Special 차세대 전기차용 소재기술 개발 동향 및 산업전망(2)
차세대 자동차용 고특성 페라이트 기술 개발 동향

정용호_유니온머티리얼(주) 상무
 
1. 서론

저탄소 녹색성장 사회 실현을 위하여 하이브리드 (HEV) / 전기자동차 (EV)와 같은 친환경자동차, 에너지 절전형 가전제품 등의 생산과 수요가 급속하게 증가하고 있다. 이들의 핵심 주요 부품인 모터는 국내 총 전력사용량의 약 55%를 차지할 정도로 에너지 소비량이 크며 현재 사용 중인 모터의 40%를 고효율의 프리미엄급 모터로 교체하면 모터 효율이 1% 증가하여 연간 500MW급 화력발전소 2기에 해당하는 전력을 줄일 수 있게 된다.
  모터의 고효율화를 위하여 핵심소재인 영구자석의 고특성화가 요구되고 있으며, 수요도 매년 20% 이상 증가하고 있다. 최근 생산되는 자동차는 전장화로 인해 모터의 사용량이 늘어나 1대당 50~60개가 사용되고 있으며 또한 경량화된 모터의 요구가 지속 증가되고 있다. 고급 차종에는 100개 이상의 영구자석용 모터가 적용된다. 여기에는 주로 습식이방성 페라이트 영구자석이 활용되고 일부 고출력 요구되는 경우 Nd계 희토류 금속자석이 사용되고 있다.

그림 . 자동차 전장 모터용에 사용되는 페라이트 영구자석

  영구자석의 성능은 2가지 척도로 평가한다. 하나는 자력의 세기를 나타내는 잔류자속밀도(Br), 다른 하나는 외부의 반대 자력에 대항해 자력을 지켜내는 힘, 즉 보자력(Hc)이다. B와 H의 관계를 나타내는 B-H 곡선에서 B와 H의 곱의 최대치를 최대 자기 에너지적((BH)max)으로 정의해서 영구자석의 성능을 나타내기도 한다. 최대 자기 에너지적이 높을수록 모터의 출력을 향상 시킬 수 있으며 동시에 외부 자계 및 온도에 의한 감자를 억제할 수 있게 된다.

그림 . 자동차 모터의 시스템 영역별 세계 시장 예측 

그림 . 영구자석의 히스테리시스(Hysterisis) 2사분면 곡선

  그림 4에서는 영구자석의 최대 에너지적 변화 동향을 나타낸다. 약 90년의 짧은 기간에도 불구하고 자석의 세기는 약 60배 증가하였다. 20세기에 접어들면서 산업적으로 사용 가능한 강력한 영구자석들이 계속해서 개발되었다. KS강의 발명 이후, 1930년에는 페라이트 자석의 기초가 되는 OP 자석이 발명되었고, 1932년 알리코 자석의 원점이 되는 MK강이 발명되는 등 영구자석의 성능이 계속해서 개선됨에 따라 산업 전반에 활용되는 예가 점차 증가하게 되었다. 영구자석의 성능은 1960년대 후반부터 최초의 희토류 영구자석인 Sm-Co 자석의 등장으로 크게 도약하였다. Sm-Co 영구자석은 미국의 공군연구소에서 1968년에 발명되었으며, 희토류-천이금속의 자기적 결합력을 이용한 자석으로써 페라이트 또는 알리코 자석의 보다 5-10배 우수한 성능을 발휘하였다. 한편, 1983년 일본의 Sagawa 등에 의해 Sm-Co 자석을 구성하는 주성분인 Sm, Co보다 상대적으로 가격이 저렴한 Nd, Fe, B 원소를 활용한 새로운 개념의 희토류 자석이 발명되었는데, 이들 Nd계 희토류 자석은 가격뿐만 아니라 성능 측면에서도 종전의 Sm계 희토류 자석보다 높은 향상을 도모한 획기적인 발명이었다.1)
  최근 연구개발의 대부분은 자기 특성이 우수한 희토류 영구자석에 집중이 되어있다. 반면에 산업적으로 훨씬 많이 사용되고 있는 페라이트 영구자석에 관한 기술 개발이 저조한 실정이다. 희토류는 전세계 매장량의 거의 절반을 중국이 보유하고 있으며, 세계 공급량의 95% 이상을 차지하고 있어 지난 2011년도의 ‘희토류 파동’과 같은 가격 급등과 수급 불안정 문제를 해결하고자 희토류 대체 기술 개발에 많은 연구가 진행되고 있다.
  페라이트 영구자석은 희토류 영구자석에 비해 적은 희토류 사용량과 매우 낮은 소재비로 수요가 지속적으로 증가할 것으로 예상된다. 또한, 페라이트 영구자석은 산화물이기 때문에 화학 안정성이 높으며, 고온의 사용 환경에서도 산화와 같은 문제를 고려할 필요가 없다. 희토류 영구자석과는 반대로 고온에서 보자력(Hc)이 증가하므로 감자의 염려가 없어 고온용 분야에서 많이 사용되고 있으므로 고특성을 통하여 그 응용 분야가 더욱 확대될 것으로 예상된다.
  이러한 배경 하에서 차세대 자동차용 고성능 페라이트 영구자석의 개발 동향에 대하여 소개 하고자 한다.

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2020년 12월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>