토요타, 희토류 사용을 줄인 전기모터용 자석 개발

토요타자동차는 전기차의 고출력 모터 등에 사용되는 네오디뮴(Nd) 자석에서 네오디뮴 사용량을 최대 50%까지 줄이고 고온 조건에서도 사용할 수 있는 네오디뮴 저감 내열 자석을 개발했다. 
개발된 자석은 내열성 네오디뮴 자석에 필요한 희토류 중에서도 희소 금속으로 분류되는 테르븀(Tb)과 디스프로슘(Dy)을 사용하지 않을 뿐더러, 네오디뮴의 일부를 저가의 희토류인 란타늄(La)과 세륨(Ce)으로 대체하여 네오디뮴 사용량을 줄였다. 
네오디뮴은 높은 보자력(자화를 유지하는 능력)과 내열성을 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 단순히 네오디뮴의 양을 줄이고 란타늄과 세륨으로 대체하면 모터 성능이 저하된다. 이에 토요타는 네오디뮴을 란타늄과 세륨으로 대체해도 보자력 및 내열성의 열화를 억제하는 기술을 개발해 네오디뮴 사용량을 최대 50%까지 줄이고도 기존 네오디뮴 자석과 동등한 수준의 내열성을 제공하는 자석을 개발했다.
새로운 유형의 자석은 희토류 자원의 공급과 수요 사이의 균형을 유지할 뿐 아니라, 자동차나 로봇과 같은 다양한 분야에서 모터 사용을 확대하는 데 기여할 것으로 기대된다. 토요타는 현재 자동차, 로봇 등 다양한 용도의 모터에 조기 채택을 목표로 고성능화와 제품 적용 평가, 양산 기술 개발 등을 진행하고 있다. 

개발 배경

자동차용 모터 등에 사용되는 자석은 고온에서도 자력을 높게 유지하는 것이 중요하다. 이를 위해 자석에 사용하는 원소 중 약 30%가 희토류이다. 강력한 네오디뮴 자석을 자동차와 같은 고온 조건에서 사용할 경우, 일반적으로 고온 보자력을 증가시키기 위해서 테르븀과 디스프로슘을 첨가한다. 그러나 테르븀과 디스프로슘은 지정학적 위험이 높은 지역에서 생산되는 희귀하고 값 비싼 금속이다. 
희토류 중 네오디뮴은 상대적으로 생산량이 많지만, 향후 하이브리드 자동차와 배터리 전기차가 대중화되면 부족 현상이 발생할 것이라는 우려가 제기되고 있다. 
이러한 문제를 극복하기 위해 토요타는 테르븀과 디스프로슘을 사용하지 않을 뿐 아니라 네오디뮴 대신에 풍부하고 저렴한 희토류 금속인 란타늄과 세륨을 이용하여 네오디뮴 사용량을 줄이면서도 높은 내열성을 유지하고 자력의 저하를 최소화할 수 있는 기술을 개발했다. 

네오디뮴 저감 내열 자석 개발 포인트

새롭게 개발된 네오디뮴 저감 내열 자석은 다음 세 가지 신기술을 결합하여 고온에서도 보자력을 유지할 수 있었다.

1. 자석을 구성하는 입자의 미세화
2. 2층 구조의 고성능 입자 표면
3. 란타늄과 세륨의 특정 배합비

개발 포인트 1: 자석을 구성하는 입자의 미세화
자석을 구성하는 입자를 기존 네오디뮴 자석의 1/10 이하로 미세화해 입자와 입자 사이의 경계 면적을 크게 함으로써 고온에서도 높은 보자력을 유지할 수 있도록 했다.




개발 포인트 2:  2층 구조의 고성능 입자 표면 
기존의 네오디뮴 자석은 네오디뮴이 자석 입자 내에 고르게 퍼져 있으며, 많은 경우에 자력을 유지하는 데 필요한 양이상의 네오디뮴을 사용한다. 따라서 보자력을 높이기 위해서 필요한 부분인 자석 입자 표면의 네오디뮴 농도를 증가시킴과 동시에 내부를 얇게 한 2층 구조에 의해 효율적으로 네오디뮴을 활용할 수 있었다. 



개발 포인트 3: 란타늄과 세륨의 특정 배합비
네오디뮴에 란타늄과 세륨 등의 가벼운 희토류를 단순히 혼합하면, 자석의 특성(내열성 및 자력)이 크게 저하하기 때문에, 가벼운 희토류의 활용이 어렵다. 이를 해결하기 위해 토요타는 생산량이 풍부하고 저렴한 란타늄과 세륨을 다양한 배합비로 평가한 결과, 특정 비율로 혼합하면 특성 악화를 억제할 수 있음을 발견했다. 





                                       [전자현미경 사진 및 조성 분석 맵핑 사진]


                                                                                   [내열 성능]


향후 일정

이번에 개발한 새로운 네오디뮴 저감 내열 자석은 높은 내열성을 요구하는 네오디뮴 자석에 필요한 희토류인 테르븀과 디스프로슘을 사용하지 않을 뿐 아니라, 네오디뮴의 사용량을 줄일 수 있다. 이 자석은 차세대 전기차의 구동용/발전용 모터와 전동 파워스티어링, 로봇 및 각종 가전제품에 사용되는 비교적 고출력 모터 등에 광범위하게 적용될 것으로 기대된다. 
토요타는 실용화를 염두에 두고 자동차 등의 적용 평가를 수행함과 동시에 저비용의 안정적인 생산을 목표로 연구개발을 계속 진행하고 있다.
토요타는 2020년 상반기까지 자동차의 전동 파워스티어링 모터를 먼저 실용화하고, 향후 10년 내에 전기차의 구동용 모터를 실용화할 예정이다. 

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