자동차와 로봇용 자석의 새로운 제조 공정
한국재료연구원(KIMS)은 2026년 10월 23일, 연구진이 고가의 중희토류 원소인 디스프로슘과 터븀을 첨가하지 않고도 강력한 영구자석을 만드는 핵심 제조 기술을 개발했다고 발표했다. 이 공정은 크기가 약 1마이크로미터인 고순도 분말 입자를 사용하며, 분말 제조와 자성 정렬, 소결을 결합한다. 소결은 압축된 분말을 가열해 단단한 자석으로 만드는 과정이다.
목차
한국재료연구원의 전체 발표문은 초미세 단결정 Nd-Fe-B 분말 개발과 중희토류 첨가물 없이 이를 영구자석으로 만드는 데 필요한 정렬 및 소결 기술을 소개한다.
이번 연구는 연구원 나노소재연구본부의 김수민 선임연구원과 김태훈·이정구 책임연구원이 수행했다. 연구진의 기술은 네오디뮴·철·붕소 자석, 즉 Nd-Fe-B 자석을 대상으로 한다. 이 자석은 전기차 모터와 로봇 관절, 풍력 터빈 발전기에 사용된다.
네오디뮴은 여전히 필수 성분이다. 이번 성과는 자석이 자성을 잃지 않도록 하는 성능을 높이는 동시에 특정 중희토류 첨가물의 필요성을 없애는 데 초점을 맞췄다. 연구진은 재료의 결정립을 더 작게 만들고, 이렇게 얻은 미세 분말을 실용적인 자석으로 만드는 방법을 개발해 목표를 추진했다.
한국 제조업체에는 공급처가 소수 국가에 집중된 고가 소재에 대한 의존도를 낮추면서 국내 생산 경로를 확보할 가능성이 있다. 김 연구원은 전기차 모터와 휴머노이드 로봇에 적용하기에 앞서 공정을 연계하고 양산 체계를 구축하는 추가 연구가 필요하다고 말했다.
자성 저항성이 중요한 이유
Nd-Fe-B 자석은 강한 자기장을 만들어 폭넓게 사용된다. 그러나 전기차 모터에 쓰이는 자석은 자력만 강해서는 안 된다. 고온 환경에서 작동하는 동안에도 자성을 유지해야 한다.
연구자들은 자성을 잃지 않는 성질을 보자력이라고 한다. 쉽게 말해 자석의 상태를 바꾸려는 반대 방향의 자기장에 얼마나 강하게 저항하는지를 나타낸다. 자성 성능을 유지하는 것이 중요한 까다로운 모터 응용 분야에서는 높은 보자력이 특히 유용하다.
이런 저항성을 높이기 위해 디스프로슘과 터븀이 흔히 첨가된다. 두 원소는 모두 중희토류에 속하며 공급망이 집중된 고가 소재다. 따라서 제조업체들은 필요한 자기 특성을 얻을 다른 방법을 찾을 이유가 있다.
한국재료연구원 연구진은 첨가물 대신 자석의 내부 구조에 주목했다. 이들은 매우 고운 분말을 사용해 완성된 재료 안의 미세한 결정 영역인 결정립을 더 작게 만들었다. 결정립을 미세화하면 디스프로슘이나 터븀을 첨가하지 않고도 보자력을 높일 수 있다.
합금을 갈지 않고 미세 입자 만들기
기존 분말 제조 방식은 이미 만들어진 합금을 더 작은 조각으로 부수는 방식이다. 그러나 이 방법으로는 이번 접근에 적합한 초미세 입자를 얻는 데 한계가 있다.
연구진은 대신 희토류 산화물을 출발 물질로 사용하고, 환원·확산 공정(RD)을 통해 미세한 Nd-Fe-B 결정 입자를 직접 합성했다. 환원은 출발 화합물에서 산소를 제거하는 과정이며, 확산은 원자가 이동하고 결합해 목표 재료를 형성하는 과정이다.
얻어진 분말 입자의 크기는 약 1마이크로미터, 즉 100만분의 1미터였다. 이는 1밀리미터의 1000분의 1에 해당한다. 이 수치는 자석 제조에 쓰인 분말 입자의 크기이지, 완성된 부품의 크기가 아니다.
