영구자석은 외부 에너지 공급 없이 지속적인 자기장(Magnetic Field)을 생성할 수 있는 재료를 의미하며, 재료 과학 및 공학 분야에서 고효율, 소형화, 경량화(Miniaturization and Lightweighting)를 실현하는 핵심 요소로 기능하고 있다. 이들 소재의 자기적 특성, 특히 최대 에너지 적(BHmax), 잔류 자속 밀도(Br), 그리고 고유 보자력(Hci)은 모터, 발전기, 센서, 전자 장치 등의 성능과 직접적으로 연결된다. 현대 산업, 특히 전기차(EV), 풍력 발전, 로봇 산업 등 친환경 및 고도화된 기술 분야의 성장은 영구자석 소재의 혁신과 성능 향상에 크게 의존하고 있다.1
본 보고서는 현재 상용화되어 사용되는 영구자석의 4대 주요 유형(알니코, 페라이트, 네오디뮴, 사마륨-코발트)에 대한 화학적 구성, 고유 특성 및 자기적 성능을 분석하고, 이들의 핵심 응용 분야를 상세히 기술한다. 나아가, 희토류 공급 리스크 증대에 직면한 현 시점에서 진행되고 있는 첨단 소재 기술 개발 동향, 특히 네오디뮴 저감 및 비희토류 고성능화 노력에 대한 기술적 대응 방안을 심층적으로 다루어 영구자석 기술의 현재와 미래 전략을 제시하는 것을 목적으로 한다.
영구자석은 크게 금속 합금 기반의 알니코(AlNiCo) 자석, 산화물 기반의 페라이트(Ferrite) 자석, 그리고 희토류 금속 기반의 네오디뮴(NdFeB) 및 사마륨-코발트(SmCo) 자석으로 분류된다.
알니코 자석은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 철(Fe)을 혼합하여 제작하는 합금 자석이며, 주로 주조(cast)나 소결(sintered) 공정을 통해 생산된다.3
알니코 자석의 가장 큰 기술적 특징은 극한의 내열성이다. 이 자석은 약 500°C에서 550°C에 이르는 매우 높은 온도에서도 자성을 쉽게 잃지 않으며 4, 외부 충격에도 쉽게 깨지지 않는 튼튼한 내구성을 가지고 있다.6 이 독보적인 열 안정성 덕분에 알니코는 고온 환경에서 사용되는 민감한 기기 3, 군용 장비, 항공우주 부품, 정밀 센서 등 고온 안정성이 절대적으로 요구되는 틈새 시장에서 여전히 대체 불가능한 역할을 수행한다.
그러나 알니코 자석은 성능 면에서 상반된 단점을 가진다. 상온에서의 자력은 약 300~800 가우스(G) 수준으로 매우 강하지 않으며 6, 특히 낮은 보자력을 가진다. 이는 알니코 자석이 외부 자기장에 노출될 경우 자성이 소멸될 수 있다는 취약점을 의미하며, 실제로 네오디뮴 자석과 같은 강력한 자기장 근처에 가져가면 자력이 소멸될 정도이다.7 따라서 알니코 자석의 진정한 가치는 절대적인 에너지 밀도(BHmax)보다는 고온에서의 자기 안정성에 중점을 둔 응용 분야에 국한된다.
