Ferrite 영구 자석 동향

정보통신 및 자동차용 자성재료

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1. 서론

전 세계적으로 지구환경문제와 관련하여 석유에너지 대체와 저탄소 녹색성장의 당위성이 대두됨에 따라 하이 브리드 (HEV) / 전기자동차 (EV)와 같은 친환경자동차 의 생산과 수요가 급속히 증가하면서 이들의 구동모터 및 운용편의장치가 증가되고 있으며 이들에 필요한 고특 성 자성소재의 수요도 매년 20% 이상 증가하고 있다.

우리나라의 경우 영구 자석 소재가 주로 사용되는 자 동차, 가전, 전자정보 분야가 주력 산업 분야임에도 불구 하고 자원부재와 소재기술부족으로 대부분의 소재를 외

국으로부터의 수입에 의존하고 있기 때문에 무역수지적 자는 물론이고 결과적으로 최종제품의 경쟁력을 외국소 재에 의존하는 것으로 인한 차세대 산업에서의 경쟁력확 보에도 큰 장애 요인이 되고 있다.

최근 생산되는 자동차는 전장화로 인해 모터의 사용량 이 늘어나 1대당 50~60개가 사용되며, 고급차종에는 100개 이상의 자석이 사용된다. 여기에는 이방성 페라이 트 영구 자석과 함께 Nd계 희토류 영구 자석이 많이 사 용되고 있다.

자동차 산업과 관련하여 지구온난화 문제해결의 일환 으로 세계 각국의 연비 규제 기준이 강화 되고 있으며 유

Ferrite 영구 자석 동향

글

_ 김종렬 한양대학교

Fig. 1.

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럽에서는 2020년 기준으로 26.5 km/l로 연비를 강화 하 고 있어 자동차의 경량화가 경쟁력의 주요 요인이 될 것 이다. 연비 외에도 자동차의 안정성과 편리성에 대한 요 구가 늘어남에 따라 각종 센서와 전장화를 위한 소형 모 터들의 채용이 증가하고 있어 자동차의 중량을 증가 시 키고 있다. 이에 따라 영구 자석의 소형화, 경량화, 고기능 성화에 대한 연구가 요구 되고 있다. 또한 2020년 세계 자 동차 판매대수가 1억대를 돌파할 것으로 예측되기 때문 에 여기에 사용되는 전장모터용 영구 자석 소재의 수요 역시 지속적으로 증가할 것으로 예측된다(Fig. 1).

이러한 영구 자석은 Fig. 2에서 보여지는 것과 같이 약 90년의 짧은 기간에도 불구하고 자석의 세기는 약 60배 증가하였다. 20세기에 접어들면서 산업적으로 사용가능 한 강력한 영구 자석들이 계속적으로 개발되었다. KS강 의 발명 이후, 1930년에는 페라이트 자석의 기초가 되는 OP 자석이 발명되었고, 1932년 알리코 자석의 원점이 되는 MK강이 발명되는 등 영구 자석의 성능이 계속해 서 개선됨에 따라 산업전반에 활용되는 예가 점차 증가

하게 되었다. 영구 자석의 성능은 1960년대 후반부터 최 초의 희토류 자석인 Sm-Co 자석의 등장에 의해 크게 도 약하였다. Sm-Co 자석은 미국의 공군연구소에서 1968 년에 발명되었으며, 희토류-천이금속의 자기적 결합력을 이용한 자석으로서 페라이트 또는 알리코 자석의 보다 5- 10배 우수한 성능을 발휘하였다. 한편, 1983년 일본의 사가와 등에 의해 Sm-Co 자석을 구성하는 주성분인 Sm, Co 보다 상대적으로 저렴한 Nd, Fe, B 원소를 활용한 새 로운 개념의 희토류 자석이 발명되었는데, 이들 Nd계 희 토류 자석은 가격뿐만 아니라 성능측면에서도 종전의 Sm계 희토류 자석 보다 높은 향상을 도모한 획기적인 발 명이었다.

하지만 최근의 연구개발이 대부분 이러한 자기특성이 우수한 희토류 자석에 집중이 되어 산업적으로 훨씬 많 이 사용되고 있는 페라이트 자석에 대한 기술개발이 저 조한 실정이다. 또한 최근에 발생한 ‘희토류 파동’으로 인하여 가격급등과 수급불안정 문제가 발생하여 관련 산 업에서는 희토류 영구 자석 사용에 많은 어려움이 있다.

