그린산업용 나노자성복합소재기술
및 산업적 응용
최철진 재료연구소 나노기반재료센터장

1. 서 론

자성소재는 반도체 소재와 함께 거의 모든 산업분야의 전자기부품(자동차의 구동모터, NC용 서보 모터, VTR 및 캠코더의 헤드드럼 모터, 컴퓨터의 CD-ROM, HDD용 드라이버, 스피커 등)에 필수적으로 사용될 뿐만 아니라 최종 제품의 경쟁력(성능, 품질, 신뢰도, 가격)을 결정하는 핵심기반소재이다. 나아가 미래형 자동차, 지능형 로봇, 정밀의료기기, 지능형 정보가전 등 차세대 그린산업에서도 자성소재와 그 응용부품이 더욱 중요한 위치를 차지하게 되면서, 그 수요가 급격히 증가할 것으로 예상된다.
특히 미래형 자동차에 사용될 고효율/고성능 모터시장의 엄청난 시장 확대가 예상되며, 분말자성소재 중에서도 가장 우수한 자기적 특성을 보이는 나노자성복합소재가 세계시장을 선도할 것으로 예상된다.
나노자성복합소재기술은 기존 분말자성소재의 성능을 혁신적으로 향상시키기 위해, 분말입자를 0.1㎛ 이하로 극미세 제어하여 기존 자성분말로는 구현할 수 없는 초특성을 발현하고, 분말입자의 다상 합금화, 복합화, 이방화에 의한 복합기능화를 통해 미래 수요 산업에서 요구되는 고성능 분말자성소재의 제조기반을 구축하는 소재원천기술이다.　
기존의 분말 입자를 이용한 기술은 100~500㎛ 크기의 분말 입자를 단순성형/소결하여 주로 기계 부품을 제조하는 수준으로, 21세기 첨단 지식기반사회에서 요구되는 새로운 고기능성 소재를 창출하는 데는 근본적인 한계점이 있다. 특히 미래형 자동차, 로봇, 전자산업 등에 필수적인 분말자성소재는 기존의 분말입자로는 보다 가혹한 성능을 요구하는 산업 트렌드를 충족시킬 수 없다. 이러한 한계점을 극복하기 위해서는 나노복합화기술을 통해 입자의 quantum 효과와 표면 효과를 극대화하여 자성소재 임계 성능의 혁신적인 향상을 도모하고 복합화 기술을 통해 자성소재에 multifunction 기능을 부여하는 것이 필수적으로 요구되고 있다.
이와 같이 나노복합화를 통한 분말자성소재 임계 성능의 혁신적인 향상을 위해서는 새로운 개념의 자성분말 합금설계기술 및 다상 복합화기술이 필요하며, 제조된 입자를 자기 극대화 방향으로 배열하는 입자 이방화기술 및 치밀화기술의 개발이 선행되어야 한다.
따라서 본 고에서는 이러한 나노자성복합재료기술에 대한 보다 나은 이해를 위해, 시장 동향, 연구개발 동향 및 정부의 연구개발사업 등에 관해 기술하고자 한다.

2. 나노자성복합소재기술의 시장 동향

나노자성복합소재는 각종 모터, 엑츄에이터, 센서 등의 핵심소재로 자동차, 가전, 정밀공작기계 뿐만 아니라 MRI와 같은 의료기기, 음향기기, 자기부상열차에까지 활용되어 전 범위 산업분야의 근간이 되는 국가전략소재로, 그 수요시장은 빠르고 지속적인 성장 추세에 있다. 특히 미래형 자동차에 사용될 고효율/고성능 모터시장의 엄청난 시장 확대가 예상되며, 자동차수요가 폭발적으로 늘어날 것으로 전망되는 중국시장을 포함한 아시아 시장이 세계시장을 선도할 것으로 예상된다. 분말자성소재 중에서도 특히 희토류계 분말소재가 가장 우수한 자기특성을 보이고 있고, 그 중에서도 특히 Nd계 자성분말이 성능과 가격 면에서 유리하여 큰 잠재적 미래시장을 가지고 있다.

