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  • 기사등록 2019-08-12 11:59:17
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[기계신문] 한양대학교 재료화학공학과 좌용호 교수 연구팀이 기존 희토류 영구자석을 대신해 새로운 코어-쉘(core-shell) 섬유 구조의 나노자석을 개발했다. 이는 하이브리드 자동차, 차세대 전기모터, 발전기, 마그네틱 센서 등 산업 전반에 폭넓게 사용되는 영구자석의 새로운 소재로 응용될 것으로 기대된다.


최근 전자제품의 경량화, 초소형화 및 고성능화에 발맞춰, 단위 부피당 더 높은 자기적 성능을 갖는 고에너지 밀도의 영구자석 소재가 요구된다.


기존 보자력이 큰 희토류 영구자석에 보자력이 상대적으로 작은 연자성 물질 일부를 도입하여 두 물질 계면에서의 자기교환반응을 통해 더 높은 자성을 끌어내는 ‘교환스프링자석(exchange-spring magnet)’이 최근 주목 받고 있다. 여기서 보자력(保磁力)이란 자기장이 제거되어도 자성을 유지하는 능력으로, 보자력이 크면 작은 크기로도 강한 자력을 가진 자석을 만들 수 있다.


교환스프링자석은 기존 단일상의 경자성 물질이 연자성 물질과 서로 결합하여 그 계면으로부터 자기교환결합 상호작용이 발현되는 소재로 이미 연구 한계에 닿은 희토류 영구자석의 특성을 증대시킬 수 있는 구조다. 교환스프링자석의 주 쟁점은 어떻게 경·연자성의 형태나 구조 등을 변화하여 자화값, 보자력, 자기에너지 적을 증대시키는 것이다.


비(非)희토류계 기반 교환스프링자석은 실제 산업에서 가장 많이 활용되는 고에너지밀도의 희토류 자석을 대체하기 어렵고, 볼 밀링 등 단순 혼합에 의해 제조되는 교환스프링자석은 적층구조 또는 코어-쉘 구조를 갖는 교환스프링자석 대비 경·연자성 두 개의 상이 상호작용을 하는 부분이 매우 제한적이므로 자기적 특성을 향상시킬 정도의 효율적인 자기교환결합효과를 기대하기가 어렵다.


자기교환반응을 극대화하기 위해서는 희토류와 연자성 물질을 고르게 혼합하는 것과 희토류 표면을 균일한 두께의 연자성 물질로 코팅하는 것이 중요하다.



▲ 소결형 교환스프링자석 제조 공정 모식도. 코어-쉘(core-shell) 섬유형 복합자석을 제조하고자 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 진행하였다.



좌용호 교수 연구팀은 희토류계 경자성 나노섬유(사마륨-코발트, 200 nm의 직경과 수십 μm의 길이)에 연자성을 띄는 나노두께의 철-코발트 코팅층을 형성하여 코어-쉘 구조의 교환자기결합형 자성 재료를 개발했다. 높은 보자력을 갖는 경자성 소재와 높은 자화값을 갖는 연자성 소재의 시너지 효과에 의해, 기존 희토류계 영구자석 대비 자기에너지밀도를 146% 수준으로 끌어올렸다.


인력에 의해 서로 응집되는 데다 고르게 도금하기 어려웠던 기존 구형 소재 대신 섬유형 구조체를 활용하는 한편 비(非)희토류계 도금층의 두께를 조절함으로써 자기적 특성을 향상시켜 고가의 희토류 사용량도 줄일 수 있었다. 연구팀은 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.



▲ 구조체의 형태에 따른 무전해도금 결과와 자기적 특성. 구형의 경자성체는 자기적 인력에 의한 자가 응집(self-aggregation) 때문에 고르지 못한 도금층과 자성 특성의 저하가 얻어지는 반면, 섬유형 구조체는 응집 방지 및 추가적인 자성 특성 향상까지 기대할 수 있다.



이번 연구를 통해 얻은 ‘코어-쉘 구조를 갖는 섬유형 복합 나노자석’은 1차원 구조에 기인한 형상 이방성 향상 및 연·경자성 계면 간 자기교환결합효과에 기인한 최대자기에너지적의 증가를 통해, 현존 최고의 자석인 희토류 단일상을 능가하는 자기적 특성을 확보할 수 있었다.


연구팀이 제시한 1차원의 교환스프링자석 모델은 기존 0차원 소재와 비교하여 146% 수준까지 자기적 특성을 증가시켰다는 면에서 그 우수성을 인정받았을 뿐만 아니라 희토류 소재 사용의 저감 효과 또한 제공하여 기존 소재의 대체 및 차세대 자성재료로의 응용에 적용이 가능할 것으로 기대되고 있다.


이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행되었으며, 연구 성과는 미국화학회(Americal Chemical Society, ACS)가 발행하는 국제학술지 'ACS Applied Materials & Interfaces' 29·30호 표지논문으로 각각 7월 24일, 31일자 게재되었다.



▲ 연구 성과는 미국화학회(Americal Chemical Society, ACS)가 발행하는 국제학술지 `ACS Applied Materials & Interfaces` 29·30호 표지논문으로 각각 7월 24일, 31일자 게재되었다.


오상미 기자 osm@mtnews.net

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