Trend in Research and Development Related to Lean Heavy Rare-earth Permanent Magnets for Next-generation Motors

(1)

차세대 모터용 중희토류 저감형 Nd계 영구자석 연구개발 동향

이정구*·백연경·유지훈·최철진

한국기계연구원 부설 재료연구소 분말&세라믹 연구본부

Trend in Research and Development Related to Lean Heavy Rare-earth Permanent Magnets for Next-generation Motors

Jung Goo Lee*, Youn Kyoung Baek, Ji Hun Yu, and Chul Jin Choi Powder & Ceramics Division, Korea Institute of Materials Science,

797 Changwondaero, Changwon 642-831, Korea

1. 서 론

21세기 인류가 추구하는 ‘저탄소 녹색성장 사회’를 구현 하기 위해 친환경 자동차, 에너지 절전형 가전제품, 그리 고 신재생 에너지 생산용 주요부품의 매우 중요한 기반 기술이 모터용 Nd계 벌크 자석기술이다. 이것은 전체 전 력소비량의 약 50%가 모터구동에 사용된다는 점으로부터 쉽게 이해할 수 있다. 예를 들어, 자동차 시장의 경우 동 력을 내연기관 등에 의존하던 것이 하이브리드 자동차 (HEV)와 전기자동차(EV)와 같이 모터구동방식으로의 전 동화가 급속한 발전을 보이고 있어 2020년에는 HEV, EV 세계시장이 연간 1000만대 이상으로 확대될 것으로 예상 되고 있다. 현시점에서는 전지의 비용과 탑재 가능한 용량 의 문제로, 모터는 내연기관의 보조로서 사용하는 것이 일 반적이지만 장기적인 관점에서 이 주종관계는 역전하여 비효율 내연기관은 이동체에서 완전히 사라질 것으로 예 상된다. 이륜차분야에도 오토바이나 자전거의 전동화가 확대되고 있다. 특히 중국에서는 정부의 환경대책의 영향 으로 도시부의 전동바이크가 확대되고 있어, 연간 2000만 대를 넘는 시장을 형성하고 있다. 일본에서는 전동보조자 전거 시장이 연간 40만대를 넘어 이륜차 시장을 추월했다.

이처럼 전동화가 가속되고 있는 것은 자동차와 이륜차뿐 만 아니다. 건축기계 분야에서도 하이브리드화가 급속하 게 진행되어 2020년에는 연간 1만2000대 정도까지 시장 이 확대 될 것으로 예측되고 있다. 내연기관 대신 모터를 사용하는 이유는 매우 명확하다. 모터를 사용하는 편이 에 너지 효율이 높기 때문이다. 내연기관에서는 발생하는 에 너지에서 운동에너지로 변환하는 비율이 최대 30% 정도

이다. 만일 고성능 모터를 사용하는 것이 가능하면 투입한 전기에너지의 90% 가까이를 운동에너지로 변환시킬 수 있다. 게다가, 감속시에 모터를 발전기로 이용하여 회생 전력도 얻을 수 있다. 이것은 내연기관에서는 불가능한 것이다.

이와 같은 배경에서, 앞으로 HEV, EV의 구동모터에서 에너지 절약형 에어컨용 압축기모터, 세탁기 드럼 구동모 터, 공작기기와 산업로봇용 모터에 이르기까지 다용하게 사용되고 있는 모터의 성능향상은 매우 중요하고 이를 위 해서 Nd계 고특성 벌크자석이 반드시 필요하다. 예를 들 어 HEV 1대에는 약 1 kg, EV 1대에는 약 2 kg의 Nd계 벌크자석이 사용되고 있고 그 수요는 지속적으로 증가하 고 있다. 이처럼 Nd계 벌크자석의 수요 증가 추세에서 한 가지 주목할 점은 높은 잔류자속밀도를 요구하는 수요에 서 높은 보자력을 요구하는 수요로 변화하고 있다는 점이

*Corresponding Author : Jung Goo Lee,

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+82-55-280-3289 ,

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Fig. 1. Application of high-performance motors in vehicle

industry.

(2)

다. 이것은 위에서도 언급하였지만 HEV, EV와 같은 차세 대자동차 등에 사용되는 모터의 경우 높은 작동온도에서 구동되기 때문에 높은 보자력이 요구되어지기 때문이다.

현행의 기술로 높은 보자력을 실현하는 방법은 Dy와 Tb 같은 중희토류 원소를 첨가하는 것이다. 현재 Dy(또는 일 부 Tb로 치환)는, HEV, EV용 구동모터의 경우 Nd계 벌 크자석의 총 중량의 7-10 wt.%, 에어컨용 압축기 모터의 경우 4-5 wt.% 정도 사용되고 있다.

