미세조직 제어에 의한 Dy-free Nd계 영구자석 소재 개발

이 정 구,  유 지 훈_ 한국기계연구원 부설 재료연구소

Ⅰ. 서 론

최근 지구온난화 문제는 인류 생활을 위협하는 수준이다. 예를 들어 2012년도 한 해 동안 지구온난화의 영향으로 미국영토 크기에 해당하는 북극빙하가 녹았다는 보고도 있다. 이와 관련하여 아시아의 이상고온화, 유럽의 대규모 홍수사태까지 지구 곳곳에서 기후에 이상 징후가 뉴스에서 연일 보고되고 있다. 이러한 지구온난화 문제를 해결하기 위해서는 무엇보다 저탄소 사회를 실현하는 것이 중요하다. 대부분의 지구온난화 문제는 화석연료를 소비하면서 발생하는 온실가스에 의해 유발되고 있다. 이러한 화석연료 소비는 온실가스 외에도 각종 대기오염물질을 발생시켜 각종 질병을 유발하여 삶의 질을 악화시키기도 한다. 특히, 자동차 업계에서는 점점 강화되고 있는 세계 각국의 자동차 연비 규제 목표 달성을 위해 노력하고 있다. 따라서, 저탄소 사회는 지구온난화와 관련된 각종 환경문제를 새로운 비지니스 모델로 적극 대처한다면 구현될 수 있다. 이러한 저탄소 사회를 실현하기 위해서는 화석연료의 소비를 줄여야 하고, 이를 위해서는 에너지 생산과 소비방식의 패러다임 변화가 필요하다. 즉 에너지 생산방식에서는 화석연료를 연소하는 발전방식에서 풍력, 태양발전과 같은 신재생에너지 발전방식으로, 에너지 소비방식에서는 에너지 소비와 관련된 각종 부품의 에너지 효율을 극대화하는 것이 중요하다. 특히, 에너지를 소비하는 기기의 효율의 향상과 가장 밀접하게 관계되는 기기가 모터이다. 그리고 여기에 사용되는 핵심소재가 바로 영구자석이다. 예를 들면, 전 세계적으로 약 42%의 전기가 산업체에서 사용되고 그 중 2/3, 즉 약 28%가 모터 구동에 사용되고 있다. 물론 제조업기반의 국가에서는 그 비율이 휠씬 높기 때문에 이러한 모터 효율 향상의 중요성을 쉽게 이해할 수 있다. 특히, 저탄소 사회 실현에 필요한 하이브리드 자동차(HEV), 전기자동차(EV)와 같은 친환경 자동차, 에너지효율이 매우 높은 가전 등에서 핵심기술의 하나가 바로 모터용 Nd-Fe-B계 희토류 영구자석소재이다.
그림 1에서 나타낸 영구자석 개발의 역사를 보면, 약 90년간의 짧은 개발기간 동안 영구자석의 세기를 나타내는 최대자기에너지적 [(BH)max]가 약 60배나 증가하였다. 이러한 영구자석 세기 향상은 관련 부품의 소형화, 고출력화와 직결된다. 그림 2에는 자석표면 5 mm 거리에서 1000 가우스(gauss) 자력을 발생시킬 수 있는 자석의 상대크기를 비교한 것이다. 예를 들면 N48급의 Nd-Fe-B계 자석의 경우 Alnico 9 보다 약 1/54의 크기의 자석으로 같은 세기를 낼 수 있다. 그렇기 때문에 소형, 경량화가 요구되는 곳에는 Nd-Fe-B계 자석이 필수적으로 필요하다고 말할 수 있다.
이러한 고특성 희토류 영구자석이 적용된 고성능 모터는 HEV, EV의 구동모터 뿐만 아니라 에어컨용 압축기모터, 세탁기 드럼 구동모터, 공작기기와 산업로봇용 모터에 이르기까지 다용하게 사용되고 있다. 또한 최근에는 풍력발전기에 적용되는 양이 급증하고 있다.
그러나, 희토류 영구자석은 현재 심각한 자원리스크에 직면해 있다. 특히 고온 환경 하에서 작동하는 친환경자동차 구동모터용 희토류 영구자석에 필수 원소인 Dy와 같은 중희토류 자원문제는 매우 심각하여 차세대 산업에서 필요한 고성능 모터 공급에 큰 장애요인이 될 것으로 예상된다. 따라서 이러한 문제 해결을 위해서는 고특성 희토류 영구자석에서 Dy와 같은 중희토류 원소를 저감, 궁극적으로 제로화하는 기술과 나아가서는 희토류 대체 영구자석재료를 개발이 하는 것이 매우 시급하다.
본 고에서는 이러한 중희토류 자원문제 해결방안인 미세구조 제어기술 개발 동향에 대해서 살펴보고자 한다.

