전기차 제작에서 빠질 수 없는 부품으로 전기모터를 꼽을 수 있습니다. 그러나, 지금까지 자동차에 사용할 수 있을 만큼 강력한 모터를 만드려면 희토류가 필요한 상황입니다. 이번 포스팅에서는 IEEE Spectrum에 소개된 희토류 없는 전기차 모터의 개발과 관련된 내용을 소개합니다.
개요
이 딜레마는 설명하기 쉽습니다. 전 세계적인 기후 변화 대응 노력은 화석 연료에서 급격히 전환하는 것에 달려 있습니다. 이를 위해서는 주로 내연기관 차량에서 전기 구동 차량으로의 전환을 통한 운송 수단의 전기화가 필요합니다. 이러한 대규모 전환은 필연적으로 전기 구동 모터의 사용이 크게 증가하는 것을 의미하며, 이 모터의 대부분은 희토류 원소를 포함한 자석에 의존합니다. 이러한 희토류 원소는 광석 채굴과 가공 과정에서 상당한 환경 훼손을 초래합니다. 특히 중국 외 국가의 자동차 제조업체에게는 또 다른 장애 요소가 있습니다. 가공된 희토류 원소의 약 90%가 현재 중국에서 공급되므로, 희토류에 대한 의존도가 증가하면 중요한 공급망의 취약성이 커질 수밖에 없습니다.
이러한 배경 속에서 희토류 원소를 사용하지 않거나 최소화한 첨단 전기차(EV) 모터를 설계하고 테스트하기 위한 대규모 노력이 진행되고 있습니다. 정부 기관, 기업, 대학들이 거의 모든 산업화된 국가에서 협력하여 이 문제를 해결하고 있습니다. 미국에서는 국가 연구소에서 희토류 원소를 사용하지 않는 영구 자석과 모터 설계를 개발하기 위한 오랜 연구가 포함되어 있으며, 작년 11월 발표된 협력에 따르면, 제너럴 모터스와 스텔란티스는 신생 기업인 Niron Magnetics와 협력하여 희토류 원소가 없는 영구 자석을 기반으로 한 EV 모터를 개발하고 있습니다. 또 다른 자동차 제조사인 테슬라는 작년 3월, 회사의 “차세대 구동 장치”가 희토류 원소가 전혀 포함되지 않을 것이라는 발표로 주목을 받았습니다. 유럽에서는 Passenger라는 컨소시엄이 산업계와 학계의 20개 파트너와 함께 희토류가 없는 EV용 영구 자석을 연구하고 있습니다.
저희는 테네시주의 오크 리지 국립 연구소(ORNL)에서 EV용 구동 모터 설계와 관련된 자기 및 기타 측면에 대해 거의 10년 동안 연구해 왔습니다. 국립 재생 에너지 연구소, 에임스 연구소, 위스콘신 대학교 매디슨 캠퍼스의 동료들과 함께 미국 에너지부의 U.S. Drive Technologies Consortium의 일환으로 첨단 모터 개념을 연구하고 있습니다. 이 그룹에는 샌디아 국립 연구소, 퍼듀 대학교, 일리노이 공과대학교도 포함됩니다.
이 모든 활동 덕분에, 희토류가 없는 전기 모터로 무엇이 가능한지에 대한 깊이 있는 이해가 이미 개발되었을 것이라 예상하실 것입니다. 실제로 그렇습니다. 저희와 다른 연구자들은 희토류 원소를 사용하지 않는 유망한 영구 자석 재료를 평가하고 있으며, 이러한 재료를 최적화하기 위해 필요한 모터 설계 변경 가능성도 검토하고 있습니다. 또한 영구 자석을 전혀 사용하지 않는 첨단 모터 설계도 평가하고 있습니다. 결론적으로, 희토류 기반 자석을 사용하지 않는 것은 모터 성능 저하라는 대가가 따릅니다. 그러나 설계, 제조, 소재 혁신을 통해 이러한 성능 격차를 상쇄하거나 심지어 완전히 해결할 수 있을 것입니다. 이미 몇몇 혁신적인 새로운 모터는 기존의 최고 성능 영구 자석 동기 모터에 필적하는 성능을 보여준다는 보고가 있습니다.