중국은 지구 전체 희토류 매장량의 거의 절반을 보유하 고 있으며, 세계 공급량의 95%이상을 차지하고 있다. 논 란의 중심은 중국이 희토류의 생산과 수출 모두를 통제 하려는데 있으며, 선진국에서는 예측 불가능한 희토류 공급에 직면해 희토류 대체기술을 개발하기 위해 정부가 적극 지원하고 있는 실정이다.

하지만 국내의 경우 희토류 영구 자석 소재 제조기반 은 전무하여 기술개발과 양산 / 판매에는 상당한 투자와 시간이 요구되기 때문에 급변하는 소재시장 경쟁에 대응 하기에는 상당한 어려운 상태이며 이는 국내 주력산업분 야인 자동차, 가전, 전자정보 산업의 미래도 어둡게 하고 있다. 따라서 국내 산업의 미래 지속성장을 담보하기 위 해서는 희토류계 영구 자석을 대치하거나, 사용량을 최 소화할 수 있는 페라이트계 영구 자석의 개발이 절대적 으로 필요한 상황이다.

이러한 페라이트 영구 자석 소재는 희토류 영구 자석 소재에 비해 소재비가 월등히 낮기 때문에 하이브리드 자동차, 전기 자동차의 구동 모터와 같은 특수한 분야 외 에 향후 지속적으로 적용되어 그 수요가 증가할 것으로

Fig. 2. 영구 자석 소재의 개발 역사와 특성 향상 추이.

예상된다. 또한 페라이트 영구 자석 소재는 산화물이기 때문에 화학적으로 매우 안정하여 고온의 사용 환경에서 도 산화와 같은 문제를 고려할 필요가 없어 희토류 영구 자석과 비교하여 비교적 단순한 표면처리만 필요하다.

또한 희토류계 자석과는 반대로 고온 측에서 보자력, H

가 증가하므로 감자의 염려가 없어 고온용 분야에서 많 이 사용되고 있기 때문에 고특성을 통하여 그 응용분야 가 더욱 확대될 것 이다(Fig. 3).

이러한 배경하에 본고에서는 고특성의 페라이트 영구 자석 소재 개발을 위해 필요한 기술 및 동향을 간단히 소 개 하고자 한다.

2. 페라이트 영구 자석

페라이트 (Hard Ferrite) 자석은 재료의 자기적인 특성 이 자장의 방향과 크기에 따라 쉽게 변화되지 않는 재료 로서 일반적으로 영구 자석이라고 알려져 있으며 산화철 을 주성분으로 하는 세라믹 제품을 말한다. Fe

O

는 무 게비로 약 85~90%를 차지하며 마그네토 플럼바이트형의 결정 구조를 갖는 화합물로 나머지 금속 성분에 따라 바 륨 페라이트, 스트론튬 페라이트 등으로 구분된다.

페라이트 자석은 현재 중량 기준으로 가장 많이 사용 되고 있는 영구 자석 재료이다. 전체 영구 자석 재료에 대한 페라이트 자석의 생산량 비율은 중량 기준으로

1980년 이래로 90% 이상을 점유하여 왔으며 (최대 95%

까지도 점유한 적이 있음), 지속적인 성장이 이루어지고 있다. 이러한 이유는 다른 영구 자석 재료와 비교할 때 cost performance가 압도적으로 우수하기 때문이다. 또 한 녹이 슬지 않고 분해되지 않는 등의 화학적 안정성과 함께 자기적 안정성도 높아 실용성 측면에서 뛰어나기 때문이다.

페라이트 자석은 여러 분야에서 사용되는데 1980년대 초까지는 스피커용이 전체 중량의 50% 이상을 차지하였 다. 스피커용의 하드 페라이트는 도넛 모양의 단순 형상 이면서 또한 실내에서 고정되어 사용되기 때문에 특성보 다는 가격이 우선되었다. 이 때문에 1990년대에 들어서 는 중국산 제품으로의 치환이 급속히 이루어졌다(Fig. 4).