그림 1. 영구자석의 개발과 이에 따른 성능향상 과정

그림 2. 표면에서 5mm 위치에서 1000 gauss 자력을 내기 위한 자석크기 비교

그림 3. Nd-Fe-B계 영구자석의 응용분야

Ⅱ. 본 론

1. 영구자석 산업동향

영구자석의 대표적인 주요 적용 부품인 모터는 전기에너지를 운동에너지로 전환시켜주는 역할을 하며, 자동차, 가전, IT, 의료산업 등에 매우 다양하게 사용되고 있다. 이전에는 모터의 회전부분에 주로 전자석이 사용되었지만 최근, 특히 소형모터에는 Nd-Fe-B계 영구자석이 사용되고 있다. 그 이유는 앞에서도 설명하였지만, 자석의 세기가 다른 자석과 비교하여 월등히 세기 때문에 모터의 소형화, 경량화, 저소음화에 가장 적합하기 때문이다. 하지만 영구자석 소재가 자동차, 가전, IT, 의료산업과 같이 다양한 응용 분야에서 우수한 소재로 사용되기 위해서는 자석의 세기를 결정하는 잔류자속밀도 외에도 안정적인 보자력이 동시에 요구되고 있다. 하지만 Nd-Fe-B계 자석은 보자력의 온도감자 특성이 열악하여 고온사용에 적용하기 위해서는 이에 대한 개선이 매우 중요하다. Nd-Fe-B계 영구자석의 적용분야를 좀 더 자세히 살펴보면 다음과 같다. 엘리베이터에는 일찍부터 Nd계 영구자석이 적용되었고 이후 세탁기 모터에도 사용되어 탈수력 향상과 구동소음을 크게 줄일 수 있었다. 또한 중장비 기기에까지 그 응용분야를 넓혀갔다. 종래의 유압방식으로는 엔진을 계속해서 작동시키기 때문에 구동소음이 문제이었지만 Nd계 영구자석을 사용한 모터를 사용함에 따라 주택밀집지역과 야간공사에도 중장비기기 사용이 용이해졌다.
수량적으로는 전자, 정보기기에 Nd계 영구자석이 많이 사용되어 왔다. 보이스 코일 모터(VCM)은 영구자석의 자계 중에 설치된 보이스 코일에 흐르는 전류에 비례하여 직진운동을 하는 리니어 모터로 컴퓨터용 하드디스크 헤드의 위치 결정, 카메라의 줌, 조리개, 셔터, 미세가공기의 엑츄에이터 등에 널리 사용되고 있다. 또한, 휴대전화의 박형화에도 Nd계 영구자석은 크게 공헌하고 있다. 휴대전화를 얇게 할 때의 큰 문제 중의 하나가 스피크의 박형화이지만 초소형 Nd계 영구자석을 사용하면 두께 1 mm 정도의 매우 얇은 스피커 제조가 가능하다. 시대적으로는 1990년대 전세계적으로 컴퓨터의 보급에 따라 전자, 정보기기 용도를 중심으로 Nd계 영구자석의 생산이 확대되어 왔다. 최근에도 계속해서 Nd계 영구자석의 수요가 증가하고 있지만 한 가지 주목할 만 한 점은 모터용도의 수요 증가가 전체 수요 증가를 주도하고 있다는 점이다. 그 배경에는 기후변화에 대처하기 위한 CO2와 같은 온실가스 배출량의 저감을 위해 전력소비 저감과 에너지 절약형 기기에 대한 산업적 요구가 크게 증가하고 있기 때문이다.
