자석은 자동차에 있어서 대단히 중요한 재료 중 하나다. 자석은 자성 금속 합금을 통상적인 분말야금법으로 소결하여 만드는 소결자석과 자성 분말을 수지와 함께 성형한 본드 자석으로 크게 나뉜다. 지구환경보호 측면에서 자동차의 소형·경량화, 에너지 절감, 고효율화가 요구됨에 따라 자석 수요도 크게 늘고 있다. 자석 원료와 관련해서는 네오디뮴(Nd), 디스프로슘(Dy), 프라세오디뮴(Pr) 등 대부분 수입에 의존하고 있는 희토류 원소의 효과적인 활용 방안이나 재활용 기술이 개발되고 있다.
희토류는 한국의 핵심 산업인 LCD, PDP, 휴대전화, 모니터 등의 필수 원료로 우리나라에서 사용되는 희토류의 대부분은 중국에서 수입되고 있다. 중국은 전 세계 희토류 공급량의 95%를 점유하고 있다. 특히 하이브리드 카(HEV)나 전기자동차(EV) 모터용 자석에 사용되는 디스프로슘의 경우에는 채굴량이 적어 고가에 거래되고 있다. 향후 공급 불안까지 예상돼 사용량 절감과 대체 재료 연구가 활발하게 진행되고 있다. HEV나 EV에 사용되는 자동차용 모터의 디스프로슘 사용량을 줄이면 구동용 모터에서 자석 부분의 소형·경량화를 꾀할 수 있다.
자동차에는 현재 일반적으로 대중차의 경우 20~40개, 고급차의 경우 70~100개 정도의 모터가 사용된다. 또 각종 자기 센서류, 카 내비게이션, 오디오 장치를 포함하면 한 대 당 50~150개의 영구자석이 사용된다. 자동차산업이 안전, 환경, 에너지 절약에 관심을 기울일수록 자석 사용량은 계속 늘어날 전망이다.

자동차에 사용되는 영구자석

자동차 메이커들은 차량 경량화의 일환으로 가벼운 모터 채용에 관심을 기울이고 있다. 예를 들면 일본의 아이치제강은 올해 기존 모터를 절반가량 소형화할 수 있는 네오디뮴계 본드 자석의 일본 내 양산에 들어간다. 이를 계기로 종래 페라이트 자석의 대체가 본격화될 것이란 전망이 나오고 있다. 토요타자동차는 신형 ‘크라운’ 모델에 도입된 파워 시트 모터의 영구자석에 네오디뮴계 본드 자석을 채용했다. 로버트 보쉬 또한 아이치제강과 공동 개발한 네오디뮴계 본드 자석을 사용해 자동차용 모터 개발에 성공했다.
그림 1은 자동차 모터의 대표적인 예이다.

페라이트 자석
페라이트 자석은 주성분이 산화철분이며 분말을 압축성형한 후 소결하여 만든다. 가격이 싼 편이라 대체품으로 많이 사용되고 있다. 페라이트 자석은 자동차의 핵심 자석으로 스타터(starter), 발전기, 와이퍼, 파워 윈도, 연료 펌프, 에어컨디셔닝, 송풍기, 라디에이터 냉각 펌프, 시트 조절/시트 슬라이드/시트 리프터, 전동 파워 스티어링, 전동 미러, 도어록 등의 각종 모터를 비롯해 오디오나 카 내비게이션 장치의 구동 모터, 오디오 스피커 등에 광범위하게 사용되고 있다. 소결자석이 대부분이지만 일부 페라이트 본드 자석도 연료 계통과 수온 계통에 사용된다.

희토류 자석
희토류 자석은 센서류 용도로 많이 사용되지만 HEV의 모터, 발전기, 전동 파워 스티어링, 리타더(브레이크 어시스트) 등의 에너지 절감, 환경, 안전대책 용도로도 사용이 확대되고 있다. 희토류 자석은 에너지적이 페라이트 자석의 10배 이상으로 모터의 소형·경량화에 일조하고 있다.
센서류에는 ABS의 휠 속도 센서, 엔진 회전 센서, 캠 각 센서, 점화 코일(엔진 점화용 고전압 발생 장치)의 바이어스 자계 발생, 속도계, 타코미터 등이 있다. 1990년대 전반까지는 사마륨 코발트 자석이 사용되었지만, 네오디뮴 자석의 내열 성능이 대폭 향상되면서 이후 네오디뮴 자석이 대부분을 차지하게 되었다. 단, 고온 특성이 요구되는 점화용 자석 등 일부에서는 여전히 사마륨 코발트 자석이 사용되고 있다. 또 계기류에는 네오디뮴 본드 자석의 사용이 늘고 있다.
네오디뮴 자석은 현재까지 지구상에 존재하는 영구자석 가운데 가장 높은 자기 에너지를 가지고 있어 자동차 외에서도 활용범위가 넓다.