2.1. 해외시장 동향
Nd계 희토류자석의 세계시장은 1995년 이전에는 일본이 주도하였으나, 최근에는 중국의 빠른 약진에 의해 35~45MGOe급은 중국이 주도를 하고 있다. 하지만 45~50MGOe급의 고품위 제품시장은 아직도 일본이 석권하고 있다. 세계시장규모는 2005년 기준으로 62,200억 원 정도이다. 현재 전 세계적으로 친환경 자동차(하이브리드차/전기/연료전지차)에 대한 필요성이 부각되고 있고, 2000년대에 접어들면서 일본의 도요다 자동차를 중심으로 하이브리드 자동차의 양산이 실현되면서 고효율, 고출력 모터의 핵심소재인 Nd계 희토류자석에 대한 수요가 급증해 2010년에는 154,800억 원 규모로 성장할 것으로 예상된다.
연자성소재의 경우 비정질합금소재가 개발되어 Fe-Si소재를 대신에 Fe계 비정질 자성분말의 용도가 점차 늘어나고 있는 추세이다. 현재 연자성 자성분말은 미국 주도로 생산되고 있고, 어느 정도 시장이 형성되어 있다.

2.2. 국내시장 동향
Nd계 희토류본드자석의 경우 1990년대 자화전자, 삼성전기에서 최초로 국내 생산을 시작하여 현재 HDD, CD-ROM, DVD-ROM 등의 스핀들 모터에 적용되고 있는데, 이 산업분야는 국내업체가 세계시장을 선도하고 있기 때문에 점차 그 응용범위 및 시장이 확대되고 있는 추세이다. HDD용 VCM, 의료용 MRI, 고출력 서보모터에 많이 활용되고 있는 소결자석의 경우 국내 기술수준이 일본, 유럽 등에 미치지 못해 관련 반제품 또는 완제품을 수입하여 가공처리 후 사용해 왔지만 최근에는 정부의 기술개발 지원과 자화전자, 한국 마그네트알로이 등 국내업체의 적극적인 연구개발 노력으로 향후 희토류소결자석의 국내 생산이 크게 확대될 것으로 예상되며, 국내 모터업체의 모터성능개선 및 안정적인 생산에도 크게 기여하는 등 시너지 효과도 기대된다. Nd를 포함한 희토류계 분말소재의 국내시장은 2005년도 기준으로 3,600억 원 규모이며 연간 20~30%의 성장이 지속되어 2010년에는 14,000억 원 규모로 증가할 것으로 예상된다.

3. 나노자성복합소재기술 연구개발동향

3.1. 해외 기술개발 동향
1983년 M. Sagawa에 의해 최대자기에너지적 35MGOe의 Nd계 희토류자석이 개발된 이후 일본, 미국, 유럽 중심으로 활발한 연구가 진행되어 왔다. 특히, 최근 수년 전부터는 에너지절감 및 환경친화 제품의 필요성이 전 세계적으로 중요한 이슈로 부각되면서 하이브리드, 전기자동차 등 미래형 자동차의 구동모터 또는 발전기용으로 희토류계 영구자석에 대한 관심이 높아지고 있다.
일본의 자석제조업체에서는 최대자기에너지적을 높이기 위한 많은 공정기술을 개발해 왔다. 예를 들어, 출발합금을 ingot로 만드는 대신 strip casting으로 만들어 합금조직의 미세화, 균질화 및 이방화하는 기술을 오래 전에 개발했으며, 최근에는 보다 높은 수준의 불순물 제거와 미세조직 제어를 위하여 「미소 무중력응고프로세스」라는 새로운 제조 공정까지 고안하여 상용화를 위한 연구개발이 진행 중이다. 성형기술에서도 자장성형과정에서 분말의 이방화율을 극대화하기 위하여, 펄스자장성형기술, 습식자장성형기술, RIP 혹은 CIP 등을 도입함으로써 펄스자장정렬과 등방압축 기술을 접목하는 공정개발 연구를 꾸준히 진행 중에 있다.
미국에서는 정부기관에서 AMPS program으로 산·학·연을 지원하여 산업체로 하여금 고특성 희토류자석 제조기술을 개발하도록 하고 있는데, ingot casting에서 strip casting으로, 그리고 보다 개선된 jet milling system을 채용하여 실험실에서 52MGOe, 생산에서 48MGOe 급의 자석을 만들고 있고 조직 이방화기술의 향상을 위해 활발한 연구가 진행중에 있다. 또한 Magnequench사는 일본의 Daido steel사와 함께 melt-spinning법으로 제조한 비정질 분말 재료를 대형의 metal can속에 장입하고 이를 약 750℃의 온도에서 die-upsetting하여 이방성을 부여한 후 다시 분쇄하여 이방성 분말로 가공하여 초고성능의 자성분말을 제조하는 기술을 공동 개발중이다.
세계 희토류 매장량의 80%를 보유하고 있는 중국은 국가차원에서 전략적으로 희토류계 자성소재 연구개발 및 생산을 지원, 육성하고 있다. 생산측면에서 보면 중국은 희토류자석공장을 200여개 보유하고 있으며, 현재 전세계 희토류자석 생산의 50% 이상을 점유할 정도로 이 분야 사업이 활성화되어 있다. 중국 제조업체의 제조설비나 생산방식이 저특성 자석의 대량생산에 적합하도록 설계되어 있기 때문에 아직은 고성능 자석을 제조할 기술을 보유하지 못하고 있으나, 최근에는 일본, 유럽 등지에서 신규설비와 고급인력들을 채용하면서 고성능 자석 제조에 관심을 보이고 있다. 또한 최근에는 고가인 희토류계를 대체할 고성능 자성소재 개발이 전 세계적으로 큰 관심사이다.

