하프늄은 어떻게 발견되었나요?

하프늄의 발견

1923년 스웨덴의 화학자 헤르비와 네덜란드의 물리학자 D. 코스터는 노르웨이와 그린란드에서 생산된 지르콘에서 하프늄 원소를 발견했습니다. 하프늄으로 명명되었습니다. 코펜하겐의 라틴어 이름인 하프니아에서 유래했습니다. 1925년 허비와 코스터는 불소화 착물의 분별 결정화를 통해 지르코늄과 티타늄을 분리하여 순수한 하프늄 염을 얻고, 하프늄 염을 나트륨 금속으로 환원하여 순수한 금속 하프늄을 얻었습니다. 헤르브시는 순수 하프늄 샘플을 여러 개 만들었습니다.

1998년 텍사스 대학의 칼 콜린스 교수는 실험을 통해 감마선을 조사하면 화학 반응보다 5배나 높은 엄청난 양의 에너지를 방출하지만 핵 반응보다는 3배나 낮은 에너지를 방출할 수 있다고 주장했습니다. Hf 178 M2는 유사한 장수명 동위원소 중 가장 긴 수명을 가지고 있으며, 반감기는 31년으로 자연 방사능은 약 1조 6천억 베크렐입니다. 콜린스는 순수한 Hf178m2 1그램에는 약 1330메가줄이 포함되어 있으며, 이는 300킬로그램의 TNT가 폭발할 때 방출되는 에너지와 같다고 보고했습니다.

콜린스는 이 반응의 모든 에너지가 매우 빠른 X-선 또는 감마선의 형태로 방출되며, Hf178m2는 매우 낮은 농도에서 반응한다고 보고했습니다. 국방부는 이를 위해 자금을 할당했습니다. 이 실험의 신호 대 잡음비는 매우 낮았으며, 그 이후로 DARPA와 JASON 국방 자문 그룹을 포함한 다양한 조직의 과학자들이 수많은 실험을 했음에도 불구하고 콜린스가 주장한 조건에서 이 반응을 달성한 과학자는 없었으며 콜린스는 그 존재에 대한 강력한 증거를 제시하지 못했습니다. 2006년에 콜린스는 유도 감마선 방출을 통해 Hf 178m2에서 에너지를 방출할 것을 제안했지만, 다른 과학자들은 이론적으로 불가능하다는 것을 증명했습니다. Hf178m2는 학계에서 에너지원으로 널리 알려져 있습니다.

하프늄의 제품 및 용도

하프늄은 전자를 전달하기 쉽기 때문에 매우 유용합니다. X-선 튜브의 음극으로 사용되며, 고전압 방전관의 전극으로 HF 및 w 또는 Mo 합금이 사용됩니다. 음극 및 텅스텐 필라멘트 제조 산업은 일반적으로 엑스레이로 사용됩니다. 순수 하프늄은 가소성, 가공 용이성, 고온 저항성 및 내식성으로 인해 원자력 산업에서 중요한 소재입니다. 하프늄은 열 중성자 포집 단면적이 넓어 이상적인 중성자 흡수체입니다. 원자로의 제어봉 및 보호 장치로 사용할 수 있습니다. 하프늄 분말은 로켓의 프로펠러로 사용할 수 있습니다. X-선 튜브의 음극은 전기 산업에서 제조할 수 있습니다. Hf-Ta 합금은 로켓 노즐과 활공 재진입체의 전면 보호층으로 사용할 수 있습니다. Hf-Ta 합금은 강철 및 저항성 재료의 도구로 사용할 수 있습니다. 내열 합금의 하프늄은 텅스텐, 몰리브덴 및 탄탈륨 합금과 같은 첨가제 원소로 사용되어 하프늄을 추가합니다. HfC는 경도가 높고 융점이 높기 때문에 초경합금의 첨가제로 사용할 수 있습니다. 4TaCHfC의 녹는점은 약 4215℃로 가장 높은 녹는점 화합물입니다. 하프늄은 많은 풍선 시스템의 게터로 사용할 수 있습니다. 하프늄 게터는 가스 없이 시스템에서 산소와 질소를 제거할 수 있습니다. 하프늄은 고위험 작업에서 유압 오일의 휘발을 방지하기 위해 유압 오일의 첨가제로 자주 사용됩니다. 휘발성이 강하기 때문에 일반적으로 산업용 및 의료용 유압유에 사용됩니다.

하프늄 원소는 최신 인텔45 나노미터에도 사용됩니다. 이산화규소 (SiO2)는 제조가 가능하고 두께를 줄여 트랜지스터 성능을 지속적으로 향상시킬 수 있기 때문에 프로세서 제조업체는 실리카를 게이트 유전체 재료로 사용합니다. 인텔이 65나노미터 제조 공정을 도입했을 때 이산화규소 그리드 유전체 두께는 5층 원자에 해당하는 1.2나노미터로 줄었습니다. 그러나 트랜지스터가 원자 크기로 줄어들면서 전력 소비와 열 방출의 어려움이 동시에 증가하여 전류와 불필요한 열 에너지가 낭비되는 문제가 발생했습니다. 따라서 전류를 계속 사용하면 전류가 줄어듭니다. 또한 게이트 유전체 누설 전위의 두께가 크게 증가하여 트랜지스터 기술이 한계에 부딪히게 됩니다. 이 핵심 문제를 해결하기 위해 인텔은 이산화 규소를 더 두꺼운 하이-K 소재(하프늄 기반 소재)로 게이트 유전체로 대체할 것을 공식적으로 제안했고, 이 역시 누설량을 10배 이상 줄이는 데 성공했습니다. 인텔의 45나노 공정은 이전 65나노 기술에 비해 트랜지스터 밀도를 거의 두 배로 높이고, 프로세서의 총 트랜지스터 수를 늘리거나 프로세서 크기를 줄였습니다. 또한 트랜지스터 스위칭에 더 적은 전력이 필요하고 전력 소비가 거의 30% 감소했으며 내부 인터커넥트에는 저유전체 구리선을 사용합니다.