희토류 자원문제 해결을 위한 모터 및 영구자석 연구개발 동향 Trend in Research and Development Related to Motors and Permanent Magnets for Solving Rare-earth Resources Problem원문보기
1983년 Nd-Fe-N계 자석이 발표된 이후 지난 20년간 많은 새로운 응용분야가 개척되었다. 모터시장과 관련해서는 자동차와 전기/전자 응용분야의 에너지절감이라는 강한 요구 때문에 그 시장이 크게 확대될 것으로 예상된다. 특히, 하이브리드/전기자동차용 영구자석 모터는 최근 크게 주목을 받고 있으며 향후 모터시장을 주도해 나갈 것이다. 하지만 이러한 친환경자동차는 약 $200^{\circ}C$ 정도의 높은 온도에서 작동한다는 심각한 문제점을 가지고 있다. 왜냐하면 Nd-Fe-B계 자석은 온도가 높으면 보자력이 급격히 감소하는 약점을 가지고 있기 때문이다. 현재로서 이러한 약점을 보완하기 위한 최선의 방법은 Dy를 첨가하는 것이다. 그렇기 때문에 Dy는 고성능 Nd-Fe-B계 자석이 높은 온도에서도 보자력을 유지할 수 있도록 해주는 필수원소가 되었다. 한편, 지구상의 희토류 자원은 지역편중이 심하고 대부분이 중국에서 생산되고 있다. 특히, Nd과 Sm 같은 경희토류에 비해 그 자원편중이 훨씬 심하고 생산량이 적어 가격이 Nd의 약 10배 정도인 Dy와 같은 중희토류의 사용량을 줄이는 기술이 관련산업에서 크게 요구되어지고 있다. 이 글에서는 이러한 희토류 자원문제 해결을 위한 영구자석 연구개발 동향에 대해 살펴보았다.
1983년 Nd-Fe-N계 자석이 발표된 이후 지난 20년간 많은 새로운 응용분야가 개척되었다. 모터시장과 관련해서는 자동차와 전기/전자 응용분야의 에너지절감이라는 강한 요구 때문에 그 시장이 크게 확대될 것으로 예상된다. 특히, 하이브리드/전기자동차용 영구자석 모터는 최근 크게 주목을 받고 있으며 향후 모터시장을 주도해 나갈 것이다. 하지만 이러한 친환경자동차는 약 $200^{\circ}C$ 정도의 높은 온도에서 작동한다는 심각한 문제점을 가지고 있다. 왜냐하면 Nd-Fe-B계 자석은 온도가 높으면 보자력이 급격히 감소하는 약점을 가지고 있기 때문이다. 현재로서 이러한 약점을 보완하기 위한 최선의 방법은 Dy를 첨가하는 것이다. 그렇기 때문에 Dy는 고성능 Nd-Fe-B계 자석이 높은 온도에서도 보자력을 유지할 수 있도록 해주는 필수원소가 되었다. 한편, 지구상의 희토류 자원은 지역편중이 심하고 대부분이 중국에서 생산되고 있다. 특히, Nd과 Sm 같은 경희토류에 비해 그 자원편중이 훨씬 심하고 생산량이 적어 가격이 Nd의 약 10배 정도인 Dy와 같은 중희토류의 사용량을 줄이는 기술이 관련산업에서 크게 요구되어지고 있다. 이 글에서는 이러한 희토류 자원문제 해결을 위한 영구자석 연구개발 동향에 대해 살펴보았다.
Since Nd-Fe-B magnet was first synthesized in 1983, many new applications have emerged in the past two decades. With regard to motor market, it will expand because of strong energy saving requirements from the automobile and electric application markets. Especially, permanent magnet motors for hybri...
