▲ HDDR 공정(주: 수소분위기에서 가열해서 Nd2Fe14B의 결정을 NdH2、a-Fe、Fe2B로 분해한다. 이 분해된 자성분말을 진공 중에서 가열하여 수소를 방출시켜 다시 Nd2Fe14B 상으로 재결합 시킨다. 이 공정에 의해 자분의 주상의 결정립이 250nm 정도 미세화된다.).

구체적으로는 HDDR 방법으로 제조된 Nd-Fe-B계 자분과 Nd-Cu 합금 분말을 혼합하여 가열한다. Nd-Cu 합금을 선택한 것은 융점이 520℃로 낮기 때문이다. 소결온도를 높이면 결정립이 성장하기 때문에 결정립 미세화를 유지 할 수 없다. 따라서 저융점의 Nd 합금을 사용하는 것이 좋다. Nd-Cu 합금은 소결온도를 600℃ 정도로 낮게 하여도 액상으로 되기 때문에, Nd가 입계를 따라 확산해 간다. 또한 Nd-rich 상에 Cu이 혼합되어 보자력을 높이는 것도 확인되었다. Nd-Cu 합금을 사용하면 그 Cu의 공급원도 될 수 있다. Hono 연구팀에서는 현재 개발된 고보자력 자분을 이용하여 소결자석을 제조하는 기술개발을 진행하고 있다. 현재 최대의 과제는 최대자기에너지적((BH)max)의 향상이다. 이것을 위해서는 자분의 배향도를 높일 필요가 있다. 현재 목표로 하는 것은 HEV/EV의 구동모터에 사용하기 위해 보자력이 약 25 kOe, 최대자기에너지적이 약 35 MGOe의 Nd-Fe-B계 소결자석이다.

한편 동북대 스기모토 연구팀에서는 결정립 미세화를 위하여 자석의 원료합금에서의 라멜라 간격을 줄이고 원료합금을 분쇄해서 자분을 미세하게 만드는 관점에서 연구개발을 수행 중이다. 입계상의 개선과 관련해서는 Dy를 입계상에 균일하게 분산하기 위해 새로운 방식 개발을 시도하고 있다. 그 중에서 라멜라 간격의 축소를 담당하고 있는 것이 ㈜산토구이다.

일반적으로 Nd-Fe-B계 소결자석의 원료합금은 주상인 Nd2Fe14B 상 사이에 거의 일정한 간격으로 Nd-rich 상이 형성되어 있는 라멜라 구조이다. 라멜라 간격 축소의 장점은 원료합금을 분쇄하여 제조하는 자분을 미세화하여도 주상 주위에 Nd-rich 상이 붙어있는 자분을 많이 만들 수 있다는 것이다. 자분의 입경에 대해서 라멜라 간격이 너무 넓으면 Nd-rich 상이 붙어있지 않은 자분이 만들어져 버린다. 이것 때문에 소결하여도 주상 주위에 Nd-rich 상이 확실하게 코팅할 수 결정을 만드는 것이 어렵다.

일반적으로 Nd-Fe-B계 소결자석의 원료합금은 스트립캐스트라는 제조방법에 의해 만들어진다. 고속으로 회전하는 드럼 표면에 용해된 합금을 부어서 급냉각하는 방식이다. 산토구에서는 그 냉각속도 등을 최적화하여 라멜라간격을 축소하기 위해 연구개발을 진행하고 있다. 자분의 미세화에 관해서는 인터메탈릭이 연구개발을 진행 중이다. 조분쇄된 원료합금을 미분쇄하는 젯밀이라고 하는 방법을 개량하여 실험실 레벨에서 약 1μm정도의 미세한 자분을 제조하는 기술을 개발하였다. 젯밀은 조분쇄한 자분을 고속가스흐름에 투하하여 분말끼리 충돌시켜 미분쇄하는 기술이다. 통상 질소가스를 사용하지만 인터메탈릭이 새롭게 개발한 방법에서는 헬륨가스를 사용한다. 헬륨은 질소보다 가볍기 때문에 유속을 빠르게 하지 않고도 단시간에 미분쇄할 수 있어 표면산화를 최소화 할 수 있다. 또한 헬륨은 불활성가스이기 때문에 질소와 달리 Nd와 화합물을 잘 형성하지 않는다.

▲ 미세화한 자분을 소결하기 위한 새로운 공정 「PLP (PressLess Process)」.

흥미로운 것은 이 방법으로 미세화한 자분을 소결하기 위한 새로운 방식 「PLP(PressLess Process)」도 개발한 것이다. 자분을 미세화하면 자분의 표면적이 증가하여 Nd-rich 상이 산화되기 쉬어진다. 이것을 방지하기 위해 고안한 것이 PLP 방식이다. PLP의 최대 특징은 고농도의 아르곤 가스로 채워진 파이프 내에서 자분의 충진에서 소결까지 일련의 공정을 실시하는 것이다. 구체적으로는 먼저 호퍼에서 카본재질의 용기에 자분을 공급하고 그것을 손으로 누르는 정도의 압력으로 용기에 채운 다음, 코일을 이용하여 5Tesla 정도의 강한 펄스자장을 가하여 자화의 방향을 정렬하여 소결하면 자석이 완성된다. 종래의 소결법과는 달리 프레스 공정을 위해 공기 중에서 자분을 몰드에 넣거나 빼는 작업이 필요 없고, 윤활제나 바인더가 적어도 되기 때문에 자분이 잘 산화되지 않고 불순물도 혼합되기 어렵다. 또한 프레스 없이도 소결체의 밀도는 프레스한 것과 거의 비슷하다. 인터메탈릭에서는 실증장치 2대를 제조하여 이미 효과를 확인하였다. 라멜라간격이 3~4μm의 원료합금을 헬륨 젯밀로 미분쇄한 입경이 약 1μm의 자분을 사용하여 소결 후의 주상상의 입경이 약 1.5μm 정도로 미세한 Nd-Fe-B계 소결자석을 제조할 수 있었다. Dy와 Tb을 첨가하지 않고 약 20kOe정도의 보자력을 얻었다.