직접 합성은 처음부터 작은 입자를 만들어 분쇄 방식의 크기 한계를 해결한다. 이후 연구진은 분말의 품질을 유지하고, 서로 달라붙기 쉬운 초미세 입자에 적합한 가공법을 개발해야 했다.
산화로부터 분말 보호
RD 공정에는 이미 해결해야 할 가공 문제가 있었다. 바로 분말의 산화였다. 가공 중 산소가 재료와 반응하면 품질이 저하될 수 있어, 유용한 자성 재료를 만들려면 분말 상태를 제어하는 것이 필수적이다.
한국재료연구원 연구진은 산화 문제를 해결하기 위해 합성 후 처리 기술을 개발했다. 연구원에 따르면 이를 통해 약 1마이크로미터 크기의 고순도 Nd-Fe-B 분말을 제조할 수 있었다.
따라서 입자 크기와 순도는 서로 연관된 연구 과제였다. 연구진은 결정립 미세화를 뒷받침할 만큼 작은 입자를 확보하는 동시에, 그 효과를 저해할 수 있는 원치 않는 화학 변화를 제어해야 했다.
다음 과제는 입자들이 유용한 방향을 향하도록 정렬하고 제조 과정에서 서로 결합하게 하는 것이었다. 미세한 자성 분말도 완성된 영구자석이 되려면 정렬과 성형, 열처리 과정을 거쳐야 한다.
미세 입자의 정렬을 돕다
입자가 매우 작으면 취급이 어렵다. 입자 간 마찰과 서로 뭉치는 성질 때문에 자기장 안에서 각 입자를 원하는 방향으로 돌리기가 더 힘들어진다.
분말의 자화 방향이 서로 잘 맞아야 하므로 정렬은 중요하다. 더 많은 입자가 의도한 방향을 향하면 완성된 자석은 재료의 자기 특성을 더 잘 활용할 수 있다.
연구진은 입자가 움직이기 쉽도록 분말 표면에 윤활제를 입혔다. 또한 감쇠 교류 자기장을 가했다. 자기장의 방향이 바뀌면서 세기가 점차 약해지는 방식으로, 입자들이 정렬된 상태로 자리 잡도록 돕는다.
한국재료연구원은 이 방법을 함께 적용해 분말의 배향도와 성형체의 안정성을 모두 높였다고 밝혔다. 성형체는 소결 전에 분말을 압축해 만든 형태다. 성형체를 안정적으로 유지하는 것은 원하는 입자 배열을 이후 제조 단계까지 이어가는 데 중요하다.
윤활제 잔류 탄소 제거
윤활제는 한 가지 문제를 해결했지만 잔류 탄소라는 또 다른 가공상 우려를 낳았다. 윤활제에서 남은 탄소는 열처리 후 보자력 저하를 일으켜 연구진이 유지하려던 특성을 약화시킬 수 있다.
연구진은 잔류 탄소를 줄이기 위해 수소를 이용한 공정을 적용했다. 한국재료연구원은 이 처리가 가열 후 보자력 저하 문제를 해결하고 초미세 분말로 소결 자석을 제조하는 공정을 마련하는 데 도움이 됐다고 밝혔다.
소결은 열을 가해 압축된 입자를 결합하고 치밀한 고체로 만드는 과정이다. 이번 연구의 과제는 작고 정밀하게 정렬된 입자를 고체 자석으로 만들면서 원하는 자기 성능을 유지하는 것이었다.
이에 따라 이번 연구는 미세 입자 합성, 산화 억제, 정렬 개선, 압축 분말의 안정화, 열처리 전 탄소 저감 등 여러 제조 과정을 연결했다. 각 단계는 앞선 개선 효과를 떨어뜨릴 수 있는 문제를 해결하는 데 목적이 있었다.
논문 2편과 특허 9건
이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 한국연구재단 나노·소재기술개발사업의 지원을 받았다. 한국재료연구원은 연구진이 관련 기술 특허 9건을 출원했다고 밝혔다.
연구 결과는 학술지 2곳에 발표됐다. 한 연구는 초미세 분말 제조를 다뤘고, 다른 연구는 분말 정렬과 자석 제조를 다뤘다. 분말 합성 연구가 먼저 발표된 뒤 이 분말을 자석으로 만드는 연구가 발표됐다.
