1. 서론

저탄소사회 실현에 필요한 차세대 자동차 등의 기반기술의 하나가 모터용 네오디뮴자석이다. 수요가 현저하게 증가하고 있는 네오디뮴자석이 직면하고 있는 매우 중요한 과제는 자원 리스크이다. 특히, 모터가 고온이 되는 하이브리드 자동차, 플러그 인·하이브리드 자동차, 전기 자동차 등 차세대 자동차에서 필요로 하는 자석의 디스프로시움(Dy)의 자원문제가 심각하다. 자석의 강도향상은 모터의 소형화 및 경량화, 가전 등의 에너지 절약, 일본 총 소비 전력의 약 52%를 차지하는 모터 전원의 절약, 차세대 자동차의 발전성능향상 등을 가능하게 하게 한다. 이에 일본에서는 2010년 6월 “동북모터자석혁신전략회의”가 설립되었다. 본 연구에서는 회의의 논의를 참고로 모터용 영구자석의 연구 동향과 과제에 대해 언급하고자 한다.

2. 모터용 영구 자석의 현황

 2.1 세계의 모터를 바꾼 네오디뮴자석

 모터의 회전 부분은 일반적으로 전자석이 사용되고 있었지만, 최근에는 소형 모터에 네오디뮴자석이 사용되고 소형화, 경량화와 저소음화가 진행되고 있다. 기존 유압방식으로 엔진을 돌릴 경우 구동음의 문제가 있었지만 네오디뮴자석을 이용한 모터를 사용하면 소음이 감소하여 주택지 및 야간 공사도 중장비를 가동하기 쉽다. 보이스(VCM)는 영구 자석의 자기장 사이에 놓인 음성 코일이 흘러가는 전류에 비례하여 직진 운동을 하는 리니어 모터로 PC용 하드디스크의 헤드위치결정, 줌카메라 조리개셔터, 미세가공기계의 액츄에이터 등으로 이용되고 있다. 네오디뮴자석은 휴대폰의 슬림화에도 사용되고 있다. 휴대폰 두께의 문제는 스피커의 슬림화로 초소형 네오디뮴자석의 이용은 두께 1㎜ 정도의 세계에서 가장 얇은 스피커의 실현이 가능해졌다.

 2.2 에너지 절약의 수단인 네오디뮴 자석

 일본에서는 1990년대 PC의 보급 등의 정보기기분야를 중심으로 네오디뮴자석의 생산이 크게 증가했지만 최근에는 모터용도의 비율이 높아지고 있다. 네오디뮴자석을 이용한 에너지 절약을 실현하는 기기로는 에어컨 등이 있다. 에어컨은 전력의 대부분이 압축기모터 구동에 소비된다. 이전에는 교류모터, 유도모터 등을 사용하였으나 1999년 개정에너지절약법의 시행 및 2003년 에너지절약법도입에 따라 에어컨 업체들은 일제히 에어컨 개혁에 나섰고 2003년 이후 거의 모든 에어컨 제조업체가 네오디뮴자석을 채용하여 에너지 절약을 달성하고 있다. 네오디뮴자석을 이용한 신형모터는 구형모터와 비교하여 회전 효율이 높다. 

 최근 네오디뮴자석의 이용이 급증하고 있는 제품은 자동차용 모터이다. 하이브리드 자동차는 네오디뮴자석이 없으면 얻을 수 없으며 하이브리드 자동차의 생산 확대에 따라 네오디뮴자석의 생산도 급속히 확대하고 있다. 앞으로도 하이브리드 자동차와 전기자동차 등 차세대 자동차 생산 증가가 예상되어 네오디뮴자석의 생산도 증가할 것이라고 생각된다.

3. 모터용 영구자석의 과제와 연구 프로젝트

 3.1 네오디뮴자석의 과제

 차세대 자동차는 사용중 자석의 온도가 200℃까지 상승한다. 그러나 네오디뮴자석은 열에 약한 단점이 있다. 따라서 차세대 자동차와 에어컨 등 높은 온도에서 사용되는 네오디뮴자석은 고온에서 보자력을 상승시키기 위해 디스프로시움(Dy)이 첨가되어 있다.