하지만, Dy와 Tb와 같은 중희토류 원소는 희토류 원소 중에서도 매장량이 극히 적어 Dy의 경우 Nd의 10-20%, Tb의 경우 Nd의 2-4% 정도로 알려져 있다. 게다가 현재 로서는 거의 대부분을 중국에서 생산하여 공급하고 있고, 최근 중국 정부가 1년간 수출량을 통제하는 수출통제정책 을 펴고 있다. 따라서 HEV, EV와 에너지절약형 가전에서 Nd계 영구자석 모터의 수요 증가에 따라 중희토류 자원 수급불균형 문제가 발생하고 있다. Nd계 벌크자석에는 Nd, Dy, Tb가 합계로 약 30 wt.% 포함되어 있다. 고내열 형에는 Nd가 약 20 wt.%, Dy가 약 10 wt.% 포함되는 것 을 생각하면 향후 Dy와 Tb가 Nd보다 자원조달이 훨씬 어

려울 것으로 판단된다. 이러한 수요급증과 자원수급 문제 는 차세대 산업에서 필요한 고성능 모터 공급에 큰 장애 요인이 될 것으로 예상된다. 따라서 이러한 문제 해결을 위해서는 고특성 Nd계 벌크자석에서 Dy와 Tb와 같은 중 희토류 원소를 저감, 궁극적으로 제로화하는 기술 개발이 매우 시급하다.

본 고에서는 고특성 Nd계 영구자석에서의 중희토류 원 소 저감/대체를 위한 연구개발 동향에 대해서 기술하고자 한다.

2. 차세대 모터에서 요구되는 영구자석의 조건

모터에서 주목 받은 분야는 내연기관 대체에 한정되지 않는다. 이미 모터가 도입되어 있는 분야에는 모터 기술을 새롭게 하려는 움직임이 활발하다. 좋은 예가 철도차량이 다. 지금까지 유도모터(IM)가 주류였던 철도차량에서 보 다 효율이 높은 영구자석식 동기모터(PMSM)의 도입이 시작되었다. 자동차의 신규용도, 철도차량 등의 종래용도 의 양방의 이동체용 모터에 주목이 집중되고 있다. 이동체 용 모터용으로 개발된 신구조, 신재료와 같은 기술은 가전 과 설비기기 등에도 파급될 수 있으므로 새로운 구조의 모터와 모터용 신소재가 일반화 되면 지금보다 실외기의 용적이 작은 에어컨과 전력소비가 적은 산업기기가 등장 할 것이다. 실제로 ㈜도시바는 전동차량용으로 연구개발 해 온 자력가변모터 기술을 세탁기에 사용하여 종래에 비 해 소비전력을 최대 약 16% 저감하는 제품을 개발했다.

이처럼 모터기술 향상의 큰 파급효과로 기대되는 것은 에 너지 절약 면이다. 일본의 경우, 모터로 소비되는 전력은 일본 총소비전력량 9850억kWh의 약 51%에 달한다(국내 의 경우 아직 정확한 통계자료가 없음). 만약 모터로 구동 되는 기기의 효율을 1% 향상시키는 것이 가능하다면 약 1.5기의 원자력발전소의 전력을 절약하는 것이 가능하다 는 결론을 내릴 수 있다.

Fig. 2. Trend in application change of Nd-Fe-B permanent magnets.

Fig. 3. Demand forcast of sintered Nd-Fe-B permanent magnets. Fig. 4. Effect of high-efficient motor on efficiency improvement

and electric energy saving.

(3)

이동체용 모터성능 개선을 계기로 모든 모터가 용적과 소비에너지 저감 성능에서 크게 진화하는 “차세대 모터 시대”가 지금 시작되려고 하고 있다. 하지만, 이러한 “차 세대 모터 시대”을 맞이하기 위해서는 현행모터로는 아직 부족하며 이동체용 모터에서의 요구를 만족시키는 기술의 발전이 필요하다. 예를 들어 향후에는 차륜 안에 모터를 삽입하여 유저의 앞에서는 그 존재를 지울 필요가 있다.

하지만 주행거리 면에서는 지금보다 적은 전지용량으로 보다 먼 거리를 주행하는 것이 필요하다. 이러한 조건을 만족하기 위한 모터 진화의 방향은 크게 3가지로 나누어 생각할 수 있다. 넓은 동작영역에서의 고효율, 소형/박형, 그리고 저비용이다. 먼저 첫 번째 포인트인 고효율화를 살 펴보자. 현재의 자동차용 모터는 특정의 동작영역에서의 효율이 97%로 높지만 그 이외에는 90% 전후로 떨어지며 이러한 경향은 가전이나 설비기기의 모터도 마찬가지이다.

하지만 EV, HEV에서 필요한 것은 회전 속도와 토크 등의 조건이 변해도 높은 효율 달성이다.

실제로 시가지에서는 가속과 정지를 반복하는 것에 비 해 고속도로에서는 non-stop으로 고속회전을 유지하는 것 이 필요하며 오르막/내리막과 적재량 등, 조건이 다르면 모터의 부하도 변하기 때문에 모터 효율의 부하의존을 줄 이는 것이 필요하다. 또한, 이동체의 경우는 가전제품과는 달리 전력회사에서 전송되어 오는 상용전원을 사용할 수 없고 탑재하는 전지의 용량 내에서 움직일 필요가 있다.

어떠한 주행상태에서도 모터의 효율이 좋지 않으면, 주행 거리가 짧아지고, 무리해서 주행거리를 늘이려면 고가의 전지를 대량으로 탑재해야 한다.

