미국 에너지부 핵심광물연구센터(Critical Materials Institute, CMI)와 에임스 국립 연구소(Ames National Laboratory) 연구자들은 미세구조 공학(microstructure engineering)을 기초로 망간 비스무트계(manganese bismuth, MnBi) 자석을 제조하는 새로운 방식을 개발했다.

이들은 자성 및 자성재료 저널(Journal of Magnetism and Magnetic Materials)에 발표한 “벌크 MnBi 자석의 보자력(coercivity) 개선을 위한 미세구조 공학”이라는 논문에서 연구 내용을 설명했다.

전기 모터에 사용되는 영구 자석은 현재 네오디뮴과 디스프로슘 등 희토류 금속으로 구성되는데, 연구자들에 따르면 이러한 금속은 점차 구하기가 더 어려워지고 있다. CMI 연구자 겸 에임스 국립연구소 전문가인 Wei Tang은 MnBi와 같은 희토류가 없는 영구 자석 재료의 특성을 개선함으로써 희토류를 사용하지 않는 소형 모터를 생산하는 과정의 진전을 이루었다고 밝혔다.

전기 모터에 사용되는 영구 자석은 높은 에너지 밀도 또는 높은 수준의 자성 및 보자력을 요구한다. 보자력은 자성을 약화시킬 수 있는 고열이나 외부 영향에 노출되어도 현재 수준의 자성을 유지할 수 있는 능력을 말한다. 기존의 제조 방식으로는 개별 재료를 자석으로 만들기 위해 높은 온도의 열이 필요하고, 그에 따라 자석의 에너지 밀도가 약화된다는 점이 MnBi의 문제점이다. 이를 해결하기 위해, 연구팀은 대안 공정을 개발했다.

Tang과 연구팀은 먼저 각 재료의 미세 분말(fine powder)을 이용해 시작 자기 에너지(starting magnetic energy) 수준을 높였다. 다음으로는 고온이 아닌 따뜻한 온도로 자석을 형성하는 방식을 사용했다. 마지막으로 입자들이 서로 접촉하지 않도록 비자성(non-magnetic) 성분을 추가하는 것이 새로운 공정의 핵심이었다. 입계상(grain boundary phase)이라고 하는 추가 성분은 자석에 추가 구조를 제공하고 개별 입자를 통해 흐르는 자성이 주변 영역에 영향을 주지 않도록 한다.

연구자들은 대부분의 자성 재료처럼 온도가 상승하면 보자력과 자성이 감소할 것으로 예상했다. 하지만 MnBi의 경우 따뜻한 온도가 보자력을 높이고 자화도(magnetization)는 낮추었다. 보자력이 증가하면 온도가 상승해도 알려진 다른 자석들에 비해 더욱 높은 안정성을 유지할 수 있다.

Tang은 “고전력 고밀도 자석을 사용하면 모터 크기가 줄어들면서 소형화할 수 있다”며, “현재로서는 일부 기기의 크기를 줄이고 간소화하며 에너지 효율을 높일 수 있다는 점이 매우 중요하다”고 설명했다.