물리학과 홍순철 교수 인터뷰

대량 생산 공정 연구 등 과제

▲홍순철 교수(왼쪽)와 인천대 엇후 도르지 교수가 영구자석 구조를 설명하고 있다. <사진출처=대외홍보팀>

희토류는 열과 전기가 잘 통하는 희귀 광물이다. 영구자석 형태로 전기자동차 모터, 풍력발전, 반도체와 스마트폰과 IT제품 생산에 필요한 원료이며 매장량이 적고 비싸다. 이를 대체 자원이 부족한 실정이다. 그러나 최근 희토류 원소를 대신할 비희토류 영구자석 소재 개발 길이 열려 주목을 받고 있다. 

우리 대학교 홍순철 교수와 제자인 인천대 엇후 도르지 교수가 순철을 기반으로 한 영구자석 소재 개발 방향을 이론적으로 제시한 연구 결과가 지난달 15일 세계 최고 학술지 ‘악타 머티어리얼리아’에 정식 출판됐다. <울산대신문>은 홍순철 물리학과 교수를 만나 이번에 화제가 된 희토류 대체 에너지 소재 연구에 대해 알아봤다. 

Q. 어느 분야를 연구하고 계시나요? 

A. 자성재료의 물성을 이해하고 물성을 향상할 수 있는 방안을 컴퓨터 계산으로 활용해 연구하고 있습니다. 일반인에게 친숙한 영구자석이 대표적인 자성재료입니다. 그 외 반도체 전자소자 이후의 차세대 지능형 반도체 산업을 창출할 것으로 기대되는 스핀트로닉스 소자의 성능을 높일 수 있는 자성 소재도 디자인하고 탐색하고 있습니다. 

Q. 희토류 네오디뮴 자석은 어느 분야에 이용되나요? 

A. 발전기는 역학적 에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치이고, 반대로 전동기는 전기에너지를 역학적으로 변환시키는 장치입니다. 에너지 변환을 할 때 에너지 손실이 있을 수 있는데, 효율적인 에너지 변환을 위해 강력한 자기장을 만드는 자석이 필요합니다. 현재 생산되고 있는 자석 중 가장 강력한 자석이 네오디뮴 자석으로 현재 전기자동차의 모터와 풍력발전기 등에 활용되고 있습니다. 

Q. 비희토류 영구 자석 개발을 시작하게 된 계기는 무엇인가요? 

A. 희토류 원소는 지구 매장량이 적고 화학적으로 추출하기 어렵습니다. 원석에서 희토류 원소를 추출할 때 환경오염 문제가 발생합니다. 현재 희토류 원소 생산의 대부분을 중국이 하고 있습니다. 또한 중국이 마음만 먹으면 언제든지 자원 무기화할 수 있는 원소가 희토류 원소입니다. 희토류 원소는 가격도 비싸지만 중국이 수출을 금지하는 경우에는 살 수 없게 됩니다. 이를 대비하기 위해 비희토류 영구자석의 개발이 필요합니다. 실제로 2010년에 댜오위다오를 두고 일본과의 영토 분쟁이 있었을 때 중국이 희토류 원소의 수출 금지 조치를 취하면서 희토류 원소 가격이 천정부지로 치솟은 사례가 있습니다.      

Q. 이번 연구 결과의 가장 큰 의의는 무엇이라고 생각하시나요? 

A. 희토류 원소를 사용하지 않고 지구상에 풍부한 원소인 철, 니켈, 질소로 구성된 네오디뮴 영구자석의 성능에 버금가는 영구자석 소재 개발 가능성을 열었다는 면에서 본 연구의 의미가 큽니다. 세계 각국의 많은 노력에도 불구하고 네오디뮴 자석 소재가 개발된 후 40여 년간 새로운 영구자석 소재가 개발되고 있지 못한 상황을 생각해 보면 그 의미가 더욱 명확해지리라 봅니다. 

Q. 이번 비희토류 기반 영구 자석의 원리가 어떻게 되나요? 

A. 어떤 물질이 자석이 되는 원인은 전자의 스핀(자전)에 있습니다. 자석이었던 물질이 온도가 상승하면 정렬돼 있던 전자스핀의 방향이 흐트러지며 자석의 성질을 잃게 됩니다. 높은 온도에서도 큰 스핀을 유지하는 원소가 철입니다. 철의 스핀에 의한 자기장이 자신과 같은 방향으로 향하고 있던 이웃한 철 원자의 스핀을 반대 방향으로 바꾸려는 경향이 있습니다. 이를 저지하는 역할이 희토류 원소입니다. 비희토류 원소의 물질 결정 구조를 변형시켜 변형된 구조가 영구 자석에서 희토류의 역할을 대신하는 겁니다. 

Q. 앞으로 어떤 방향의 연구가 더 필요하다고 생각하나요? 

A. 이번 연구는 이론적 방법을 제시한 것으로 아직 시작 단계입니다. 실제로 생산되어 활용되기까지는 험난한 연구 과정이 필요할 것으로 생각합니다. 실험 수준에서 제작 조건을 갖춰야 할 것이고 실험실에서 성공하면 대량 생산을 할 수 있는 공정 개발이 필요합니다. 

이하림, 최진영 기자

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