한편 페라이트의 고특성을 요구하는 모터용의 경우 비 교적 부가 가치가 높은 편이다. 모터용의 주류는 자동차 용 모터이다. 이것은 starter, wiper, fan, mirror, seat adjus- tor, door lock, window, antenna, fuel pump 등에 필요 한 기본적인 부품이다. 2000 cc급의 자동차에 평균 40개 이상이 사용되고 있어 하드 페라이트의 자동차 한 대당 사용량은 약 1.5 kg 이상이다. 일반적으로 모터의 고 토 크화 또는 소형 경량화의 관점에서는 조금이라도 큰 잔 류자속밀도, B

또는 (BH)

가 필요하다. 그러나 자동차 용의 경우 단순히 높은 (BH)

만으로는 불충분하며 높은 보자력, H

가 요구되는 경우도 많다. 이것은 모터 회전 시에 발생하는 역자계에 의한 자석 자체의 감자와 온도 변화 등에 대하여 높은 신뢰성이 요구되기 때문이다.

페라이트 자석은 산화물이기 때문에 화학적인 안정성 은 고온의 사용 환경 하에서도 전혀 문제가 되지 않는다.

그리고 희토류계 자석과는 반대로 고온 측에서는 H

가 증 가하므로 감자의 염려가 없어 이 분야에서 많이 사용되 고 있는 또 다른 이유가 된다. 이러한 경향은 연료전지 자동차와 HEV, EV 등의 차세대 자동차에 있어서도 마 찬가지이다.

이와 같은 페라이트 자석은 희토류 자석을 일부 대체 할 수 있는 최고 성능의 페라이트 자석으로의 연구가 진 행 되어야 하며 소형화 경량화 고기능화 복합화 추세에 따라 그 시장이 향후 크게 확대될 것이다.

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Fig. 3. 영구 자석 소재에서의 고특성 페라이트의 중요성.

페라이트 자석의 자기특성 향상으로 모터의 체적이 감 소되더라도 모터의 출력은 동일하게 유지 될 수 있다. 즉 모터의 출력이 동일한 조건에서 모터 체적은 자석의 grade 에 따라 감소하며 6-grade 대비 9 grade는 85~90%, 12- 12-grade는 75~80%, New-grade는 68~73%로 약 30% 체 적이 감소와 약 60%의 무게 감소가 가능하여 모터 제조 원가가 절감 및 제품 경량화에도 크게 기여할 수 있을 것 으로 예상된다(Table 1, Fig. 5). 다음과 같은 new grade 의 페라이트를 연구 개발하기 위해 기본적인 페라이트의 특성 및 연구 개발 동향을 알아 보자.

2.1. 결정 구조

현재 대량 생산되고 있는 하드 페라이트 재료는 육방 정의 구조의 Ba, Sr-페라이트이다. M형 페라이트는 자석 재료의 필수 조건의 하나인 일축 결정 자기 이방성을 보 인다. M형 페라이트 중 BaO 6Fe

O

페라이트는 육방정 계 결정구조를 갖고 있으며, 근사적으로 PbFe

Mn

Al

0.5

Ti

O

의 조성을 가진 광물인 마그네토플롬바이트와 같은 결정구조를 갖는다. Fig. 6 는 BaO 6Fe

O

페라이트 의 결정구조를 나타내고 있으며 이 그림에서 알 수 있듯 이 2개의 unit molecule이 모여서 1개의 unit cell을 이루 고 있다. 1개의 unit cell은 hexagonal close packed된 10 층의 O

이온층으로 구성되며 각 5번째 산소층 중 산소

이온 2개가 Ba

이온으로 치환되어 있다 (SrO 6Fe

O

와 PbO 6Fe

O

페라이트의 경우는 각각 5번째 산소층 중 산 소 이온 1개가 Sr

이온과 Pb

이온으로 치환 되어 있 다). Fe

이온은 5개의 site에 위치하게 되는데, 이를 Table 2에 나타내었다. M-형 육방정 페라이트의 R 결정 포에서는 3개의 산소층이 hexagonal 배열을 하고 있으

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Fig. 4. 페라이트 영구 자석의 대표적 제품 예.

Table 1. 등급별 상용화 페라이트 자석 특성

Fig. 5. 영구 자석 grade별 모터 체적 비교.

며, 가운데 산소층에는 비자성인 Ba과 up spin을 갖는 5 배위 2b site 자리에 위치하고 있다. Ba은 산소 14면체의 중앙을 지나는 거울면의 중앙에 위치하고, 산소를 12배 위 한다. 또한 헤메타이트 (α -Fe

O

)에서와 마찬가지로 c- 축 결정 방향으로 나란히 놓여 있는 down spin의 산소 6 배위에 4f

site가 있다. S 결정포 경계에 up spin을 갖는 산소 6배위에 2a site가, down spin 산소 4배위에 4f

site 가 있고, R-S 결정포 경계에 up spin을 갖는 산소 6배위에 12k site가 위치하게 된다.