전기 모터
그림 2에 전기 모터를 분류해 놓았다. 자동차에는 그림에 분류된 대부분의 모터가 사용되고 있다. 그림에서 PM(영구자석)은 네오디뮴 자석을 사용한 동기 모터를 총칭한다.
파워 스티어링처럼 안전성이 요구될 경우와 에어컨디셔닝의 컴프레서처럼 가변 속도가 요구될 경우에 영구자석 타입의 동기 모터가 채용된다. HEV, EV 등의 구동원으로는 이전부터 유도 모터, 영구자석 타입의 동기 모터가 사용되고 있다.
현재 유도 모터의 경우에는 저 회전수 영역에서의 효율 향상이, 영구자석 타입 동기 모터의 경우에는 모터의 고속화가 각각 진행되고 있다. 영구자석 타입 동기 모터의 고속화와 관련해서는 영구자석과 릴럭턴스 토크를 이용한 동기 모터가 개발돼 있다. 이 모터에서 현재 사용되는 네오디뮴계 영구자석은 내열성이 부족해 네오디뮴을 디스프로슘으로 치환해 200 ℃의 내열성을 달성했다. 그러나 디스프로슘은 매장량이 적고 중국에 거의 한정돼 있어 디스프로슘을 제거한 자석 개발이 진행되고 있다.
DC 모터는 자동차에 가장 많이 사용되는 모터로, 팬·와이퍼·스타터 등의 주력 모터이며 페라이트 자석을 사용한 영구자석 타입이 대부분이다. 동기 모터는 정류자와 브러시가 없기 때문에 브러시리스 DC 모터로 분류된다. 인버터로 제어되고 코일이 고정자 측에 있기 때문에 여러 가지 구조 설계가 가능하며 또한 견고하기 때문에 그 용도가 확대되고 있다.
한편 자동차 리콜 원인 중 모터와 관련한 경우가 끊이지 않고 있다. 연료 펌프 모터의 정류기 불량이 주요 원인으로 지적되고 있다. ISO 26262 표준 등 앞으로 기능 안전에 대한 요구가 강화되면서 모터 설계 및 제어와 더불어 재료에 대한 요건 또한 한층 까다로워질 전망이다.

센서용 영구자석
그림 3은 ABS에 사용되고 있는 휠센서다. 급제동을 걸면, 차바퀴의 회전수가 급격히 느려지고 이것을 휠센서가 검지해서 제어 회로에 전기 신호를 보내 타이어가 잠기지 않도록 브레이크의 유압을 제어한다. 차축에 설치할 수 있는 기어 펄서에 의해 회전수에 따른 자속 변화가 일어나고 코일에 교류 전압이 유기된다. 코일은 자속 변화를 검지하기 때문에 타이어 주변에 흙탕물이나 먼지가 있어도 자속 변화에 대부분 영향이 없고 외부 환경에도 영향을 미치지 않는 단순하고 저렴한 센서다.
ABS 센서와 같은 원리와 기구로 엔진의 점화 타이밍을 제어하기 위해 크랭크 각, 캠 각 센서가 사용된다. 회전하는 회전자 톱니바퀴에 의한 자속 변화를 홀센서가 검지하여 그 전기 신호에 의해 점화시기를 결정한다.
차속 센서는 엔진 크랭크 축 또는 차축의 회전과 함께 다극착자한 자석(등방성 네오디뮴 본드 자석)이 회전하고, 비접촉 MR 소자에서 자속의 변화를 전기 저항 변화로 변환한다. 따라서 회전 속도(엔진의 회전수나 차속)에 비례한 펄스파가 발생하므로 스티어링, 와이퍼, 크루즈 컨트롤, 디지털 타코미터, 디지털 속도계 등의 제어 회로에 펄스 신호가 전달된다.
아날로그 타코미터나 속도계는 이 펄스 신호를 IC 회로에서 전류 신호로 변환하여 2극착자한 원주자석(등방성 네오디뮴 본드 자석)이 결합된 교차 코일로 보낸다. 두 개의 코일에 전류가 흐르면 각각의 코일이 만들어내는 자계의 합성 자계 방향으로 자석이 회전하게 되고, 지침을 움직여 표시판에 엔진의 회전수나 속도를 표시하게 된다.
자동차에는 수많은 온도 센서가 이용된다. 온도 센서로는 NTC 서미스터가 주로 사용되지만 자석과 감온 페라이트, 리드스위치를 통합한 온도 센서도 사용되고 있다.
페라이트는 퀴리 온도라고 부르는 온도를 경계로 강자성체에서 상자성체로 변화되는 성질이 있다. 퀴리 온도 이하에서는 자석의 자속은 페라이트 내부를 통과하므로 리드스위치의 접점은 열려 있게 된다(그림 4). 그러나 퀴리 온도를 넘어서면 페라이트는 강자성체로서의 성질을 잃고 자속이 리드스위치의 철편을 지나게 되어 철편은 자기를 띠게 되면서 접점이 닫히게 된다. 따라서 이 온도 센서는 특정 온도를 설정함으로써 냉각 장치를 자동으로 작동시키거나 온도 상승 시 경보 램프를 자동 점등시키는 장치에 이용한다.