두 번째 포인터인 소형/박형화가 필요한 것은 모터가 작 을수록 그 만큼 차체중량이 가벼워지기 때문에 소비전력 저감에도 기여한다. 또한 디자인 상의 자유도가 커지기 때 문에 자동차회사에서 궁극적으로 실현하고자 하는 ‘in- wheel 모터’의 실현이 가능하다. In-Wheel 모터에서는 모

터가 차륜의 안에 내장되어 있기 때문에 차체에서 모터를 배제할 수 있다. 차체에서 모터가 사라지면 공간과 디자인 면에서의 자유도는 당연히 증가한다.

마지막 포인트인 비용저감은 말할 필요도 없다. 특히 HEV의 경우 모터와 전지, 인버터장치는 간단하게 종래 차량에 추가된 형태이다. 자동차회사로는 이 비용을 어떻 게 줄이는가가 앞으로의 승패의 열쇠가 된다. 하지만, 이 요구에 상반되게 모터 제조비용을 줄이는 것은 점점 어려 워지고 있다. 이동체가 탑재하는 고성능 모터에서는 고성 능 영구자석이 반드시 필요하지만, 그 원료인 Nd와 Dy와

Fig. 5. Performance needed in vehicle motors.

Fig. 6. Honda FCX rear in-wheel motor.

Fig. 7. Trend in rare-earth production and its price.

(4)

같은희토류원소의가격이급등하고 있기때문이다

.

^특히

고품위광산이중국에집중되어 있는

Dy

^자원^문제는^심

각하다

. 2009

^년

12

^월에

1 kg

^당

151

^달러였던 ^것이

2010

년

8

^월에는

310

^달러까지^상승했고 ^이후^급등하고 ^있다

.

이러한 가격급등의배경에는 중국정부의 방침이 있다

.

희토류의

2010

^년^수출을^전년대비

40%

^줄였기^때문이다

.

희토류광산의

90%

^이상은^중국에서 ^산출된다

.

^중국에서

광석이해외로수출되지않으면즉시가격이상승하는것 은당연하다

.

^이러한 ^위험을^회피하기 ^위해

,

^세계^각국에

서중국이외의광산개발을진행하고 있지만희토류가격 에 대한 중국의영향력이 크기 때문에 극적으로 저하할 것은당분간힘들것으로예상된다

.

^중국의^움직임에^좌우

되지않기위해서가능하면희토류중에서도특히중희토 류를사용하지 않는모터개발이중요하다

.

일본에서는이러한고효율

,

^소형

/

^박형

,

^그리고^비용저감

이라는세가지 요구를달성하기 위해대학

,

^모터회사

,

^소

재회사의 공동개발이 시작되었다

.

^{기술개발의}^포인터는

크게 두가지이다

.

^첫 ^번째는 ^{지금까지의}^모터의 ^구조를

이동체의요구에만족하게수정하는것이다

.

^두^번째는^고

성능 그리고 저비용 소재의 개발을 진행하는 것이다

.

^이

두가지기술이연결되어 모터의진화가가속될것이다

.

구조 면에서 지금 특히주목 받는 것은자속이 임의로 변화가능한기구를가지는모터이다

.

^종래^모터는^폭넓은

영역에서고효율로 할 수없는 것은모터내부에 있는영 구모터의자력이변하지않기때문이다

.

^저속^회전시에^고

토크를얻기위해서는큰자력이필요하지만고속회전시 에는작은자력이효율이높다

.

^소재^면에서는

Dy

^와^같은

중희토류를첨가하지 않고내열성을 높인자석재료개발 과고회전에서도 에너지손실이적은 코어재료개발의양 면에서의 연구가진행 중이다

.

3. Nd계 영구자석에서의 중희토류 저감/대체 기술개발 동향

3.1. 일본의 연구개발 동향

앞에서이미언급한바와같이희토류원소의자원수급 이 향후 원만하지 않을 것으로 예상되어 희토류원소의 사용량 저감및 대체품 개발에대한 요구가전 세계적으 로크게증가하고있다

.

^희토류^영구자석^{분야에서도}^세계

각국이 이와같은 이슈에중점적으로 개발력을집중시키 고 있다

.

^특히 ^이 ^분야에서 ^독보적인 ^기술로 ^{기술우위를}

유지해 온일본에서는이러한희토류자원수급문제를가 장먼저예상하여차세대희토류영구자석에 대한연구개 발에가장적극적으로노력하고있다

.

^특히^희토류^자원이

가장많이사용되는

Nd

^계^{희토류자석이}^직면하고^있는^과

제를해결하기위해국가적차원으로중장기로드맵을작 성하여 추진해왔으며

,

^현재 ^희토류^대체

/

^저감형^자석 ^연

구개발을 위해대형국가 프로젝트를진행중이다

.

현재일본에서추진중인과제를기술적전개단계로분 류해 보면희토류 영구자석을구성하는①희토류 중에서 도 가장희귀한중희토류

(Dy)

^를^{감소시키는}^단계

,

^②총희

토류 함량을감소시키는 단계및 ③최종적으로희토류자 석을대체할신영구자석을개발하는단계로구성된다

.

^각

과제들은산

-

^학

-

^연이^공동으로^{참여함으로써}^자석개발

,

^분

석

,

^이론정립^등의^{소재기술개발}^차원뿐^만^아니라^기업들

이 적극참여하여 개발된 기술이최단 시간사업화가 가 능하도록 되어있다

.