마그네토 풀럼바이트 구조가 강한 이방성을 나타내는 이유는 R 결정포에 위치한 4f

site와 R 결정포의 2b site 가 큰 결정 자기 이방성을 나타내기 때문이다. Fig. 6에 BaO 6Fe

O

페라이트의 S 결정포 (Fe

O

)와 R 결정포 (BaFe

O

)를 나타내었다. BaO 6Fe

O

페라이트의 unit cell은 그림의 S와 R의 결정포가 RSR

S

의 형태로 적층 되어 있음을 알 수 있는데 여기서 R

과 S

은 R과 S 결정 포가 c-축을 중심으로 180°회전되어 있는 형태를 나타 낸 것이다.

바륨 페라이트 BaFe

O

조성에서 Ba과 Fe 대신 다른 양이온들로 치환할 수 있는데, Ba 대신 Sr, Ca, 그리고 Pb등 2가 이온들로 치환할 수 있다. 이때 Ba 대신 Sr을 치환한 SrFe

O

는 Ba

보다 Sr

의 이온반경이 작기 때 문에 강한 결합을 이루고 있다. 또한 Ba 대신 3가 이온인 La

이온을 치환하여 Fe

와 Fe

두 종류의 철 이온가 를 가지는 페라이트를 만들기도 한다. 또한 Fe

대신 Al

, Ga

, Sc

이온들을 치환하거나 Co

-Ti

, Zn

-Sn

의 조합으로 보다 자기적 특성을 개선하려는 연구가 진 행 중 이다.

2.2. 자기적 특성

M형 페라이트는 ferrimagnetism을 나타내는데 자기 모멘트를 갖고 있지 않는 O

이온을 중심으로 양쪽에 위 치하고 있는 Fe

이온의 indirect exchange interaction 즉 superexchnage interaction (Fe

-O

-Fe

)이 M형 페 라이트의 자기적 특성의 근원이 된다. 산화물의 경우는 금속 이온이 산소이온에 의하여 분리되어 있어서 weiss가 제안한 molecular field에 의한 금속 이온 간의 exchange

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Fig. 6. M형 페라이트 결정 구조 및 R block과 S block.

Table 2. M형 페라이트에서의 Fe

위치

Table 3. M형 페라이트 원자 위치

interaction이 거의 불가능하다. 이에 따라서 oxide의 자 기적 특성을 설명하기 위해서는 anion인 O

이온을 포함 한 새로운 exchange interaction인 superexchange inter- action이 제안되게 되었다. Ground state에서는 O

이온 은 neon과 같은 전자구조를 갖게 되며, 어떠한 spin cou- pling도 갖지 않는다. 그러나 주위 이온들에 의하여 이 전자 구조는 어느 정도 흐트러져서 일부 전자가 짧은 시 간 동안 이웃한 이온으로 옮겨지게 되는데 이러한 현상 을 양자론에서는 superexchange of state라고 부른다. 이 원리를 산화물에 적용해 보면 산소 이온의 가장 낮은 에 너지 상태는 ground state O

과 적기는 하지만 O

, 중성 O 원자의 superposition이 되는데 이러한 많은 종류의 exited states 중에서 magnetic interaction을 설명할 수 있는 경우만을 고려하였다. 산소로부터 떨어져 나온 전 자는 주위에 있는 금속이온으로 들어가는데 이 경우 금 속이온 내에서 spin들과의 사이에서 강한 exchange inter- action이 일어난다. 이동된 전자가 들어가는 orbit는 전자 의 spin과 이온의 최종 spin moment에 따라 결정되는데 금속이온의 3d shell이 반이하로 채워져 있는 경우 즉 3d electron의 수가 5보다 작은 경우는 이온의 최종 spin moment와 평행하도록 들어가며 금속이온의 3d shell의 수가 반 이상 채워져 있는 경우 즉 3d electron의 수가 6 이상인 경우는 antiparallel한 orbit로 들어간다. 이에 따 라 남아있는 다른 전자 (unpaired electron)는 다른 금속 이온과 interaction을 나타내게 된다. 산화물에서 금속이 온과 산소이온의 interaction은 앞에서 언급한 방법 이외 에 상당히 많은 가능성이 있는데 이와 같은 방법에 의해 결과적으로 그 금속이온의 spin moment 사이에 effec- tive coupling이 일어나서 energy를 감소시키게 된다. 그 런데 위에서 언급한 전자의 이동에 기여하는 전자는 산 소 orbital 중에서 가장 에너지가 높은 2p 전자에 의하게 된다. 앞에서 언급한 바와 같이 ferrite에 있어서 superex- change interaction은 금속 이온이 산소이온을 사이에 두 고 발생하므로 금속과 산소와의 상대적 위치, 즉 Fe-O- Fe의 거리와 각도에 크게 의존한다. Fe-O-Fe 결합의 각도 가 180° 에 가까울수록 exchange parameter는 커지며 90° 에 가까울수록 작아지는 경향이 있음을 알 수 있으나,