페라이트 자석은 산화철(Fe2O3)을 주원료로 하며, 스트론튬(Sr) 또는 바륨(Ba) 페라이트가 공업적으로 대량 생산되는 산화물계 세라믹 재료이다.8
페라이트 자석의 최대 장점은 압도적인 경제성과 화학적 안정성이다. 산화철은 제철 산업의 부산물로 얻어지며, 제조 공정이 단순하여 가격 경쟁력이 매우 높다.8 또한 산화물 기반이므로 녹이 슬지 않아 표면 처리가 필요 없으며, 시간이 지나도 특성 변화(경시 변화)가 작은 장점이 있다.8 이러한 장점 덕분에 페라이트 자석의 최대 에너지 적(BHmax)이 네오디뮴 계열 자석의 약 1/10에 불과함에도 불구하고, 전 세계 생산 중량의 약 70%를 차지할 정도로 가장 널리 사용된다.8
주요 응용 분야는 완구, 스피커, 일반 가전제품의 저가형 모터 등이며 8, 최근에는 자동차 연비 향상 및 전장 모터의 소형화 요구에 따라 에어컨 컴프레서 모터 등 고성능 요구가 강한 모터 용도에서도 그 성능을 향상시키려는 연구가 활발하게 진행되고 있다.8
희토류 자석은 자기적 특성을 나타내는 최대 에너지 밀도가 기존 자석 재료에 비해 매우 우수하여, 작으면서도 성능이 월등히 높은 모터나 전자 디바이스 제작을 가능하게 한다.11
1. 네오디뮴-철-붕소 (Nd-Fe-B) 자석: '자기 왕'
네오디뮴 자석은 네오디뮴(Nd), 철(Fe), 붕소(B)를 혼합하여 제작하는 제3세대 희토류 영구자석이다.10
압도적 성능: 네오디뮴 자석은 상용 자석 중 가장 높은 자기 에너지 밀도(BHmax)를 가지며, 페라이트나 알니코 대비 5배에서 30배 높은 자기적 특성을 보인다.12 이로 인해 '자기 왕'으로 불리며, 높은 에너지 밀도의 장점은 현대 산업 및 전자 기술에서 광범위하게 사용된다.10
경제성 대비 성능: 같은 희토류 자석인 사마륨-코발트 자석보다 자력이 강하면서도 가격은 저렴하여 가격 대비 성능비가 우수하며 가용성이 높다.12
기술적 단점: 네오디뮴 자석은 낮은 퀴리 온도와 좋지 않은 온도 특성을 가지며, 일반적인 등급의 최대 작동 온도는 보통 80°C 수준이다. 이 작동 온도를 초과할 경우 감자(Demagnetization)가 발생한다.5 또한, 합금 재료의 특성상 쉽게 산화 및 부식되기 쉬워 Ni, Cu, 에폭시(Epoxy), Zn 등의 표면 코팅이 필수적으로 요구된다.10
2. 사마륨-코발트 (Sm-Co) 자석: 고온 고성능의 해법
사마륨-코발트(Sm-Co) 자석은 사마륨과 코발트를 기반으로 하는 희토류 합금 자석이다. 네오디뮴 자석 다음으로 강력한 자기 특성을 가지면서도 12, NdFeB 자석보다 훨씬 뛰어난 내열성을 제공한다. 최대 사용 온도가 350°C에 달하여 5, 네오디뮴 자석이 감자의 위험이 있는 고온 환경에서 유용하게 사용된다. 주로 군사, 항공우주, 정밀 의료 기기 등 극한 환경에서의 고성능이 요구될 때 채택된다. 다만, 사마륨과 코발트가 모두 고가인 희유 원소이므로 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다.
영구자석의 성능은 주로 최대 에너지 적(BHmax)으로 평가되며, 이는 자석의 단위 부피당 저장할 수 있는 최대 자기 에너지를 의미한다. 아래 표는 4대 주요 영구자석 재료의 대표적인 자기적, 물리적 특성을 비교한 것이다. 이 표는 NdFeB가 압도적인 에너지 밀도를 제공하는 반면, AlNiCo와 SmCo는 고온 안정성에서 탁월함을 보여주며, Ferrite는 낮은 비용과 높은 안정성으로 범용 시장을 지배함을 명확히 보여준다.4
핵심 테이블 1: 주요 영구자석의 자기적 특성 비교 (소결 기준)
자석 종류
네오디뮴 (NdFeB, N42)
사마륨 코발트 (SmCo, Sm2:17)
알니코 (AlNiCo5)
페라이트 (Ceramic8)
주요 구성
Nd, Fe, B
Sm, Co
Al, Ni, Co, Fe
Sr/Ba, Fe 산화물
잔류 자속밀도 (Br, Gauss)
13,000
11,000
12,500
3,850
최대 에너지적 (BHmax, MGOe)
42
28
5.5
3.5
밀도 (g/cm3)
7.4
8.4
7.3
4.9
최대 사용 온도 (℃)
80
350
550
180~204
영구자석은 제조 공정에 따라 그 특성이 크게 달라진다.
