현재 세계에서 소비되는 대부분의 희토류계 영구자석은 주로 일본과 중국에서 생산되고 있으며, 유럽과 미국에서도 일부 생산되지만 그 생산량은 매우 적다. 1990년대까지만 해도 일본의 생산량이 가장 많았지만, 이후 중국의 생산량이 꾸준히 증가하여, 2006년에는 중국의 생산량이 일본의 생산량을 추월하였다. 자성소재의 제조비용, 자원 측면에서 양적으로 중국제품이 세계 1위 자리를 고수하고 있으나 자석의 특성 면에서는 아직까지 일본제품이 세계최고라고 알려져 있다. 최근 중국, 한국, 대만 등 아시아 국가들의 자석 연구개발이 점차 활발해지고 있기 때문에 일본은 상당한 위기감을 가지고 있다. 미국은 1960년대에는 세계 1위의 영구자석 생산기지였지만, 현재는 자석산업이 거의 사장되었고 2004년 약 100톤 생산되었던 Nd계 소결자석이 2005년 이후에는 거의 생산되고 있지 않다. 그러나 최근 군사용을 포함한 전자변환 디바이스를 중국과 일본에 전면적으로 의존하는 상황을 우려하는 의견이 나오고 있어 자석연구를 다시 부활시키려는 움직임이 나타나고 있다.

희토류 원소를 저감하고 Nd계 자석의 성능을 능가할 수 있는 새로운 자성소재 개발의 필요성을 인식한 선진국에서는 초대형 국가차원 프로젝트들을 진행하고 있다. 희토류 자성소재 대체 소재연구는 최근 일본을 중심으로 활발히 이루어지고 있으며, 일본에서는 2007년도부터 경제통산성에서 ‘희소금속 대체재료 개발 프로젝트’의 일환으로 희토류 자성소재에서 중희토류 사용량을 저감하는 기술 개발을 먼저 시작하였다. 이러한 기술을 통하여 기존대비 중희토류를 약 50%까지 저감하는 기술개발에 성공하여 일부 상용화되고 있다. 이와는 별도로 문부성에서는 ‘원소전략 프로젝트’에서 이방성 나노콤포지트 자석개발을 진행중에 있다. 또한 2009년부터는 Nd계 희토류 자성소재를 대체할 목적으로 신규 영구자석 개발도 진행중에 있으며 2012년도부터는 ‘신원소전략 프로젝트’를 시작하여 기존의 개발된 중희토류 저감기술은 물론, 신규 영구자석 개발을 ‘이론-재료-평가’라는 융합연구 개념에서 해답을 찾는 새로운 시도를 시작하였다. 이들 과제를 기술적 전개 단계로 분류해 보면 희토류 자성소재를 구성하는 ①희토류 중에서도 가장 희귀한 중희토류 (Dy)를 감소시키는 단계, ②총희토류 함량을 감소시키는 단계 및 ③최종적으로 희토류자석을 대체할 신자성소재를 개발하는 단계로 구성되어 있다.

미국에서도 2011년부터 시작된 “Materials Genome Initiative”라는 새로운 전략소재 개발 프로그램을 추진중에 있으며, 그 중심은 희토류 대체 신소재 합금 개발과제이다. 또한 2009년 미국 델라웨어 대학의 George C. Hadjipaanysis 교수를 중심으로 정부와 같이 희토류 대체 자성소재 개발을 추진하고 있다.

EU에서는 ROMEO (Replacement and Original Magnet Engineering Options : A European Seven Framework Project to Develop Advanced Permanent Magnets Without or With Reduced Use of Critical Raw Materials) 과제로 처음 2008년 Raw Materials Initiative를 개최하여 하이브리드/전기 자동차의 핵심 부품인 고성능 자석에서의 희토류 원소 Nd의 저감/대체 방안을 논의하였다. 이에 따라 ROMEO과제에서는 희토류계 자석의 결정립계에서 중희토류를 효과적으로 저감시키는 법과 Nd계 영구자석과 페라이트 자석이 아닌 새로운 비희토류계 영구자석 제조로 해결하고자 하여, 독일 Dresden 대학을 중심으로 스웨덴, 이태리, 프랑스, 스페인, 아일랜드, 오스트리아, 슬로베니아, 스위스 등의 대학 및 연구소가 공동으로 새로운 비희토류 자석의 제조 등의 연구를 진행중이다.

