KR100284474B1 - 활성 매트릭스 액정 디스플레이 및 반사방지 블랙 매트릭스의 제조 방법 - Google Patents

활성 매트릭스 액정 디스플레이 및 반사방지 블랙 매트릭스의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 활성 매트릭스 액정 디스플레이(active matrix liquid crystal display)에서 사용는데 적합한 블랙 매트릭스 구조(black matrix structure)에 관한 것이다. 본 발명의 반사방지 블랙 매트릭스는 산화 크롬층과, 크롬, 텅스텐, 몰리브덴, 바나듐, 철 및 니오븀으로부터 선택된 금속과, 제 2 산화 크롬층과, 크롬 미러를 연속적으로 포함하며, 이들 모두는 유리 기판 부재의 전면상에 침착된다. 본 발명의 다른 구조에서는 크롬 미러의 후면상에 층을 이루는 동일 시퀀스를 포함한다. 전술한 블랙 매트릭스는 입사광의 반사율을 0.5% 미만까지 감소시킨다. 본 발명은 음극 스퍼터링을 포함하여 전술한 구조를 형성하는 기법이 또한 제공된다.

Description

활성 매트릭스 액정 디스플레이 및 반사방지 블랙 매트릭스의 제조 방법
제1도는 본 발명에 따른 4중층 블랙 매트릭스 구조의 단면도.
제2도는 본 발명에 따른 7중층 블랙 매트릭스 구조의 단면도.
제3도는 박막 트랜지스터 액정 디스플레이에서 사용하도록 의도된 것으로서, 본 발명의 블랙 매트릭스를 포함하는 컬러 필터의 단면을 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 유리 기판 12 : 제 1 산화 크롬층
13 : 금속층 14 : 제 2 산화 크롬층
15 : 크롬 미러 22 : 블랙 매트릭스 구조
본 발명은 액정 디스플레이 장치(liquid crystal display devices)에 관한 것으로, 특히 반사방지 블랙 매트릭스(antireflective black matrix)를 포함하는 활성 매트릭스 액정 디스플레이(active matrix liquid crystal displays) 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
지난 20년 동안, 적절한 비용으로 만족스러운 성능을 갖는 디스플레이를 제공하기 위해, 고체 장치인 전계발광 디스플레이(electroluminescent displays)로서 통상적으로 일컬어지며 박막내에서 광을 직접 발생하는데 사용되는 종류의 디바이스가 관심의 대상이 되어 왔다.
이러한 기술로 인해, 전류가 네마틱 액정(nematic liquid crystal)을 통해 진행되어, 물질이 랜덤한 방향축을 갖는 영역(domains)에서 분리되는 다이내믹 산란(dynamic scattering)으로 알려진 현상을 기초로 하는 액정 디스플레이가 개발되었다. 이러한 디바이스를 개발하는 후속 단계에서는 비틀린 네마틱 디스플레이(twisted nematic display)를 제조하는 방안을 포함하며, 이러한 네마틱 디스플레이에서 폴리머(polymer)로 코팅되고 러빙(rubbing)된 2개의 매우 인접하여 이격된 유리 플레이트들(glass plates) 사이에 네마틱 액정을 배치하여, 네마틱 액정이 러빙 방향과 평행하게 정렬되도록 한다. 플레이트가 90°로 러빙되면, 액정은 비틀린 구조로 왜곡된다. 편광된 광(polarized light)이 디스플레이를 통과하면 편광면이 비틀리게 된다. 전계가 디스플레이에 제공되면 액정이 회전하여 전계와 함께 자체 정렬되며, 이에 따라 편광의 비틀림 및 회전이 방지된다. 이것은 디스플레이의 전송을 완전히 허용하거나 혹은 전혀 허용하지 않는다.
그후, 전계 기술이 발전함에 따라 박막 트랜지스터/액정 디스플레이 및 컬러 액정 디스플레이가 개발되었다. 후자의 경우, 본 기술 분야에 종사하는 기술자들은 컬러 필터에서 광을 흡수하는 경우 효율이 감소된다는 사실을 알게 되었다. 따라서, 이러한 문제점을 줄이거나 혹은 제거하기 위한 노력이 계속 이루어져 왔다.
지금까지, 이러한 문제점을 해결하기 위한 가장 보편적인 기법은 블랙 매트릭스가 구비된 유리 기판(glass substrate)(유리 플레이트)을 포함하는 활성 매트릭스 액정 디스플레이를 설계하는 것으로서, 블랙 매트릭스는 이 매트릭스 일부분상에 침착된 산화 크롬(chromium oxide)을 통상적으로 포함한다. 이러한 매트릭스는 컬러 필터의 소자들 사이에 분리기를 제공할 때 컬러 디스플레이에 대해 특히 중요한 각각의 픽셀을 정의 및 강조(outline)하는데 목적이 있다.