3.2. 국내 기술개발 동향
국내의 경우 1990년대 이후 과학기술부 주관의 특정연구개발사업과 산업자원부의 공업기반기술사업 그리고 산업자원부 주관의 민군개발사업 등을 통해 연구개발을 진행해 왔지만 기술적인 면에서 일본, 유럽 등에 비해 뒤쳐져 있다. 희토류 소결자석에 대한 연구는 쌍용, LG금속, 대우중공업, 자화전자 등의 업체를 중심으로 진행되어 왔었으나, IMF 사태로 인하여 대부분 소결자석에 관한 연구를 중단한 상태이고, 현재 자화전자가 연구개발을 계속하고 있다. 현재까지 연구실적 수준에서 자장중 성형 기술에 의해 37MGOe-30kOe 수준의 자석을 제조할 수 있다고 보고되고 있다. 그리고 특수용해를 위한 급속냉각기술에 대한 원천기술은 일정 수준 확보되어 있으나, 고온 안정성 고배향 치밀화 기술의 경우 아직 경험 부족으로 인하여 선진국에 비해 기술적으로 취약한 상태이다. 
구체적인 연구개발 사례를 보면, 반도체 장비에 활용되는 리니어모터용 자석개발, LCD/PDP 이송장치용 magnetic gear 개발, 서보모터용 래디알 소결자석 개발, 자장압축/사출성형기술에 의한 이방성 본드자석 개발 등을 들 수 있으며, 주로 반도체/FPD 사업, 로봇사업, 정밀기기사업 등을 목표로 개발이 진행되어 왔다.
3.3. 정부의 연구개발사업
현재 정부에서도 다방면에 연구개발 투자가 이루어지고 있지만, 그 중에서 지식경제부에서 추진하는 소재원천기술개발사업이 가장 큰 연구 프로그램이다. (연구사업명 : 극미세 자성입자 기능복합화기술개발 사업). 이 사업은 2008년도 소재원천기술개발사업으로 추진되어, 향후 10년간 연간 20억씩 총 200억이 투자되며, 현재 15개 기관 97명의 연구원이 참여하고 있다.
극미세 자성입자 기능복합화 기술개발 사업의 성격은 기존 분말자성소재의 성능을 혁신적으로 향상시키기 위해 (영구자석 성능지수 : 76MGOe+kOe 이상), 분말입자를 0.1㎛ 이하로 극미세 제어하여 기존 자성분말로는 구현할 수 없는 초특성을 발현하고, 분말입자의 다상 합금화, 복합화, 이방화에 의한 복합기능화를 통해 미래 수요 산업에서 요구되는 고성능 분말자성소재의 제조 기반을 구축하는 소재원천기술이다.　
이와 같이 극미세 입자 복합화를 통한 분말자성소재 임계 성능의 혁신적인 향상을 위해서는 새로운 개념의 자성분말 합금설계 기술 및 다상 복합화기술이 필요하며, 제조된 입자를 자기 극대화 방향으로 배열하는 입자 이방화기술 및 치밀화기술의 개발이 선행되어야 한다. 그림 1은 본 연구개발사업에서 추진하고자 하는 기술개발의 개념도이다.
본 기술의 개발을 통하여 그동안 수입에 의존해 오던 고특성 자성분말소재의 수입대체를 통해 대일 무역 역조를 개선할 수 있으며, 환경적인 측면에서는 공해물질 배출을 현저히 줄일 수 있는 차세대 하이브리드 및 전기자동차용 각종 모터의 핵심소재를 개발함으로써, 에너지 및 환경문제에 능동적으로 대처할 수 있다. 향후 하이브리드, 전기자동차 등 미래 자동차 메가트랜드의 변화로 고특성 분말자성소재를 적용한 고효율 모터의 수요가 급증할 것으로 예상되며, 로봇, IT, 정보통신, 가전제품 등 다양한 분야에서 큰 파급 효과가 예상된다. (현재 자동차 적용 모터수 40~50개/대 → 100~120개/대, 2018년 모터용 분말자성소재 세계시장 30조원) 또한 신성장동력 산업의 주력인 로봇, 산업 자동화, 첨단 전자기기, 바이오 등 다양한 산업분야의 핵심 부품에 적용될 수 있는 소재 개발을 통해 융·복합 산업분야에서 신수요를 창출할 것으로 기대된다.

