최근 전자 제품 및 하이테크 제품을 포함한 IT기기 및 자동차 등 공업제품의 고성능화에 수반하여 이 제품들의 레어메탈(희소금속) 사용량이 전 세계적으로 증대되고 있다. 레어메탈 자원은 지역 편재성이 매우 높고, 생산국의 정치적·경제적 요인에 의해 공급 메커니즘과 가격이 크게 변동된다. 또 레어메탈 가운데서도 특히 레어어스라고 하는 광종에 관해서는 세계 광산 생산량(2010년도), 약 134000(tREO/년) 중 97%를 중국이 점유하고 있어 중국에 의한 수출규제는 일본뿐만 아니라, 전 세계적으로 산업발전 및 기술혁신에 큰 영향을 미치고 있다. 특히, 최근에 중국정부는 자연환경 및 노동환경의 개선, 국내 산업의 고도화 및 자원보호 등을 이유로 해마다 수출규제를 강화하고 있어 현재 중국의 규제에 대응하기 위해 각국에서 비축·대체재료의 개발 등 다양한 정책과 기술개발에 관한 검토를 거듭하고 있다. 현재 이 레어어스 가운데 전 세계적으로 가장 수요량이 많은 것은 영구자석용으로 이용되고 있는 레어어스이며, 특히 NdFeB 소결자석 및 NdFeB 본드자석 등의 레어어스 영구자석에 이용되고 있는 Nd(네오디뮴)과 NdFeB 소결자석의 내열성을 유지하기 위해 첨가하는 Dy(디스프로슘)은 오늘날의 산업발전에 중요한 역할을 수행하고 있다. 중국의 2011년도 레어어스의 연간 EL(수출허가서, Export License)은 30184(tREO/년)이지만, 2011년도부터 Dy 등이 EL의 대상이 되었기 때문에 향후 중국의 수출규제는 Dy를 사용하는 레어어스 영구자석의 생산에 커다란 영향을 줄 것으로 우려되고 있다. 또 NdFeB 소결자석 및 NdFeB 본드자석 등 레어어스 영구자석 및 그 레어어스 영구자석에 첨가되는 Dy는 그 대부분이 HEV(하이브리드 자동차) 구동용 모터, 가전기기 모터, VCM(보이스 코일 모터) 등의 모터에 사용되고 있으며, Nd와 Dy의 수출규제는 결과적으로 이 모터들의 생산 및 효율에 영향을 주기 때문에 일본의 에너지 수요량에도 영향을 끼칠 우려가 있다. 그러나 지금까지 일본의 에너지 기술 보급에 따른 레어어스 수요량의 정량적 평가에 대해 선행된 연구 사례는 있었지만, 레어어스의 공급 장애와 관련해서는 일본의 모터 및 에너지 수요에 대한 직접적 영향을 검토한 사례는 없었다. 그리하여 본고에서는 레어어스 영구자석으로서 NdFeB 소결자석을 그 예로 하여 NdFeB 소결자석 및 Dy를 사용하고 있는 최종제품과 그 최종제품에서의 NdFeB 소결자석, Dy의 사용량, Dy 함유 NdFeB 소결자석 탑재 제품의 비율 및 그 동향에 대해 조사하고, 나아가 그 Nd 및 Dy의 수급 밸런스에 관해 추계한 결과를 정리했다. 또 Dy 함유 NdFeB 소결자석의 생산량이 중국의 수출규제 등에 의해 영향을 받을 경우, 에너지 수요에 대한 영향을 최종제품별로 기술함으로써 Nd 및 Dy의 공급 장애 시 일본의 에너지 수요에 미치는 영향에 대해 개관한다.
