2025-12-02
최근 몇 년 동안 급성장하는 신에너지 차량(NEV) 시장은 전체 산업 체인을 번성하게 하여 관련 신에너지 재료, 새로운 응용 분야 및 새로운 시장에 대한 전례 없는 개발 기회를 가져왔습니다. 중요한 전략적 광물 자원으로서 희토류 원소는 NEV 산업에서 중요한 위치를 차지하고 있습니다.
희토류는 이트륨, 스칸듐 및 17개의 란탄족 원소를 포함한 일련의 원소를 말합니다. 이러한 요소는 현대 산업에서 중요한 역할을 하며 전자 및 정보 기술, 석유화학, 야금 및 에너지와 같은 분야에서 재료 품질이나 성능을 향상시킬 수 있는 "산업용 MSG"로 환영받습니다.
NEV 애플리케이션에서 희토류는 주로 전기 자동차의 구동 모터, 스피커 및 하드 디스크 드라이브에 사용됩니다. 탄소 중립 목표에 따라 중국의 희토류 수요는 NEV 산업의 급속한 발전과 함께 빠르게 증가하고 있습니다. 데이터에 따르면 NEV와 전자 산업은 전 세계 희토류 소비에서 가장 높은 비중을 차지해 35%에 달합니다. 희토류 재료는 NEV 애플리케이션에 없어서는 안 될 요소입니다.
NEV 부문 내 희토류 소비를 살펴보면 주로 희토류 영구자석 재료와 희토류 수소 저장 재료가 각각 64%와 36%를 차지합니다. 하이브리드, 순수 전기 또는 초기 연료 전지 차량 등 NEV 산업에서 영구 자석 모터는 필수적인 핵심 구성 요소입니다. 희토류 영구 자석은 NEV 부문에서 희토류 응용 분야의 약 60%를 차지합니다.
'영구자석'은 말 그대로 오래 지속되고 안정적인 자기장을 유지한다는 뜻이다. 이 현상을 유지하려면 희토류 원소인 '네오디뮴'이 필요합니다. "네오디뮴"에 "철"과 "붕소"를 추가하면 강력하고 항상 켜져 있는 자기장인 네오디뮴 철 붕소(NdFeB)가 생성됩니다.
NdFeB 자석은 강력한 자력을 제공하여 모터가 더 작은 부피로 더 큰 토크와 전력 출력을 제공할 수 있도록 합니다. 이는 EV가 동일한 속도로 더 빠르게 가속하는 동시에 전반적인 차량 에너지 효율성을 향상시켜 주행 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 의미합니다.
둘째, NdFeB 자석으로 제작된 고효율 모터를 통해 EV는 동일한 배터리 용량으로 더 높은 에너지 활용도를 달성할 수 있습니다. 이는 차량이 배터리에 저장된 에너지를 보다 효과적으로 사용할 수 있어 주행 거리가 연장된다는 것을 의미합니다. 이는 소비자의 주행 거리에 대한 불안감을 줄여 NEV의 폭넓은 채택을 촉진합니다.
또한, 전기차는 기존 내연기관 차량에 비해 차량 경량화에 더 중점을 두고 있습니다. NdFeB 자석은 강한 자기 특성을 갖고 있어 더 작은 부피와 무게로 동일한 출력을 전달할 수 있습니다.
동시에, 영구 자석 모터 내에서 NdFeB는 가장 일반적으로 사용되는 영구 자석 재료 중 하나입니다. 일반적으로 영구 자석 모터의 내열성을 보장하기 위해 소량의 갈륨과 디스프로슘, 프라세오디뮴, 테르븀과 같은 무거운 희토류 원소도 혼합됩니다. 그러나 중희토류 원소는 매장량이 적고 가격이 더 비쌉니다. 현재 일부 회사에서는 경희토류 사용을 늘리고 중희토류 사용을 줄이는 방향으로 전환하고 있습니다.
희토류 원소는 현재 주류인 리튬 배터리 전극 재료 제조에 참여할 뿐만 아니라 납산 또는 니켈수소(NiMH) 배터리의 양극 제조에 탁월한 원료 역할을 합니다.
모든 NEV가 배출 제로를 달성하는 것은 아니라는 것은 잘 알려져 있습니다. 예를 들어, 하이브리드 및 장거리 전기 자동차는 여전히 작동 중에 배기가스를 배출합니다. 일부 차량에는 제조 시 내장된 촉매를 사용하여 유해한 가스를 반응하여 무해한 가스로 변환하는 3원 촉매 변환기(TWC)를 설치해야 합니다. TWC의 주요 구성성분은 바로 희토류 원소입니다. 희토류는 독특한 전자 구조로 인해 독특한 산소 저장 능력을 가지고 있습니다. 예를 들어 CeO2의 세륨은 산화 상태를 변경하여 탁월한 산소 저장 및 방출 기능을 제공할 수 있습니다. 희박/풍부 연료 조건에서 산소를 저장/방출할 수 있으므로 CO, HC 및 NOx에 대한 촉매의 변환 효율이 향상됩니다.