희토류 원소가 가장 강력한 전기 모터를 만드는 이유 희토류 원소(이 분야에서는 REE로 부르기도 함)는 현대 기술의 여러 분야에서 필수적인 특성을 지니고 있습니다. 이 원소 중 네오디뮴, 사마륨, 디스프로슘, 테르븀 등의 일부는 철이나 코발트와 같은 강자성 원소와 결합하여 고도로 자기화되고 자화가 쉽게 해제되지 않는 결정을 형성할 수 있습니다. 자석의 중요한 특성을 측정하는 지표로 최대 에너지 곱이라는 것이 있는데, 이는 메가가우스-오에스테드(MGOe) 단위로 측정됩니다. 현재까지 개발된 가장 강력하고 상업적으로 성공적인 네오디뮴 철 붕소 자석은 30에서 55 MGOe 범위의 에너지 곱을 가집니다.
영구 자석 기반의 전기 모터에서 자석이 강할수록 모터는 더 효율적이고, 더 작고 가벼워질 수 있습니다. 따라서 오늘날 최고의 성능을 자랑하는 EV 모터는 모두 네오디뮴 철 붕소 자석을 사용합니다. 그럼에도 불구하고, 창의적인 모터 설계를 통해 희토류 영구 자석 기반 모터와 기타 자석 기반 모터 간의 성능 차이를 줄일 수 있습니다. 이를 이해하기 위해서는 전기 모터에 대해 좀 더 알아야 합니다.
전기 모터에는 두 가지 기본 유형이 있습니다: 동기 모터와 유도 모터. 대부분의 현대 전기차는 영구 자석이 장착된 로터를 사용하는 동기 모터를 사용합니다. 유도 모터는 전자석만을 사용하므로 본질적으로 희토류 원소가 필요하지 않습니다. 그러나 대부분의 EV 모델에서 성능이 영구 자석 동기 모터와 견줄 만하지 않아 현재는 많이 사용되지 않고 있으며, 미국, 유럽, 아시아의 여러 연구개발 프로젝트에서 유도 모터 성능을 개선하기 위한 연구가 진행되고 있습니다.
“동기 모터”라는 용어는 모터의 로터(회전하는 부분)가 고정자(고정된 부분)가 만들어내는 변동하는 자기장과 동기화되어 회전한다는 것을 의미합니다. 로터에는 원형으로 배열된 영구 자석이 배치되어 있으며, 고정자에서는 원형 배열의 전자석에 차례로 전류가 흐르며 회전하는 자기장을 형성합니다. 이 과정에서 로터 자석과 고정자 자석이 순차적으로 서로 끌어당기고 밀어내며 회전과 토크를 생성합니다.
동기 모터도 여러 범주로 나눌 수 있습니다. 중요한 두 가지 유형은 표면 장착형 영구 자석 동기 모터와 동기 리럭턴스 모터입니다. 첫 번째 그룹에서는 영구 자석이 로터의 외부 표면에 장착되어 있으며, 고정자와 로터의 서로 다른 부분이 서로 끌어당기거나 밀어내면서 토크를 생성합니다. 반면, 동기 리럭턴스 모터에서는 로터에 영구 자석이 전혀 필요하지 않습니다. 모터가 회전하는 원리는 “자기 리럭턴스”라는 현상에서 비롯됩니다. 이는 재료가 자기 플럭스(자기장이 통과하는 양)를 얼마나 저항하는지를 나타냅니다. 강자성 재료는 낮은 리럭턴스 값을 가지며 강한 자기장과 정렬되는 경향이 있습니다. 이러한 현상을 이용해 리럭턴스 모터의 강자성 로터가 회전하게 됩니다. 일부 리럭턴스 모터는 회전을 돕기 위해 영구 자석을 사용하기도 합니다.
모터가 고정자와 로터의 자기장 간 상호작용에 주로 의존하는 경우, 이를 영구 자석 지배형 모터라고 합니다. 반면, 리럭턴스의 차이에 의해 생성된 토크에 의존하는 경우, 이는 영구 자석 보조형 모터라고 합니다. 영구 자석의 인력과 척력에 의해 생성되는 토크와 자기장이 최소 리럭턴스 경로를 따라 흐르는 경향에서 발생하는 토크를 모두 결합하여 사용하는 것이, 희토류 자석에 대한 의존도를 줄이면서도 고성능을 달성하기 위해 엔지니어들이 사용하는 핵심 전략입니다.
현재 두 가지 토크 유형을 결합한 가장 일반적인 모터 유형은 내부 장착형 영구 자석 모터로, 로터 내부에 내장된 영구 자석이 리럭턴스 토크를 증가시키는 역할을 합니다. GM, 테슬라, 토요타를 포함한 많은 상업용 전기차 제조업체들이 이 로터 설계를 채택하고 있습니다.