Fe-O-Fe 결합의 거리에 따라서는 확실한 exchange para- meter의 변화를 볼 수 없어서 바륨 페라이트의 exchange parameter에 미치는 영향은 Fe-O-Fe 결합 각도가 지배 적임을 알 수 있다. 이 exchange parameter에 의한 철 이 온의 자기 모멘트의 방향은 Fig. 6 에서 화살표의 방향으 로 표시 하였는데 Fig. 6로부터 S 결정포에서는 octahe- dral site에 있는 4개의 철이온의 방향은 up-spin, tetrahe- dral site에 있는 2개의 철이온의 방향은 down-spin, R 결정포에서는 octahedral site중 3개의 철이온의 방향은 up-spin, 2개의 철이온은 down-spin이며 trigonal bipyra- midal site의 철이온의 방향은 up-spin임을 알 수 있다.

BaO·6Fe

O

의 온도 T(K)에서 포화자화 Ms(T)는 아래의 식으로 표현할 수 있다.

Ms(T)=6σ

(T)-2σ

(T)-2σ

(T)+σ

(T)+σ

(T)

여기서 σ

, σ

, σ

, σ

와 σ

는 각 sublattice에서 Fe

ion 의 자화값을 나타낸다. 그런데 Fe

은 0K에서 5μ

이므로 M

(0K)=5×(6-2-2+1+1)=20μ

가 된다. 20개의 스핀 자 기 모멘트가 M형 페라이트 자석 자성의 근원이 된다. 기 본적인 자기 특성인 잔류 자속밀도와 고유 보자력의 크 기는 상기 언급한 결정 구조뿐만 아니라 미세 구조에 의 해서도 결정된다. 자기 특성을 이러한 인자로 분해하여 고찰하면 고성능화를 위한 명확한 지침을 만들 수 있다.

밀도, 배향도 및 입자 크기를 ㎛ 수준의 미세 구조 인자 로 볼 수 있으며 이들의 인자를 높게 하는 것이 하드 페 라이트의 고성능화를 위한 기초가 된다.

2.3. 제조 공정

현재 알려진 Ferrite계 영구 자석 분말의 합성 방법들 은 공침법, 수열합성법, 플럭스법, 유리결정화법, 알콕사 이드법, 리퀴드-믹스법, 옥사린에드공법, 에어로졸법 자 전 연소 법 등 다양한 방법으로 M형 페라이드분말을 제 조 하고 있다.

하지만 공정의 용이성 및 가격 측면에 서 대량생산 방법으로는 고상법이 사용되고 있다. 페라 이트 자석의 제조 공정은 Fig. 7과 같은 공정을 이용하여 진행된다.

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고특성의 M형-페라이트 자석을 제조하기 위해서는 단 자구입자화가 예상되는 1 ㎛ 이하의 입자를 자화 용이축 방향인 c축으로 정렬시켜 고밀도로 충진시킨 이상 상태 의 실현을 목표로 하고 있다. 소결체에서 1 ㎛ 이하의 입 자 크기를 갖도록 하기 위해서는 소결 단계에서의 입성 장 억제 및 고밀도화가 필요하며 이를 위해서는 첨가물 과 소성 기술의 개발이 중요하다. 또한 소결 단계에서 통 상적으로 3배 정도로 입성장이 일어나는 것을 고려하면 소결 전 입자 크기는 0.3 ㎛ 정도로 할 필요가 있으며 이 를 위해서는 단순히 분쇄 공정의 관리만이 아닌 원료 ~ 하소 공정의 관리도 중요하게 된다. 그리고 나노 수준의 입내 격자 결함과 입계 구조는 특히 보자력에 영향을 준 다고 생각되므로 고성능화를 위해서는 이들을 잘 제어하 는 방안을 연구할 필요가 있다.