희토류 원소는 세라믹 재료의 성능을 향상시키기 위해 첨가제로 자주 사용되기 때문에 특수 세라믹의 "비타민"이라고도 불립니다. 예를 들어, 지르코니아 산소 센서의 핵심 구성 요소는 일반적으로 희토류 원소로 지르코니아를 도핑하여 형성되는 지르코니아 필름입니다. 산소에 노출되면 지르코니아 필름의 전도성이 바뀌어 엔진 연소 효율과 배기가스 배출 수준이 제어됩니다.
희토류는 MLCC 유전체 분말의 중요한 도핑 구성 요소로 MLCC 신뢰성을 효과적으로 향상시킵니다. High-end MLCC용 세라믹 분말 개발에 없어서는 안 될 원료입니다. 예를 들어, Y2O₃ 및 La2O₃와 같은 희토류 산화물은 MLCC의 첨가제로 사용되어 세라믹의 유전 특성을 개선하고 커패시터 밀도 및 작동 주파수 범위를 증가시킵니다. 둘째, 세라믹과 전극 사이에 얇은 희토류 산화물 층을 형성하면 결합력과 계면 안정성을 향상시켜 커패시터 고장률과 누설 전류를 줄일 수 있습니다. 또한 희토류 산화물은 녹는점과 열 안정성이 높아 고온 환경에서 유전 손실을 줄이고 MLCC 신뢰성과 수명을 향상시킬 수 있습니다.
질화규소(Si₃N₄) 세라믹 베어링은 경량, 고경도, 고강도, 저마찰, 고내열성, 우수한 전기절연성, 긴 수명 등의 장점으로 인해 자동차 베어링 제조에 가장 적합한 소재로 꼽힌다. 그러나 순수한 질화규소는 소결이 어렵다. 희토류 산화물 소결 보조제를 도입하면 세라믹 구조 내에서 복잡한 산화물/질화물 입계 상을 형성할 수 있어 고온에서 질화규소 재료에 우수한 성능을 부여할 수 있습니다.
또한 희토류는 자동차 차체 강철, 기어, 휠 허브, 심지어 나사에서도 중요한 역할을 합니다. 타이어 제조 산업에서도 안정제로 희토류 폴리머 소재가 필요합니다. 자동차 분야에서는 희토류는 비록 소량이지만 필수 불가결한 존재라고 할 수 있습니다!
지난 3월 1일, 테슬라는 2023년 투자자의 날을 열고 차세대 모터에서 희토류 사용을 완전히 배제할 것이라고 발표했습니다. 이 소식은 상당한 관심과 회의를 불러일으켰습니다.
2020년에는 전 세계 전기 자동차의 77%가 희토류 기반 영구 자석 모터를 사용했다는 점에 주목하는 것이 중요합니다. 중국 NEV 시장의 전기차 중 90% 이상이 희토류 영구자석 모터를 사용하고 있다.
자원 관점에서:2021년 현재 USGS 데이터에 따르면 희토류 산화물(REO) 매장량을 통계 지표로 사용하면 전 세계 총 희토류 자원 매장량은 약 1억 2천만 톤에 이릅니다. 주로 중국, 베트남, 브라질, 러시아 등지에 분포합니다. 이들 4개국의 매장량 합계는 전 세계 매장량의 86.4%를 차지하며, 중국이 4400만톤, 베트남·브라질·러시아가 각각 2000만톤 이상을 보유하고 있다.
현재 중국은 전 세계 매장량의 35.2%, 전 세계 광산 생산량의 58%, 전 세계 소비의 65%를 차지하고 있으며 세 가지 측면 모두에서 세계 1위를 차지하고 있습니다. 세계 최대의 생산자, 수출자, 소비자로서 지배적인 위치를 차지하고 있습니다.
Zhongke Sanhuan의 한 임원은 이전에 평균적으로 각 NEV가 현재 약 2.5kg의 NdFeB 영구 자석 재료를 사용한다고 밝혔습니다. 이를 기반으로 2025년까지 희토류 자성재료에 대한 글로벌 NEV 수요는 3만톤에 이를 것으로 예상된다.