1. 소결 자석 (Sintered Magnets)
소결 자석은 분말 야금술을 통해 제조된다. 자성 분말을 고압 하에서 압축한 후 고온에서 소결하는 과정을 거치며 13, 이 공정은 밀도가 높고 자기적 특성(BHmax)이 가장 우수한 자석을 생산한다. NdFeB와 SmCo 등 고성능 희토류 자석은 일반적으로 소결 방식을 통해 최고 성능을 발현한다.
2. 본드 및 사출 성형 자석 (Bonded & Injection Molded Magnets)
본드 자석(Bonded Magnet)은 자성 분말을 합성수지(바인더: PA6, PA12, PPS 등)와 혼합하여 압축 성형 또는 사출 성형 기술을 이용해 제작된다.11
설계 및 생산의 유연성: 본드 자석은 소결 자석에 비해 자기적 특성은 낮지만, 복잡한 기하학적 모양으로 제작이 매우 용이하며 치수 정확도가 우수하다.13 특히, 금속 인서트와 함께 성형할 수 있어 조립 공정의 간소화에 유리하다.14
다극 착자: 본드 자석은 소결 자석보다 여러 방향으로 쉽게 자화할 수 있는(다극 착자) 장점을 제공하여 13, 소형 모터나 센서 등 극 배향이 중요한 디바이스의 설계 자유도를 극대화한다.11
내식성: 고분자 바인더 함량이 높기 때문에 자석 자체가 강한 내식성을 가지며, 쉽게 산화되는 NdFeB소결 자석과 달리 별도의 표면 코팅 보호가 필요 없는 경우가 많다.15
모터의 소형 경량화 및 고출력화 요구가 지속됨에 따라, 일반적인 등방성 Nd-Fe-B 압축 성형 자석의 성능 향상은 정체 상태에 있다.16 이에 따라 이방성(Anisotropic) 본드 자석의 개발 필요성이 증대되었다.
최근에는 Nd를 완전히 배제한 Sm-Fe-N (사마륨-철-질소) 화합물 기반 이방성 본드 자석이 주목받고 있다.11 Sm2Fe17N3 화합물은 높은 포화자화와 보자력을 가지며, 이를 통해 에너지 밀도가 높은 본드 자석을 제조할 수 있다.11 이러한 이방성 Sm-Fe-N 본드 자석은 타 자성 재료와 하이브리드하여 모터에 적용될 수 있으며, 일본 니치아화학공업 등에서 N-S극 피치 0.5mm 수준의 좁은 극 배향 기술을 개발하는 등 상용화를 위한 연구가 활발하게 진행 중이다.11 이 기술은 고성능 희토류 소재를 사용하면서도 Nd 의존도를 낮추고 복잡한 형태의 모터 설계에 대응하기 위한 핵심 기술로 평가된다.
영구자석, 특히 NdFeB 자석은 전기차 구동 모터 기술의 혁신을 주도하고 있다. EV 드라이브 트레인의 핵심인 동기식 트랙션 모터는 NdFeB 자석을 사용하여 고토크 밀도와 높은 에너지 효율을 달성한다.17 NdFeB는 외부 여자 시스템 없이도 높은 자기력을 제공하여 모터의 소형화 및 경량화를 가능하게 하며, 2025년까지 배터리 전기차 및 하이브리드 차량의 90%에서 100%가 NdFeB 자석을 장착한 모터를 사용할 것으로 예측된다.17 차량 한 대당 구동 모터에만 약 1~2킬로그램의 NdFeB 자석이 소요된다.17
공학적 과제와 재료 선택의 전략: EV 모터는 작동 시 필연적으로 고온 환경에 노출된다. 일반적인 NdFeB 자석은 80^circC 이상의 온도에서 감자가 발생할 위험이 크기 때문에 10, EV 모터와 같이 고온 환경에 노출되는 부위에서는 높은 보자력(H_ci)을 가진 특수 등급(EH 또는 AH)의 NdFeB를 필수적으로 선택해야 한다.17 이러한 고보자력 등급은 희토류 중원소(예: 디스프로슘, Dy)를 첨가하여 내열성을 높이는 방식으로 제조되며, 이는 결국 재료 비용을 증가시키고, Nd뿐만 아니라 Dy와 같은 희소 자원에 대한 의존도를 심화시키는 기술적 제약으로 작용한다.
