지난 3월 1일 테슬라가 인베스터데이에서 희토류를 사용하지 않는 모터로 대체하겠다고 밝혀 시장의 관심이 쏠리게 되었습니다. 미중 무역 갈등이 심각해지면서 중국이 희토류 자원을 무기화하려는 움직임을 보이고 있는 것도 사실입니다.
중국 의존도가 대단히 높은 희토류를 대체할 수 있는 모터 제품으로 페라이트 코어 자석을 검토하고 있는 것으로 보입니다. 여기서 극복해야 할 과제는 희토류인 네오디뮴 자석 대신 페라이트 자석을 사용할 경우 상대적으로 자력이 약하기 때문에 모터의 크기가 커지게 되고, 거기에 비례해서 모터의 무게가 늘어나게 됩니다.
전기차에서 차체의 중량은 중요한 요소이므로 이러한 문제를 극복할 수 있는 기술이 확보되어야 전기차에 페라이트 자석을 적용한 모터 채용이 가능할 것으로 보입니다.
페라이트 자석 장·단점
- 장점: 가격 낮고 고온 특성 우수
- 단점: 더 많은 자석 사용으로 중량 증가, 성능 저하
다음은 희토류와 페라이트가 어떤 물질이고 응용 분야는 어디인지 간략하게 정리했습니다.
희토류란 무엇인가?
희토류 금속 또는 희토류라고도 하는 희토류 원소(Rare-Earth Elemants, REE) 또는 희토류 산화물, 란타나이드(Lanthanides)로 불리며, 거의 구분할 수 없는 광택이 있는 은백색의 연질 중금속 17개 세트입니다. 희토류를 포함하는 화합물은 전기 및 전자 부품, 레이저, 유리, 자성 재료 및 산업 공정에서 다양한 응용 분야를 가지고 있습니다.
희토류는 전세계에 널리 분포해 있는 원자재지만 제련, 분리 과정에서 환경오염이 심해 중국이 생산의 대부분을 차지하고 있습니다.
희토류 생산
- ~ 1948년까지: 세계 희토류의 대부분은 인도와 브라질의 사금질 광산에서 공급되었습니다.
- ~1950년대까지: 남아공에서 모나자이트가 풍부한 암초에서 나오는 희토류가 세계 공급원이었습니다.
- 1960 ~ 1980년대: 미국 캘리포니아 희토류 광산이 주요 공급원이었습니다.
- 오늘날은 인도와 남아프리카 매장지에서 일부 희토류 정광을 생산하고 있지만 중국 생산량에 비하면 소규모 생산입니다. 2017년 중국은 세계 희토류 공급량의 81%를 생산했습니다. 호주는 세계 생산량의 15%를 차지하는 두 번째 생산국입니다.
희토류 수요 증가로 인해 공급이 부족해졌고 머지않아 세계가 희토류 부족에 직면할 수 있다는 우려가 커지고 있습니다. 다른 원소가 희토류 원소를 대체할 수 없으며, 희토류 원소의 재활용률이 낮기 때문에 REE에 대한 수요가 증가할 것으로 예상하고 있습니다. 수요 증가와 공급 부족으로 인해 향후 가격이 상승할 것으로 예상됩니다.
응용 분야
- 반도체, 전기차, 스마트폰, 디지털 카메라, 컴퓨터 부품과 같은 첨단 제품과 재생 에너지 기술, 군사 장비, 유리 제조 산업 등 널리 사용됩니다.
- 희토류 자석은 전기차 모터에 필수적인 핵심 요소입니다.
페라이트란 무엇인가?
철이 가질 수 있는 여러 구조 가운데 체심입방구조(Body Centered Cubic, BCC)를 갖는 종류의 철을 알파 철(α-Fe) 또는 페라이트라 부릅니다.
외관은 순철과 같으나 구성된 원소의 이름을 붙여 실리콘 페라이트 또는 규소철이라고도 합니다. 현미경을 통해 관찰해 보면 단상(Single-phase)이며, 페라이트의 흰 부분과 검게 보이는 펄라이트 부분으로 섞여 있습니다. 910℃ 이상으로 가열하면 오스테나이트로 변형됩니다.
단상으로 이루어진 페라이트와 오스테나이트를 구별하는 방법은 자성을 띠는지 여부로, 페라이트는 자성을 띠고 오스테나이트는 자석에 붙지 않습니다.
응용 분야
- 하드 페라이트: 보자력(保磁力)이 높기 때문에 자기(磁氣)를 없애기 어렵습니다. 냉장고 자석, 확성기 및 소형 전기 모터 등에 사용되는 영구 자석을 만드는데 사용됩니다.
- 소프트 페라이트: 보자력(保磁力)이 낮기 때문에 쉽게 자화(磁化)를 변경하고 자기장의 도체 역할을 합니다. 고주파 인덕터, 변압기 및 안테나용 페라이트 코어라고 하는 효율적인 자기 코어를 만들고 다양한 마이크웨이브 부품에 사용됩니다.
하드 페라이트(Hard Ferrites)
영구 페라이트 자석은 자화 후 보자력과 잔류 자속이 큰 페라이트로 만들어집니다. 녹의 주성성분인 산화철과 탄산바륨 또는 탄산스트론튬은 경질 페라이트 자석 제조에 사용됩니다. 보자력이 높다는 것은 재료가 영구 자석의 필수 특성인 자기 소거에 매우 강하다는 것을 의미합니다.
소프트 페라이트(Soft Ferrites)
소프트 페라이트는 영국 자석이 아닙니다. 그들은 자기를 가지고 있지만 자기장이 제거되면 자기가 가소합니다. 소프트 페라이트는 일반적으로 변압기에 사용됩니다. 따라서 소프트 페라이트는 변압기 페라이트라고도 합니다. 보자력이 낮다는 것은 재료의 자화가 많은 에너지를 소모하지 않고 방향을 쉽게 바꿀 수 있음을 의미합니다.
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