^현재^일본에서 ^추진중인 ^{프로젝트에}

서는개발하고자하는두가지핵심기술이있다

.

^첫^번째

는

‘

^{최종적으로} ^제조되는 ^자석의^입자를^약

1

^µ

m

^크기로

미세화시키는것

’, ‘

^두^번째는 ^입자의^계면에

Dy

^를^집중

시켜

Dy

^사용량을^{최소화하는}^것

’

^이다

.

^앞에서도^언급했지

만

, HEV,

^절전형^냉장고^등에서는^높은^온도^및^고출력의

사용조건이 요구되고있기 때문에이를만족시키기 위해 서는자석의보자력을향상시키기위해

Nd

^계^합금에^고가

인

Dy

^를^다량^{첨가해야만}^한다

.

^따라서^자원문제^해결^및

성능향상을 위해서

Dy

^사용량을^{최소화하면서} ^보자력을

향상시키고자 하는방향으로연구가진행되고 있다

.

이러한 연구개발내용을 보다 상세한기술별로 분석하 면 아래와같다

.

3.1.1.

^입계에

Dy

^를^{선택적으로}^도입하는^기술

Dy

^와

Tb

^의 ^사용량을 ^줄이기 ^위한 ^기술로 ^실용화가 ^진

행 중인기술이㈜신에츠화학공업

,

^{㈜히타치금속}

,

^㈜

TDK

가 개발한「입계확산법」이라고 하는 기술이다

.

^앞의 ^두

회사가 이미 이 기술을 적용한

Nd

^계^{소결자석의} ^판매를

시작했고

TDK

^도

2011

^년부터^양산을^시작할^계획이다

.

^이

Fig. 8. R&D direction of vehicle motors.

(5)

기술을적용하면㈜신에츠화학공업에서 기존의 「이원합 금법」이라는종래의방법보다

Dy

^와

Tb

^의^사용량을 ^반으

로줄일수있다고알려져있다

.

Nd

^계 ^{소결자석에서}

Dy

^와

Tb

^가 ^필요한^것은 ^보자력을

확보하기 위해서이다

.

^보자력은 ^역자장

(

^{영구자석의}^자화

방향과반대방향의자장

)

^과 ^{온도변화에}^대해^자석의 ^감자

되지않는성질을나타내는값이다

. Nd

^계^{소결자석에서는}

보통고온이될수록역자장에의한감자가쉬워진다

.

^이러

한문제를개선하기위해

Dy

^와

Tb

^와^같은^중희토류 ^원소

를첨가한다

.

^예를 ^들면 ^자석의 ^온도가

200

^o

C

^정도가 ^되

는

HEV

^의^{구동모터에는} ^중량비로

Nd

^의 ^약

40%

^의^중희

토류원소가필요하다

. Dy

^와

Tb

^의 ^첨가로^보자력은 ^향상

되는것은

Nd

2

Fe

14

B

^{조직구조에서}

Nd

^의^일부가

Dy

^와

Tb

로 치환되기때문이다

. R

2

Fe

14

B(R

^은^{희토류원소}

)

^의 ^화합

물에서

R

^이

Nd

^인^경우보다

Dy

^와

Tb

^의 ^경우가^보자력과

비례해서 이방성자계가 높다

.

^{입계확산법에서는} ^이러한

Dy

^와

Tb

^를

Nd

^계^소결자석^조직의^{입계부분에}^{선택적으로}

도입하는 것이 가능하다

.

^이러한 ^자석에는 ^보통

4-5

^µ

m

전후의

Nd

2

Fe

14

B

^의 ^결정

(

^주상

)

^이 ^모여있고 ^주상과 ^주상

사이

(

^입계

)

^에

Nd-rich

^상이^생성된다

.

^단

,

^{일반적으로는}^이

Nd-rich

^상이^생성되지^않거나^주상의^계면에 ^결함들이^발

생하여감자되기 쉬워진다

.

^그래서^감자에^강한

Dy

^와

Tb

를계면에 선택적으로도입함으로써 지금보다적은량으 로같은성능의보자력을확보하고자 하는것이입계확산 법의 기본적인 개발방향이다

.

^종래의 ^{이원합금법에서는}

자석의원료로

Nd

^계 ^합금을^만드는^과정에서

Dy

^와

Tb

^를

첨가하기 때문에 주상과입계의 구별없이

Dy

^와

Tb

^가 ^넓

게 분산되어있었다

.

^이^방법과^비교하여 ^{입계확산법에서}

는 원료합금에 첨가하는

Dy

^와

Tb

^를 ^줄이고^남는 ^일부분

을 계면개선에 이용하였다

.

^먼저^통상의

Nd

^계 ^소결자석

과 같이

,

^원료 ^합금을 ^분쇄해서 ^{분말화하고} ^자장을 ^가한

상태에서 성형한 다음 소결한다

.

^종래 ^방법과 ^다른 ^것은

소결후에실시하는열처리다

.

^이^{처리방법에는}^크게^나누

어 두 종류가 있다

.

^하나는 ^액상화가^가능한

Dy

^와

Tb

^의

화합물을 사용하는 것이다

.