토요타 프리우스의 모터 설계는 이러한 접근 방식의 효과를 잘 보여줍니다. 프리우스 모터에서 자석의 양은 13년 동안 크게 감소하여, 2004년형 프리우스에서는 1.2kg이었던 자석의 양이 2017년형 프리우스에서는 약 0.5kg으로 줄어들었습니다. 비슷한 변화는 쉐보레 볼트 모터에서도 발생하여, 이전 모델인 쉐보레 스파크의 모터와 비교해 자석 재료의 전체 사용량이 30% 줄어들었습니다.
희토류 없이 영구 자석의 성능을 최대한 발휘하기
하지만 REE를 완전히 제거할 수 있을까요? 이 경우에는 두 가지 가능성이 있습니다: 희토류가 없는 영구 자석을 사용하고 이를 최대한 활용할 수 있는 모터 설계를 채택하거나, 영구 자석 대신 전자석을 사용하는 모터를 사용하는 것입니다.
강력한 구동 모터에 적합한 희토류가 없는 영구 자석을 이해하려면 영구 자석의 추가적인 특성을 고려해야 합니다. 우선 영구 자석 재료의 강도를 비교하는 데 사용되는 지표인 최대 에너지 곱을 떠올려 보십시오. 이 세 가지 주요 파라미터—최대 에너지 곱, 잔류 자기 및 보자력—은 영구 자석 재료가 전기 모터에서 얼마나 잘 성능을 발휘할지에 대한 주요 지표입니다.
잔류 자기란 자석화된 자석에서 자기장이 사라진 후에 자석에 남아 있는 자기 강도의 양을 나타내며, 자기력선의 밀도로 측정됩니다. 잔류 자기는 영구 자석이 될 수 있도록 하는 핵심 요소로, 재료의 잔류 자기가 높을수록 토크를 생성하는 인력과 척력이 강해집니다.
영구 자석의 보자력은 외부 자기장에 의한 자화 해제를 얼마나 잘 견디는지를 나타냅니다. 보자력이 높을수록 외부 자기장에 의해 자석이 탈자되기 어렵습니다. EV 구동 모터에 최적화된 영구 자석(예: 네오디뮴 철 붕소)은 높은 최대 에너지 곱, 높은 잔류 자기 및 높은 보자력을 갖추고 있습니다. 현재 REE가 없는 영구 자석은 이 모든 특성을 동시에 충족하지 않습니다. 따라서 네오디뮴 철 붕소 자석을 페라이트 자석으로 대체하면, 토크 출력이 감소할 가능성이 있고, 작동 중 자석이 탈자될 위험도 커집니다.
모터 엔지니어는 영구 자석과 리럭턴스를 모두 활용하는 설계를 통해 이러한 성능 차이를 최소화할 수 있습니다. 그러나 최적화된 설계를 적용해도 페라이트 자석을 사용한 모터는 희토류 자석을 사용한 모터와 같은 성능을 내기 위해 무게가 상당히 더 무겁게(최대 3분의 1 이상) 됩니다.
페라이트 자석의 성능을 최대한 활용하는 기술 중 하나는 자석의 플럭스를 최대한 집중시키는 것입니다. 이는 물을 좁은 입구로 통과시키는 깔때기와 유사하여, 좁은 부분에서는 물이 더 빨리 흐릅니다. 연구자들은 이러한 기법으로 스포크-페라이트 자석 모터를 개발했지만, 이 모터는 희토류 자석 기반 모터보다 약 30% 더 무겁고, 제조가 복잡하고 기계적 문제가 발생하기도 합니다.
또 다른 종류의 비희토류 자석으로 알루미늄-니켈-코발트 합금인 알니코 자석을 사용하는 방안이 제안되었습니다. 알니코 자석은 잔류 자기 값이 높지만 보자력이 낮아 탈자되기 쉽습니다.
이를 해결하기 위해 몇몇 연구자들은 토크 생성에 기여하는 자화 전류를 사용하는 가변 플럭스 메모리 모터를 연구 및 설계했습니다. 또한 에임스 연구소 연구진은 알니코 자석의 높은 잔류 자기 특성을 유지하면서 보자력을 증가시키는 방법을 연구 중입니다.
최근에는 새로운 유형의 영구 자석 재료인 철 질화물(FeN)에 많은 관심이 집중되고 있습니다. Niron Magnetics에서 생산한 이 자석은 REE 자석에 필적하는 높은 잔류 자기를 가지지만, 알니코와 유사하게 보자력이 낮아 네오디뮴 철 붕소 자석의 약 5분의 1 수준에 불과합니다. 이러한 특성 차이 때문에 FeN 자석은 과거 알니코 모터와 유사한 새로운 로터 설계 개발이 필요하며, 현재 Niron은 제너럴 모터스를 포함한 자동차 업계 파트너들과 함께 이러한 설계를 진행 중입니다.