◇ 연/경자성 나노복합자석 소재기술

연/경자성 나노복합자석 기술의 SCI 논문연구의 연도별 동향은 다음과 같다. 1991년 독일의 Eckart F. kneller 와 Reinhard Hawig에 의해 처음으로 Exchange-spring magnet의 이론을 제안하였다. 이후 1993년부터 1996년까지는 이론 확립과 여러 제조방법을 이용한 실증에 힘을 쏟았다. 1997년도부터는 박막공정을 이용하여 Exchange-spring magnet의 제작 가능성을 보여 주었다. 이후 최근까지는 희토류계 영구자석과 연자성체(Fe, Fe3B)의 나노 복합체를 mechanical milling, melt spinning 등의 방법을 이용해 형성하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근에는 화학적 방법을 이용한 합성법에 대한 연구가 활발하다.

이러한 다상 복합화 기술에서는 극미세한 각 상의 입자를 제조하고 분산제어를 통해 복합화하는 기술이 핵심기술이다. 그러나 단순 혼합만으로는 요구성능을 구현할 수 없으므로, 극미세한 각 상의 입자들이 균일하게 분산된 복합분말을 in-situ 제조하는 기술이 필요하다. 특히, 분말합성 단계에서 분말의 입도를 나노스케일화하고, 입자의 형상과 결정성을 제어하고, 미세입자의 특성을 예측․평가하는 기술이 확보되어야 한다.

또한 연자성체와의 복합체를 구성함에 있어 분말의 표면을 제어하고, core-shell 구조를 갖도록 분산 제어하는 기술이 개발되어야 한다. 한편, 복합체 제조시 입자성장을 제어함으로써 미세 결정립을 유지하고, 교환상호작용(exchange coupling)시 자벽이동과 관련된 새로운 자화기구를 규명하여 자기적 물성을 정량화하는 기술은 신개념 자성소재의 실용화에 크게 기여할 것으로 기대된다.

○ 극미세 다상 분말 in-situ 합성기술

극미세 입자의 형상 및 입도를 제어하는 방법은 크게 두 가지 종류로 분류할 수 있다. 한 가지는 분말의 합성 시 그 형상 및 입도를 제어하는 방법이고, 다른 하나는 고에너지 밀링 등을 통하여 과고용된 분말을 제조하여 열처리나 소결을 통하여 극미세 입자를 균일하게 분산 석출하는 방법이다.

분말 입자 균일 분산 및 입자 크기 제어를 위한 극미세 다상 분말 in-situ 합성 기술은 재료의 물리적 특성에 영향을 미치는 대표적인 인자이므로 그 제어 기술이 임계이상의 성능 특성을 위해 반드시 요구된다.

▲ 극미세 다상 분말 in-situ 합성 개략도.

○ Core shell 구조 제어기술

극미세 금속입자는 일반적으로 세라믹 분말에 비하여 불안정한 특성 및 낮은 분산 안전성을 가지고 있다. 이는 금속이 세라믹에 비하여 전자기적 성질이 훨씬 활성화 되어 있어 금속나노 입자들 간에 응집하려는 경향이 매우 강하기 때문이다.

이러한 이유로 인하여 극미세 금속입자의 안정성을 높이는 한편 응집성을 줄이고 자성특성을 유지하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 일반적으로 금속의 안정성향상 및 응집성을 줄이기 위해서는 금속 입자를 개질할 필요가 있으며, 1)입자 내에 다량의 극미세 입자를 고르게 넣는 방법(metal dispersed in particles), 2)극미세 입자 각각의 입자표면을 코팅하는 방법(core shell), 3)극미세 금속입자의 표면을 다층으로 코팅하는 방법(multi-layer composite) 등과 같은 3가지 방법에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다.

이에 반해 core shell과 multi-layer composite 방법은 에멀젼이나 졸-겔법 등이 주로 사용되고 있는데, 물리적인 흡착 방식을 이용하거나 입자와 기능성 물질의 화학적 반응을 통하여 극미세 입자의 표면을 개질하는 방식이다. 하지만 이 방법은 코팅두께의 조절이 용이하지 않다는 단점을 가지고 있어 코팅 두께를 조절함으로써 입자의 안정성 및 물리적 성질을 개선하려는 연구가 필요하다.

▲ 금속산화물 나노입자의 개질 방법.

▲ 기상법 및 액상법을 이용한 나노입자의 개질.

○ 복합 분말 분산 제어기술

다상 복합 분말제어 기술은 재료가 가지는 물리적, 자기적 특성의 한계를 극복할 수 있는 기술이다. 경자성상과 연자성상은 교환자기력에 의해 우수한 자성특성을 나타내며, 각 상들간의 부피분율과 입자의 미세화가 중요한 역할을 한다는 것은 자명한 일이다. 따라서 특정 조성에서 한계 이상의 자성특성을 얻기 위해서는 다상 입자간의 상호작용과 입자 미세화 및 그 분산 제어를 통한 시너지 효과가 필수적이다.

