일본산업뉴스요약

자석(磁石) --- 지각변동 (하)
네오디뮴을 넘어서 – 특성은 한계, EV시대에 불가결

나리타공항에서 차로 30분 거리에 있는 TDK 나리타공장(千葉県成田市). 거의 작업자가 보이지 않는 자동화된 생산라인에서 최선단의 네오디뮴 자석이 만들어지고 있다.

-- 결정의 방향이 열쇠 --
무인의 제조장치의 기계음과 함께, 주성분의 네오디뮴과 철, 붕소(Boron)를 포함한 분말을 형성한 자석의 원형이 계속하여 완성된다. 자동화를 추진한 것은, 아주 작은 불순물이 혼입되어도 특성이 저하되기 때문이다. 고성능자석을 만들기 위해서 품질관리를 철저히 하고 있다.

네오디뮴 자석 중에서도 자동차의 구동모터용은, 사용온도가 섭씨 150~180도 로 높기 때문에 특히 만드는 것이 어렵다.「온도를 높일수록 자석의 특성이 저하」(TDK자성제품비즈니스그룹 요시무라 부장)하기 때문이다. 고온시의 특성을 유지하기 위해서는 희토류의 
디스프로슘(Dysprosium)과 테르비움(Teribium)을 첨가하는 것이 정석으로 되어 있다.

그러나 희토류는 희소하여 대량으로 사용하지 않는다. 자석메이커는 시행착오 끝에, 재료를 구성하는 결정의 표면 만에 디스프로슘을 첨가함으로 사용량을 대폭 삭감하는 방법을 개발했다. 희토류의 함유량이 수 %의 네오디뮴자석을 자동차의 구동모터용으로 생산하고 있다.

최종 목표는 희토류를 일체 사용하지 않는 것이지만, 자동차메이커가 요구하는 수준에 도달하기 위해서는 , 기술적으로 높은 허들이 있다. 희토류를 사용하지 않고 내열성을 높이는 이율배반을 성립시키기 위해서는, 자석을 구성하는 재료의 결정을 극히 작게 하지 않으면 안되기 때문이다.

日立金属, 信越化学工業, TDK의 3강을 포함한 주요자석 메이커는 자석합금을 분말로 한 후에 결정의 방향을 정리하여 구워서 굳히는「소결법(燒結法)」으로 불리는 기술을 사용하고 있다. 현재 직경 3~5마이크로(100만분의 1)미터까지 미분화 하고 있지만, 이 이상 작게 하면 표면적이 늘어나 산화하기 쉽고, 난이도도 높아진다. 이 과제의 해결에 시간이 걸리고 있는 것 같다.

이러한 상황을 크게 바꾼 것은, 국내 4번째의 Daido전자이다. 소결법이 아닌 , 88년에 미 GM으로부터 라이센스를 취득한「열간(熱間)가공법」을 구사. 희토류 Free의 구동모터용 네오디뮴 자석의 양산을 세계 처음으로 8월에 개시하였다. 9월 발매의 혼다 하이브리드(HV)   
「FREED」에 탑재된다.

열간가공법은 분말로 하지 않는 것이 최대의 특장이다. 용해시킨 자석재료를 급냉하여 미세한 결정을 가진 자석재료의 괴(塊)를 만든다. 괴의 상태로 고온에서 가압하여 편평상(扁平状)으로 하면 미세한 결정이 자연적으로 자석에 적합한 방향으로 정리되는 것이 포인트이다.결정의 크기를 「소결법의 10분의 1이하의 0.2마이크로 미터까지 작게 하는 것으로, 내열성을 높였다」(이나가끼 사장)고 한다.

지금은 고성능 자석의 대명사가 된 네오디뮴 자석이지만, 기초기술이 완성되고부터 30년 이상이 경과하고, 주요특허는 모두 끝나 있다. 특성도 이론치의 한계에 가까워져, 이 이상의 성능향상은 기대할 수 없다. 그러나 전기자동차(EV)를 필두로 한 에코카용의 수요가 확대되는 것은 이제부터이다.모터의 소형화와 저 코스트화를 위해서는 고성능자석의 한 단계의 성능향상이 불가결하다.

-- 국내에서 개발가속 --
도요타자동차와 덴소. 산업기술종합연구소 등 9기업, 2단체가 모여 12년에 설립한「고효율 모터용 자성재료 기술연구조합(MagHEM)에서는 네오디뮴 자석을 넘어서는 차세대자석의 개발이 진행되고 있다」

성과의 하나가 静岡理工大学이 개발한 Samarium과 철, 티탄, 코발트 등을 주성분으로 하는 신 자석이다. Zirconium을 추가하면 안정된 자석이 되는 것이 발견되어 실현의 길을 열었다.「섭씨 200도 정도의 고온 역에서 자석의 강도는 네오디뮴 자석의 20~30% 증대가 기대된다」(고바야시 교수) 물론 디스프로슘(Dysprosium)을 포함한 일체의 희토류를 사용하지 않는다. 이외에도 산업기술종합연구소가 Samarium과 철, 질소를 포함한 신 자석의 개발을 진행하고 있다.

국내 자석 메이저들도「네오디뮴 자석을 넘어서는 자석을 개발하지 않으면 안 된다」(日立金属 자성재료컴퍼니 이우찌 기획부장)라는 문제의식은 공통으로, 각 사는 각각 독자적으로 개발에 착수하고 있다. TDK는 나노미터 레벨로 재료를 제어하는「나노 컴포지트 자석」등의 개발에 대응. 日立金属은 17년 4월에 신설예정의 연구소에서 신 자석의 개발을 추진할 계획이다.

구주에는 대형의 자석메이커가 존재하고 있지 않기 때문에, 일본에 있어 최대의 위협은 중국메이커이다. 국가적으로 EV의 보급에 힘을 기울이는 중국은, EV관련의 기술개발의 세계의 중심이 되고 있다. 자석에 대해서도 개발을 가속하고 있고,「구주의 자동차메이커가 구동용 모터에 채용한 것 같다」(복수의 자석 연구자)는 정보가 돌아다니고 있다.

희토류 등 희소한 자원을 가지고 있지 않고, 고정비가 높아지는 일본세가 계속해서 세계 자석시장에서 패권을 계속 잡기 위해서는 압도적인 기술력으로 타 세력을 격파하는 방법밖에는 없다.   

      --  끝 --