세계 최대 희토류 생산국가인 중국에는 낮은 제조비용을 기반으로 전세계 자석생산량의 70~80%를 생산하고 있으며, 중국희토연구원을 비롯해서 산학연에서 희토류 자석의 특성 향상 및 희토류 저감 연구를 활발히 추진중에 있다.

2008년부터 소재원천기술 개발사업인 “극미세 자성입자 입자복합화기술”사업이 시작되어 국내적으로 신영구자석에 대한 연구를 시작하게 되었다. 한국재료연구원에서는 미국의 Alabama대학과 협력하여, Mn-Al계 및 Mn-Bi계에 대한 격자구조 변화에 따른 자기적 특성변화 및 core-shell 나노 자성 입자의 자기적 특성을 컴퓨터 시뮬레이션하여, 기존 희토류계 자성소재보다 우수한 신자성소재가 제조될 수 있음을 예측하였다. 또한 자성소재를 안정적으로 제조하는 신공정에 대해서도 연구를 하였으며, 주된 연구내용으로는 Atomization공정으로 Mn-Al 합금분말 제조공정, 미분쇄공정 및 최적 열처리공정에 대한 연구를 수행하였다. 한양대학교에서는 연/경자성체 나노입자 형성 및 제어를 통한 복합체의 제조 및 연/경자성체 간의 exchange-coupling을 이용한 새로운 개념의 영구자석 개발을 목표로 연구를 진행하여, 자성 특성을 향상시키는 연구를 수행하였다. 포항산업과학연구원(RIST)에서는 강자성/연자성 복합 Exchange Coupled Magnet을 구현하기 위하여 초미세 복합상 합금 및 이를 이용한 자석제조 연구를 진행하였으며, 미세 결정립화를 위한 급속냉각기술 및 자장중 열처리기술을 개발연구를 진행하였으며, KAIST에서는 Nd계 자성재료의 입계 구조 특성을 조사하여 자석의 산화를 최소화하는 Nd-rich 입계구조 및 입계의 두께에 대한 연구를 수행하였다. 그외 연세대를 비롯한 일부 대학에서는 주로 희토류원소 저감과 관련된 연구도 최근 일부 진행중이며, 그 내용으로는 합금의 제조방법 개선, HDDR (Hydrogenation-DisproportionationDesorption-Recombination) 및 Dy 확산공정을 접목시켜 입자를 미세화시키는 기술, 나노복합재료 개발 등에 대한 연구를 하고 있다. 지금까지 국내 산·학·연 기관들의 주된 연구는 공정 개선에 의한 희토류계 영구자석의 성능 향상연구이며, 2000년 초반부터 희토류 원소의 가격급등으로 전세계적인 신자성 소재에 대한 관심이 높아져, 고특성의 신자성 소재 개발 경향에 따라 국내에서도 희토류 대체 소재 개발에 대한 연구가 진행되고 있다.

현재 국내에서는 희토류 자석은 생산되지 않고 전량 중국, 일본에서 수입중이며, 1990년 이후 (주)쌍용, (주)삼성전기, (주)LG금속 등의 대기업에서 희토류자석 사업화를 진행하였으나, 사업초기 희토류자석에 관련한 물질특허문제 및 중국과의 제조비용 문제 등을 해결하지 못하여 사업을 포기하고 있으며, 2000년대 이후에는 (주)자화전자, (주) 성림첨단 등의 중견기업에서 다시 희토류자석 사업에 참여하기 시작하여 내수시장 중심으로 수입 및 후처리를 진행해 오고 있다. 현재 희토류 자원의 전략 무기화 및 수출제한 정책, 중국과 일본기업간의 특허분쟁 및 라이센싱 계약 등 미래산업의 핵심이 될 자성소재 선점을 위한 치열한 경쟁이 계속되고 있어 이를 대비한 국내 기업 (LG, 현대, 삼성, 쌍용머티리얼, 태평양금속, 경원페라이트 등)들의 지속적인 모니터링 및 동향 파악이 이루어지고 있다.

