산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2025.10 (p84-86)

고가의 기판도 아낌없이 사용
제3회 니치아화학공업 특유의 경영 방침

니치아화학공업의 성장력과 수익력의 원천은 고부가가치 제조에 있다. 대표적인 것은 ‘20세기에 실현되기 어렵다’는 청색 발광다이오드(LED). 하지만 개발 난이도가 LED 이상으로 높은 청색 반도체 레이저도 잊지 말아야 한다. 왜 니치아화학공업은 부가가치가 높은 제품을 계속 만들어 낼 수 있을까? 청색 반도체 레이저의 개발 이야기에서 그 답을 찾는 제3회. 레이저 발진을 향한 시행착오의 과정을 그린다.

니치아화학공업이 청색 반도체 레이저 개발을 시작한 것은 1994년이었다. 1993년의 연말 송년회에서, 입사 3년차 신진 기술자였던 나가하마(長濱) 씨(현 제2부문 LD사업본부 주석연구원. 박사)의 한 마디에서 시작되었다.

사내에는 반대의 소리도 있었지만, 나가하마 씨를 포함한 3명의 아마추어 팀으로 개발은 시작되었다. 세 사람은 지금까지의 상식에 얽매이지 않고, 질화갈륨(GaN)계 반도체 레이저의 ‘전류 주입에 의한 레이저 발진’이라는 목표를 내걸었다.

가장 먼저 도전한 것이 청색 LED의 전력 변환 효율 향상이다. 발광층인 질화인듐갈륨(InGaN)에 억셉터로서 아연(Zn)을, 도너로서 규소(Si)를 도프(불순물로서 첨가)해, 파장을 청색 영역인 450nm로 시프트시키고, 동시에 양자 우물 구조를 채택해 낮은 효율을 타파했다.

-- '레이저 발진 안 함' --
이렇게 해서 고휘도의 녹색 LED는 탄생했다. 니치아화학공업의 개발 메인 테마는 반도체 레이저가 되었고, 개발 팀의 인원은 서서히 늘어갔다. 하지만 레이저 발진이라는 목표는 전혀 보이지 않았다.

니치아화학공업에서는 한 달에 한 번, 개발에 관해서 보고한다. 반도체 레이저 개발팀의 월간보고서는 개발을 시작하고 2년 동안 완전히 똑같은 문구로 마무리돼 있었다.

워낙 진척이 없다 보니 다른 부서에서는 싫은 소리도 날아왔다. “얼마 정도의 전류를 보내고 있는 거야?” “그렇게 전류를 보내도 레이저 발진이 안 되는 거야?” “정말로 레이저 발진이 되는 거야?”라고.

하지만 전인미답의 영역이었고, 어쨌든 레이저 발진을 하지 않는 원인을 알 수 없었다. 레이저 전용 설비나 지그(Jig)도 없기 때문에 그것들을 직접 만들거나 도면을 작성해 제작을 의뢰해야 했었다. LED와는 다른 고도의 기술이 요구되는 가운데, 개발팀은 손으로 직접 만든 느낌이 가득한 디바이스 만들기에 주력하고 있었다.

-- 7000번의 결정 성장 --
여기에 반도체 레이저 개발을 성공으로 이끈 또 다른 요인이 있다. 그것은 엄청 많은 실험을 실시한 것이다. 이는 반도체 레이저에 국한된 요인은 아니다. 니치아화학공업의 개발의 성공 요인이며, 특징이기도 하다.

반도체 레이저 개발팀은 개발을 시작한 1994년 1월부터 레이저 발진한 1995년 11월까지 2년여 동안 반도체 레이저용 결정 성장을 무려 7000회나 실시했다고 한다. 당시의 반도체 레이저는, 직경 2인치의 사파이어 기판 위에 결정을 성장시키고 있었다. 실험에 사용하고 있던 MOCVD(유기금속을 사용하는 화학적 기상성장법) 장치는 2대로, 각각 하루에 4~5장의 사파이어 기판을 사용했다. 게다가 MOCVD 장치는 주말에도 가동시키고 있었다고 한다.

이 사파이어 기판은 당시, 한 장에 3만엔 이상을 호가했다. 그것을 하루에 10장 정도 사용하고 있었다. 즉 30만엔 이상의 비용이 드는 실험을 2년 가까이 개발팀은 계속한 것이다. 게다가 레이저 발진이 가능한지 여부가 전혀 보이지 않는데도 말이다.

하지만 성공할지 어떨지 모르는 개발에도 최대한의 자금을 투입해 개발을 지지하는 것이 니치아화학공업의 경영 방침이다. 결과적으로, 반도체 레이저에서도 이 방침이 결실을 맺게 되지만, 그것을 알 수 있는 것은 아직 나중의 일이다.

-- 인력에 의한 미세 가공 --
반도체 레이저를 개발하는 데 있어 넘어야 할 과제는 여러 가지가 있지만, 그 중에서도 고생한 것이 ‘인력으로 하는 미세 가공’이다.