하지만 디스프로시움(Dy)은 광석 중의 함량이 적고, 자연존재비율은 20% 정도이다. 그리고 원산지가 중국에 거의 한정되어 있다. 향후 차세대 자동차 등의 수요 확대에 대해 디스프로시움(Dy) 공급 부족이 발생할 것으로 우려되고 있다.

 3.2 일본의 3가지 국가적인 연구개발 프로젝트

 네오디뮴자석이 직면한 과제의 해결을 목표로 현재 자석의 연구개발로 3가지의 국가적인 프로젝트가 진행되고 있다.

► 희소금속 대체 재료 개발 프로젝트 "희토류 자석을 위한 디스프로시움(Dy) 저    감 기술 개발"

 - 경제산업성·NEDO 실시 사업

 - 2007년에 시작

► 원소 전략 프로젝트 "저희토류 원소 조성 고성능 이방성 나노콤퍼짓(composite)

자석의 개발"

 - 문부과학성 실시 사업

 - 2007년에 시작

► 희소 금속 대체 재료 개발 프로젝트 "Nd-Fe-B계 자석을 대체하는 새로운

영구자석의 개발"

 - 경제산업성·NEDO 실시 사업

 - 2009년도 추경예산에 의해 시작

 3.3 해외 생산 및 연구 개발 현황

 현재의 네오디뮴계 소결자석의 생산은 주로 일본과 중국에서 이루어지고 있으며 유럽의 생산량은 적다. 자석의 질적 측면에서 일본생산품이, 양적 측면에는 중국생산품이 앞서고 있다. 또한 중국, 한국, 대만 등 아시아 각국의 자석의 연구 활동이 활성화되어 가고 있다.

 미국은 1960년대는 세계를 이끌어 나갔지만 현재는 자석 산업이 거의 없어졌다. 유럽에서는 유명한 자석 메이커가 남아 있지만 네오디뮴계 소결자석의 생산량은 2007년 약 800톤으로 극히 작다.

4. 향후 영구자석의 기초기반연구의 진행 방법

영구자석의 연구는 장기간을 요하는 도전적인 연구이다. 그리고 그린・혁신에 공헌을 목적으로 하는 기초기반연구로서 국가적인 연구 개발 프로젝트와 같은 공적 자금 투입을 앞으로도 계속 확충해야 할 것이다.

지금까지 자석 연구는 산업계가 경험과 느낌으로 진행해온 경향이 있지만 이미 한계에 도달하고 대학에 새로운 지도원리를 요구하고 있다. 그리고 계측 기술에 큰 혁신이 일어나고 있다. 또한, 제일 원리 계산 등에 근거한 계산과학의 발전에 따라 새로운 이론적 분석이 진행되어 재료 개발에 기여할 것으로 기대하고 있다. 이러한 첨단 계측 기술에 의한 구조기구 해석 및 계산 과학의 이론적 분석을 결합하여 재료 개발에 새로운 지도원리를 얻어 새로운 화합물을 발견, 합금 조직으로 연계 개발해야 한다.

역사적으로 새로운 영구자석은 대담한 융합적인 발상 혹은 열정과 우연에서 발견되어 왔다. 자석의 연구는 물리학, 금속, 야금술, 개발에 대해서는 전자공학, 응용은 기계, 전자공학 같이 많은 전문 지식을 필요로 한다. 자석은 에너지를 운동으로 변환하거나 운동을 에너지로 변환하는 전기 에너지와 기계 운동을 연결하는 중요한 재료 요소라고 할 수 있는데 아직 이론적으로 해명되지 않은 많은 문제가 존재한다. 따라서 다양한 전문 분야의 연구자의 참여가 필요할 것으로 판단된다.