포화 자화 (Js)와 결정자기 이방성 계수 (K

)는 결정구 조 즉 자성 이온의 자기적 구조에 의해 결정된다. 또한 B

과 H

의 온도 특성은 주로 J

와 K

의 온도 특성에 의존 하지만 H

의 온도 특성은 미세구조에도 영향을 받는다고 알려져 있다.

페라이트 자석 제조 공정에서 가장 중요하게 여기는 부분은 자장 성형 공정이다. 제품의 품질수준에 따라 각 기 다른 성형 공정을 선택하는데 가장 저급의 경우 일반 적인 등방성 성형을 실시한다. 품질이 높아짐에 따라 자

장 중 등방성 성형, 자장 중 이방성 성형, 자장 중 이방성 습식 성형 등을 차례로 적용한다.

2.4. 고특성 페라이트 기술 개발 동향

초기 Ba-페라이트의 개발 이후 조성으로서는 Sr-페라 이트의 K1이 약 10% 크다는 것이 발견되었다. 우수한 특성을 갖는 화합물을 발견하면 그 다음은 여러 첨가물 의 효과가 연구된다. Ba-페라이트와 Sr-페라이트의 경우 에도 다수의 첨가물에 대한 연구가 이루어졌다. 이 경우 첨가물이 페라이트 구조 중에 치환 고용되는가가 하나의 포인트가 되었다. 1958년에 이미 Lanthanide 계열의 이온 이 M형 Ba-페라이트에 고용되며 그 중에서도 La

의 고 용량이 가장 큰 것으로 알려졌다. 이것은 Lanthanide 중 에서 La의 이온 반경이 가장 크고 또한 Sr

에 가깝기 때 문인 것으로 이해된다. 이에 따라 La를 치환하는 페라이 트 시스템이 다수의 연구자에 의하여 검토되었으나 고성 능 페라이트 자석의 개발에까지 연결되는 보고는 이루어 지지 않았다. 특히 페라이트 자석 제조업체에서는 매우 심한 가격 경쟁 하에 있었기 때문에 희토류 원소=고가라 는 고정관념이 있어 당시에는 페라이트 자석에 희토류 원소를 첨가하는 것은 비상식적인 일이었다.

이후 일본의 TDK등에서는 이상적인 미세구조를 얻기 위하여 제조공정을 검토한 결과 1992년에 M형 Sr-페라 이트에 SiO

와 CaCO

를 첨가하는 종래의 조합에서도 Br = 4.4 kG, Hc = 4.0 kOe, (BH)max = 4.7 MGOe의 높 은 특성을 구현하였다. 이러한 신 공정은 용매로서 크실 렌 등의 유기용제를 사용하고 동시에 분산제로서 스테아 린산과 올레인산 등을 첨가하는 것으로서 배향도를 종래 의 95~96%에서 98%로 높힐 수 있었다. 그러나 이 공정 은 유기용제를 사용하므로 안전 대책과 환경 대책을 위 하여 추가 설비투자 등의 측면에서 제약이 있어 양산화 가 이루어지지 못하였다.

이에 따라 고특성화를 위해서는 미세구조 인자의 개선 만으로는 곤란하고 결정구조 인자를 개선할 필요성이 다 시 대두되었다. 이러한 생각에 기초를 두어 여러 가지 첨 가제 시스템에 대한 연구가 다시 진행되었고 1996년에 는 La와 Zn을 동시에 첨가하여 포화 자화를 약 200 G

Fig. 7. 페리이트 자석의 제조 공정.

(약 4%) 개선하여 Br = 4.6 kG, (BH)max = 5 MGOe가 달성되었다. 이 LaZn계의 조성은 종래에는 달성한 적이 없는 고특성의 재질이었으나 결정자기 이방성 계수가 Sr-페라이트에 비해 10% 정도 악화되어 3 kOe 이상의 높 은 H

를 얻기 어렵기 때문에 모터용으로의 적용이 곤란하 였다.