복합 분말 분산 제어 기술에 있어서 입자들의 분포가 불균일하다면 그 효과가 제한적일 수밖에 없다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 극미세 입자의 석출 및 성장 제어에 있어서 각 단위공정의 유기적인 설계를 통해 극미세 입자를 균일하게 분산시켜 그 자성특성을 극대화시킬 수 있는 극미세 복합 입자의 분산 제어 기술이 필요하다.

○ 입자 성장 제어기술

현재 활용되고 있는 Nd-Fe-B, Sm-Co, Fe 계열의 기존 Bulk재는 재료적인 한계 특성에 도달함에 따라 더욱 우수한 특성을 갖는 새로운 형태의 자성소재에 대한 연구가 필요하다. 이에 우수한 자성특성을 달성하기 위하여 다상(multiphase) 계면간의 반응이 억제된 복합 구조를 형성하는 기술을 이용하여 연자성상과 경자성상의 복합구조를 갖는 새로운 개념의 Exchange-spring magnet이 제안되었다. 이 기술은 기존에 알고 있던 강자성체와 연자성체의 나노 구조의 복합체로 형성하여, 기존에 얻을 수 없었던 영역의 우수한 특성을 가지는 영구자석의 제조를 가능하게 하였다.

연자성과 경자성의 나노 상(nano-phase)의 계면에서 일어나는 교환자기력에 의해 연자성 상에서는 높은 포화자화 값을, 경자성상에서는 큰 이방성을 제공 받아 우수한 특성을 가지는 자성소재를 제조할 수 있게 한다.

그러나 앞서 언급한 기술들을 통하여 연/경자성을 가지는 극미세 상간에 일어나는 교환자기력을 유지하기 위하여 소결 중 일어나는 입자성장을 억제하는 것이 중요하다. 예로 Nd-Fe-B계의 경우 현재 이론적으로 이상적인 나노 복합구조를 이루었을 경우 최대자기에너지적(((BH)max)이 137MGOe 까지 가능하다고 알려져 있으나, 소결과정 중에 일어나는 입자성장으로 인해 그 특성을 달성하기 어렵게 된다. 그러므로 우수한 자성 특성을 얻기 위해서는 무엇보다 극미세 다상 입자의 성장을 억제하고, 그 계면의 반응을 억제하는 기술이 요구되므로 새로운 성형 및 소결 기술을 통한 입자 성장 제어 기술이 필요하다.

◇ 비정질 및 나노결정형 연자성 소재기술

나노결정형 연자성 소재 기술은 3차원적으로 균일한 연자성 특성을 구현할 수 있는 극미세 자성분말 소재의 합금설계, 하이브리드화 기술을 통해 기존 연자성 합금소재의 임계성능을 극복할 수 있는 새로운 조성의 고특성 magnetic circuit(자기회로)용 자성분말 소재의 핵심 원천기술이다.

전자석․변압기 등에 사용되는 연자성소재(soft magnetic materials)는 고투자율자성․자심소재로서 보자력이 크고 또 투자율이 크다. 즉, 작은 외부자장에 대해서 큰 자화가 생기고, 외부자장에 대해 민감하게 변화하는 자성소재이다. 큰 투자율과 동시에 자화도 크게 되면 모터 등의 소형화가 가능하게 된다. 전자석․변압기․모터․릴레이․기록/재생헤드 등 모두 이런 성질을 요구하고 있고, 또 역으로 이들 자성소재의 존재에 의해 많은 장치․부품이 발명되어 상용화 되고 있다.

자벽이동이 될 수 있는 한 원활하게 진행하면 투자율이 높아진다. 순철의 순도를 높여, 잘 소둔하는 것이 여기에 속한다. 자벽이동만이 아니고 자기이방성 및 자왜가 투자율의 향상을 방해하는 것이 알려지면서 퍼멀로이(permalloy)가 개발되었다. 이 소재는 550℃이상부터 급랭하면 좋은 자성특성이 나타나는데, 서냉하면 Ni3Fe의 규칙격자가 생겨 자기특성이 떨어지는 것이 확인되었다. 제3, 제4의 원소를 첨가해서 이방성과 자왜를 동일조성에서 함께 제로(0)로 하는 등의 개선으로 슈퍼말로이(supermalloy)가 개발되었다. 이들 소재는 일반적으로 전기저항이 작기 때문에 직류자화의 전자석, 릴레이 등에 사용된다. 그러나 퍼멀로이는 A급∼E급, 그 외에도 상당히 많은 종류가 있어 변압기 및 헤드에 사용되는 것도 있다.

자성소재는 현대산업의 최대 에너지원인 전력의 수송(변압기), 이용(모터)에 있어, 대량으로 사용되고 있어 가장 중요한 재료이다. 잔류응력, 비금속․비자성개재물, 격자결함을 감소시켜 균일한 조직을 만드는 것이 자성특성향상에 중요하다. 아몰퍼스(비정질) 소재는 Hc가 적고, 전기저항이 높기 때문에 손실이 1자리(1 order) 이상 적게 되어, 물론 경량화에 기여하고 있다.

순철(a-Fe), 극저탄소 냉연강판, 규소강판, Fe-Ni합금, Fe-Co합금 및 Fe-Si 전기강판 등은 대표적인 저에너지 손실형 자성소재이다. 더불어 비정질 합금이 최근에 개발과 활용이 활발한 금속소재이다.