최근 하이브리드 자동차용 구동모터의 수요가 증가하고 있으며 고온에서 사용가능한 구동모터가 필요함에 따라 Nd-Fe-B계 영구자석의 높은 열적 특성을 요구하고 있다. 하지만, 가장 널리 사용중인 Nd-Fe-B계 소결자석은 보자력 온도계수가 0.55%/°C의 매우 높은 값을 가지고 있어 고온에서 보자력이 급격히 감소하는 특성을 보이며, 특히 약 327 °C의 매우 낮은 퀴리온도을 보이는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하고자 Dy와 Tb 등의 이방성자장이 매우 큰 중희토류 원소를 첨가하고 있다. 그러나 Dy와 Tb 등의 중희토류 원소는 Nd에 비해 매장량이 매우 적으며, 중국 등의 특정 지역에 자원이 편중되어 있어 수급과 가격이 불안정한 단점이 있다. 따라서 Dy와 Tb 등의 중희토류 원소를 저감한 Nd계 영구자석의 개발이 필요로 하고 있으며, 이에 따라 본 고에서는 Dy 저감 및 Dy-free의 Nd-Fe-B 소결자석 개발에 대한 기술개발동향을 기술하고자 한다.

Nd-Fe-B 조성을 가지는 영구자석에 경우, 이론적인 보자력 값은 약 76 kOe로 알려져 있지만, Nd-Fe-B계 소결자석의 보자력은 약 12 kOe로 이론치에 비해 매우 낮은 값을 보이고 있다. 보자력을 증가시키기 위해 이방성자장이 큰 Dy 원소를 첨가하여야 하지만 Nd 원소에 비해 가격이 매우 비싼 단점이 있으며, Dy와 Nd-Fe-B 분말을 혼합하여 소결할 경우, 영구자석 내부에 Dy가 필요하지 않은 부분까지 균일하게 분포함에 따라 잔류자속밀도가 저하된다.

그 결과 2005년 Shin-Etsu Chemical사에서는 GBDP (Grain Boundary Diffusion Process)라는 새로운 공정을 통해 Dy 저감용 Nd-Fe-B계 소결자석의 개발에 대해 보고하였다 [2,3]. GBDP는 적은 양의 Dy과 Tb 등의 중희토류 원소를 표면에서 내부로 확산시켜 Nd-Fe-B계 소결자석 내부의 결정립계 부분에만 분포시킴으로써 잔류자화의 감소 없이 보자력을 증가시키는 공정이다.

그림 2은 Sin-Etsu chemical사에서 수행한 GBDP연구의 대표적인 결과로서, GBDP 공정 전후의 Nd-Fe-B 소결자석의 자기적 특성 변화를 보여준다. GBDP 공정을 통해 소량의 Dy 원소를 결정립계로 확산시킴으로써 잔류자화의 감소없이 보자력을 약 30% 증가시킴을 알 수 있다 [4]. 특히 결정립계로 확산이 가능한 여러 물질 중에 TbF₃를 이용하여 GBDP를 할 경우, 확산 전과 비교하여 보자력이 약 7 kOe 이상 증가되었다고 보고되었다 [3].

GBDP를 통해 결정립계를 제어하여 보자력을 증가시키는 방법도 있지만, 일반적인 자성재료들은 결정립의 크기가 단자구일 때 가장 큰 보자력을 가지므로 결정립 크기를 미세화시키는 방법이 있다. 결정립이 작을 경우 단자구가 다자구보다 에너지적으로 안정하며, 다자구에 비해 자화반전에 필요한 에너지가 큼으로 감자를 억제하고 보자력을 증가시킬 수 있다. 따라서, 일본 Intermetallics사의 Sagawa 박사팀은 Nd-Fe-B계 소결자석의 결정립 크기를 줄이는 방법으로 PLP (Press-less Precess)라는 공정을 보고하였다 [5]. PLP 공정은 jet-mill을 이용한 분쇄과정에서 헬륨가스로 통해 1 µm 크기를 가지는 초미세 분말을 제조한다. 제조된 분말의 산화를 방지하기 위해 불활성 가스 분위기 내에서 몰드에 장입하고 이를 펄스 자기장을 이용하여, 결정립들을 정렬후에 소결과 열처리를 통해 소결자석을 제조한다. 일반적인 소결공정에서 미세 분말을 이용하여 자장성형을 진행할 경우, 매우 큰 압력이 필요하지만, PLP 공정의 경우 고압이 필요없는 장점이 있으며, 따라서 미세분말공정에 매우 적합하다고 할 수 있다 [5]. 이러한 PLP 공정으로 제조된 Dy-free Nd-Fe-B계 소결자석의 보자력과 최대 자기에너지적은 각각 17 kOe과 50 MGOe의 매우 우수한 성능을 보이며, 일반적인 소결공정으로 제조된 자석보다 약 20~30%의 Dy 원소를 절감할 수 있다.

