하프늄 Hf

발견의 역사

하프늄은 원자 구조 이론이 예측한 원소를 찾아낸 대표적인 사례다. 72번 원소가 희토류의 일종일 것이라는 견해도 있었지만, 닐스 보어의 원자 모형은 이 원소가 4족 원소로서 지르코늄과 비슷할 것이라고 예측했다.

1923년 코펜하겐의 보어 연구소에서 네덜란드의 디르크 코스터와 헝가리 출신의 조르주 드 헤베시는 이 예측에 따라 지르코늄 광석을 X선 분광법으로 분석해 72번 원소의 특성 X선을 확인했다. 앞서 프랑스의 조르주 위르뱅이 '셀튬'이라는 이름으로 72번 원소를 발견했다고 주장했으나, 이는 받아들여지지 않았다. 하프늄은 안정 동위원소를 가진 원소 가운데 끝에서 두 번째로 발견된 원소다(마지막은 1925년의 레늄).

이름의 유래

이름은 코펜하겐의 라틴어 이름 '하프니아(Hafnia)'에서 왔다. 발견이 이루어진 도시를 기린 것이다. 한국어 이름은 '하프늄'이다.

주요 용도

• 원자로 제어봉: 하프늄은 열중성자를 잘 흡수하고 고온의 물에서도 부식에 강해 특히 잠수함 등 함정용 원자로의 제어봉에 쓰인다.
• 지르코늄 정제: 반대로 핵연료 피복관용 지르코늄은 중성자를 거의 흡수하지 않아야 하므로, 광석에 섞여 있는 하프늄을 철저히 제거한다. 원자력용 하프늄은 대부분 이 과정의 부산물로 얻는다.
• 반도체: 산화하프늄은 유전율이 높아 2007년 무렵부터 트랜지스터 게이트 절연막으로 쓰이며 반도체 미세화를 이끌었다. 강유전성 산화하프늄은 차세대 메모리로도 연구된다.
• 초합금·절단: 니켈 초합금 첨가제, 플라스마 절단기의 전극에 쓰인다.

동위원소

자연 하프늄은 여섯 가지 동위원소로 이루어지며 하프늄-180이 약 35%로 가장 많다. 하프늄-174는 반감기가 극히 긴 방사성 동위원소다. 멸종 방사성 핵종인 하프늄-182(반감기 약 890만 년)는 텅스텐-182로 붕괴하는데, 하프늄-텅스텐 계는 지구와 소행성의 핵이 얼마나 빨리 만들어졌는지 추정하는 데 쓰인다. 핵이성질체 하프늄-178m2(반감기 약 31년)는 막대한 에너지를 저장해 한때 논란의 연구 대상이 됐다.

생활 속 원소

스마트폰과 컴퓨터 속 최신 프로세서에는 원자 몇 층 두께의 산화하프늄 막이 들어 있다. 하프늄 금속은 덩어리 상태에서는 안정하지만 미세 분말은 공기 중에서 불붙기 쉽다. 독성은 대체로 낮은 것으로 알려져 있다.