레어어스 영구자석의 수급 밸런스 예측NdFeB 소결자석과 Dy의 수요 동향현재, 일본의 Nd 및 Dy는 대부분 중국에서 수입해 사용하고 있다. NdFeB 소결자석의 제조는 합금생성, 분말작성, 성형, 소결, 가공, 표면처리 및 착자(着磁) 등의 공정을 거치지만, 채굴에서 전해처리로 희토류 금속을 얻기까지는 중국에 의존하고 있다. 용해에서 시효처리까지는 주로 일본 국내에서 이루어지며, 연마, 피복은 국내 또는 동남아시아에서 이루어지고 있다. Dy는 주로 습식 제련 후 전해(電解)에 의해 Dy 개체, Dy2O3 및 DyFe의 형태로 일본에 수입되고 있다. 2010년에서의 NdFeB 소결자석의 수요량은 15000~19000(t/년)이며, Nd의 수요량은 4000~4300(t/년), Dy의 수요량은 약 600(t/년)으로 공표되어 있다. 일드율(Yield rate)은 높은 치수 정밀도가 요구되는 부품 및 보링(Boring, 시추)을 수반하는 부품 등에서는 낮고, 일반적으로 60% 정도라고 한다. 한편 단순한 형상 및 대형의 형상에서는 일드율이 높고, 약 70~80% 정도이다. 일드율을 평균적으로 70%라고 하면, NdFeB 소결자석의 생산량은 10500~13300(t/년)이 되며, 상대적으로 NdFeB 본드자석의 생산량은 400~600(t/년)으로 NdFeB 소결자석과 비교하면 매우 적다. 따라서 본고에서는 NdFeB 본드자석에서의 Nd는 검토에 넣지 않기로 한다. 이하에서는 △NdFeB 소결자석 △Dy를 사용하고 있는 최종제품과 그 최종제품에서의 NdFeB 소결자석 △Dy 사용량 △Dy 함유 NdFeB 소결자석 탑재 제품의 비율 및 그 동향에 대해 조사한 결과를 기술한다.
(1) NdFeB 소결자석과 Dy를 사용하고 있는 최종제품현재 일본 국내의 Dy는 100% 가까이가 NdFeB 소결자석에 함유된 형태로 최종제품에 사용되고 있다. 단, 모든 NdFeB 소결자석에 Dy가 함유되어 있는 것은 아니며, NdFeB 소결자석이 사용되는 환경온도가 높은 경우 그 내열성을 유지하기 위해 Dy가 첨가된다. 그리하여 본고에서는 최초로 ‘영구자석 연관표’에서 NdFeB 소결자석이 사용되고 있는 최종제품을 특정하고, 또한 Dy 함유 NdFeB 소결자석에 대해서는 상품항목 사용 시의 환경온도를 감안해 자체적으로 실시한 조사 결과로부터 Dy 함유 NdFeB 소결자석을 사용하고 있는 주요 상품항목을 최종제품으로 특정했다. [표 1]에 본고에서 특정한 최종제품명과 그에 대응하는 영구자석 연관표의 △용도별 분류 △상세분류 상품군 △상품항목 △주요 모터종류의 예 △Dy의 함유에 관해 나타냈다.
(2) 최종제품별 NdFeB 소결자석과 Dy의 수요동향상기와 같이 특정한 최종제품에 대해 △최종제품별 NdFeB 소결자석의 사용량 △NdFeB 소결자석에서의 Dy 함유율 △환경온도 △Dy 함유 NdFeB 소결자석 탑재율(해당 제품 중에서 Dy 함유 NdFeB 소결자석 탑재 제품이 차지하는 비율) 및 그 동향을 [표 2]에 나타냈다. 또한, [표 2]에 나타낸 값과 내용은 각종 공개정보 외에 자체 조사한 결과에 근거한다. 또 [표 1]에 나타낸 최종제품 중에 MRI, 음향기기 및 그 외 기타에 대해서는 구체적인 상품항목이 많거나 Dy를 포함하지 않기 때문에 [표 2]에서는 제외하기로 한다. 특히, FA기기 중 풍력발전기와 관련해서는 본고의 목적인 에너지 수요에 대한 영향과 관련이 깊기 때문에 [표 2]에서는 개별적으로 기술한다. 이하에서는 [표 2]의 각 최종제품에 있어 Dy 함유 NdFeB 소결자석의 수요동향에 대해 자세히 설명한다. HEV 구동용에서의 Dy 함유 NdFeB 소결자석은 필요한 보자력(保磁力) 및 사용되는 환경온도가 높고, 페라이트 자석 및 SmCo 자석 등 다른 영구자석으로의 대체가 어렵다. 