고주파용 소재로 널리 사용되고 있는 센더스트(Sendust)인 Fe-Si-Al계는 자기이방성과 자기변형이 제로가 된 조성을 목표로 한 것이고, 개량형으로 슈퍼샌더스트(6.2Si-5.4Al-1Ni-bal.Fe)도 있다. 그러나 대단히 경하고 취성이 있어 분말로 만들어 고화성형(consolidation)하여 사용하고 있다.

아몰퍼스 소재도 자기변형 제로를 목표로 한 조성이다. 이외에 높은 Bs를 목표로 한 아몰퍼스 소재도 있다. 나노결정(결정립경이 10-9m 정도의 재료)이고 양호한 분말자성이 생기는 기구는, 결정립이 미세화하면 상호교환작용 및 쌍극자상호작용은 결정립을 넘어서 작용하기 때문에 그다지 약하지 않지만, 결정이방성은 체적에 비례하기 때문에 작게 된다. 또한 자벽이동거리가 적기 때문에 보자력도 적게 된다.

○ 고투자율 조성 설계 기술

투자율(permeability)이란 주어진 자기장내에서 얼마나 많은 자기유도(magnetic induction)를 발생시키는 지를 나타내는 연자성 소재에서 가장 중요한 특성 중의 하나이다. 일반적으로 투자율이 높은 소재일수록 자기유도 발생량이 높은 것으로 보고되고 있다. 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 모터(motor)의 경우 자기유도량이 많을수록 효율이 높아지므로 경량화 및 소형화를 위해서는 고투자율 자성 소재가 절실히 요구된다.

최근 미래형 자동차 및 로봇 산업에 있어 모터의 소형화 및 경량화를 위해서는 고투자율과 함께 고포화자속밀도(saturated flux density)가 동시에 만족되는 자성소재가 요구되고 있다. 투자율에 영향을 주는 인자로는 자성 소재내의 자벽이동(domain wall motion), 순도(purity), 결정자기이방성(magneto- crystalline anisotropy), 자기변형(magnetostriction) 등이 있다.

기존 연자성소재의 임계한계 특성을 극복한 고특성 magnetic circuit(자기회로)용 자성분말 소재의 신조성 설계를 위해서는 결정가지이방성 및 자기변형이 제로(0) 또는 제로에 근접하도록 새로운 합금조성을 탐색하고 최적화하며, 순기지내에서 자벽이동을 원활하게 할 수 있도록 고순도화하고, 석출물들을 극미세 입자화함과 더불어 유해 석출물들을 포함한 각종 결함들을 조성별로 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 개념의 소재원천 기술이 체계적으로 수행되고 확립되어야 한다.

▲ 고투자율 자성분말 소재에 의해 제조된 하이브리드자동차(HEV)용 모터의 회전자 코어(Rotor Core).

○ 순도/결함 정밀 제어 기술

기존 자성소재의 임계한계 특성을 극복한 신자성 분말 합금이 개발되어 획기적인 최대자기에너지적, 저자기손실 특성의 최적 성분계․조성, 제어한계가 확립되었다 하더라도 미량 원소의 첨가로 불균질 핵생성 site의 근원이 되는 산소․탄소 등 유해성분 원소들의 활동도를 정밀제어하고, 자성체 제조공정에서 발생하는 잔류응력․비자성 입자․결정립계․기공 등의 결함들을 정밀하게 제어하여 자기특성을 극대화하는 것이 필요하다.

한편, 불순물의 농도, 내부결함 및 내부변형 등은 자벽이동을 억제하여 보자력을 증가시키는 인자로 작용함으로써 최대자기에너지적을 향상시킬 수 있다. 반면, 자기이력손실을 증가시켜 자기손실에 악영향을 미칠 수 있으므로 요구 자기특성에 따라 결함의 제거 또는 최소화 기술과 함께 이들 결함을 적절하게 제어하여 활용하는 기술도 필요하다.

○ 핵 생성/성장 제어 기술

자기 특성은 극미세 입자의 구조, 형상, 크기 및 부피분율에 따라 좌우되므로, 신개념 magnetic circuit용 연자성분말 합금의 용해, 분말 제조 및 열처리 공정에 있어 극미세 입자의 핵생성 및 성장을 정밀하게 제어함으로써 최적 형상 및 크기의 입자들을 균일하게 배열하는 기술이 중요하다. 고투자율을 유지하면서 포화자속밀도를 향상시키기 위해서는 수 nm 크기의 제 2상 및 제 3상 핵을 생성시키고 성장을 정밀하게 제어하는 기술이 시도되고 있다.

한편, 큰 자장하에서 구동되는 자심소재는 아주 높은 자화 수준에 이르기까지 자기이력 곡선의 면적이 작아야 한다. 그러므로 투자율을 높이고 보자력을 최소화하기 위해 자기변형 을 제로화하고, 거시적인 결정자기이방성이 없고 전기저항이 높은 기지내에 수 nm 크기의 제 2상 입자들을 균일하게 배열하는 핵생성 제어기술과 제 2상 및 제 3상 입자의 형상/크기 정밀 제어 기술이 필요하다.

▲ 극미세 입자의 생성 및 성장을 제어하여 자기손실을 최소화한 신개념 자성분말 합금설계 개념도.

○ 손실특성제어를 위한 입자표면 제어 기술

고특성 Magnetic Circuit용 연자성소재는 응용분야에 따라 크게 DC응용 특성과 AC응용 특성으로 구분된다. AC응용 특성에 있어 가장 중요한 인자는 에너지손실(core loss)이다. 에너지손실은 기기의 효율을 결정하는 중요한 특성인데, 자기이력 손실(hysteresis loss), 와전류 손실(eddy current loss), 잔류 손실(residual loss)에 의해 발생한다. 잔류 손실의 경우 매우 낮은 유도 영역 및 매우 높은 주파에서만 중요하므로 무시할 수 있다. 따라서, 전체 에너지손실은 자기이력 손실과 와전류 손실의 합으로 나타낼 수 있다.

