출력 장비의 효율과 안정성을 크게 끌어올릴 수 있을 것으로 기대됩니다.

한국재료연구원 나노재료연구본부 김수민·이정구 박사 연구팀이 자석이 두꺼워져도 자성을 유지하면서 내부 발열을 줄일 수 있는 새로운 제조 공정을 세계 최초로 개발했습니다.

전기차와 풍력발전 등에 쓰이는 고성능 자석인 네오디뮴-철-붕소 자석은 강한 자성을 지니지만, 출력 향상을 위해 크기를 키울 경우 내부까지 성능을 유지하기 어려운 한계가 있었습니다.

특히 고속 구동 환경에서는 내부에서 전기가 빙글빙글 흐르는 와전류로 열이 증가해 자석 성능과 모터 효율을 떨어뜨리는 문제가 지속돼 왔습니다.

기존에는 이를 보완하기 위해 고가의 중희토 원소를 추가하거나 자석 표면에 확산시키는 공정이 활용됐지만, 두꺼운 자석 내부까지 효과가 전달되지 않는 구조적 제약이 따랐고, 중희토 자체고 가격이 높고 공급이 제한적이어서 산업적 부담이 컸습니다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 자석을 여러 층으로 구성한 뒤 다시 결합하는 '샌드위치 구조 기반 입계확산·접합 공정'을 도입했습니다. 여기에 저융점 경희토 합금을 적용해 자석 내부에서도 확산이 이뤄지도록 설계한 것이 핵심입니다.

이 방식은 자석 전체에 걸쳐 균일한 보자력을 확보하면서도 고가 소재 사용을 줄일 수 있는 가능성을 제시합니다.

또 하나의 특징은 발열 저감입니다. 연구팀은 자석 내부에 전기 흐름을 억제하는 구조를 형성해 와전류 발생을 줄였고, 이를 통해 열 발생 자체를 낮추는 데 성공했습니다.

기존에는 자석 분할과 확산, 절연 공정을 각각 따로 수행해야 했지만, 이번 기술은 단일 공정으로 자성 유지와 전기적 특성 개선, 구조 안정성 확보를 동시에 구현했습니다.

이 기술은 전기차 구동 모터를 비롯해 고효율 산업용 전동기, 풍력발전기 등 다양한 분야에 적용될 수 있습니다. 특히 대형 고성능 자석이 필요한 전기 선박 등 다양한 응용 분야에서 활용 가능할 것으로 기대됩니다.

연구를 이끈 김수민 선임연구원은 "두꺼운 자석에서도 높은 보자력을 유지하면서 발열 문제를 함께 해결한 것이 핵심 성과"라며 "단일 공정으로 여러 성능을 동시에 개선했다는 점에서 기존 기술과 차별성이 크다"고 설명했습니다.

이번 연구 결과는 국제 학술지, 스크립타 머테리얼리아(Scripta Materialia)에 3월 18일 자 온라인 판에 실렸습니다.