지구상에 있는 대부분의 자원들은 그 양이 정해져 있다. 그 중에서도 지구상에 많이 존재하지 않는 17개의 원소를 가리켜 ‘희토류’라고 칭하는데, 사실 희귀하다는 이름과는 달리 원소 자체는 지구상에 상당히 많이 존재하지만, 쉽게 가공할 수 있는 광물 형태로 존재하는 것이 희귀하기에 그렇다. 그 중에서는 전기 모터에 적용되는 자석의 원료로 사용되는 네오디뮴(Nd)도 있는데, 자력을 강하게 하여 모터의 소형화가 가능하기 때문에 배터리 전기차가 주목받는 시대에 같이 주목을 받고 있다.

그러나 희토류는 그 이름과 같이 무한정으로 사용할 수 없으며, 가격 또한 비싸다. 여기에 광물 추출과 정제, 재활용 과정에서 상당한 환경 오염이 발생하기도 한다. 만약 미래에 배터리 전기차 시대가 도래한다고 해도 적은 양으로는 그 수요를 맞출 수도 없을 것이고 흔히 환경 친화적이라고 일컬어지는 배터리 전기차를 제작하는 데 있어 일반 내연기관 자동차를 제작하는 것보다 더 많은 환경오염이 발생한다면, 그것을 환경 친화적인 자동차라고 부를 수 없을 것이다.

다행이 배터리 전기차의 제작 기술에도 많은 발전이 가해지면서, 제작에 투입되는 희토류 사용을 줄이기 위한 노력이 곳곳에서 수행되고 있다. 그 중에서 이번에 토요타가 발표한 ‘희토류 사용을 줄이는 새로운 모터용 자석’은 주목할 만하다. 이를 통해 하이브리드 또는 배터리 전기차에서 필수라고 할 수 있는 전기 모터를 좀 더 가격이 낮으면서도 환경 오염을 덜 발생시키는 방향으로 제작할 수 있기 때문이다. 한정된 양의 희토류를 효율적으로, 되도록 적게 사용하기 위한 행보라고 할 수 있다.

네오디뮴을 사용하는 이유, 줄여야 하는 이유

자동차를 견인하는 데 사용되는 고성능의 전기 모터는 고온에 쉽게 노출된다. 일반적인 모터용 자석은 고온에 노출될 경우 자성을 유지하지 못하기 때문에 모터의 출력이 감소한다. 그래서 고온에서도 높은 보자력(자성을 유지하는 능력)을 유지하는 것이 중요하다. 이로 인해 자석에 사용되는 여러 가지 요소들 중 30%를 희토류로 채우고 있다.

네오디뮴은 자석 제작 시 투입하면 자력을 세게 만들 수 있다. 고온에서의 보자력을 확보하기 위해 테르븀(Tb) 및 디스프로슘(Dy)을 첨가하게 된다. 그러나 테르븀과 디스프로슘을 주로 캘 수 있는 중국 광산은 채굴량과 수출량을 제한하고 있다. 그 외 광산이 있는 베트남과 라오스, 아프리카의 지역들은 내전이 자주 발발하는 등 지정학적 위험이 높은 지역이다. 리튬 이온 전지에 거의 필수적으로 적용되는 코발트가 주로 채굴되는 아프리카 콩고가 오랜 기간 내전에 시달리고 있어 공급량이 일정치 않다는 것을 안다면, 이 문제가 심각하다는 것을 알 수 있을 것이다.

그 중에서 약간이나마 다행인 점은 네오디뮴의 생산량은 상대적으로 높다는 것이다. 그러나 이 역시 자원이 제한되어 있고 전동화 자동차가 대중화되는 현실에 따라 네오디뮴 역시 근시일 내에 부족 현상이 발생할 것이라는 우려가 있다. 그 동안은 이를 알면서도 네오디뮴 사용량을 줄이지 못했지만, 이번에 토요타가 자석에서 테르븀과 디스프로슘을 제거하고 네오디뮴의 사용량을 줄이면서도 보자력을 거의 그대로 유지할 수 있는 자석의 개발에 성공한 것이다. 토요타는 이미 4세대 프리우스에서도 테르븀과 디스프로슘의 사용을 상당히 줄였지만, 이번에는 아예 해당 성분을 제거해버렸다.

