희토류 대체할 순철 기반 영구자석 디자인
풍부한 철(Fe) 자원화…전기차 등 고부가산업 혁명 기대
세계 학술지에 연구결과 게재
홍순철 울산대 물리학과 교수./울산대
지구상에서 매장량이 극히 적은 희토류 원소를 대신할 비희토류 영구자석 소재를 개발할 수 있는 길이 열려 크게 주목되고 있다.
울산대학교 물리학과 홍순철(64) 와 제자인 인천대학교 물리학과 엇후 도르지(40․몽골 국적) 교수가 지구상에 매장량이 풍부한 순철을 기반으로 한 영구자석 소재 개발 방향을 이론적으로 제시해냈다.
연구 결과는 인용지수(IF) 7.656으로 야금학 분야 세계 최고 학술지인 '악타 머티어리얼리아(Acta Materialia)' 4월 1일자 온라인 판에 게재되었고, 5월 15일 정식 출판된다.
기존 희토류는 열과 전기가 잘 통하기 때문에 휴대폰 등 전기․전자․정보통신기기․전기자동차 같은 고부가가치 산업에 필수 재료이지만, 매장량이 극히 적어 값이 비쌀 뿐만 아니라 세계 소비량의 90% 이상을 공급하는 중국이 수출량을 줄이면서 국제 자원 분쟁이 되고 있다.
울산대 홍순철 교수연구팀은 이 같은 문제 해결을 위해 매장량이 풍부한 비희토류인 순철에 니켈을 혼합한 재료로 희토류 네오디뮴(Nd) 영구자석 못지않은 고성능 영구자석 소재를 제시해냈다.
<위 그림> 홍순철 교수연구팀은 (Fe)-질소(N) 화합물 결정구조(a)와 철-니켈(Ni) 화합물 결정구조(c)를 혼합해 철-니켈-질소 화합물 결정구조(b)로 만들어 영구자석으로서의 성능을 확보할 수 있음을 제시했다. a와 c의 결정구조는 영구자석으로 기능할 수 있는 자성 경도 1에 훨씬 못 미치는 0.3～0.5밖에 되지 않지만, 연구팀은 이 둘을 혼합하는 방법으로 1.08의 결과치를 얻어냈다.
연구팀이 디자인한 영구자석 재료는 고온에서도 성능을 유지할 수 있어 앞으로 상용화될 전기자동차 모터와 풍력발전기 등 관련 분야 산업에 크게 적용될 것으로 기대되고 있다.
<그림 위> 기존 희토류 영구자석은 에너지적(BHmax) 56, 자성 경도(k) 1.59, 영구자석으로서 성능을 발휘할 수 있는 온도(Tc) 585K(섭씨 312도)였지만, 홍순철 교수연구팀이 순철을 기반으로 한 영구자석은 각각 49.4, 1.08로 성능은 비슷하고 자석 상태 유지 한계 지수는 720K(섭씨 447도)로 훨씬 좋아 활용도도 매우 높은 것으로 나타났다.
한국기계연구원 부설 재료연구소 최철진(60) 박사는 “자석은 고온에서 성능이 떨어짐으로써 정상적인 작동이 될 수 없는데, 이번에 발견한 비희토류 기반 자석은 섭씨 447도에서도 견딜 수 있어서 우수한 성능, 손쉽게 구할 수 있는 재료를 모두 만족하는 획기적인 발견”이라고 평가했다.
이 연구는 과학기술정보통신부가 초일류 소재강국 실현을 위해 추진한 ‘미래소재디스커버리 사업’ 과제로 진행됐다.
한편, 연구에 참여한 엇후 도르지 교수는 몽골 최고 명문인 몽골국립대(학사)와 울란바토르대학(석사)을 졸업하고 울산대 물리학과 홍순철 교수를 사사해 지난 2014년 8월 인천대에 임용됨으로써 ‘코리안 드림’을 이룬 인물로 주목받았다.
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