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나노섬유 형태 고성능 차세대 영구자석 소재 개발

한양대 연구진, 기존 희토류 자석 대비 에너지밀도 1.5배 높여

[아이뉴스24 최상국 기자] 기존 희토류 영구자석에 비해 에너지밀도가 1.5배 뛰어난 차세대 영구자석 소재가 개발됐다.

12일 한국연구재단(이사장 노정혜)은 좌용호 한양대 교수 연구팀이 기존 희토류 영구자석을 대신할 새로운 코어-쉘(core-shell) 섬유 구조의 나노자석을 개발했다고 밝혔다.

개발된 소재는 사마륨과 코발트로 이루어진 희토류계 경자성 나노섬유(직경 200 nm, 길이 수십 μm)에 연자성을 띄는 철-코발트를 나노두께로 코팅한 것으로, 기존 희토류계 영구자석 대비 자기에너지밀도를 146% 수준으로 끌어올렸다. 고가의 희토류 소재 사용량을 줄이면서도 자기적 특성은 더욱 향상시킨 것이다.

소결형 교환스프링자석 제조 공정 모식도. 코어-쉘(core-shell) 섬유형 복합자석 제조를 위해 전기방사(electrospinning) 공정 및 추가 열처리를 통해 200 nm의 직경과 수십 μm의 길이를 갖는 경자성 Sm-Co 나노섬유를 준비하고, 연자성 Fe-Co 도금을 위해 무전해도금 공정을 진행했다. [한국연구재단 제공]

전자제품의 경량화, 초소형화 및 고성능화에 따라 소형모터, 센서 등에 사용되는 자성재료도 더 높은 자기적 성능이 요구된다.

이번에 개발된 것과 같이 강한 자성을 띄는 희토류 영구자석에 연자성 물질을 도입해 두 물질의 자기교환반응을 통해 더 높은 자성을 끌어내는 소재를 ‘교환스프링자석(exchange-spring magnet)’이라고 하는데, 자기교환반응을 극대화하기 위해서는 희토류와 연자성 물질을 고르게 혼합하는 것과 희토류 표면을 균일한 두께의 연자성 물질로 코팅하는 것이 중요하다.

연구팀은 나노섬유 형태로 코어-쉘 구조를 갖는 희토류계 교환스프링자석을 제작했다. 고르게 도금하기 어려웠던 기존 구(球)형 소재 대신 섬유형 구조체를 만들고 비(非)희토류계 도금층의 두께를 정밀하게 조절해 자기적 특성을 극대화한 공정을 개발했다. 연구진은 실용화를 위해 자석의 소결 및 벌크화 관련 연구를 진행하고 있다.

좌용호 교수는 “기존 자성재료의 구조적 문제 및 성능 한계를 극복할 수 있는 가능성을 확인함으로써 향후 미래자성소재 개발을 위한 기초 연구에 이바지할 수 있을 것“이라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단의 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐으며 연구결과는 미국화학회(ACS)가 발행하는 국제학술지 'ACS Applied Materials & Interfaces' 29·30호 표지논문으로 각각 7월 24일, 31일자에 게재됐다.

※ 논문명 : Exchange-Coupling Interaction in Zero- and One-Dimensional Sm2Co17 /FeCo Core–Shell Nanomagnets (DOI: 10.1021/acsami.9b02966)※ 주저자 : 좌용호 교수(교신저자, 한양대), 김종렬 교수(한양대), 임재홍 교수(가천대), 이지민 박사과정(제1저자, 한양대)

최상국기자 skchoi@inews24.com

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