자기이력 손실은 저주파에서 중요한 역할을 하는데, 자기변형 및 결정자기이방성을 제로화하는 새로운 합금조성을 최적화한 다음 입자간 절연층을 얇고 균일하게 유지하면서 변형 및 기공 등의 결함이 극소화될 수 있도록 고화성형(固化成形)하는 극미세입자의 하이브리드 기술이 중요하다.

와전류 손실의 경우, 교류전기장에서 자성 코어내의 전기저항손실에 의해 발생하므로 입자간 절연표면층을 형성하거나 내부에 비정질 기지를 유지함으로써 전기저항을 증가시키는 방법을 통해 와전류 손실을 낮추는 연구가 진행되고 있다.

에너지 손실특성을 최소화하기 위해서는 표면층 절연특성 제어 기술 및 고밀도 하이브리드화 기술을 최적으로 조합함으로써 사용하는 주파수영역에서의 자기이력 손실과 와전류 손실의 합을 최소화하는 기술이 확립되어야 한다.

日 희토류 대체·저감형 자석 연구개발 ‘활발’

韓, 2008년 이후 자성소재 적극 개발

■ 해외 동향

◇ 희토류 영구자석 소재

일본에서는 이러한 희토류 자원 수급문제를 가장 먼저 예상하고, 현재 희토류 대체/저감형 자석 연구개발을 위해 다음의 3가지 국가 프로젝트를 추진하고 있다.

이들 과제를 기술적 전개 단계로 분류해 보면 희토류 영구자석을 구성하는 ①희토류 중에서도 가장 희귀한 중희토류(Dy)를 감소시키는 단계, ②총희토류 함량을 감소시키는 단계 및 ③최종적으로 희토류자석을 대체할 신 영구자석을 개발하는 단계로 구성된다.

각 과제들은 산·학·연이 공동으로 참여함으로써 자석개발·분석·이론정립 등의 소재기술개발 차원뿐만 아니라 기업들이 적극 참여하여 개발된 기술이 최단 시간내 사업화가 가능하도록 되어 있다. 또한, 단계별로 성과가 도출되면 과제들이 기술적으로 연계되어 시너지 효과를 극대화 할 수 있도록 구성되어 있다. 경제산업성과 NEDO에 의한 ‘희소금속 대체소재 개발프로젝트’와 ‘원소전략 프로젝트’는 프로젝트간의 연계를 도모하기 위해서 산학의 전문가로 이루어진 합동전략회의가 설치되었다. 매년 2월경에 동경대학에서 공개 합동심포지엄을 개최하는 등의 방법으로 성과를 공유하고 연계를 강화하고 있다.

‘고보자력 나노결정 영구자석 소재기술’과 ‘연/경자성 나노복합자석 소재기술’에는 두 가지 공통점이 있다. 첫 번째는 “최종적으로 제조되는 자석의 입자를 약 1μm 크기로 미세화 시키는 것”이다. 두 번째는 “입자의 계면에 Dy를 집중시켜 Dy사용량을 최소화하는 것”이다.

하이브리드 자동차, 절전형 냉장고 등에서는 높은 온도 및 고출력의 사용조건이 요구되고 있기 때문에 이를 만족시키기 위해서는 자석의 보자력을 향상시키기 위해 Nd계 합금에 고가인 Dy를 다량 첨가해야만 한다. 따라서 자원문제 해결 및 성능향상을 위해서 Dy 사용량을 최소화하면서 보자력을 향상시키고자 하는 방향으로 연구가 진행되고 있다.

미국에서는 1960년대에는 세계 1위였지만, 현재에는 자석산업이 거의 사장되었다. 미국에서의 Nd-Fe-B 소결자석의 생산은 2004년의 약 100톤이었던 것이 2005년 이후에는 거의 생산되고 있지 않다. 그러나 최근 군사용을 포함한 전자변환 디바이스를 중국과 일본에서의 공급에 전면적으로 의존하는 상황을 우려하는 의견이 나오고 있어 미국의 연구자 중에는 미국의 자석연구를 다시 부활시키려는 움직임이 나타나고 있다. 예를 들면 2009년 1월 30일에는 델라웨이대학의 George C. Hadjipanaysis 교수를 중심으로 한 산학관에서 44명의 연구자가 모여서 미국에 있어서의 첨단자석재료연구의 부활을 목적으로 한 “The future of high performance permanent magnets in the USA"라는 워크샵이 개최된 바 있다.

◇ 경/연자성 나노복합자석 소재

최근에는 일본, 유럽 등지에서 신규설비와 고급인력들을 채용하면서 고특성자석 제조에 관심을 보이고 있다. Nd-Fe-B계 희토류자석 분야에서 가장 우수한 기술을 보유하고 있는 Neomax(Hitachi Co.)는 2007년 현재 실험실에서 37 MGOe-30 kOe를 생산에서 35 MGOe-30 kOe까지의 자석을 만들고 있다. 또한 Hitachi․Mitsubishi 등 기업체들은 대학과 공동으로 Sm-Fe-N/Fe 및 Nd-Fe-B/Fe 조성의 nano composite 자성분말을 HDDR 공정으로 저렴한 공정에 대량생산을 가능하게 하는 연구를 수년간 계속하고 있다. Sumitomo ․Mitsubishi 등은 자체적으로 자석을 제조하는 상업화를 서두르고 있다.

