News Letter

1마이크로미터(μm)급 Nd-Fe-B 초미세 단결정 분말 합성 및 고배향·소결 공정 핵심기술 개발
결정립 미세화로 중희토류 없이, 전기차·로봇 등 첨단산업용 고성능 영구자석의 국산화 기반 마련

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진) 나노재료연구본부 김수민, 김태훈, 이정구 박사 연구팀이 고가의 중희토류를 사용하지 않고도 고성능 네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B) 영구자석을 제조할 수 있는 핵심 공정 기술을 개발했다. 연구팀은 자석의 보자력 향상에 유리한 초미세분말 제조부터 분말의 배향성을 극대화하는 정렬·소결까지 핵심 공정기술을 통합 개발해, 고가의 중희토류를 완전히 배제한 고성능 영구자석 제조 기반을 마련했다. 이번 성과는 전기차와 로봇 등 첨단산업에 필수적인 영구자석의 해외 공급망 의존도를 낮추고, 핵심 소재의 국산화와 기술 자립을 앞당길 수 있다는 점에서 의미가 크다.

영구자석은 전기차의 구동 모터, 로봇의 관절, 풍력발전기 등 다양한 첨단산업에 사용되는 핵심 소재다. 특히 네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B) 영구자석은 강한 자기력을 낼 수 있어 널리 활용되지만, 특히 전기차 구동 모터와 같이 높은 온도에서 작동하는 환경에서는 자석이 쉽게 자성을 잃지 않도록 높은 보자력을 확보하는 것이 중요하다. 기존에는 이를 위해 디스프로슘(Dy), 터븀(Tb)과 같은 중희토류를 첨가해 왔다. 하지만 중희토류는 가격이 비싸고 공급망이 일부 국가에 집중돼 있어 이를 대체할 기술 개발이 요구되고 있다.

이를 해결하기 위해, 연구팀은 중희토류를 첨가하는 대신 초미세분말을 제조하고, 이를 활용해 영구 자석의 결정립을 미세화함으로써 자기 성능을 향상시키는 핵심 기술을 개발했다. 결정립이 작아질수록 자성을 유지하는 능력이 향상되지만, 기존에는 합금을 기계적으로 분쇄하는 방식으로 분말 크기를 줄이는 데 한계가 있었다. 연구팀은 기존 합금을 분쇄하는 방식에서 벗어나, 희토류 산화물을 출발 원료로 미세한 Nd-Fe-B 결정 입자를 직접 합성하는 환원·확산(Reduction&-Diffusion, RD) 공정을 활용했다. 특히 기존 RD 공정의 주요 한계였던 분말의 산화 문제를 해결하기 위해 새로운 후처리 기술을 개발했다. 이를 통해 약 1 μm 크기의 고순도 Nd-Fe-B 초미세분말을 제조하는 데 성공했다. 이는 합금을 잘게 부수는 대신 미세 입자를 처음부터 직접 만들어, 기존 분쇄 공정의 크기 한계를 극복했다는 점에서 차별화된다.

연구팀은 초미세 Nd-Fe-B 분말을 고성능 영구자석으로 제조하기 위한 분말 정렬 및 소결 기술도 개발했다. 일반적으로 분말 크기가 작아지면 입자 간 마찰과 응집으로 자기장 내에서 분말을 일정한 방향으로 정렬하기 어려워진다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 분말 표면에 윤활제를 코팅하고, 자기장의 방향과 세기가 점차 변화하는 감쇠 교류 자장을 적용해 분말의 배향성과 성형체의 안정성을 향상시켰다. 또한 수소 보조 공정을 통해 윤활제에서 유래한 잔류탄소를 저감하고, 열처리 후 보자력이 저하되는 문제를 해결함으로써 초미세분말을 활용한 고성능 소결자석 제조기술을 확보했다.

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

본 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 한국연구재단 「나노 및 소재기술개발사업」의 지원을 받아 수행됐다. 초미세 Nd-Fe-B 분말 제조에 관한 연구성과는 금속·재료 분야 세계적 학술지인 ‘저널 오브 알로이 앤 컴파운드(Journal of Alloys and Compounds, IF 6.7, 교신저자: KIMS 김태훈/이정구 박사)’에 2026년 7월 14일, 초미세분말 정렬 및 자석 제조에 관한 연구성과는 화학공학 분야 세계적 학술지인 ‘케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF 12.5, 제1저자: KIMS 김소연 석사후연구원, 교신저자: KIMS 김수민 박사)’에 9월 19일 온라인 게재됐다. 또한 연구팀은 관련 기술을 통해 총 9건의 특허를 창출했다.

• 논문(Journal of Alloys and Compounds)
• 논문(Chemical Engineering Journal)
• 자료문의: 나노재료연구본부 김수민 선임연구원 T.055-280-3622

용어 설명

• 중희토류(Heavy Rare Earth, HRE): 디스프로슘(Dy), 터븀(Tb) 등 희토류 원소의 일부를 말한다. 영구자석이 높은 온도에서도 자성을 유지하도록 돕지만, 가격이 비싸고 생산과 공급이 일부 국가에 집중돼 있어 사용량을 줄이거나 대체할 기술이 필요하다.
결정립 미세화(Grain Refinement): 자석 내부를 구성하는 작은 결정 알갱이인 ‘결정립’의 크기를 줄이는 기술이다. 결정립이 작아지면 자석 내부에서 자화 방향이 쉽게 바뀌는 현상을 억제할 수 있어, 자석이 자성을 잃지 않고 유지하는 능력을 높이는 데 도움이 된다.
• 환원·확산 공정(Reduction–Diffusion, RD): 희토류 산화물에서 산소를 제거한 뒤 철·붕소 등 다른 원소와 반응시켜 자석 분말을 직접 만드는 기술이다.
• 보자력(Coercivity): 자석이 외부에서 반대 방향의 자기장을 받아도 자성을 잃지 않고 버티는 능력을 나타내는 지표
• 감쇠 교류 자장: 자기장의 방향이 번갈아 바뀌면서 세기는 점차 약해지는 자기장
• 배향성: 자석을 구성하는 미세한 결정 입자들이 일정한 방향으로 얼마나 잘 정렬되어 있는지를 나타낸다. 입자들이 같은 방향으로 잘 정렬될수록 자석의 자기성능을 높이는 데 유리하다.