- 2026년 7월 14일: 초미세 Nd-Fe-B 분말 제조 연구가 Journal of Alloys and Compounds에 발표됐다.
- 2026년 9월 19일: 분말 정렬과 자석 제조 연구가 Chemical Engineering Journal 온라인판에 게재됐다.
- 2026년 10월 23일: 한국재료연구원이 통합 제조 기술과 잠재적 산업 응용 분야를 발표했다.
분말 제조 연구는 온라인으로 발표됐으며, 김태훈·이정구 연구원이 교신저자를 맡았다. 정렬 및 자석 제조 연구에서는 김소연 박사후연구원이 제1저자, 김수민 연구책임자가 교신저자를 맡았다.
두 논문의 식별자는 각각 10.1016/j.jallcom.2026.189820과 10.1016/j.cej.2026.182156이다. 이 디지털 객체 식별자는 각 연구 논문을 찾을 수 있는 영구 참조 번호다.
제조업체에 남은 과제
연구책임자인 한국재료연구원 김수민 선임연구원은 분말 합성과 이후 제조 단계 모두에서 진전을 이룬 결과라고 설명했다. 그는 다음과 같이 말했다.
이번 연구는 고성능 Nd-Fe-B 영구자석 제조에 필요한 초미세 분말 합성과 분말 정렬·소결의 기술적 한계를 극복했다는 점에서 의미가 있습니다. 특히 고가의 중희토류에 의존하지 않고 자석 성능을 높일 수 있는 새로운 기술적 접근법을 제시했습니다.
한국재료연구원은 공정 통합과 양산 기술이 확보되면 전기차 구동 모터와 휴머노이드 로봇에 적용할 수 있다고 밝혔다. 영구자석은 로봇 관절과 풍력 터빈 발전기에도 쓰여, 강한 자성 재료에 의존하는 여러 산업에서 이번 제조 기술을 활용할 수 있다.
발표에는 보자력 수치와 작동 온도 한계, 생산 비용, 공장 생산 목표, 상용화 시점이 제시되지 않았다. 특정 모터나 로봇의 요구 사항을 공정이 충족할 수 있는지 판단하려는 제조업체에는 이런 세부 정보가 중요하다.
한국재료연구원은 보자력과 이를 유지하는 가공 단계의 개선을 설명했지만, 제공된 자료에는 측정된 보자력 값이나 작동 온도 시험 결과가 담기지 않았다. 따라서 모터에서 마주치는 고온 환경에서 자석이 어떤 성능을 내는지는 수치로 제시되지 않았다.
공급 측면의 이점은 이들 자석에 필요한 디스프로슘과 터븀 수요를 줄이는 데 있다. 네오디뮴과 희토류 산화물 원료는 공정에 계속 사용된다. 한국의 산업적 기회는 연구진이 대체하려는 중희토류 첨가물에 대한 의존을 낮추면서 제조 역량을 국내에 더 많이 구축하는 것이다.
이번 성과의 핵심은 약 1마이크로미터 분말에서 소결 자석에 이르는 일련의 핵심 가공 기술을 연결한 데 있다. 연구진이 제시한 다음 단계는 이 기술들을 연계해 대량 생산 체계를 구축하고, 까다로운 산업 장비에 재료를 적용할 수 있도록 하는 것이다.
핵심 내용
- 한국재료연구원은 2026년 10월 23일 디스프로슘이나 터븀 없이 Nd-Fe-B 자석을 제조하는 기술을 발표했다.
- 이 공정은 크기가 약 1마이크로미터인 고순도 분말 입자를 직접 합성한다.
- 새로운 처리 기술로 산화와 입자 정렬 문제, 윤활제에서 남은 탄소를 해결한다.
- 연구 결과는 학술지 2곳에 발표됐으며, 연구진은 관련 특허 9건을 출원했다.
- 제안된 차량 및 로봇 응용 분야에 적용하려면 추가 공정 통합과 양산 연구가 필요하다.
- 자석에는 희토류 원소인 네오디뮴이 여전히 포함된다.
- 제공된 자료에는 측정된 보자력 값이나 작동 온도 시험 결과가 없다.