영국에서는 University of Birmingham을 중심으로 HDDR 공정을 상업화에 연결하는 기반기술을 확립하면서 지역업체(Philips, Zimens,등)에 기술이전을 서두르고 있다.

이상과 같이 현재 Sm-Fe-N/Fe 및 Nd-Fe-B/Fe 조성의 nano composite 자성분말의 제조가 이루어지고 있지만 Exchange-spring magnet의 이론적 특성, 즉 박막공정으로 얻을 수 있는 특성치에는 현저히 미치지 못하고 있다. 이러한 문제 해결을 위해 각 그룹 단위의 연구회 중심으로 많은 연구가 진행되고 있다.

◇ 비정질 및 나노결정 연자성 소재

미국의 경우 1997년 1억 2000만달러에 이르는 엄청난 규모의 연구비를 투자한 적이 있고 NSF (National Science Foundation)를 중심으로 집중적인 연구사업을 추진하고 있다. 이들 연구는 나노분말을 합성하는 기술이 주류를 이루고 있었다. Nanophase Inc, NEI사, Rutgers대는 CVC (Chemical Vapor Condensation)라는 분말제조공정을 이용하여 30nm 이하 크기를 갖은 각종 자성 분말제조에 실험적으로 성공하여 현재 나노분말 양산화 기술을 중심으로 연구하고 있다. 하지만 자성나노분말을 자성소재로 활용하기 위해서 반드시 필요한 표면코팅기술은 아직 확립되지 못한 실정이다. NIST․MIT는 10nm의 Fe, Fe/Co 미립자들을 합성하기 위한 기술을 개발해 왔지만 나노 분말 표면코팅기술의 어려움으로 아직 상용화 기술을 확립하지 못하고 있다.

일본의 경우도 나노재료 기술개발이 과학기술청의 창조과학기술 추진과 통산성의 차세대 산업기반기술 분야로 선정되어 집중적인 연구투자가 이루어지고 있다. 특히 산·학·연 공동연구를 중심으로 주로 고기능성 전자기소재를 위한 자성분말에 관한 연구가 활발하다. 나노분말재료의 애로기술인 소순도화, 균질분산화를 극대화 할 수 있는 제조공정 및 코팅/분산공정에 관한 연구가 주류를 이루고 있다.

한편 독일에서도 정부의 교육과학기술부를 중심으로 연구개발이 이루어지고 있다. Darmstate대학 등은 새로운 자성나노분말 제조공정 개발에 관한 연구를 추진하고 있으며, Fraunhofer-IFAM 등은 자성나노분말의 응용화 연구를 집중적으로 추진하고 있다.

■ 국내 동향

◇ 연구개발 현황

국내에서는 2008년 이후 자성소재를 체계적으로 연구할 수 있는 소재원천과제가 구성되면서 꾸준한 연구개발에 의해 자석의 성능측면에서도 많은 진보를 이루고 있다. 특히, 최근 Nd계 희토류자석의 물질특허 만료(2014년)가 다가옴에 따라 여러 대기업들의 희토류자석에 대한 관심도가 재집중 되면서 희토류자석 사업화에 대한 시도가 진행되고 있다. 수년 이내에 국내에서도 희토류자석 생산에 대한 인프라가 구축될 것으로 예상된다.

희토류저감 부분의 국내 연구내용으로는 합금의 제조방법 개선, HDDR 및 Dy 확산공정을 접목시켜 입자를 미세화시키는 기술, 나노복합재료 개발 등에 대한 연구가 진행 중에 있다. 희토류대체 부문에서는 Mn-Al, Sm-Fe-N계 자석 등 Nd계 희토류를 사용하지 않은 합금에 대한 연구가 진행되고 있다. Fe계 질화물 등 신물질에 대한 연구도 검토되고 있다. 또한, 최근 희토류 원료문제를 해결하고자 하는 정부의 강력한 의지에 의해 많은 연구가 동시에 수행될 것으로 예측되는 바 향후 일본의 기술과 대등한 수준의 자석이 제조될 수 있을 것으로 기대된다.

그동안 국내 희토류자석에 대한 연구 개발은 자화전자, 선문대 등을 중심으로, 연자성분말재료는 창성, 한국생산기술연구원 등을 중심으로 이루어져 왔다. 최근 소재원천기술개발사업(과제명 ‘극미세 입자복합화 기술’)을 통하여 고특성 희토류 소결자석, 이방성 본드자석분말 및 연자성분말제조에 대한 기초기술들은 확보하고 있다. 하지만 차세대 자동차 구동시스템의 수요 트랜드에 대응할 신개념의 고특성 자성소재 개발에 대한 연구는 개념정립 및 선행 연구단계 수준에 있다.

Magnetic Circuit용 자성분말 소재에 대한 국내 기술은 1980년대 후반부터 아몰포스 소재에 대한 연구를 연구소 및 학교를 중심으로 시작하였으며, 1990년대 중반부터는 센더스트합금을 개량한 Fe-Si-X-Y 합금의 상용화에 대한 연구가 추진되고 있다.