또한, 블랙 매트릭스는 디바이스의 후면 플레이트상의 전자장치를 마스크(mask)하여 주변광 및 이와 연관된 광퇴화(photodegradation)로부터 전자장치를 보호하는 기능을 한다.
지금까지 사용된 블랙 매트릭스 구조는 통상적으로 블랙 라인의 격자(a grid of black lines)를 포함하며, 이 격자는 통상 불투명한 직사각형 개구 어레이를 제공하도록 이격된 20 나노미터 정도의 두께와 100㎛의 변을 갖는다. 또한, 블랙 매트릭스는 디스플레이를 저하시키는 광 반사를 최소화하는데 사용된다.
종래에는 당업자에 의해 이러한 목적을 달성하기 위한 수많은 방안들이 사용되어 왔다. 따라서, 예를 들어 블랙 매트릭스는 (a) 염색된 블랙 포토레지스트(dyed black photoresists)와, (b) 카본 블랙(carbon black)으로 채워진 포토레지스트와, (c) 패턴화된 크롬과, (d) 패턴화된 크롬/산화 크롬과, (e) 패턴화된 크롬/산화 크롬/3중층 크롬으로부터 제조된 격자(grids)를 구비하였다. 2중층 및 3중층 구조는 모두 매트릭스의 반사를 최소화하도록 설계되었다. 연구 결과, 이들 종래 기술의 구조들 가운데 가장 양호한 매트릭스도 대략 3%의 평균 반사율을 갖는 것으로 드러났다. 따라서, 이러한 특성을 개선시키기 위한 연구 및 노력이 지속되어 왔다.
본 발명에 따른, 본 발명의 목적은 입사광의 반사율을 0.5% 미만까지 감소시킬 수 있는 것으로 입증된 향상된 블랙 매트릭스 구조를 제조함으로써 달성되었다.
본 발명의 구조는 적절한 전면 유리 기판 부재의 후면상에 연속적으로 침착된 4개의 층으로 이루어지며, 이들 층은 산화 크롬, 금속, 산화 크롬 및 크롬 미러(chromium mirror)로 구성된다. 또한, 본 발명의 구조는 이중면으로 구성될 수 있고, 본 명세서에 개시된 크롬 미러의 후면상에 동일 형태의 블랙 매트릭스를 포함하여 7중층 구조를 형성할 수도 있다.
본 발명은 첨부된 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 참조하면 더욱 용이하게 이해될 것이다.
본 발명의 제 1 단계는 액정 디스플레이에서 사용하는데 적합한 기판을 선택하는 단계를 포함함다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 구입가능한 통상의 유리 플레이트를 활용하는 것이 통상적이다. 이어서, 선택된 유리 플레이트를 크롬 타겟을 갖는 음극 스퍼터링 챔버(cathodic sputtering chamber)내에 배치하고, 산소가 존재할 경우에 반응성 스퍼터링을 수행하여, 기판상에 제 1 산화 크롬층을 35∼41 나노미터 범위의 두께로 형성한다.
이어서, 챔버내의 산소 유입을 차단하고, 크롬 타겟을 동일 장소에 배치하거나, 텅스텐, 바나듐(vanadium), 철, 몰리브덴(molybdenum) 및 니오븀(niobium)을 포함하는 그룹(group)으로부터 선택된 금속을 포함하는 타겟으로 대체한다. 이어서, 스퍼터링을 수행하여, 제 1 산화 크롬층상에 10∼30 나노미터의 두께를 갖는 금속막을 형성한다. 금속막의 두께는 전체 구조의 전면 반사율을 최소화시키는 것과 관련하여 결정된다.
이어서, (이전에 제거되었으면) 크롬 타겟을 스퍼터링 챔버내에 다시 배치하고, 산소가 존재하는 경우에 반응성 스퍼터링을 다시 수행하여 상기 금속층상에 37∼42 나노미터 두께를 갖는 제 2 산화 크롬층을 형성한다. 제 2 산화 크롬층의 두께는 전체 구조의 전면 반사율을 최소화시키는 것과 관련하여 결정된다.
이어서, 본 발명을 구현하는데 사용되는 스퍼터링 챔버내에서 크롬을 음극 스퍼터링한 다음 제 2 산화 크롬층상에 크롬 미러를 침착하여, 입사광의 반사율이 0.5% 미만까지 감소하는 것으로 입증된 4중층 블랙 매트릭스를 바람직하게 형성한다.