미래 모터에서 또 하나 주목받는 REE가 없는 영구 자석 재료는 망간 비스무트(MnBi)로, 피츠버그 대학교, 아이오와 주립 대학교, Powdermet Inc.에서 공동 연구하고 있습니다. 이들은 MnBi 자석을 사용한 표면 장착형 영구 자석 동기 모터를 설계했습니다. 이 자석의 잔류 자기 및 보자력은 페라이트 자석보다 높지만 네오디뮴 철 붕소보다 낮습니다. 연구진은 MnBi 자석 모터가 네오디뮴 철 붕소 자석 모터와 동일한 토크 출력을 생성할 수 있지만, 볼륨이 60% 증가하고 무게가 65% 증가하는 상당한 타협이 필요하다고 밝혔습니다. 긍정적인 점은 MnBi 자석을 사용하면 모터의 전체 비용을 32% 절감할 수 있다는 점입니다.
모터의 희토류 함량을 줄이는 또 다른 전략은 일부 자석에 사용되는 중희토류 원소만 제거하는 것입니다. 예를 들어, NdFeB 자석은 고온에서의 보자력을 높이기 위해 소량의 중희토류 원소인 디스프로슘을 포함하고 있습니다. (중희토류 금속은 네오디뮴과 같은 경희토류 금속보다 일반적으로 공급이 부족합니다.) 하지만 이를 사용하지 않으면 고온에서의 보자력이 감소합니다.
따라서 이 모터의 주요 설계 과제는 로터를 시원하게 유지하는 것입니다. 지난해 오크 리지 국립 연구소에서는 자석에 중희토류 원소를 전혀 사용하지 않은 100킬로와트 구동 모터를 개발했습니다. 이 모터는 전력 전자장치가 내부에 통합된 점도 큰 특징으로, 여기에는 배터리의 직류 전원을 교류로 변환하여 모터에 적합한 주파수로 공급하는 인버터가 포함되었습니다.
우리는 자석이 과열되지 않도록 하는 데 여러 근본적인 도전에 직면했습니다. 영구 자석은 전도율이 높아, 모터가 작동 중일 때 회전하는 자석에서 전류가 유도되며 이 전류는 토크에 기여하지 않지만 자석을 가열하고 탈자시킬 수 있습니다. 이 가열을 줄이는 한 가지 방법은 자석을 전기적으로 분리된 얇은 조각으로 구성하여 순환 전류의 경로를 끊는 것입니다. 우리 모터에서 각 조각은 1밀리미터 두께였습니다.
우리는 80°C까지 작동할 수 있는 N50 등급의 NdFeB 자석을 선택했습니다. 또한, 20,000 rpm의 속도로 회전할 수 있도록 로터의 외경을 탄소 섬유와 에폭시 시스템으로 보강해야 했습니다. 모터 프로토타입을 분석한 결과, 최대 속도로 작동할 때 온도를 줄이기 위해 모터에 강제로 공기를 통과시킬 필요가 있음을 발견했습니다. 이는 최선의 해결책은 아니지만, 중희토류 원소를 사용하지 않고도 목표를 달성할 수 있는 합리적인 타협점이라 할 수 있습니다.
첨단 모터를 위한 새로운 접근법
전적으로 REE가 없는 강력한 모터를 제작하기 위한 가장 유망한 단기 옵션은 전자석(와이어 코일)을 갖춘 로터를 장착한 동기 모터를 구축하는 것입니다. 이 전자석에는 페라이트 자석을 포함할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있습니다. 그러나 이를 위해서는 회전하는 코일에 전류를 전달할 방법이 필요합니다.
전통적인 해결책은 회전하는 금속 링(슬립 링)과 전기 접촉을 유지하기 위해 탄소 브러시를 사용하는 것입니다. 이 기술은 전자석에 전류를 공급하여 로터를 자화시킬 수 있지만, 이러한 브러시는 먼지를 발생시키며 결국 마모되므로 EV에서 사용하기에는 적합하지 않습니다.
이 문제를 해결하기 위해 엔지니어들은 로터리 트랜스포머 또는 엑사이터를 고안했습니다. 이들은 유도 또는 커패시티브 시스템을 사용하여 회전하는 로터에 무선으로 전력을 전송합니다. 이 모터는 기존의 영구 자석 동기 모터에 비해 큰 장점을 가지고 있습니다. 로터의 자기장을 조정할 수 있으므로 로터의 전자석에 공급되는 전류를 제어하여 광범위한 작동 속도에서 높은 효율을 유지할 수 있습니다.