레이저는 발진 조건을 만족할 때까지 빛을 활성층 내에 가둘 필요가 있다. 칩의 양 끝에 반사경을 설치하여, 활성층에서 방출된 빛을 칩 안에 가둔다. 한쪽의 반사경의 반사율을 높게, 다른 쪽 반사경의 반사율을 낮게 해두고, 빛의 반사를 반복함으로써 증폭시켜, 같은 위상과 파장의 빛을 반사율이 낮은 쪽의 반사경으로부터 방출시키는 구조다.

이 반사경에 해당하며, 빛을 활성층에 가두는 중요한 역할을 하는 것이 '공진기'다. 개발팀은 이 공진기를 만드는 데 어려움을 겪었다. 공진기의 단면(이하 공진기 단면)을 평행하면서 평활(평평하고 매끄러운)한 면으로 가공할 필요가 있었기 때문이다. 게다가 요구 수준은 '원자 수준'. 즉, 원자 수준에서 평행하고 평활한 공진기 단면을 사람 손으로 만들어야 했던 것이다. 게다가 당시에는 딱딱한 사파이어를 재료로 썼기 때문에 미세 가공하는 작업은 큰 일이었다.

개발팀은 세 가지 방법으로 공진기 단면을 미세 가공했다. 첫 번째는 결정이 특정 방향을 따라 쉽게 갈라지는 성질을 이용하는 '벽개(Cleavage)', 두 번째는 공진기를 물리적으로 연마하는 '단면 연마', 세 번째는 화학적 방법으로 깎아내는 '드라이 에칭'이었다. 결론부터 말하면, 이 방법들은 모두 성공했다. 하지만 최초로 레이저 발진에 성공했을 때 채택된 방법은 단면 연마이다.

-- 날마다, 하루도 빠짐없이 손으로 연마 --
사파이어 기판(웨이퍼)을 다이싱(Dicing)으로 임시 절단하여 바(bar) 형태의 소재로 만든 뒤, 그것을 수직으로 세워 한쪽 단면을 연마했다. 원자 레벨의 평행이나 평활함을 충족하는 것은 매우 어려웠지만, 어쨌든 지그를 사용해 손으로 계속 연마했다. 담당자는 날마다, 하루도 빠짐없이 단면을 손으로 연마했다. 그러다 μm 단위로 두께를 감지할 수 있게 되었다. 이 작업을 6개월 동안이나 계속했다. 담당자가 매일 매일같이 한결 같은 자세로 묵묵히 연마하는 모습을 보고 주변에서는 “그들은 마음을 닦고 있는 것이다”라는, 농담인지 진담인지 알 수 없는 말까지 돌았다고 한다.

전극에도 미세 가공이 필요했다. 빛을 가두고 있는 반도체 위에, 전류를 흐르게 하기 위한 전극을 부착해야 했다. 요구된 것은 불과 2μm의 폭에 정확히 2μm의 전극을 부착하는 지극히 어려운 작업이었다. 전극이 조금이라도 벗어나면, 전류가 균일하게 흐르지 않게 되고, 결과적으로 빛을 가둘 수도 없게 된다. 이것도 담당자가 손으로 직접 작업했다.

그리고 개발팀은 마침내 역사적인 날을 맞이하게 된다.

 -- 끝 --
 

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Nikkei Monozukuri_2025.10 목차

도전자
생존을 걸고, 새로운 사업에서 BtoC 참여도
나와시로 미쓰히로(苗代 光博, 도요타합성 이사∙집행임원 CTO)

뉴스의 심층
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REPORT
・오사카메트로의 엑스포 귀가 곤란 트러블, 원인은 제3 레일 이음매에서의 지락(Ground Fault)

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Part 1. 규제 강화의 행방
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Part 2. 임팩트
일괄 규제라면 수십 조 엔 산업 직격탄, 전전긍긍하는 반도체와 자동차

Part 3. 탈 PFAS
PFAS 프리에 비즈니스 기회, 가속하는 대체품 개발

Part 4. 분석 서비스
규제 대책을 위해 수요 급증, 매출 10배의 경우도

Part 5. 분해∙제거
분리 회수 등 처리 기술이 속속 등장, 일본 기업들이 노리는 30억 달러 시장

특집2
기가캐스트 대 핫스탬프
일체 성형으로 경쟁하는 자동차 바디

Part 1
핫스탬프에 다시 각광 -- 테슬라, 기가캐스트를 일부 폐지

Part 2
기가캐스트는 한정적 -- 혼다, 1.5GPa급 핫스탬프를 활용

Part 3
알루미늄과 강철은 단면으로 구별 사용 -- 닛산, 차체 골격 '일체화는 당연'

Part 4
배터리 케이스의 최전방 -- 닛산은 알루미늄, 테슬라는 강철 증가로

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희토류 규제의 영향 40% 남짓 '있음', 조달 루트 다양화에 쫓기는 기업
-이번 조사 테마 ‘희토류의 서플라이 체인에 관한 실태’-

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