Since Nd-Fe-B magnet was first synthesized in 1983, many new applications have emerged in the past two decades. With regard to motor market, it will expand because of strong energy saving requirements from the automobile and electric application markets. Especially, permanent magnet motors for hybrid and electric vehicles are drawing great attention and the usage of Nd-Fe-B magnets will increase all the more hereafter. There is, however, a serious problem as motors in such eco-friendly cars are said to operate in high temperatures of about $200^{\circ}C$. Nd-Fe-B magnet has a drawback of dramatically decreasing coercive force with the rise of temperature. In order to improve this aspect. the best way is to add dysprosium (Dy) into the magnet. So, Dy has become an essential element for Nd-Fe-B high-performance magnet as it helps to maintain coercive force even at high temperatures. On the other hand, the rare earth resources in the earth crust are eccentrically-located and its majority is produced in China. There is a need to reduce its usage as, especially compared to light rare earth elements as neodymium (Nd) and samarium (Sm), heavy rare earth elements including Dy are unevenly distributed to a dramatic degree, their output low, and their prices are about 10 times that of Nd. The present article includes a summary of the trend in research and development of motors and permanent magnets to solve rare-earth resources problem.
Since Nd-Fe-B magnet was first synthesized in 1983, many new applications have emerged in the past two decades. With regard to motor market, it will expand because of strong energy saving requirements from the automobile and electric application markets. Especially, permanent magnet motors for hybrid and electric vehicles are drawing great attention and the usage of Nd-Fe-B magnets will increase all the more hereafter. There is, however, a serious problem as motors in such eco-friendly cars are said to operate in high temperatures of about $200^{\circ}C$. Nd-Fe-B magnet has a drawback of dramatically decreasing coercive force with the rise of temperature. In order to improve this aspect. the best way is to add dysprosium (Dy) into the magnet. So, Dy has become an essential element for Nd-Fe-B high-performance magnet as it helps to maintain coercive force even at high temperatures. On the other hand, the rare earth resources in the earth crust are eccentrically-located and its majority is produced in China. There is a need to reduce its usage as, especially compared to light rare earth elements as neodymium (Nd) and samarium (Sm), heavy rare earth elements including Dy are unevenly distributed to a dramatic degree, their output low, and their prices are about 10 times that of Nd. The present article includes a summary of the trend in research and development of motors and permanent magnets to solve rare-earth resources problem.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
자성소재의 개발과 별도로 모터를 고성능화하려는 시도도 있다. 고정자 전자석의 철심과 모터의 로터에 사용되는 소재를 개량하려는 것이다. 현재, 철심과 로터에는 일반적으로 적층전기강판을 이용하고 있다.
본 고에서는 이러한 희토류 자원문제 해결을 위한 모터 및 영구자석 연구개발 동향에 대해서 기술하고자 한다.
제안 방법
라멜라간격이 3~4 µm의 원료합금을 헬륨 젯밀로 미분쇄한 입경이 약 1 µm의 자분을 사용하여 소결 후의 주상의 입경이 약 1.5 µm 정도로 미세한 Nd계 소결자석을 제조하여 Dy와 Tb을 첨가하지 않고 약 20 kOe 정도의 보자력을 얻었다.
조분쇄된 원료합금을 미분쇄하는 젯밀이라고 하는 방법을 개량하여 실험실 레벨에서 약 1 µm 정도의 미세한 자분을 제조하는 기술을 개발하였다.
성능/효과
하지만 아이치제강은 이러한 HDDR 분말표면에 Dy 이외의 합금금속을 코팅하여 보자력이 향상되는 것을 발견했다. 그 결과, Dy를 첨가하지 않고도 보자력을 약 20 kOe까지 높일 수 있었다. 지금까지 같은 보자력을 얻기 위해서는 5% 정도의 Dy 첨가가 필요했다.
이 모터는 출력밀도를 높이기 위해 Nd계 영구자석 만을 이용하는 것이 아니고 고정자 측에 자계코일을 배치하여 자속을 보조하는 것이 특징이다. 시뮬레이션 결과에서는 토요타자동차 렉사스 RX400h의 구동용 모터와 비교하여 Nd계 영구자석의 사용량을 반으로 줄일 수 있고, 동등한 출력밀도 (3.4 kW/kg)를 달성하였다.
