희토류(희귀한 흙)  영구자석을 대체할 수 있는 나노자석이 나올 것으로 보인다. 좌용호 한양대 교수 연구팀이 기존 희토류 영구자석을 대신해 새로운 코어-쉘(core-shell) 섬유 구조의 나노자석을 개발했다고 12일 발표했다. 값비싼 재료가 아닌 값싼 소재가 개발되는 것이어서 관심을 끈다.

이번에 개발된 영구 자석은 하이브리드 자동차, 차세대 전기모터, 발전기, 마그네틱 센서 등 산업 전반에 폭넓게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

전자제품 경량화, 초소형화, 고성능화를 이루기 위해서는 단위 부피당 더 높은 자기적 성능을 갖는 고(高)에너지 밀도의 영구자석 소재가 요구된다. 기존 보자력(자기장이 제거돼도 자성을 유지하는 능력)이 큰 희토류 영구자석에 보자력이 상대적으로 작은 연자성 물질 일부를 도입해 두 물질 계면에서의 자기교환반응을 통해 더 높은 자성을 끌어내는 ‘교환스프링자석(exchange-spring magnet)’이 최근 주목받고 있다.

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

연구팀은 희토류계 경자성 나노섬유(사마륨-코발트, 200 nm의 직경과 수십 μm의 길이)에 연자성을 띄는 나노 두께 철-코발트 코팅층을 형성해 코어-쉘 구조의 교환자기결합형 자성 재료를 개발했다.

높은 보자력을 갖는 경자성 소재와 높은 자화값을 갖는 연자성 소재의 시너지 효과로 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. 연구팀 실용화를 위해 자석 소결 등 관련 연구를 진행하고 있다.

좌 교수는 “기존 자성재료 구조적 문제와 성능 한계를 극복할 수 있는 가능성을 확인함으로써 앞으로 미래자성소재 개발을 위한 기초 연구에 이바지할 수 있을 것”이라고 말했다.

연구 성과는 미국화학회(Americal Chemical Society, ACS)가 발행하는 국제학술지 'ACS Applied Materials & Interfaces' 표지논문으로 7월 31일자(논문명 : Exchange-Coupling Interaction in Zero- and One-Dimensional Sm2Co17 /FeCo Core–Shell Nanomagnets)에 실렸다.