Special 국가 전략소재 희토류 기술 개발 및 공급망 확보 동향(2)

Nd 저감/대체형 고특성 희토류 영구자석소재기술 연구개발 동향

김수민_한국재료연구원 자성재료연구실 기술기원
차희령_한국재료연구원 자성재료연구실 선임연구원
이정구_한국재료연구원 자성재료연구실 책임연구원

1. 서론

‘희귀한 흙’이라는 뜻을 지닌 희토류 원소는 란타넘(La)부터 루테튬(Lu)까지의 란탄 계열 15개 원소(원자번호 57~71번)와 스칸듐(Sc)과 이트륨(Y)을 포함하는 17개 화학 원소의 통칭으로, 에너지의 효율화, 전기동력화(Electrification) 및 친환경 등의 산업적/사회적 이슈로 인해 4차 산업혁명에서 핵심적인 역할을 맡고 있는 원소들이다. 특히 모터, 액추에이터, 발전기 등에서 에너지변환(전기 ↔ 기계 에너지)의 핵심적인 역할을 맡아 전기 및 하이브리드 자동차, 풍력 발전, 태양력 발전 등에 사용되는 희토류 원소 기반 영구자석은 그 중요성과 수요가 해를 거듭할수록 급증하고 있다. 또한, 이 희토류 영구자석은 가전, IT, 방위산업, 의료산업 등 다양한 응용 분야에서도 널리 쓰이고 있으며, 에너지 절감 및 소형화를 위해서 보다 높은 성능의 영구자석을 필요로 하고 있다.
  1983년 일본 Sagawa 박사에 의해 발명된 네오디뮴(Nd-Fe-B) 영구자석이 현재까지 개발된 영구자석 중에서 가장 높은 자기적 특성을 나타내고 있으며, 고특성 영구자석이 필요로 하는 분야에 이 네오디뮴 자석이 널리 사용되고 있다[1]. 대표적인 예가 친환경 전기/하이브리드 자동차이다. 이 자동차들의 심장은 구동 모터이며, 이 구동 모터의 성능을 결정짓는 핵심 소재가 바로 영구자석이다. 따라서 모터의 고효율화/고특성을 위해서 가장 높은 자기적 성능을 가지는 네오디뮴 영구자석이 필수적으로 사용되는데, 모터의 높은 구동 온도(~200°C)로 인해 고내열성(고보자력)이 요구된다. 이를 위해서 지금까지 네오디뮴 자석에 네오디뮴보다 높은 자기 이방성(보자력)을 나타내는 중희토류 원소인 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy) 등을 첨가하여 보자력을 향상시킴으로써 고온 특성을 만족시켜 왔다. 하지만 이들 Tb, Dy와 같은 중희토류 원소들의 90% 이상이 중국에 매장되어 있으며, 실제 생산은 대부분 중국에서 이루어지고 있어 수급과 가격에 대한 불균형 문제가 심각한 실정이다. 1992년 덩샤오핑의 “중동에 석유가 있다면 중국에는 희토류가 있다”라는 발언에서 알 수 있듯이 중국은 희토류 원소를 전략적 자원이라는 인식을 하고 있으며, 실제로 2011년 일본과의 센카쿠열도 분쟁과 2020년 미국과의 무역 분쟁에서 즉각 희토류 수출을 제한하는 등 중국이 자국의 정치적 이익을 위해 희토류 원소를 이용하는 모습을 보여 와 앞으로 희토류 원소에 대한 공급/가격 문제는 끊이지 않을 것으로 보인다. 또한, 최근 친환경 자동차 시장이 크게 확대됨에 따라 네오디뮴(Nd-Fe-B) 자석의 수요가 급격히 증가하여 2025년에는 Nd의 수요가 공급을 넘어설 것으로 예측되기 때문에 Nd 저감/대체, 나아가 희토류 원소를 완전히 대체하는 영구자석 개발이 시급하다.
  이 글에서는 Nd를 보다 저렴하고 풍부한 Ce, La 등의 경희토류로 대체하는 ‘Nd-저감형 희토류 영구자석’과 Nd를 완전히 배제하는 ‘Nd-free 희토류 영구자석’ 소재의 연구개발 동향을 소개하고자 한다.

2. 본론

1) 희토자석의 산업 및 시장 현황

대표적인 영구자석은 산화철 기반의 페라이트(Ferrite) 자석, 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 코발트(Co)를 주성분으로 하는 알니코(AlNiCo) 자석, 그리고 희토류 원소를 기반으로 하는 사마륨코발트(SmCo) 자석과 네오디뮴(NdFeB) 자석이 있다. 현재 이 중에서도 자력이 가장 강한 네오디뮴 영구자석과 가격이 저렴한 페라이트 영구자석이 시장을 양분하고 있다(그림 1).

