Special 첨단 모빌리티용 융복합 소재기술 및 산업응용 동향(1)

미래 첨단모빌리티용 고특성 페라이트 영구자석 기술 개발 동향

김민호_유니온머티리얼(주) 차장
정용호_유니온머티리얼(주) 상무
 
1. 서론

글로벌 기후위기 대응으로 전산업분야 환경변화가 패러다임의 대전환을 일으키고 있다. 자동차 산업에서도 전기자동차로의 트렌드 변경이 급속하게 이루어지고 있다. 이로 인해, 널리 알려진 바와 같이 전기자동차용 이차전지 산업은 하루가 다르게 성장하고 있으며, 더불어 내연기관 엔진을 대체하는 구동모터 산업의 중요성도 급속히 증대되고 있다.1) 전기자동차 구동모터는 전기를 이용하여 발생된 구동력을 감속기를 통해 적절한 토크로 변환하고, 이를 바퀴에 전달함으로써 차량을 구동시키는 부품이다.(그림 1) 구동모터는 DC 모터, 유도 모터, 영구자석형 모터로 구분되며, 이중 영구자석형 모터는 높은 효율과 운전 특성이 우수하며 신뢰성과 내구성이 높고 유지보수가 간편하여 각광을 받고 있다.2) 

그림 1. 전기자동차 내부 구조 및 영구자석형 구동모터 (출처 : 현대자동차그룹 E-GMP)

  현재, 영구자석형 구동모터에는 희토류계 NdFeB 자석이 주로 사용되고 있다. 희토류의 경우 전세계 공급량의 90% 이상을 독점하고 있는 중국의 자원 무기화로 가격, 수급 불안정 등의 불안요인이 심화되고 있는 실정이다. 이에 대응하여 Tesla는 23년 3월에 개최한 투자자 대상 설명회인 ‘2023 Investor Day’에서 차세대 모델에서는 희토류가 없는 구동모터를 사용하겠다고 공표하였다.3) 페라이트 영구자석을 적용한 구동모터가 이를 충족시키는 강력한 후보가 될 것으로 예상되고 있으며, Tesla를 포함한 국내외 전기자동차 완성차 업체, 구동모터 제조사에서도 페라이트 영구자석을 적용한 구동모터 개발이 활발히 이루어지고 있다.
  하지만 전기자동차용 구동용 모터에 페라이트 영구자석을 적용하기 위해서는 상용 페라이트 영구자석의 특성을 뛰어넘는 고성능 페라이트 영구자석의 개발이 필요하다.4) 왜냐하면, 기존의 각종 전장용 모터에 사용되고 있는 상용 페라이트 영구자석은 희토류 영구자석 대비 자기특성이 부족하여 구동모터 적용 시, 체적 증가가 수반된다. 또한, 부족한 자기특성을 보상하기 위해서 구동 전류가 상승하는 문제점 등 구동모터에 적용하기에는 역부족이기 때문이다.
  상용 페라이트 영구자석의 자기특성을 뛰어넘는 고성능 페라이트 영구자석 개발을 위하여 다년간 연구를 수행해온 유니온머티리얼은 일본의 Proterial(前 Hitachi Metals.)과 함께 현존 최고 성능을 갖는 페라이트 영구자석(15-Grade)을 개발하고 양산 시스템을 구축하였다. 이러한 고성능 페라이트 영구자석을 적용 시 기존의 전장용 모터의 소형/경량화가 가능하며, 전기자동차용 구동모터에는 희토류 영구자석 대체가 가능할 것으로 기대되고 있다.
  이러한 배경하에서 전기자동차를 포함한 미래 모빌리티 구동모터의 고성능 페라이트 영구자석의 개발 동향을 소개하고자 한다.

2. 본론

우선 페라이트 영구자석의 특성 및 페라이트 자석 개발 동향에 대해 소개하고, 이를 활용한 전기자동차용 구동모터 개발 현황도 추가로 설명하고자 한다.