^이러한^화합물^중에^침투하거

나 화합물을도포해서 소결 후자석 표면에화합물의 막 을만든다

.

^그^다음^열처리를^실시하여^화합물을^분해시켜

Dy

^와

Tb

^를^입계에^{확산시킨다}

.

^다른^하나는

,

^증착법을 ^이

용하는 것으로진공챔버내에 소결후자석과

Dy

^와

Tb

^을

도입하여 가열하면

Dy

^와

Tb

^의^증기가 ^발행하여 ^자석의

계면에 확산된다

.

^전자의^방식은 ^{㈜신에츠화학공업과} ^㈜

TDK

^가

,

^후자의^방식은^㈜히타치 ^금속이^채용하고 ^있다

.

3.1.2. Dy-free

^로^보자력을

2

^배^{향상시키는}^기술

아직 실용화되지는않았지만

, Nd

^계 ^{소결자석의}

Dy

^와

Tb

^의^사용량을 ^더욱^줄이기^위한^연구도^진행^중이다

.

^그

중하나가

,

^{물질재료연구기구의}

Hono Group

^에^의한

Dy

^와

Tb

^를^사용하지 ^않고 ^보자력을 ^높이는 ^기술이다

.

^아직 ^소

결자석은아니고분말에서의결과이지만약

19.6 kOe

^라고

하는높은보자력을실현하였다

. Hono Group

^이^채용한^방

식은

, (1)

^자석의 ^주상인

Nd

2

Fe

14

B

^의 ^결정립의 ^미세화

,

(2)

^입계상인

Nd-rich

^상의 ^개선이다

. Nd

^계^{소결자석은} ^통

상주상의결정입경이작을수록결정립내의 자구의자장 역전이 발생하기 어려워진다

.

^결정립이 ^작으면 ^다자구보

다 단자구로존재하는 것이에너지적으로안정하기 때문 이다

.

^다자구^{상태에서는} ^인접하는^자구에서 ^자장의^반전

이 발생하면그것이다른자구로도미노적으로 전파한다

.

단자구 상태에서는그러한 자장반전의발생빈도를 줄이 기위해감자되기어렵게되어보자력이향상된다

.

^결정립

을미세화하기위해서사용하는것이

HDDR

^방법이다

.

^이

방법의 최대특징은 화학반응을이용해서결정립 미세화 를 유도하는것이다

.

^자성분말

(

^이후

,

^자분으로 ^칭함

)

^을^물

리적으로 작게분쇄해서 결정립을미세화하는방법과달 리 자분을그것보다 작게 하지 않아도 되기 때문에

Nd-

rich

^상이^산화되기 ^어렵다

. Nd-rich

^상은^산화하면 ^더^이상

비자성상이 아니기때문에 자기적결함을차단하는 효과 가없어지지만

HDDR

^{방법에서는}^이러한^산화를^막을^수

있다

. HDDR

^{방법에서는} ^먼저^자분을 ^{수소분위기에서}^가

열한다

.

^그것에 ^의해

Nd

2

Fe

14

B

^을

NdH

2

, Fe, Fe

2

B

^로 ^분해

되고 그것을 진공 중에서 가열하면 수소를 방출하여 Fig. 9. Selective diffusion of Dy into grain boundary.

(6)

Nd

2

Fe

14

B

^상으로^돌아온다

.

^일련의^{화학반응에} ^의해^주상

의 결정립은 초기

100

^µ

m

^에서

250 nm

^정도까지^미세화

될수있다

.

^또한^{처리조건을}^적절히^조절하면

,

^각각의^결

정립의자화방향을원래자분의방향과일치시킬수있다

.

한편

, Nd-rich

^상의^개선은 ^주상의 ^결정립 ^중에^새로운

자구가발생하는빈도를줄이기위한것이다

.

^주상의^계면

에결함이있거나주상끼리

Nd-rich

^상^없이 ^연결되어^있

는부분은 감자되기쉽다고 설명했다

.

^그것은

,

^이러한^부

분에서새로운자구가발생하기쉽기때문이다

.

^이것을^방

지하기 위해

,

^{입계확산법에서는} ^입계에

Dy

^와

Tb

^를^선택

적으로 도입하지만

Hono group

^에서는

Nd-rich

^상을 ^주상

의결정립을 확실히싸게 만든다

.

^이러한

Nd-rich

^상의^개

선의또다른목적은

Nd-rich

^상에서는^{결정립끼리의} ^자기

적결합을차단하는효과도있다

.

^적절한^열처리를^실시하

면

, Nd-rich

^상은^자성체의 ^결정이^아니고 ^{비자성체의}^비

정질상태가 된다

.

^따라서

,

^주상을

Nd-rich

^상으로 ^확실히

싸면결정립끼리의 자기적결합을 차단하는것이가능하 고어느결정립에서발생한자구의반전이인접한결정립

에전파되어 가는것을 막을수 있다

.

^이것을^위해

Hono

group

^에서^적용한^{입계확산법에서는}

Dy

^와

Tb

^대신에

Nd

를또한 자석의소결 후에 실시하는것이 아니고자분을 제조하는최종단계에적용하는점이이전의자석제조회사 의방법과차별화되는점이다

.