이후 La계 조성에 관한 연구가 계속 진행되어 Zn 대신 에 Co를 치환한 결과 포화 자화와 결정자기 이방성 계수 가 모두 향상되어 아주 우수한 자성특성이 얻어지는 것 이 발견되었으며 1999년부터 관련 학회에 발표가 진행 되었다. Co는 여러 3d 천이 금속 이온 중에서 예외적으 로 커다란 자기 모멘트를 가지고 있어 자기 이방성 향상 에 기여한 것으로 평가되고 있다. 여러가지 실험의 결과 Sr의 일부를 La로 치환하고 Fe의 일부를 Co로 치환한 조성인 (Sr

La

Fe

Co

)에서 특히 x=0.3~0.4, y=0.3 근 처에서 B

과 H

가 모두 향상되고 있는 것을 발표하고 있 다(Fig. 8).

Fig. 9는 x와 y를 같이 변화시켰을 경우의 H

의 온도 의 존성을 나타낸 것이다. 이것을 보면 LaCo를 첨가하는 것 에 의해 H

의 온도 의존성도 크게 변화되는 것을 알 수 있다. 즉 H

의 온도 계수를 영으로 하거나 또는 플러스, 마이너스로 변화시키는 것이 가능하다.

또한 TDK에서는 물을 용매로 한 경우에도 배향도를 높힐 수 있는 방법을 개발하여 본 재질의 특성을 더욱 개 선하였다. 그 결과 올레인산과 유사한 기본 골격을 지니 면서도 구조 중에 수산기를 다량 함유하는 글루콘산과

같은 물질의 첨가가 유용한 것을 발견하고 이 시스템을 적용하였다.

일반적으로 페라이트 자석을 사용하는 경우 저온 감자 에 유의할 필요가 있다. 즉 모터 설계 시에 저온 감자로 인한 특성 저하를 고려하여 안전 인자를 상대적으로 크 게 할 필요가 있었다. 그러나 La와 Co가 첨가된 재질의 경우에는 앞서 설명한 바와 같이 H

의 온도 계수가 작기 때문에 저온에서의 감자 방지 설계가 용이하며 따라서 본 재질은 모터 용도에 최적이라고 할 수 있다. 모터에 응용할 경우 종래 제품에 비해 평균적으로 자석 면적으 로는 7% 감소, 자석 두께로는 19% 감소가 가능하여 결 국 자석 부피로는 25% 감소가 이루어져 모터의 소형화 를 실현할 수 있게 되었다. 향후 수요 확대가 예상되는 전동 power steering motor와 현재 권선식의 starter motor 의 자석화가 진행되고 있는 자기포화도가 낮은 다극 모 터 (4-8극)용 자석에 특히 적합한 재료라고 할 수 있다.

본 재질의 결점으로 La와 Co를 첨가하여 발생하는 비용 증가를 들 수 있으나 상기의 모터 소형화라는 장점 및 첨 가물의 첨가 타이밍을 연구하여 (하소 후 첨가 시 유리) 좀 더 적은 양의 첨가에서도 고특성을 얻게 된 점 등의 이점이 있어 실용화에 이르게 되었다. 현재 일본의 히타 찌금속을 필두로 TDK 등에서 대량 생산 체제를 갖추고 있으며 판매를 하고 있다(Fig. 10).

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Fig. 8. Sr-페라이트의 결정 구조와 TDK에 의한 특성개선 개념. Fig. 9. LaCo 첨가 Sr-페라이트의 보자력의 온도의존성 (Sr

La

Fe

Co

).

한편 이러한 연구개발 결과 및 상품화에 자극 받아 세 계 각국의 페라이트제조업체 및 연구 기관에서 연구가 활발히 진행되어 최근 LaCo 첨가와 관련된 다수의 연구 논문이 발표된 바 있으며 이후 계속적인 특성 개선이 기 대되고 있다.

또한 고성능 페라이트 자석은 종래 공법에서 3 mm미 만의 박형 생산은 곤란했다. 그러나, 차량전장용 DC 모 터를 비롯하여 모터의 소형·경량화 요구가 점점 강해져, 자석의 박형화가 요구되었으며 TDK는 12-grade를 바탕 으로 고밀도 충진법을 도입해 1.0~2.5 mm 두께의 고성능 박형 이방성 페라이트 자석의 양산기술 확립 및 FB13B, FB14H를 개발·제품화하였다

Fig. 11에서 처럼 모터의 다극화 설계와 조합해 고성 능 박형 이방성 재질 (FB13B, FB14H)을 채용하는 것에 의해 한층 더 모터의 소형·경량화를 가능하게 한다. 최

근 소형화 요구가 높아진 모터의 용도에 의해 형상 자유 도에 뛰어난 네오듐 (희토류) 본드자석의 채용화가 진행 되고 있다. 그렇지만 사용 환경이 엄격한 전장용 전동기 등에는 네오듐 (희토류) 본드자석은 내열성과 내식성의 신뢰성 향상을 위해 코팅이 필요하다. TDK의 고성능 박 형 이방성 페라이트 자석 (FB13B, FB14H)은 페라이트 자석 본래의 특징을 활용해 내열성과 내식성에 뛰어나 코팅이 필요 없으며 조립 후의 모터의 착자도 쉽게 되는 장점이 있다.