2-1. 페라이트 영구자석의 특성

페라이트 영구자석은 산화철을 주성분으로 하는 결정체로 구성된 자성재료의 일종으로서, 경질(Hard) 페라이트와 연질(Soft) 페라이트의 2개 그룹으로 구분된다.5) 영구자석용으로 사용되는 페라이트는 경질 페라이트로서 마그네토플럼바이트(Magnetoplumbite, M-형)의 결정구조(그림 2)를 가진 화합물이다. 나머지 금속 성분에 따라 바륨(Ba) 페라이트, 스트론튬(Sr) 페라이트 등으로 세분화될 수 있다. 페라이트 영구자석은 고온에서 소결한 세라믹 재료이기 때문에 녹이 슬지 않고 분해되지 않는 등의 화학적, 자기적 안정성이 높고, 다른 영구자석과 비교할 때 가격대 성능비도 압도적으로 우수하다. 따라서, 페라이트 자석은 현재 중량 기준으로 가장 많이 사용되고 있는 영구자석이며 전체 영구자석 재료에 대한 생산량 비율은 중량 기준으로 약 80% 이상을 점유하고 있다.6)
  페라이트 자석 등 영구자석의 성능은 2가지 척도로 평가한다. 하나는 단위면적당 자장의 세기를 나타내는 잔류자속밀도(Br), 다른 하나는 외부의 반대 자장에 대항하여 자력을 지켜내는 힘을 나타내는 보자력(Hc)이다. B와 H의 관계를 나타내는 B-H 곡선(그림 3)에서 B와 H의 곱의 최대치를 최대 자기 에너지적[(BH)max]으로 정의해서 영구자석의 성능을 나타내기도 한다. 최대 자기 에너지적이 높을수록 모터의 출력을 향상시킬 수 있으며 동시에 외부 자계 및 온도에 의한 감자를 억제할 수 있게 된다.7)
  일반적으로 모터의 고출력화 또는 소형 경량화의 관점에서는 높은 잔류자속밀도(Br)와 최대에너지적((BH)max)이 필요하다. 그러나 자동차용의 경우 모터 회전 시에 발생하는 역자계에 의한 영구자석 자체의 감자와 온도 변화 등에 대하여 높은 신뢰성이 요구되기 때문에 높은 보자력(Hc) 또한 요구되고 있다. 페라이트 영구자석은 온도가 증가할수록 보자력(Hc)이 증가하므로 고온에서의 감자의 염려가 없으며, 이러한 경향은 전기자동차용 구동모터에 있어서도 마찬가지이다. 이와 같이 페라이트 영구자석은 고성능 페라이트 영구자석 개발과 각종 모터의 소형·경량화, 고기능·복합화 추세에 따라 그 시장이 향후 크게 확대될 것으로 예상된다.

그림 2. M형(Magnetoplumbite) 페라이트의 결정구조

그림 3. B-H 히스테리시스 곡선(Hysteresis Loop) 2사분면

2-2. 전기자동차용 고성능 페라이트 영구자석 기술 개발 동향

최근 희토류 영구자석의 주원료인 희토류의 수급 불안정으로 고효율 모터 및 구동모터에서 지속적으로 탈희토류화가 요구되고 있고, 다수의 기업에서 페라이트 영구자석으로의 대체를 위한 검토가 진행되고 있는 상황이다. 페라이트 영구자석은 국내 기반 기술 보유 및 원료 공급이 안정적인 장점이 있지만 기존의 9-Grade와 12-Grade 페라이트 영구자석은 자기특성이 부족하여 구동모터에 적용 시 체적 증가가 수반되며 부족한 자기특성을 보상하기 위해서 구동 전류가 상승하는 문제점이 있기 때문에 전기자동차용 구동모터에 적용하기 위해서는 12-Grade를 뛰어넘는 고성능 페라이트 영구자석이 필요하다.
  M-형 페라이트 영구자석의 자기특성 향상을 위한 시도로 Sr의 일부를 La으로 치환하고 동시에 Fe의 일부를 Co로 치환한 Sr-La-Co계 페라이트 자석은, 포화자화는 기존 페라이트와 같은 정도이지만 이방성 자계가 20% 향상된다고 보고되었다. 또한, Ca-La-Co계 페라이트자석은 동일 Co 치환량인 y=0.3에서 Sr-La-Co계 페라이트자석보다도 이방성자계(Ha)가 약 20% 향상되는 것으로 확인되었다.8) La-Co 치환 페라이트자석의 결정 자기이방성이 향상된 요인은 Co의 궤도 자기모멘트가 소실되어 있지 않은 것에 의한 것이라고 생각되고 있다. 이외에도, Sr-La-Co계 페라이트 중 Sr의 일부를 Na로 치환한 페라이트 자석은 상용 페라이트 영구자석보다 우수한 자기특성을 가지는 것으로 확인되나, M-형 페라이트 단상으로 합성하는 것이 어려운 것으로 보고되었다.9)
  이렇게 M-형 페라이트 영구자석의 특성 향상을 위하여 지속적으로 연구를 수행해온 국내 유니온머티리얼과 일본의 Proterial(前 Hitachi Metals.)은 현존 최고 성능을 갖는 페라이트 영구자석(15-Grade)을 개발하고 양산 시스템을 구축하였다. 15-Grade는 그림 4와 그림 5에서 보이는 것과 같이 자기특성이 향상되었고 보자력 온도계수는 낮아진다. 이로 인해 저온에서 감자되는 것을 억제하여 전기자동차용 구동모터에 적용이 가능할 것으로 예상된다. 또한, 15-Grade를 일반 모터에 적용할 시 6-Grade 대비 약 30%의 체적 감소와 약 60%의 무게 감소가 가능하여 모터의 소형화가 가능할 수 있게 되었다.

그림 4. 페라이트 영구자석의 재질별 조성 및 자기특성

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2024년 2월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>