그러나, 세계적으로 보면 아직 비 인버터 방식 에어컨이 주류이고 전체 산업분야에서 영구자석을 사용하지 않는 유도모터가 많이 사용되고 있다. 이것을 Nd계 영구자석을 사용한 영구자석모터로 바꾼다면 에너지 사용량을 크게 줄일 수 있어 결과적으로 CO2 배출을 크게 줄일 수 있다. 최근, Nd계 영구자석의 이용이 가장 급속하게 급증하고 있는 제품은 친환경자동차용 모터이다.
후속연구
이러한 부분에는 종래, Nd계 영구자석보다 자력이 약한 페라이트 자석이 사용되었지만 Nd계 영구자석을 이용하면 소형화가 가능하다. 아이치제강에서는 품질개선을 통해 최종적으로 하이브리드/전기자동차용 모터를 개발할 예정이다. 그러나 본드자석의 경우는 자분을 벌크화하기 위해 본드재가 포함된다.
위에서 언급한 것처럼 앞으로 모터의 고효율화가 ‘친환경/녹색성장’ 사회구축에 핵심소재이기 때문에 모터의 고효율화를 위한 연구는 더욱더 활발해 질 것으로 예상된다.
지금까지 같은 보자력을 얻기 위해서는 5% 정도의 Dy 첨가가 필요했다. 이러한 고보자력 Nd계 자성분말은 2011년부터 생산이 시작되었으며, 먼저 생산량이 많은 안티-록 브레이크 시스템(ABS)와 전동파워 스티어링(EPS), 연료펌프 등에 응용될 것이다. 이러한 부분에는 종래, Nd계 영구자석보다 자력이 약한 페라이트 자석이 사용되었지만 Nd계 영구자석을 이용하면 소형화가 가능하다.
Fe16N2는 큰 자기이방성이 없어 자석으로서의 성능은 좋지 않지만 Fe보다 포화자화가 큰 Fe-Co와 거의 같은 정도의 포화자화를 가지는 것이 알려져 자력에너지를 가둘 수 만 있다면 Nd계 영구자석을 능가하는 자석소재 개발이 가능할 것으로 보고 현재 박막을 이용하여 이러한 소재를 탐색하고 있다. 자기이방성은 Fe16N2의 Fe원자를 다른 금속원자로 치환하는 것으로 가능할 것으로 예상된다. 또한 Fe16N2는 자성분말과 같이 큰 덩어리로 만드는 것이 어렵다.
위에서 언급한 것처럼 앞으로 모터의 고효율화가 ‘친환경/녹색성장’ 사회구축에 핵심소재이기 때문에 모터의 고효율화를 위한 연구는 더욱더 활발해 질 것으로 예상된다. 한편, 고효율 모터 수요증가에 따라 Nd계 영구자석의 수요 또한 지속적으로 증가할 것이다. 하지만 언론을 통해 많이 알려진 바와 같이 Nd계 영구자석에 사용되는 Nd와 Dy와 같은 희토류 원소는 매장량이 적어 최근 수급불균형 문제가 발생하고 있다.
참고문헌 (17)
Trend in Electric Vehicle Market, KETI (2010).
Trend in Hybrid Vehicle Industry, KETI (2011).
2010년도희유금속세미나자료집, 해외자원개발협회 (2010).
S. Hirosawa, Proc. 21th Int. Workshop on REPM and Their Applications, 16 (2008).
M. Sagawa, Proc. 21th Int. Workshop on REPM and Their Applications, 183 (2010).
S. Sugimoto, Spring Meeting of the Japan Institute of Metals, S3.1, 113 (2009).
S. Hirosawa, T. Nishiuchi, T. Murata, and N. Nozawa, Spring Meeting of the Japan Institute of Metals, S3.2, 113 (2009).
M. Sagawa, F. Fujimura, N. Togawa, H. Yamamoto, and Y. Matsuura, J. Appl. Phys. 55, 2083 (1984).
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.