구체적으로는

HDDR

^방법으로 ^제조된

Nd

^계 ^자분과

Nd-Cu

^합금^분말을^혼합하여 ^가열한다

. Nd-Cu

^합금을^선

택한것은융점이

520

^o

C

^로^낮기^때문이다

.

^{소결온도를}^높

이면결정립이성장하기때문에결정립미세화를 유지할 수없다

.

^따라서

,

^저융점의

Nd

^합금을^사용하는^것이^좋다

.

Nd-Cu

^합금은^{소결온도를}

600

^o

C

^정도로 ^낮게 ^하여도^액

상으로되기때문에

, Nd

^가^입계를^따라^확산해^간다

.

^또한

Nd-rich

^상에

Cu

^이^혼합되어 ^보자력을 ^높이는 ^것도^확인

되었다

. Nd-Cu

^합금을^사용하면 ^그

Cu

^의 ^공급원도^될^수

있다

. Hono group

^에서는^현재^개발된^고보자력^자분을^이

용하여소결자석을제조하는 기술개발을 진행중이다

.

^현

재최대의 과제는 최대자기에너지적의 향상이다

.

^이것을

위해서는자분의배향도를높일필요가있다

.

^현재^목표로

하는 것은

HEV/EV

^의^{구동모터에} ^사용하기 ^위해 ^보자력

이약

25 kOe,

^{최대자기에너지적이} ^약

35 MGOe

^의

Nd

^계

소결자석이다

.

3.1.3.

^자성분말^제조의^최적화^기술

한편동북대스기모토그룹에서는결정립 미세화를위하 여 자석의원료합금에서의 라멜라간격을줄이고 원료합 금을 분쇄해서자분을 미세하게만드는관점에서 연구개 발을 수행중이다

.

^입계상의 ^개선과^{관련해서는}

Dy

^를 ^입

계상에 균일하게분산하기 위해새로운방식개발을 시도 하고 있다

.

^그 ^중에서^라멜라^간격의^축소와^관련된^연구

를 담담하고있는 것이

(

^주

)

^{산토구이다}

.

^통상

, Nd

^계 ^소결

자석의 원료합금은주상인

Nd

2

Fe

14

B

^상^사이에^거의^일정

한간격으로

Nd-rich

^상이^{형성되어있는} ^라멜라^구조이다

.

라멜라간격을축소하는 이점은

,

^{원료합금의} ^분쇄하여 ^제

조하는자분을미세화하여도주상주위에

Nd-rich

^상이^붙

어있는자분을많이 만들수있다는것이다

.

^자분의^입경

에대해서라멜라간격이너무넓으면

Nd-rich

^상이^붙어있

지 않은 자분이 제조 되어진다

.

^이것 ^때문에 ^{소결하여도}

주상주위에

Nd-rich

^상이^확실하게 ^코팅할^수^결정을^만

드는 것이 어렵다

.

^{일반적으로}

, Nd

^계 ^{소결자석의} ^원료합

금은 스트립캐스트라는제조방법에 의해 만들어진다

.

^고

속으로 회전하는드럼표면에용해된합금을부어서급냉 각하는방식이다

.

^{산토구에서는}^그^냉각속도 ^등을^최적화

하여 라멜라간격을축소하기 위해연구개발을진행 중이 다

.

^자분의 ^미세화에 ^관해서는 ^{㈜인터메탈릭이} ^연구개발

을 진행중이다

.

^조분쇄된 ^{원료합금을} ^{미분쇄하는}^젯밀이

라고 하는 방법을개량하여 실험실 레벨에서약

1

^µ

m

^정

도의미세한자분을제조하는 기술을개발하였다

.

^젯밀은

조분쇄한자분을고속가스흐름에투하하여분말끼리충돌 시켜 미분쇄하는 기술이다

.

^통상^{질소가스를} ^{사용하지만}

인터메탈릭이새롭게개발한방법에서는헬륨가스를사용 한다

.

^헬륨은^질소보다^가볍기^때문에^유속을^빠르게^하지

않고도 단시간에미분쇄할 수있어표면산화를최소화할

Fig. 10. Phase change and grain refinement of Nd-Fe-B alloy during HDDR process.

(7)

수있다

.

^또한^헬륨은^{불활성가스이기}^때문에^질소와^달리

Nd

^와^화합물을 ^잘^형성하지 ^않는다

.

흥미로운것은 이방법으로 미세화한 자분을소결하기

위한새로운방식「

PLP(Press Less Process)

^」을^개발한^것

이다

.

^자분을 ^{미세화하면}^자분의 ^표면적이 ^증가하여

Nd-

rich

^상이^산화되기 ^쉬어진다

.

^이것을^방지하기 ^위해^고안

한것이

PLP

^방식이다

. PLP

^의 ^최대^특징은 ^고농도의 ^아

르곤가스로채워진파이프내에서자분의충진에서 소결 까지일련의공정을실시하는 것이다

.

^{구체적으로는} ^먼저

호퍼에서카본재질의 용기에자분을 공급하고그것을손 으로 누르는 정도의 압력으로 용기에 채운 다음

,

^코일을

이용하여

5 Tesla

^정도의^강한^{펄스자장을} ^가하여^자화의

방향을정렬하여 소결하면자석이완성된다

.