4. 결 론

최근 에너지 저감 및 환경친화형 녹색성장 산업이 새로운 이슈로 급부상하면서 자동차 산업에서는 화석원료를 사용하는 내연기관을 전기모터와 병행하여 사용하는 하이브리드 자동차 혹은 환경친화형 에너지원인 수소 등을 대체에너지로 활용하여 전기를 발생시키고 모터를 구동하는 연료전지 자동차에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이들 환경친화형 자동차들은 전기에너지를 이용하여 구동되기 때문에 영구자석형 모터 및 발전기가 필연적으로 채용되고 있고, 자성소재 측면에서는 에너지 효율을 더욱 향상시키기 위하여 보다 우수한 경자기 성능을 나타내는 나노복합자성소재의 기술적 수요는 해가 갈수록 증가하고 있다.
이러한 자성소재는 21세기는 환경보호 및 에너지 절약을 위해 절실하며 이를 위해 보다 고성능의 나노복합자성소재에 대한 요구가 급격히 증가되고 있다. 특히 미래형 자동차, 로봇, 차세대 전자 산업 등 미래 성장동력 산업에서 고성능 모터에 대한 대규모 신규 시장이 형성될 것으로 예상된다.
하지만, 자원 및 인력을 통한 중국의 추격은 타 산업과 같이 자성소재 산업에서도 큰 위협요인이다. 현재 저급의 자성소재는 거의 중국의 수입에 의존하고 있다. 또한 기술선진국인 일본과 미국에서는 지속적으로 신기술을 개발하고 있으며 기술의 이전을 엄격히 제한하고 있다. 이러한 위협 요소를 극복하기 위해서는 기술위주의 고급의 나노자성복합소재 개발에 주안점을 두고, 전문가의 네트워크를 통한 독자적이고 원천적인 기술개발에 주력해야 할 것으로 판단된다.

참고문헌
(1) M. Sagawa et. al, J. Appl. Phys., 55 (6), 2083 (1984)
(2) J. J. Croat, Technical Report of Magnequench (1990)
(3) E. F. Kneller, R. Hawig, IEEE Trans. Magn. 27, 3558 (1991)
(4) S. Hirosawa, H. Tomizawa, 일본응용자기학회기 21, 160 (1997)
(5) I. R. Harris, P. J. McGuiness, J Less Comm. Metals 172, 1273 (1991)
(6) Y. Luo, BM News, No. 33, 122 (2005)
(7) S. Hirosawa, Proc. 20th Int. Workshop on REPM and their Applications, 16 (2008)
(8) M. Sagawa, Proc. 21th Int. Workshop on REPM and their Applications (2010)
(9) 2010년도 희유금속세미나 자료집, 해외자원개발 협회 (2010)

최 철 진
- 서울대학교 금속공학과 학사
- 한국과학기술원 재료공학과 석사
- 한국과학기술원 재료공학과 박사
- 미국 Rutgers University, Visiting Scientist
- 창원대학교 겸임교수
- 현재 : 과학기술연합대학원 (UST) 교수
- 현재 : 한국연구재단 나노융합단 전문위원
- 현재 : 한국기계연구원 재료연구소 나노기반재료센터장