단, 최근에 중국의 레어어스(희토류) 수출규제의 영향을 받아 신에츠 화학공업㈜이 개발한 입계 확산 2합금법(粒界擴散二合金法)에 의한 Dy 리스 자석 등이 도입되고 있으며, HEV 구동용에서의 1대당 Dy 사용량은 향후 감소될 가능성을 보이고 있다. 또 EPS(Electric Power Steering)는 향후 모든 자동차에 탑재될 것으로 전망되고 있으며, 여기에는 3가지 방식(파워 어시스트 방식, 유압펌프 구동 방식 등)이 있고 페라이트 자석으로도 대체 가능하기 때문에 EPS에서의 Dy 함유 NdFeB 자석의 사용량(Dy 사용량)은 감소될 가능성이 있다. 가전제품의 에어컨, 냉장고, 세탁기 중에서는 에어컨이 가장 Dy 함유 NdFeB 자석의 수요량이 많으며, 향후 해외의 인버터화 비율이 높아짐에 따라 해외 수출용 에어컨에 Dy 함유 NdFeB 자석이 많이 탑재될 가능성이 있다. 단, 상술의 Dy 리스 자석의 개발에 의해 해당 단위제품당 Dy 사용량은 향후 감소될 것으로 보인다. 냉장고 및 세탁기와 관련해서는 지금까지 필요 이상으로 Dy를 사용하고 있던 것으로 알려졌으며, 향후 Dy의 수요량은 전체적으로 줄어들 전망이다. FA기기 및 VCM은 그 용도의 대부분이 페라이트 자석 및 SmCo 자석 등으로 다른 영구자석으로의 대체가 어렵다. 특히, FA기기에서의 Dy 함유 NdFeB 소결자석의 수요량은 증가하는 경향을 보이고 있다. 단, Dy 함유율에 관해서는 상술의 Dy 리스 자석의 도입에 의해 향후 감소될 가능성이 있다. 또 풍력발전기에 관해서는 발전효율 및 환경온도의 관점에서 향후 Dy 함유 NdFeB 소결자석이 점점 중요해질 것으로 예상되고 있으나, 중국의 레어어스 수출규제의 영향을 받아 앞으로는 자석 사용량이 적은 유형의 영구자석식 동기발전기가 주류가 될 가능성이 크다.
Nd와 Dy의 수급 밸런스 예측
여기서는 [표 2]에 나타난 최종제품별 NdFeB 소결자석의 사용량, Dy 함유율, Dy 함유 NdFeB 소결자석 탑재율에 각 최종제품의 국내 생산량을 적산하여 최종제품의 국내 생산량에 포함되는 Nd와 Dy의 사용량을 예측했다. 실제로 최종제품 및 NdFeB 소결자석은 해외에서도 생산되고 있으며, 또 NdFeB 자석의 공정 부스러기는 일부 재활용되기 때문에 Nd와 Dy의 모든 수요량이 채굴에 의해 공급되는 것은 아니다. 따라서 일본의 정확한 Nd와 Dy의 수요량을 파악하는 것은 어렵지만, 본고에서는 이 수요량의 참고로서 최종제품의 국내 생산량에 포함되는 Nd와 Dy의 사용량을 추계했다. 또한, 각 최종제품의 생산량 예측과 관련해서는 각종 문헌을 참고로 Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC)의 (SERS) B2시나리오를 바탕으로 세계와 일본의 인구, GDP에 의한 중회귀 분석을 실시하여 예측했다. 이 예측에서는 Dy의 함유율을 현재 상태 그대로 유지하고, 대체재료의 도입 및 리사이클은 실시하지 않는 「현상유지 케이스」로 예측을 실시했다. [그림 1]에 2012년도와 2020년도에 있어서 일본 국내에서 생산되는 최종제품에 포함된 Nd의 사용량 및 Dy의 사용량을 나타냈다. 각 최종제품에서의 Dy 함유율이 현상 그대로 추이한다고 가정한 경우, 2020년에는 일본 국내에서 생산되는 최종제품에 포함된 Dy의 사용량이 800(t/년)을 넘을 것으로 예상된다. 중국에서의 Dy 공급 잠재력은 지금까지의 공급량으로부터 1300~1500(tREO/년)인 것으로 상정되며, 중국 외에서의 Dy 공급 잠재력도 13~26(tREO/년)으로 공표되고 있다. 이 중국과 중국 외에서 생산되는 모든 Dy가 일본에 공급되는 것은 아니며, 따라서 레어어스 중에서는 특히 Dy의 안정공급을 향한 조속한 대책 마련이 필요하다고 하겠다.