또한, 자동차에는 구동 모터 외에도 고급 승용차 기준 120개에 달하는 다양한 모터(와이퍼, 윈도우 리프트, 파워 스티어링 등)가 사용되며 8, 이들 보조 시스템에는 페라이트 소결 자석이나 고성능화된 페라이트, 또는 본드 자석이 널리 응용되고 있다.8
재생 에너지 분야, 특히 풍력 터빈 기술에서 강력한 영구자석의 역할은 혁명적이다. NdFeB 기반의 자석은 작고 효율적인 풍력 터빈용 발전기 개발을 가능하게 하여 전반적인 발전 효율성과 전력 출력을 향상시켰다.2
산업용 및 가정용 모터 역시 고효율화 추세에 있으며, 이는 NdFeB 자석 수요를 증가시키는 주요 요인이다. 에어컨 컴프레서 모터, 전동 공구용 모터, 프린터 모터 등에서 고성능화 요구가 강해지고 있으며, 이로 인해 Nd 계열 자석이 많이 사용되는 동시에, 경제성과 안정성을 이유로 고성능 페라이트 소결 자석이 재검토되는 사례도 발생하고 있다.8
영구자석은 일상생활 전반에 걸쳐 사용된다. NdFeB 자석은 하드 디스크 드라이브(HDD), 모바일 폰, 스피커 등 소형화와 강력한 자기력이 필요한 소비자 전자제품의 핵심 부품이다.10
한편, 고무 자석(유연한 자석)은 유연하고 신축성이 좋은 특성을 가지며, 자력(300~800 \ G)이 알니코 자석과 유사한 수준이지만, 가위나 칼로 쉽게 잘라 다양한 형태로 활용할 수 있어 교육용, 놀이용, 광고용, 판촉용으로 굉장히 유용하게 사용된다.6
Nd-Fe-B 영구자석은 가장 높은 자기적 특성으로 수많은 산업 분야의 핵심 소재로 자리 잡았으나 20, 이는 희토류 원소, 특히 네오디뮴(Nd)에 대한 높은 의존도를 낳았다.
공급 불균형에 대한 우려는 현실화되고 있다. 2025년 네오디뮴에 대한 수요가 공급을 넘어설 것으로 예측되며 20, 희토류 보유국의 자원 전략화로 인해 공급망 불안정성과 가격 리스크가 심화되는 상황이다. 따라서 고성능 모터 시장은 Nd-Fe-B 자석에 대한 의존도를 낮추는 방향으로 기술 전략을 수정하는 것이 필수적이다.20 이러한 전략적 필요성에 따라 소재 연구 개발은 두 가지 주요 경로로 진행되고 있다: 희토류 저감/대체와 비희토류 자석의 고성능화이다.
희토류 공급 리스크를 극복하기 위한 첫 번째 경로는 기존 고성능 자석의 조성 자체를 변경하는 것이다.
1. Nd-저감형 희토류 영구자석
이는 네오디뮴(Nd) 대신 자원이 풍부하거나 시장에 과공급되어 있는 세륨(Ce)이나 란타넘(La)과 같은 경희토류 원소를 Nd와 적극적으로 대체하여 사용하는 기술이다.20 목적은 Nd 사용량을 줄이면서도 자기적 특성의 감소를 최소화하여 경제적 유연성을 확보하는 것이다.
2. Nd-free 희토류 영구자석
이 경로는 네오디뮴을 완전히 배제한 고성능 희토류 소재를 개발하는 것이다. 대표적인 예로 Sm-Co와 Sm-Fe-N 계열의 소재가 있으며 20, 특히 Sm-Fe-N 본드 자석에 대한 연구는 모터의 소형화/고출력화 요구와 맞물려 중요한 기술 동향으로 부상하고 있다.16
희토류 의존도를 근본적으로 낮추기 위한 두 번째 전략적 경로는 비희토류 소재인 페라이트 자석의 성능 한계를 극복하는 것이다.