그림1 . 영구자석별 시장 점유율 (2020년, 금액 기준) [2]

  가장 강한 자력을 지녀 다른 영구자석에 비해 작은 크기로도 제품의 성능을 높일 수 있는 네오디뮴 영구자석은 경량화/소형화되고 있는 각종 첨단 산업 분야에 핵심 부품으로 쓰이고 있다. 주 응용 분야는 친환경 전기자동차(구동모터, 발전기, 센서, 전동 스티어링 등), 가전제품(스피커, 에어컨, 냉장고, 카메라 등), 전자 제품(스마트폰, 하드디스크, 전동 공구 등), 의료 기기(MRI 등)로 해당 산업의 규모가 확장함에 따라 그림 2에서 알 수 있듯이 네오디뮴 영구자석의 수요는 2020년 11.9만 톤에서 2050년 75.3만 톤으로 6배 이상 급증할 것으로 전망되고 있다.

 2) 희토 자원 수급 문제

2022년 미국지질조사국(USGS) 보고서에 따르면 전 세계 희토류 매장량을 1억 2,000만 톤으로 추정하고 있으며 국가별로는 중국 4,400만 톤, 베트남 2,200만 톤, 브라질 2,100만 톤이 매장되어 있는 등 ‘희귀한 흙’이라는 희토류의 일반적인 선입견에 비해 희토류 부존자원은 매우 풍부한 것을 알 수 있다. 2021년 희토류 전체 생산량은 27.7만 톤으로 앞으로 이와 같은 속도로 희토류를 소비한다고 가정하면 약 400년 이상 사용할 수 있는 양이며, 더욱이 세계 각 나라에서 지질 조사가 진행됨에 따라 희토류 매장량은 계속 늘어나고 있다. 하지만 희토류를 포함한 광물의 채광, 정광, 정제, 정련 등의 일련의 과정에서 다량 발생하는 폐수, 유독가스, 방사능 등의 환경 오염 문제로 인해 대부분의 나라에서 희토류 생산을 하지 않고 있으며, 그 결과 세계 희토류 생산의 대부분을 중국에 의존하고 있는 실정이다.

그림2 . 네오디뮴(NdFeB) 영구자석 수요 전망 [3]

  하지만 최근 중국과 같은 희토류 생산국들이 국가 간 정치, 경제 분쟁에 희토류 원소를 이용함에 따라 희토류 원소에 대한 가격/공급 불균형을 우려하는 많은 국가가 자국의 희토류 채굴 산업을 되살리거나 중국이 아닌 대체 공급원을 찾고 있는 추세이다. 최근 베트남이 3~4개의 희토류 광산을 추가로 개발하여 2050년까지 연간 생산량을 211만 톤 수준까지 늘릴 계획을 수립하는 등 적극적으로 희토류 생산에 나서고 있다. 하지만 베트남에는 경희토류 위주의 원소들이 분포되어 있고 베트남 기업의 희토류 처리 기술이 성숙하지 못해 어려움을 겪고 있다. 특히 네오디뮴 영구자석의 수요가 급증하면서 고내열성을 위해 첨가되는 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy) 등의 중희토류 원소는 거의 전량 중국에서 생산되고 있어 가격/공급 불안정 문제가 갈수록 심화되고 있다. 그림 3에서 알 수 있듯이 중희토류 원소들은 네오디뮴의 가격을 훨씬 상회하고 있으며, 이로 인해 고내열성을 위한 고보자력 영구자석에서 터븀, 디스프로슘 등의 중희토류 원소가 차지하는 중량은 전체 10% 미만이나 전체원가에서 차지하는 비중은 60~70%를 상회한다.
  따라서 희토류 영구자석 공급의 안정화를 위하여 희토류 저감/대체 분야의 연구가 대한민국을 비롯한 미국, 일본, 중국, 독일 등의 나라를 중심으로 활발하게 진행되고 있다. 2023년 9월 희토류 영구자석 분야에서 가장 큰 학회인 REPM 2023 (27th International Workshop on Rare Earth and Future Permanent Magnets and Their Application)이 영국 Birmingham에서 개최되었다. 전체 165건의 발표 중 62%에 해당하는 102건의 발표가 희토류 저감/대체 및 재활용 관련 연구로 희토류 저감/대체 기술에 대한 필요성과 그 시급성을 알 수 있다.

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2023년 11월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>