2.5. 국내 현황

국내에서 페라이트 자석을 생산하는 주요 업체로는 쌍 용머티리얼, 태평양 금속, 우지막 코리아 등이 있으며, 일 본의 페라이트 자석 업계는 TDK, 히타치금속, 스미토모 금속, 동북금속 등 4개사가 생산량의 대부분을 점유하고 있으며, 이들 간의 시장 확보를 위한 경쟁이 치열하다.

현재는 희토류 대체재 개발을 향한 국제적인 정세에 맞 추어 수년 전부터 연구하여 12-grade를 2011년 개발에 성 공하여 특허를 출원하고 국내/외 전자 및 전자업계에 공 급을 하고 있다. 최근 전장 수요업체에서는 모터의 경박 단소화 및 희토류 자석을 일부 대체할 수 있는 초고성능 페라이트 자석을 요구하고 있으나 기술 개발이 미진한 실정이다. 국내 생산업체의 대표 격은 쌍용 머티리얼이 며 2005년 일본 TDK의 페라이트 제조 기술과 관련된

CERAMIST

Ferrite 영구 자석 동향

Fig. 11. Nd계 본드 자석과 신공법 페라이트 자석을 적용한 모터 크기 비교.

Table 4. N 계 본드자석 , 종래 페라이트 자석 , 신공법 페라이트 자석의 비교

◎ 우수 O 비교적 우수 △ 나쁨

*1 : Nd 본드계 : 신뢰성향상을 위해 코팅 필요

*2 : Nd 본드계 : Full 착자를 위해서는 높은 착자자계가 필요

Fig. 10. 상용화 되고 있는 TDK corp. 페라이트 특성.

특 집 김종렬

CERAMIST

유럽특허 분쟁에서 2012년 승소하여 세계 페라이트 자 석 시장에서 일본의 Hitachi, TDK와 나란히 경쟁할 수 있 게 되었다. 일본의 기술과 중국의 원자재 패권 등으로 자 석시장의 국내기업의 진입이 어려운 상태에서 미래 먹거 리 산업인 친환경자동차 등의 분야에서 사용될 페라이트 영구 자석 소재 개발을 위하여 대학과 연구소에서 산발 적인 연구가 진행 중이다.

3. 결론 및 향후 전망

부품의 소형화 및 고성능화 차원에서 영구 자석 소재 의 활용이 확대 되고 있으며 자원 및 환경적 측면에서 이 점이 있는 페라이트 영구 자석 소재에 대한 관심이 증가 하고 있다. 특히 자동차, 가전 등의 분야의 소형 모터의 시장이 확대 되면서 기존의 희토류 자석의 대체 및 경량 화에 초점을 맞추어 페라이트 소재의 개발이 진행 되고 있다.

페라이트 자석 분야에서 기술적으로 앞서나가는 TDK 의 경우 Sr

La

Fe

Co

의 조성을 이용하여 제조공정 및 미세조직 제어를 통하여 세계 시장을 공략하고 있다.

하지만 기존의 페라이트 조성 및 제조 공정으로는 특성 향상의 한계가 있다.

이를 극복하기 위해서는 국내에서 산발적으로 이루어 졌던 신조성 합금설계기술, 입자 형상 정밀제어기술, 배 향도 극대화 성형기술, 고밀도 정밀 소결 기술 등에 대한 연구가 산 학 연의 연구 개발 네트워크가 이루어져야 할 것이다. 이러한 고특성 페라이트 자성 소재의 개발은 친 환경 자동차뿐만 아니라 가전기기, 산업용 로봇, 신재생 에너지 분야에서 핵심 전략소재로 활용되기 때문에 기술 개발에 따른 산업적 파급 효과가 클 것으로 예측된다.

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김 종 렬

1991년 University of Illinois at Urbana Cham- paign. 금속공학과 박사

1996년 KIST(Korea Institute of Science and Technology). 선임 연구원

1997년 한양대학교 에리카 캠퍼스 재료공학과 교수