1. La 및 Co 첨가 고성능 페라이트
기존 페라이트 자석의 낮은 자기적 특성을 향상시키기 위해, 소량의 란타넘(La)과 코발트(Co)를 첨가한 신 조성 재료가 1996년에 개발되어 상용화되었다.8 이 LaCo계 신 조성은 고유 보자력(HcJ)을 크게 향상시켜, 자동차 연비 향상 및 CO2 배출량 감소를 위한 전장 모터의 소형화 및 경량화 설계 변경에 기여하고 있다.8
2. 희소자원 배제형 알칼리 첨가 페라이트 기술
더 나아가, La와 Co마저도 배제하고, 나트륨(Na)과 같은 알칼리(Alkali) 원소 도핑 및 적절한 열처리 공정을 통해 페라이트 소재 내 산소 결함 및 결정 구조를 제어하는 기술이 한국재료연구원(KIMS) 등에서 개발되고 있다.19 이 기술은 고가의 희유원소를 완전히 배제하면서도 성능을 향상시켜, 저가 고특성 영구자석 소재를 개발하는 것을 목표로 한다. 이러한 알칼리 첨가 페라이트 자석은 전장용 전동기, 신재생 에너지용 발전기 등 NdFeB가 주로 사용되던 응용 분야에 대한 경제적 대안을 제공할 전략적 잠재력을 가진다.19
소재 조성의 혁신과 더불어 제조 공정의 개선 또한 자석 성능 향상의 핵심이다. DGIST(대구경북과학기술원) 연구팀은 방전 플라즈마 소결(SPS)과 입계확산 공정을 결합하여 자석 전체의 성능을 균일하게 향상시키는 새로운 제조 기술을 개발하였다.22 이러한 공정 기술은 기존 소결 공정의 한계를 극복하고 EV 및 풍력 발전, 로봇 산업 등 차세대 친환경 산업에서 요구하는 고성능 자석의 안정적인 대량 생산을 가능하게 할 것으로 기대된다.1
영구자석 시장은 현재 고성능-고비용-고위험의 네오디뮴 계열과 저성능-저비용-고안정성의 페라이트 계열로 명확하게 이중 구조화되어 있다. 네오디뮴(NdFeB)은 압도적인 자기 에너지 밀도 덕분에 전기차 모터와 풍력 발전기의 소형화/고효율화를 가능케 하여 현대 첨단 산업의 핵심 동력으로 작용한다. 그러나 Nd 및 Dy와 같은 희토류 자원에 대한 공급망 리스크와 제조 비용 상승은 NdFeB의 지속적인 성장에 중대한 위협 요인이다.
분석 결과, NdFeB의 공급 불안정성에 대응하여 산업계는 두 가지 핵심 기술적 유연성을 확보하려는 전략을 동시에 추진하고 있다. 첫째, Nd를 Ce, La 등으로 대체하거나 Sm-Fe-N 같은 Nd-free 소재를 개발하는 희토류 기반 소재의 다변화이다. 둘째, La-Co 첨가 기술이나 알칼리 원소 도핑을 통해 페라이트의 성능을 극단적으로 끌어올려, NdFeB를 사용할 필요가 없는 응용 분야를 확대하려는 비희토류 기반의 강화 전략이다. 특히, Nd를 완전히 배제한 알칼리 첨가 페라이트 개발은 희소자원 리스크를 해소하고 원가 경쟁력을 높이는 근본적인 대안으로 평가된다.
한국은 정보통신 및 자동차 분야에서 세계적인 경쟁력을 보유하고 있어 고성능 자석의 수요가 높다.9 안정적인 산업 경쟁력을 확보하기 위해서는 해외 희토류 공급망에 의존하는 것을 넘어, Nd 저감형 희토류 자석 및 알칼리 첨가 페라이트와 같은 비희토류 고성능 자석에 대한 원천 기술 개발과 대량 생산 공정 기술 개선에 대한 투자를 강화해야 한다.9 특히, 방전 플라즈마 소결(SPS)과 같은 첨단 제조 기술을 통해 자석의 성능 균일도와 효율을 높이는 것은 차세대 EV 및 로봇 산업의 성장에 필수적인 요소이다.1
참고 자료
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중국 본드 자석 제조업체 공급업체 공장 - YOUNG MAGNET, 12월 4, 2025에 액세스, https://ko.ferritemagnet.net/permanent-magnets/bonded-magnets/
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