최근의 주목할 만한 예로는 자동차 부품 공급업체인 ZF Group에서 제작한 모터가 있습니다. 작년에 이 회사는 로터에 장착된 전자석이 기계의 로터 샤프트 내부에 장착된 유도 시스템을 통해 전력을 공급받는 동기 모터를 제작했다고 발표했습니다. 회사 관계자에 따르면 이 220kW 모터는 현존하는 NdFeB 영구 자석 모터와 동등한 전력 밀도와 효율 특성을 가지고 있습니다.
새로운 소재 또한 REE 자석과 비-REE 자석 모터 간의 성능 격차를 줄이는 데 기여할 수 있습니다. 예를 들어, 탁월한 자기적 특성으로 잘 알려진 고-실리콘 강철은 로터 제작에 유망한 후보로 떠오르고 있으며, REE가 없는 모터의 자기 효율성을 높일 가능성을 제공합니다. 동시에, 높은 전도성을 가진 구리 합금 또는 초전도 구리 스트랜드를 사용하면 전기 손실을 크게 줄이고 전체 성능을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어 구리의 전도성을 두 배로 늘리면 일부 모터의 부피를 30%까지 줄일 수 있습니다. 이러한 소재의 전략적인 통합은 REE 포함 모터와 REE가 없는 모터 간의 성능 격차를 크게 줄일 수 있습니다.
또 다른 중요한 첨단 소재의 예로는 GE Aerospace가 개발한 이중 상 자기 재료가 있습니다. 이 재료는 특정 영역에서 매우 강하게 자화되거나 전혀 자화되지 않도록 설계되었습니다. GE Aerospace 팀은 로터의 특정 섹션을 비자기화 처리함으로써 사실상 모든 자기 누설을 제거할 수 있음을 입증했으며, 이는 희토류 영구 자석을 모터에서 사용하지 않아도 가능하게 했습니다.
희토류 없는 모터로의 전환을 향한 엔지니어들의 도전 EV용 희토류 없는 모터로의 전환은 중요한 엔지니어링 과제입니다. 쉽지는 않겠지만, 연구가 흥미롭고 고무적인 결과를 내고 있습니다. 앞으로는 다양한 설계가 가능해질 것이며, 각기 복잡한 절충점이 존재할 것입니다. 모터의 무게, 전력 밀도, 비용, 제조 가능성 및 전반적인 성능 역학이 모두 중요한 고려사항이 될 것입니다. 시장에서의 성공 여부는 경제적 요인에 달려 있어 어떤 설계가 주류가 될지 예측하기 어렵습니다.
그러나 희토류가 없는 모터가 언젠가는 주류가 될 가능성이 크다는 점은 분명해지고 있습니다. 이러한 결과를 달성하기 위해 지속적이고 일관된 노력이 필요할 것이지만, 엔지니어들이 이러한 전환의 복잡성을 극복할 수 있으리라 믿습니다. 그 결과 다음 세대 EV가 더 친환경적이 될 것입니다. 이미 ORNL과 다른 연구 기관에서는 AI 기반 모터 설계 도구가 이러한 REE가 없는 모터의 개발 속도를 가속화하고 있습니다.
현재, REE 자석의 대규모 사용은 기술적 이점과 환경적 및 윤리적 고려사항 간의 논쟁을 야기하고 있습니다. 그러나 곧 이러한 논쟁은 크게 의미가 없게 될지도 모릅니다.
아직 목표에 도달하지는 못했습니다. 다른 주요 기술 전환과 마찬가지로, 희토류 없는 모터로 가는 여정은 단순하거나 짧지 않을 것입니다. 그러나 이 여정은 분명히 가치가 있는 길이 될 것입니다.
마무리
이번 포스팅에서는 희토류 없는 모터 개발의 중요성과 이를 둘러싼 다양한 기술적 접근법을 살펴보았습니다. 자동차 업계의 지속 가능한 미래를 위해 필요한 연구와 혁신의 방향을 이해하는 데 도움이 되었길 바랍니다. 희토류 자원의 제약과 환경적 부담을 줄이기 위한 전 세계적인 노력이 가속화되고 있는 만큼, 앞으로 전기차 모터 기술이 어떤 형태로 진화해 나갈지 주목할 만한 과제입니다. 이러한 변화가 보다 친환경적이고 효율적인 모빌리티 환경을 실현하는 데 중요한 역할을 할 것입니다.