Nd-Fe-B계 합금의 분말을 미세화를 할 수 있는 방법 중에서 화학반응을 이용하는 HDDR (Hydrogenation, Disproportionation, Desorption, and Recombination) 공정이 매우 활발히 연구되고 있다 [6]. HDDR 공정은 수소와 Nd-Fe-B계 합금을 반응시키는 hydrogenation 공정, 수소와의 반응을 통해 Nd-Fe-B계 합금이 NdH₂, Fe와 Fe₂B 상으로 분해되는 dispropertionation 공정, 이를 고진공에서의 열처리를 통해 수소가 제거되는 desorption 공정과 마지막으로 Nd, Fe, Fe₂B의 상이 50~300 nm 크기의 결정립을 가지는 Nd-Fe-B계 합금으로 재결합되는 recombination 공정으로 이루어져 있다. HDDR 공정의 장점은 수소 분압이나 온도 등을 제어하여 c-축으로 정렬이 된 이방성 분말이 제조된다는 점이고, 제조된 분말을 이용한 이방성 본드자석의 최대자기에너지적이 약 25 MGOe의 매우 큰 값을 가진다고 보고되었다 [7-9]. 또한 HDDR 분말에 Dy와 Tb 등의 중희토류 원소가 아닌 Nd-Cu-Al 또는 Nd-Cu 분말 등을 혼합하여 이를 첨가물의 공정온도 부근에서 열처리하여, 열적 특성과 보자력을 향상시키는 연구가 진행되고 있다. 첨가물의 공정온도 부근에서 열처리를 할 경우, 이 때 첨가물은 액상이 되어 HDDR 분말의 결정립계로 확산된다. 그러므로 Nd-rich상으로 구성된 결정립계에 의해 각각의 결정립들은 자기적 결합이 차단되고 결정립 계면의 결함이 최소화되므로 역자구 생성이 억제되어 보자력이 증가하는 결과를 나타낸다 [10-12]. 이러한 연구를 통해 보자력이 약 4 kOe 이상 증가하는 것으로 보고되었다 [13]. 또한 일본 Hono 그룹에서는 SPS (Spark Plasma Singering) 공정을 이용하여 결정립이 작은 HDDR 분말의 벌크화 연구도 진행되고 있으며, 이 때 최대자기에너지적이 약 26 MGOe의 값을 보인다고 보고하였다 [14].

그 외 급속냉각법을 이용하여 Nd-Fe-B계 합금의 결정립 미세화 연구도 진행중에 있다. Melt-spinning 장비를 이용하는 급속냉각법은 불활성 가스인 Ar 가스 분위기 내에서 매우 빠르게 회전하는 구리 휠에 용해된 Nd-Fe-B계 합금을 분사하여 ribbon이나 flake 형태로 제조하는 방법이다. 이 때 제조된 ribbon이나 flake은 약 20~50 nm의 매우 작은 결정립을 가지는 나노결정이며, 무작위한 배열을 보이는 등방성의 특성을 나타낸다. 이러한 등방성의 분말은 열간압축과 열간변형공정을 통해 이방성 자석의 제조가 가능하며, 소결자석과 다르게 짧은 c-축을 가지는 결정립 향상을 보여 반자장 계수가 증가하게 된다 [15-18]. 또한 Nd-rich 상이 결정립 주변에 균일하게 분포하지 못하기 때문에 결정립간의 자기적 결합이 효과적으로 차단되지 못하는 단점이 있으며, 보다 우수한 특성을 얻기 위해 반자장 계수값을 낮추고, 결정립계를 개선하는 연구가 활발히 진행중에 있다.