한편, 2002년부터는 벌크 아몰퍼스(Bulk Metallic Glass) 합금의 새로운 조성설계 및 고화성형에 대한 연구가 진행되고 있다. 자성소재 기술 개발이 전자, 전기 산업의 발전에 중요한 기반 산업임에도 불구하고 국내에서는 몇 가지 품목을 제외하고는 거의 발전하지 못하고 있는 실정이다. 그 주된 원인은 다른 산업에 비해서 자성소재 관련 연구인력이 부족하여 자성소재 관련연구의 저변이 확대되지 않았다. 아울러 고도의 기술이 요구되고 연구개발 및 기술 습득에 많은 시간이 필요하며 막대한 시설과 연구장치, 연구개발비의 투입이 요구되면서도 기술혁신 및 기술 순환이 빨라 연구 및 설비투자에 위험 요소를 포함하고 있기 때문이다. 그러나 극소수 관련 기업들에서 자성소재의 연구 및 기술발전의 중요성을 인식하고 자성소재의 개발 연구에 투자하기 시작하였다.

그동안 국내에서는 한국생산기술연구원․재료연구소․KIST 등을 비롯한 연구소와 인제대․안동대․충남대․서울대․KAIST 등을 중심으로 연자성 재료에 대한 연구가 진행되어 왔다. 대학에서는 50nm급의 자성 입자생성, 제조에 대한 연구는 비교적 활발히 진행되어 왔으나, 생성된 나노급 입자의 균일화 및 선별, 분급, 배열부착 등의 기계, 전기적인 단일입자 제어에 대한 연구는 본격화되지 못하고 있다.

첨단의 나노 영역에 대한 연구는 아직도 많이 부족한 실정이다. 특히, 국내에서는 창성(주)의 Fe-Si 자성분말의 상용화, 자화전자(주)에서 스피커 댐퍼용 자성유체의 시제품제조의 경험이 있지만 상용화를 위해서는 해결해야 할 과제가 많이 남아있다.

◇ 기술경쟁력분석

Dy 저감 희토류 영구자석 관련 기술은 국내에서는 아직 연구가 시도된 바 없다. Dy 저감 희토류 영구자석 기술은 아래와 같이 세 가지의 핵심세부기술로 분류할 수 있다. 이중에서 계면제어 기술은 일본에 비해 약 70% 수준에 이르는 것으로 판단되나, 자석표면에 Dy을 코팅하는 기술과 열처리를 통해 입계로 확산시키는 기술은 일본에 비해 현저히 낮은 수준이다. 또한 이러한 공정을 통해 Dy의 사용량을 저감하는 기술은 극히 일부 기관(선문대, 재료연구소 등)에서 연구를 수행하고 있으나, 전반적인 기술 수준은 일본에 비해 약 70%의 수준에 머물러 있는 실정이다.

그러나 기술적인 난이도가 그렇게 높지 않고, 빠른 시간 내에 기술개발이 가능하며, 산업화로 진입하기 용이한 기술이므로 기술격차는 일본에 비해 약 3∼4년의 격차를 가지는 것으로 판단된다.

▲ 연자성·강자성 - 기술경쟁력 수준(기술수준 및 격차).

차량용 Nd계 영구자석 수요, ‘2020년 200억달러’ 추정

韓 소재부품 연계개발·정부지원·인력 기반구축 必

■ 산업 및 시장 동향

◇ 산업동향

일본의 희토류 영구자석 생산주요업체(히타치·신에츠·TDK)의 영구자석 생산능력은 1만8천톤 규모이며, 히타치의 경우 미국에 노스캐롤라이나에 480톤/yr급 소규모 희토류 자석 생산공장을 2013년 4월 양산목표로 건설 중이다. 기타 독일에 위치한 Vacuuschmeltz社(VAC)가 연간 3천톤 규모의 희토류 자석 생산능력을 갖추고 있다.

Magnequench사는 1997년부터 (Nd2Fe14B+Fe) 복합자성체를 연구하여 시제품을 공급하기 시작했으며 현재 많은 종류의 소형모터용 영구자석 원료로 기대되고 있다. 국내에서도 Magnequench사로부터 연간 200억원의 분말을 수입하여 사용하는 것으로 추산되고 있다. 또한, 단일상 Nd2Fe14B 자성분말(micro scale)을 급속냉각장비(induction melt spinner)에 의해 연간 2000톤 이상을 생산하여 전 세계시장에 독점공급하고 있으며, 1조원 규모의 희토류 본드자석 시장의 원료를 점유하고 있다.

캐나다 소재의 Advanced Magnetic Materials Co, Ltd.는 타일랜드에 Magnequench사의 급속냉각장비와 거의 유사한 설비를 갖추고 Nd2Fe14B 단일상 micro scale 원료분말을 생산하여, 동남아 지역을 대상으로 배포하고 있다. Nd계 희토류자석의 세계 시장규모는 2005년 기준으로 약 4조원 정도 되는 것으로 추정되는데 일본이 약 50% 이상을 점유 하고 있다.

중국은 전 세계 희토류광의 약 80%를 보유하고 있는 자원적 우위와, 저가의 노동력을 활용할 수 있기 때문에 이 분야에 대한 정부차원의 육성정책에 힘입어 매년 생산량이 급속히 증가하여 2000년 이후 세계적으로 가장 많은 양의 희토류자석을 생산하는 국가가 되었다.

국내에서는 일찍이 1990년대 초반 LG금속·삼성전기·대우중공업 등 대기업을 중심으로 희토류자석의 개발 및 사업화를 추진한 사례가 있으나 Nd계 희토류자석의 강력한 물질특허에 의해 판로를 개척하지 못하고 고전하다가 IMF 이후 대부분 업체가 생산을 포기하게 되었다. 단지 1990년대 후반 과학기술부 주관의 특정연구개발사업과 산업자원부의 공업기반기술사업 그리고 산업자원부 주관의 민군개발사업 등을 통해 학교 및 기업에서 소규모의 연구개발을 진행해 왔기 때문에 기술적인 면에서 중국보다는 다소 앞서 있으나, 일본·유럽 등에 비해 뒤쳐져 있는 실정이다.