^종래의^소결

법과는달리프레스를위하여공기중에서자분을몰드에 넣거나빼는작업이필요없고

,

^윤활제나^바인더가^적어도

되기때문에자분이잘산화되지않고불순물도혼합되기 어렵다

.

^또한 ^프레스를^없이도^소결체의 ^밀도는^프레스한

것과거의비슷하다

.

^{㈜인터메탈릭에서는} ^실증장치

2

^대를

제조하여이미효과를 확인하였다

.

^{라멜라간격이}

3-4

^µ

m

의원료합금을헬륨젯밀로미분쇄한입경이약

1

^μ

m

^의

자분을사용하여소결 후의주상상의입경이 약

1.5

^μ

m

정도로 미세한

Nd

^계^{소결자석을}^제조할^수^있었다

. Dy

^와

Tb

^을^첨가하지 ^않고^약

20 kOe

^정도의^보자력을^얻었다

.

3.1.4. Dy

^분말을^{자성분말과}^혼합해서^소결

Dy

^를^입계상에 ^균일하게 ^{분포시키기}^위해「

H-HAL

^법」

이라고 하는새로운방법을㈜

TDK

^가^{개발하였다}

.

^기존의

입계확산법과가장다른점은

Dy

^의^공급원이^되는^물질을

소결전압분체를만드는단계에서혼합하는것이다

.

^구체

적으로조분쇄한

Dy

^소스와^자분을^고속^젯밀로^미분쇄^하

면서균일하게혼합하는것으로자분의주위에

Dy

^소스의

입자가 균일하게 분산시킨다

.

직경 약수 µ

m

^자분과

1

^µ

m

^보다 ^작은

Dy

^소스를 ^소

결할때균일하게분포한

Dy

^소스에서

Dy

^가^입계를^따라

확산해가기때문에주상이

Dy-rich

^상에^의해^확실히^코

팅된다

. (

^주

)TDK

^에^의하면

Dy

^의 ^사용량이 ^같은^경우

,

^보

자력을 이원합금법보다

2 kOe

^정도 ^향상시킬 ^수 ^있었다

.

또한계면상의개선효과로는기존의입계확산법에는미치 지 못하지만자석의 표면 부근뿐만아니라 내부깊은 곳 까지입계상을개선할수있다

.

^소결에서^처리가^완료되기

때문에 소결후에기존의입계확산법과같이사용될수도 있다

.

3.2. 기타 해외의 기술개발 동향

현재세계에서 소비되는 대부분의

Nd

^계^{영구자석은} ^주

로일본과중국에서생산되고있다

.

^유럽과^{미국에서도}^일

부 생산되지만 그 생산량은 매우 적다

. 1990

^{년대까지만}

해도 일본의생산량이가장 많았지만

,

^이 ^후^중국의^생산

량이꾸준히증가하여

, 2006

^년에는^중국의^생산량이^일본

Fig. 11. Schematic diagram of production of fine alloy powder by strip-casting.

Fig. 12. Schematic diagram of PLP(Press Less Process) for sintering of fine magnetic powders.

Fig. 13. Schematic diagram of H-HAL process developed by

TDK.

(8)

의생산량을추월하였다

.

^현재^제조비용

,

^자원산출^측면에

서양적으로 중국제품이세계

1

^위^자리를^고수하고 ^있다

.

하지만자석의특성면에서는아직까지일본제품이세계최 고라고알려져있지만최근중국

,

^한국

,

^대만^등^아시아^국

가들의자석연구개발이점차활발해지고있기때문에일 본은상당한 위기감을 가지고있다

.

미국에서는

1960

^년대에는 ^세계

1

^위였지만

,

^현재에는^자

석산업이 거의사장되었다

. 2004

^년^약

100

^톤^{생산되었던}

Nd

^{소결자석이}

2005

^년 ^이후에는 ^거의 ^생산되고 ^있지^않

다

.

^그러나^최근^군사용을^포함한^전자변환^{디바이스를}^중

국과일본에서의 공급에전면적으로 의존하는상황을우 려하는의견이나오고있어미국의연구자중에는미국의 자석연구를 다시 부활시키려는 움직임이 나타나고 있다

.

특히델라웨이 대학의

George C. Hadjipanaysis

^교수를^중

심으로한

44

^명의^{산·학·연}^관련^{연구자들이}^이러한^목

적으로

2009

^년

1

^월

30

^일

“The future of high performance

permanent magnets in the USA”

^라는^워크샵이 ^개최하여

계속해서대정부를 상대로연구개발에 대한적극적인지 원을요청하고 있다

.

유럽에서는유명한 자석제조회사가 있지만

Nd

^소결자

석의생산량은

2007

^년에^약

800

^톤으로^이것은^일본^및^중

국의생산량보다

2 order

^적다

.

^{유럽시장에서는}^중국제품

수입량이증가하고 있지만지속적 사회의구성요소로영 구자석의연구는 중요하다는관점은 계속유지되고있고 유럽의모터제조회사에서일본의자석연구자에의 접근은 활발하다

.