Nd-Fe-B계 영구자석에 의해 에너지절감이 크게 실현된 대표적인 제품이 에어컨이다. 에어컨은 전력의 대부분을 컴프레셔용 모터 구동에 소비한다. 이전에는 교류모터인 유도모터가 사용되었지만 1981년에 처음으로 인버터 방식 에어컨이 판매되어 1990년대에는 고효율 브러쉬레스 DC모터가 개발되었다. 현재 세계 각국에서 가전제품에 엄격한 에너지저감 규정을 적용하고 있고 앞으로 더욱 강화될 예정이기 때문에 에어컨 제조사들은 에너지 사용저감을 위한 모터성능 향상 연구를 더욱 강화하고 있다. 예를 들어 일본의 경우 2003년 이후 거의 대부분의 에어컨 제조사가 Nd계 영구자석을 채용하여 에너지 저감을 달성하고 있다. Nd계 영구자석을 이용한 신형 모터는 구형 모터와 비교하여 특히 저 회전수에서 에너지 효율이 높아 약 30% 에너지 저감효과가 있다고 알려져 있다. 하지만, 세계적으로 보면 아직 비 인버터 방식 에어컨이 주류이고 전체 산업분야에서 영구자석을 사용하지 않는 유도모터가 많이 사용되고 있다. 이것을 Nd계 영구자석을 사용한 영구자석모터로 바꾼다면 에너지 사용량을 크게 줄일 수 있어 결과적으로 CO2 배출을 크게 줄일 수 있다. 최근, Nd-Fe-B계 영구자석의 이용이 가장 급속하게 급증하고 있는 제품은 친환경자동차용 모터이다. 친환경자동차의 생산 확대에 따라 Nd-Fe-B계 영구자석의 생산도 크게 증가하였고 앞으로도 계속해서 증가할 것이다. 예를 들어, 현재 자동차의 경우 1대당 70에서 150개의 자석이 사용되고 있고, HEV 1대에는 약 1kg, EV 1대에는 약 2kg의 Nd-Fe-B계 자석이 사용되고 있다. 또한, 그 수요는 지속적으로 증가하고 있다. 또한, 아시아를 중심으로 전기자전거(EB)의 보급이 크게 증가하고 있고 EB 1대당 약 0.35 kg의 Nd-Fe-B계 자석이 사용되고 있다. 2012년 기준으로 EB에 사용되는 자석수요는 약 9,700 톤에 달한다. 또 한가지 주목해야 할 분야는 풍력발전이다. 풍력발전에서는 MW 발전에 250 - 600 kg의 Nd-Fe-B계 자석이 필요하다. 미국은 이러한 풍력발전을 2030년까지 약 300 GW 규모까지 설치할 계획을 가지고 있고 다른 선진국에서도 풍력발전에 대한 설비투자를 정부차원에서 적극 추진하고 있는 실정이기 때문에 영구자석 수요도 크게 증가할 것이다.

그림 4. 미국 풍력발전 설비투자 계획

그림 5.  세계 영구자석 시장규모 변화 추이

그림 6. Nd-Fe-B계 영구자석의 Dy 첨가량에 따른 자기특성변화 및 응용분야

(본 사이트는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2013년 7월호를 참조바람.)

감사의 글
본 연구는 지식경제부 소재원천기술개발사업의 연구비 지원으로 수행되었습니다.

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(23) http://www.arnoldmagnetics.com/

이 정 구
- 성균관대학교 금속공학과 학사
- 오사카대학 재료공학과 석사
- 오사카대학 재료공학과 박사
- 오사카대학 특임조교수
- 한국기계연구원 부설 재료연구소 책임연구원

 유 지 훈
- 한양대학교 금속재료공학과 학사
- 한양대학교 금속재료공학과 석사
- 한양대학교 금속재료공학과 박사
- 스위스 로잔연방공대 Post Doc.
- 한국분말야금학회 총무간사
- 한국기계연구원 부설 재료연구소 분말기술연구그룹장