◇ 시장규모 및 전망

차량용 Nd계 영구자석의 사용은 풍력발전, 전기자동차의 모터에 사용되는 양이 폭발적으로 증가할 것이 예상됨에 따라서 2020년경에는 200억달러 이상 시장이 형성될 것으로 전망된다.

최근 연자성 복합자성 분말코어(SMC, Soft Magnetic Composite)의 개발 및 상용화의 확대에 힘입어 모터용 연자성 코어는 기존의 전기강판 연자성 코어를 대체하고 있으며, 특히 400Hz 이상의 주파수에서는 전기강판의 에너지 손실보다 낮은 철손을 갖는 SMC 모터용 연자성 코어의 제조가 가능할 것으로 기대되고 있다. 1.7T이상의 포화자속밀도를 갖는 SMC 연자성 소재 및 코어 성형기술이 개발됨에 따라 향후 친환경 자동차의 구동모터, 연료펌프용 모터 등과 같이 400~800Hz의 주파수 영역에서 구동되는 모터의 연자성 코어는 SMC 분말코어의 시장성장의 가능성이 더욱 커지고 있다.

인덕터용 연자성 코어는 10 kHz이상의 고주파에서 사용되는 전력변환용 소자인 인버터․컨버터․리액터 등에 사용되는데, 기존의 Fe-Si-Al계 합금보다 투자율이 높고, 철손이 낮아 이를 대체할 수 있는 Amorphous, Nano-Crystalline, 그리고 Bulk Metallic Glass 연자성 분말 및 리본 소재들이 개발되고 있다. 인덕터용 연자성 코어의 경우 세계시장의 40%이상을 국내 기업에서 차지하고 있어, 새로운 연자성 분말 및 리본 소재의 개발이 성공적으로 수행될 경우, 세계시장의 70% 이상을 점유하여 세계 시장을 선도할 수 있는 가능성은 매우 높을 것으로 기대된다.

▲ 연자성·강자성 시장 규모(자료 : 재료연구소, 희유금속 대체·저감형 소재화 기술개발 기획보고서, 2011).

■ 미래의 연구방향

◇ (중)희토류 저감형 고성능 Nd계 영구자석 소재 연구

• 단자구 크기 수준의 입자미세화를 통한 고보자력 Nd-Fe-B 영구자석 소재
• 모합금 성분제어 및 계면제어를 통한 총희토류 저감형 Nd-Fe-B 영구자석 소재 (TRE ≤ 30wt%)
• 고배향 자장성형 및 고밀도 소결/열처리
• 계면 및 입도분포 제어를 통한 고밀도 고보자력 본드자석 소재 (iHc≥25 kOe)

◇ 희토류 영구자석 재활용 및 재사용 기술 연구

• 폐 모터 및 스크랩으로부터 희토류 원소 분리 정제
• 스크랩의 HD 및 HDDR 처리를 통한 소결자석 첨가제 및 등/이방성 본드자석 제조
• 폐 모터로부터 영구자석 분해 및 그레이드별 분리 시스템 기술

◇ 비희토류계 신 자성합금 소재 연구

• 기존 희토류 영구자석 (페라이트 자석 포함)을 대체할 수 있는 새로운 자성합금 설계 및 제조 기술 (합금설계, 성능예측, 구조 및 물성 분석 등 예측-실험-평가 기반 신소재 탐색 연구)
• 초고압 질화 처리 공정 시스템 및 상안정성 제어를 통한 철 질화물 고성능 영구자석 소재

■ 제언

◇ 소재·부품 연계 개발 및 응용분야 확대

희토류영구자석 관련 개발은 소재 특성 향상뿐만 아니라 완성품의 최적 성능을 구현하기 위해 자석이 활용되는 하이브리드 모터·풍력발전기·로봇·가전용 모터 등과 같은 응용제품연구가 동시에 진행되어야 한다. 따라서 전문 학회 혹은 전문단체에 기술교류회 사업을 지정하여 소재-응용부품 관련기술을 교류할 수 있도록 해야 한다.

또한, 기술력이 우수한 중소기업들이 세계시장에서 경쟁력을 갖출 수 있도록 정책을 마련하고, 차세대 고효율 모터·발전기 사업에 대한 신규 응용분야를 점차 확대해 나감으로써 개발된 희토류자석 기술이 충분히 활용되어 소재개발 기술의 경쟁력을 극대화할 수 있는 토대를 마련하여야 한다.

국내 개발기술을 보호하고 중·장기적인 사업육성을 위하여 국내기업에 의해 개발·생산된 희토류 영구자석소재 및 응용제품을 우선 적용할 정부차원의 대책이 필요하다.

◇ 생산·제조시설 및 인력 기반구축 지원 필요

기업이 안정적으로 사업화를 실시할 수 있도록 생산 및 제조시설, 시험평가시설 등의 기반을 구축하는 정부차원의 대책이 필요하다. 또한 산업의 지속적인 성장과 발전을 위하여 관련 분야 대학에 인력양성센터를 설립하여 전문인력을 확충할 수 있는 인력양성사업이 필요하다. 또한 관련 연구개발·생산 등에 대한 정보를 수집·관리·제공할 수 있는 정보망 구축이 필요하다.