3.3. 국내 기술개발 동향

국내에서도

1990

^년^이후^㈜쌍용

,

^{㈜삼성전기}

,

^㈜

LG

^금속

등의대기업에서희토류자석사업화를진행하였으나사업 초기희토류자석에관련한물질특허문제를해결하지못하

여 사업을 포기하게되었다

.

^반면에

, 2000

^년대 ^이후에는

㈜자화전자

,

^{㈜성림첨단} ^등의^{중견기업에서} ^다시 ^희토류

자석사업에 참여하기시작하여 내수시장중심으로생산 및영업활동을 진행해오고 있으며

, 2014

^년^물질특허 ^만

료시점이다가오고 향후수요의급증이예상됨에 따라최 근에는㈜포스코

,

^㈜현대

,

^㈜삼성

,

^㈜

LG, (

^주

)

^{쌍용머티리얼}

,

㈜태평양금속

,

^{㈜경원페라이트}^등의^기업에서^{희토류자석}

분야신규사업 추진을 검토하는등 이분야에 대한국내 기업의관심이증가하는추세이다

.

이와같이 그동안 국내기업의 희토류자석사업참여가 미진한 반면

,

^연구개발 ^{분야에서는} ^{공통핵심기술개발}^사

업

,

^{부품소재기술개발}^사업

,

^{국가지정연구실}^사업^등의^정

부지원기술개발사업으로 여러가지 핵심요소기술에대 한지속적인 연구가 진행되었으며

, 2008

^년부터는^희토류

자석 분야에대한 소재원천기술개발사업이시작됨에 따 라국내다수의전문가집단이참여하는종합적인연구의 단초가마련되었다고 할수있다

.

^소재원천 ^{기술개발사업}

에서는 재료연구소

,

^{생산기술연구소}

,

^{선문대학교}

,

^한양대

학교 등국내 자성재료전문연구그룹이참여하고 있으며 향후

5

^년^이내에^각종^고성능^모터에^채용될^세계적^수준

의 희토류자석개발을목표로하고 있다

. 2011

^년에는

Nd

계 영구자석에서 중희토류 원소를 저감

/

^대체하는 ^기술개

발에관한연구개발도 시작되었다

.

특히

,

^최근

Nd

^계 ^{희토류자석의}^물질특허 ^만료

(2014

^년

)

가다가옴에따라여러대기업들의희토류자석에대한관 심도가 재집중되면서 희토류자석사업화에대한 시도가 진행되고있다

.

^수^년^이내에^{국내에서도}^{희토류자석}^생산

에대한인프라가구축될것으로예상된다

.

^또한

,

^최근^희

토류 원료문제를해결하고자 하는정부의강력한 의지에 의해많은관련연구에대한지원이확대될것으로예측 되는 바향후 일본의기술과 대등한 수준의자석이 제조 될 수있을것으로기대된다

.

4. 결 론

미래에도래하게될산업화사회는환경과에너지가 가 장 큰이슈로부각될것이명확하다

.

^하지만^이러한^환경

과에너지문제에대처하기 위해서는고기능성소재가반 드시 필요하고

,

^그^중에서도

Nd

^계^{영구자석과}^같은 ^환경

친화형 기능성소재기술의확보가매우중요하다

.

^또한

,

^국

가간무역은자원내지는핵심보유기술을전략적으로활 용하는 무한경제시대에돌입하였다

.

^따라서

,

^앞으로는^완

성품의 국가경쟁력을 확보하기위하여 자국이보유하고 있는핵심가치

(

^자원

,

^핵심부품

,

^소재^등

)

^를^{무기화하기} ^위

해국가간전략적수급관계가진행될것으로예상되기때 문에 우리나라와같이 자원이부족한 국가에서원천기술 마저 보유하지못하게 된다면산업전반에걸쳐 대외경쟁 력 확보에어려움을 겪을수 밖에없게된다

.

지금미래의새로운가치를창출하게 될희토류자원역 시새로운이슈로급부상하고있다

.

^앞에서도^{언급하였지}

만 희토류자원에대한고갈문제 해결하고

,

^미래의^첨단산

업발전의토대가되는핵심희토류소재를안정적으로공 급하기위해국가차원에서다각적인대책수립이요구된다

.

즉

,

^정부^및 ^대기업 ^{차원에서는}^해외 ^{희토류광산개발} ^및

전략물자 비축사업등자원에대한인프라구축사업을체 계적으로추진하고

,

^학계

-

^{연구계에서는} ^희토류^사용량^저

감및대체품개발에의해자원의사용량을최소화

/

^다변화

하고소재에대한 기술경쟁력을강화하는 것이중요하다

.

특히

, Nd

^계 ^{영구자석과}^관련해서^{재료연구소가}^주축으로

(9)

진행 중인 소재개발 외에도 한국지질자원연구원을 중심으 로 한 국내 희토류광산 개발 및 분리정제기술 개발 사업 과 한국생산기술연구원을 중심으로 한 폐자석 재활용 기 술 개발 사업 등도 활발히 진행 중이기 때문에 이러한 사 업들을 서로 연계한 보다 체계적인 연구개발이 필요한 시 점이다.

감사의 글

이 연구는 지식경제부 지원의 소재원천기술개발사업에 의하여 수행되었습니다.

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