희토류(Rare earth elements) 금속은 주기율표의 57번 ~ 71번 사이에 있는 15개 원소와 스칸듐, 이트륨까지 총 17가지 원소를 말합니다. 희토류 금속은 이름과는 달리 매장량은 풍부한 편이며, 광석에서부터 분리하는 과정이 까다롭다고 볼 수 있습니다. 희토류 금속은 풍력 발전소 내 자석, 전기자동차 내 모터 자석, 배터리 전극 등 다양한 분야에 널리 사용되고 있습니다. 따라서 친환경 제품의 확산 및 4차 산업혁명으로 인해 희토류 금속의 사용량은 매년 증가하는 추세입니다. 또한 전자제품의 소형화, 경량화, 고효율화가 요구되면서 첨단부품산업에는 희토류 금속의 사용량이 점점 확대되는 추세입니다.
영구자석은 자석을 잘 보관했을 때 영구적으로 사용할 수 있는 자석을 의미합니다. 영구자석을 아래와 같이 보관하면 자성 성질을 잃기 쉽습니다.
▶ 자석을 같은 극끼리 억지로 붙여 놓음
▶ 자석을 자성체와 붙여 놓음
▶ 고온 보관
▶ 강한 충격
영구자석의 종류는 크게 알미코 자석, 페라이트 자석, 희토류 자석 등이 있습니다. 자기적 특성은 우수한 희토류 자석은 Sm-Co (사마륨코발트), Nd-Fe-B(네오드뮴 철 붕소) 자석이며, 그중에서 네오디뮴 자석이 강한 자기장을 형성하여 전기자동차의 모터 또는 풍력발전소 터빈에 적용되는 영구자석입니다. 네오디뮴 자석의 화학적 조성은 Nd2Fe14B 입니다.
하지만 자기적 특성이 우수한 네오디뮴은 점유율이 중국에 편중되어 있으며 전략적인 수출제한 정책으로 수급 불균형이 심각하고 가격이 매우 높다는 단점이 있습니다. 또한, 상온에서의 자기 특성은 우수하지만 온도에 따른 열화 특성이 크기 때문에 가혹 환경에서 사용하기 어렵다는 단점도 있습니다.
세계 최대 희토류 생산국가인 중국에서는 낮은 제조비용과 낮은 환경규제를 기반으로 전 세계 자석 생산량의 70~80%를 생산하고 있으며, 희토류 자석의 특성 향상 및 연구를 활발하게 진행 중에 있습니다. 희토류계 영구자석은 1990년대까지만 해도 일본의 생산량이 가장 많았지만, 2006년에는 중국 생산량이 일본을 추월하였고, 현재는 중국 점유율이 압도적입니다. 최근 중국과 일본에 전면적으로 의존하는 상황을 우려하여 미국과 유럽에서도 희토류 자석 연구를 활발하게 진행하려고 노력하고 있으며, 특히 Nd계를 능가하는 새로운 합금과 자석 내 희토류 저감 방안을 연구 중에 있습니다.
1. 희토류 원소 저감 기술
네오디뮴 자석은 고온에서 열적 특성을 유지하기 위해 Dy (디스프로슘), Tb (터븀)과 같은 중희토류 원소를 첨가합니다. 하지만 Dy와 Tb는 Nd에 비해 매장량이 매우 적으며 가격도 매우 불안정합니다. 이를 해결하기 위해 Dy와 같은 중희토류 원소를 저감할 필요가 있는데, 이를 위해서는 Nd-Fe-B의 결정립 크기를 미세화하면 됩니다. PLP (Pressless Process) 공정이나 HDDR (Hydrogenation Disproportionation, Desorption, and Recombination) 화학 반응, 급속냉각법 등이 연구중입니다.
2. 비희토류계 영구자석 제조기술
Fe-rich계, Mn-Al계, Mn-Bi계 등 다양한 합금들이 연구 중이며, 자기에너지뿐만 아니라 온도 특성, 가격 경쟁력 등 다양한 측면을 고려하여 연구 중입니다.
예를 들어 토요타 프리우스(Prius) 1세대에서는 전동기 1대당 약 1kg의 희토류를 사용했으나 4세대에서는 1세대의 1/100 수준으로 희토류 양을 감소시켰다고 합니다. 또한, 희토류 양을 줄인 영구자석을 전기차 모터에 적용하거나 유도전동기와 같이 자석이 적용되지 않은 모터를 전기차에 적용하기도 합니다.
엠에스리
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