에너지 수요에 대한 영향
Dy의 공급장애에 따른 HEV에 대한 영향
Dy의 공급장애는 Dy 함유 NdFeB 소결자석을 사용하는 HEV 구동용 모터의 생산에 영향을 미칠 우려가 있다. 상술한 바와 같이 실제로 에너지 수요에 대한 직접적인 영향은 리사이클, Dy 리스 자석 및 기타 대체재료의 도입 등 각각 다양한 대책과의 연관성으로 결정이 되기 때문에 그 영향을 정량적으로 평가하는 것은 어렵다. 그리하여 본고에서는 이 대책들이 실시되지 않았을 경우를 상정하여 에너지 수요에 대한 영향을 그 가상에 근거해 기술하기로 했다. (사)일본자동차판매협회 연합회의 통계 데이터에서 2010년도 HEV 보유대수가 전국적으로 약 98만 대로 집계됐다. IPCC의 (SERS) B2시나리오를 바탕으로 이 생산대수와 출하대수의 미래예측을 세계인구와 일본인구, 그리고 GDP에 의한 중회귀 분석을 통해 구한 결과, 2020년도의 HEV 보유대수는 약 749만 대로 예측됐다. 만약에 2013년도부터 Dy의 공급장애가 발생해 HEV의 출하대수가 상술의 예측과 비교해 반감이 된 경우라면, 2020년도에서의 HEV 보유대수는 약 445만 대가 되며, Dy 공급장애가 없는 경우와 비교하면 304만 대가 감소되는 것으로 예측되고 있다. HEV는 기존의 가솔린 자동차에 비해 연비가 높은 것으로 알려져 있다. 만일 Dy의 공급장애(반감)가 HEV의 생산에 영향을 미쳐 HEV 보유대수가 304만 대 감소된다고 가정하면, 그에 따른 자동차용 수송연료의 대폭 증가가 예상된다.
Dy의 공급장애에 따른 가전기기, FA기기에 대한 영향
상술한 바와 같이 Dy 함유 NdFeB 소결자석은 가전기기 모터, FA기기 모터, VCM 등 각종 모터에 사용되고 있으며, Dy 함유 NdFeB 소결자석은 이 모터들의 효율에 큰 영향을 주고 있다. 일본의 모터에 의한 소비전력량은 2005년도 당시 5731억kWh로, 그 해의 일본 국내 전력소비 총량의 57.3%를 차지했다. 특히, 「제조업/생산용 동력」의 비율이 일본 국내 전력소비 총량의 24.8%로, 모터 소비전력량 중 가장 높아, Dy 함유 NdFeB 소결자석에 의해 유지되고 있는 FA기기 모터의 효율이 일본 국내 에너지 수요에 크게 관여하고 있음을 알 수 있다. 또 [그림 1]에 보이는 바와 같이 가전기기 중에서는 에어컨이 가장 Dy 함유 NdFeB 소결자석의 사용량이 많고, 에어컨에 의한 소비전력량은 대책을 실시하지 않았을 경우를 상정했을 시 2020년에 916억kWh까지 달할 것이라는 보고도 있다. 결과적으로 Dy의 공급장애는 일본의 에너지 수요에 큰 영향을 미치게 된다.
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