네오디뮴을 감소시킨 내열 자석

토요타가 개발한 새로운 모터용 자석은 테르븀과 디스프로슘 대신 상대적으로 매장량이 풍부하면서 가격이 저렴한 희토류인 란타넘(La)과 세륨(Ce)을 사용한다. 핵심은 기존 자석과 마찬가지로 고온에서도 높은 보자력을 유지하는 것으로 결정립(각 입자간의 크기) 미세화, 2층 구조의 고성능 표면, 란타넘과 세륨의 혼합 비율의 3가지 기술을 사용한다. 가격 상승의 위험성을 줄이는 것은 덤이다.

새 자석의 입자 크기는 기존 네오디뮴 자석 입자 크기의 1/10 이하이다. 이를 통해 전체적인 크기를 감소시키면서도 입자 간 경계 영역을 확대시킴으로써 고온에서 높은 보자력을 유지시킬 수 있다. 이로 인한 성능 향상은 사실 노력에 비해서는 상당히 적은 것이지만, 디스프로슘을 사용함으로써 발생하는 잔류자속밀도의 저하가 없기 때문에 상대적으로 상쇄가 가능한 것이다.

2층 구조의 고성능 표면은 네오디뮴을 적게 사용하면서도 보자력을 유지하기 위한 수단이다. 기존의 자석은 내부에서 네오디뮴이 골고루 퍼지지 않는데다가 표면 상 네오디뮴의 농도가 낮아 보자력을 유지하기 위해 예상 외로 많은 네오디뮴을 사용해야 했다. 그러나 새로운 기술을 통해 각 코어를 강력한 네오디뮴이 감싸는 형태를 취함으로써 표면 상 네오디뮴의 농도를 증가시키고 효율적으로 사용할 수 있도록 했다. 결과적으로는 네오디뮴의 사용량 감소에 일조하는 것이다.

란타넘과 세륨의 혼합 비율이 중요한 이유는 단순한 합금으로는 자석의 성능이 감소하기 때문이다. 토요타는 다양한 혼합 비율을 시험한 결과, 이상적인 란타넘과 세륨의 혼합 비율을 찾아냈고 이 때 성능 저하가 억제되는 것을 발견했다. 이러한 3가지 기술을 통합한 결과, 100°C 이하에서의 자석의 성능은 기존보다 약간 떨어지지만, 150°C 이상에서의 성능은 기존보다 더 증가하게 되었다. 일반적으로 자동차의 모터는 별도의 냉각 장치가 없고 주행 시 200°C를 유지하게 되므로, 자동차 주행에는 더 유리해지는 것이다.

빠르게 다가오는 미래, 토요타의 노력

토요타는 2017년에 152만대의 전동화 자동차를 판매했는데, 이는 당초에 예상했던 판매 대수를 3년이나 앞서서 달성한 것이다. 토요타는 2025년 즈음에는 토요타와 렉서스 전 모델에 전동화 파워트레인을 제공하고 2030년 즈음에는 1백만 대의 배터리 전기차 및 연료전지차를 포함해 총 550만 대 이상의 전동화 자동차를 판매하는 것을 목표로 하고 있다. 이 추세대로라면 당초 목표를 몇 년이나 앞서서 달성할 지도 모른다.

그러한 상황에서 전기 모터는 좀 더 적극적으로 사용될 것이고, 수요가 늘어나는 이상 희토류의 감소는 막을 수 없다. 그렇다면 희토류를 좀 더 적게 사용하거나 사용하지 않음으로써 보급 대수를 늘리고 가격 상승의 여지를 막는 것이 중요하다. 토요타가 전기 모터에 사용되는 새로운 자석을 개발한 것은 그러한 노력의 일환이라고 할 수 있다.

토요타는 새로운 자석 제작 기술을 더 다듬어 2020년 상반기 즈음에 자동차 동력 그리고 EPS 구동 모터에 기술을 적용할 예정이다. 또한 이 기술을 자동차뿐만 아니라 퍼스널 모빌리티, 로봇 및 다양한 가전 기기에도 적용할 예정이다. 향후 10년 내 자동차용 고성능 구동 모터의 상용화를 목표로 하고 있는 토요타는 이를 통해 제작 가격과 공급의 안정화를 이룰 수 있는 초석을 다졌다. 앞으로 토요타가 이끌 모빌리티 전동화가 새로운 자석으로 인해 더욱 기대되고 있다.