동시에 중국은 희토류에 대한 통제를 강화하고 있다. 2021년 산업정보기술부와 천연자원부는 '희토류 채굴 및 제련 분리에 대한 2021년 종합 관리 지표 발행에 관한 고시'를 발표했습니다. 2021년 희토류 채굴 및 제련 분리에 대한 총 통제 지표는 각각 168,000톤과 162,000톤으로 2020년 대비 약 20% 증가했습니다. 이전 의견 초안에서는 어떠한 단위나 개인도 승인 없이 희토류 채굴 또는 제련 분리 프로젝트에 투자하거나 건설할 수 없다고 명시적으로 명시하여 향후 국내 희토류 채굴 및 분리에 대한 전반적인 기조를 확립했습니다. 총 할당량 통제를 지속적으로 시행하는 것입니다.
같은 해 미국 백악관의 '100일 공급망 검토 보고서'는 희토류 산업 체인 내에서 희토류 자석 수입에 대한 미국의 의존이 국가 안보에 위협이 된다는 점을 강조했습니다. 이에 대해 미국 상무부 보고서는 세금 공제, 보조금, 우선 조달, 국방 비축 등을 통해 국내 미국 영구 자석 제조업체에 대한 지원을 늘리고 영구 자석 재료의 희토류를 줄이거나 제거하고 영구 자석 산업 체인을 "탈중국화"하는 프로세스를 적극적으로 촉진할 것을 권장했습니다.
에 따르면닛케이미국은 희토류 자석 공급망을 재구축하고 있다. 전략물자의 중국 의존도를 낮추기 위해 중국이 비중이 높은 일부 생산공정을 미국 본토로 이전하고, 정부 지원을 받는 미국 기업들도 투자에 속도를 내고 있다. 그러나 오랫동안 중국에 의존해왔던 공급망을 재구축하는 것은 쉬운 일이 아니다. 미국은 원자재 조달 비용과 물류 비용이 높아 경쟁 우위가 부족합니다. 블룸버그 분석에 따르면 미국이 희토류 공급망에서 자급자족을 달성하려면 최소 10년이 걸릴 것으로 나타났습니다.
희토류 가격 상승과 같은 요인과 함께 일본, 유럽 및 미국의 자동차 제조업체가 대안을 찾고 희토류 없는 모터를 연구 및 개발하기 시작하는 것은 놀라운 일이 아닙니다.
성능 관점에서:2012년 출시된 테슬라 모델S에는 유도모터가 탑재됐다. 유도 전동기는 비용상 이점이 있는 반면 크기가 크고 효율이 낮아 주행 거리에 영향을 미치는 단점도 있습니다.
NEV의 경우 주행거리가 핵심 경쟁력이다. 유도 전동기의 무게가 무거워지고 변환 효율이 낮아져 차량 주행 거리가 줄어듭니다. 이것이 많은 자동차 제조업체가 영구 자석 모터를 선택하는 주요 이유입니다.
Tesla가 Model 3부터 영구 자석 DC 모터로 전환했으며 결국 다른 모델에도 이 모터를 채택했다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 데이터에 따르면 Model 3에 사용된 영구자석 모터는 이전에 사용된 유도 모터보다 약 6% 더 효율적입니다.
물질적 관점에서:'탈희토류'와 관련하여 현재 가장 유력한 대체재료는 '페라이트'이다. 철과 산소로 구성된 이 세라믹은 소량의 금속과 혼합되어 자석을 생성할 수 있습니다. 가격이 저렴하고 제조가 쉽습니다.
그러나 페라이트는 항상 희토류 NdFeB의 저가형 대체품이었습니다. 성능, 부피 및 기타 측면은 NdFeB 수준과 일치하기 어렵습니다. 차량의 일부 마이크로 모터에 사용할 수 있습니다. 사마륨-코발트(SmCo) 영구 자석의 경우 자체적으로 희토류 원소인 사마륨을 함유하고 있으며 방사성입니다. 현재는 군사, 항공우주 및 이와 유사한 분야에서만 사용됩니다. 이를 NEV로 대체하는 것은 비생산적입니다.
현재 몇몇 제조업체에서는 희토류가 없는 옵션을 연구하기 시작했습니다. 그러나 스타트업인 Niron의 질소-철 자석이든, 망간을 함유한 다른 고자력 물질이든, 둘 다 이상적인 형태로 제조되고 장기간 보존될 수 없습니다. 이전에 보고된 프로토타입 망간-비스무트(Mn-Bi) 자석도 DA테크놀로지와 코린이 성공적으로 생산한 경우에도 현재는 성능 검증과 개선 작업만 진행 중이다.
분명히, NEV 산업이 저비용 고효율을 추구하는 상황과 아직 해결되지 않은 기술적 과제를 고려할 때, 희토류 자원에서 완전히 벗어나는 것은 불가능하지는 않지만 단기적으로는 불가능합니다. 적어도 중국에서는 가까운 미래에 희토류 모터가 차량 응용 분야의 주류 방향으로 남을 것입니다.
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