이어서, 스퍼터링 챔버로부터 블랙 매트릭스 구조를 꺼집어낸 다음, 에칭을 포함하는 전형적인 포토리소그래픽 기법으로 스퍼터링하여 바람직한 픽셀 윈도우가 정의(define)되도록 한다. 연구 결과, 본 발명의 블랙 매트릭스 구조의 3개의 중간층의 두께는 서로 종속적이며 임계적(critical)인 것으로 드러났다. 이하의 테이블 I에서는 본 발명에 사용되는 금속과 더불어 각 층의 최적의 두께가 제공된다. 각각의 경우에 있어서, 산화 크롬층의 두께는 수십 나노미터이고, 금속층의 두께는 10∼30 나노미터 범위를 갖는다. 각각의 경우에 있어서 평균 반사율은 이와 유사한 종래의 기술에서 밝혀진 반사율보다 훨씬 낮다는 사실에 유의하여야 한다.
[테이블 I]
[Cr/Cr2O3/M/Cr2O3의 4중층 반사방지기]
이하의 테이블 II은 본 발명에 따른 블랙 매트릭스 구조의 특성에 대한 상세한 분석을 예시한 것으로, 이 구조에서는 몰리브덴 금속이 사용된다. 테이블을 참조하면, 층의 두께는 다중층 스택(multilayer stack)의 성능에 결정적이지만 반사 특성이 만족스럽게 낮은 구조를 형성하기 위해 최적의 값으로 변경될 수도 있음을 보여준다. 이것은 4중층 구조에서 특히 중요하고, 보다 제한된 공차(more limited tolerances)를 갖는 3중층 구조보다 많은 장점을 제공한다.
[테이블 II]
[Cr/Cr/Mo/Cr의 4중층 반사방지기]
몰리브덴은 에칭을 고려하는 경우에 특히 중요함에 유의하여야 한다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 블랙 매트릭스를 제조하기 위한 가장 효율적인 절차는 구성요소의 막을 원하는 디바이스의 전면 유리 기판의 후면의 전체에 침착하고, 이어서 픽셀 윈도우를 에칭 완료하는 단계를 포함하는 것이다. 몰리브덴은 이러한 방식에 특히 적합한데, 그 이유는 크롬, 산화 크롬 및 몰리브덴은 모두 동일한 에칭제에 의해 에칭될 수 있기 때문이다. 이에 따라, 블랙 매트릭스는 하나의 포토리소그래픽 에칭(photolithographic etching) 단계에서 패터닝될 수 있으며, 그 결과 이들을 보다 경제적으로 마련할 수 있다.
제1도를 참조하면, 본 발명에 따른 전형적인 블랙 매트릭스의 단면도가 도시되어 있다. 제1도에는 유리 기판(11)의 후측상에 연속적으로 침착되는 제 1 산화 크롬층(12)과, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐 철, 크롬 및 니오븀들 중에서 선택된 금속층(13)과, 제 2 산화 크롬층(14)과, 크롬 미러(15)가 도시되어 있다.
제1도에 도시된 것과 동일하게 사용되는 본 발명의 구조는 제1도의 4중층 스택의 크롬 미러의 후측상에 동일한 반사방지막을 침착시킴으로써 마련될 수 있다. 이러한 구조는 제2도에 도시되어 있으며, 이 구조는 제 1 산화 크롬층(16)과, 제 2 산화 크롬층(18)과, 층(16)과 층(18) 사이의 금속층(17)을 포함한다. 이러한 이중 사이드의 7중층 구조는 디스플레이 장치 외부로부터 입사하는 주변광과, 디스플레이 장치에 집적되는 후광으로부터의 광에 대해 반사방지 특성을 가지며, 그렇지 않으면 광은 디스플레이 전자장치내로 되반사될 수 있다.
제3도를 참조하면, 제1도 또는 제2도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 블랙 매트릭스를 포함하는 컬러 필터의 단면을 도시한 정면도가 도시되어 있다. 도시된 컬러 필터는 박막 트랜지스터 액정 디스플레이에서 사용하는데 적합하다.
제3도에는 본 명세서에 개시된 바와 같이, 유리 기판(21) 위에 포토리소그래픽 기법에 의해 마련된 블랙 매트릭스 구조(22)의 패턴이 도시되어 있다. 전형적으로 매트릭스(22)는 제각기 적색, 녹색 및 청색 필터인 컬러 필터 소자들(23, 24, 25) 사이에 스페이서(spacer)로서 역할을 담당한다. 이 구조의 최상부 표면에는 예를 들어, 산화 주석 인듐인 전극이 침착된다.
본 발명의 기법에 따라 테이블 I 및 II에 개시된 데이타를 기초하여 제공된 블랙 매트릭스는 종래 기술의 것보다 뛰어난 반사방지 특성을 제공하며, 본 기술에 종사하는 자에 의해 실행가능한 도관(viable conduit)을 상업적인 응용에 적용할 수도 있음을 명백하게 이해할 것이다.
본 발명은 전술한 설명에서 상세히 기술되었지만, 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 정신 및 영역을 벗어나지 않은 범위내에서 여러 가지 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 블랙 매트릭스의 금속 부재로서 예를 들어, 지르코늄 및 티타늄이 활용될 수도 있다. 그러나, 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면, 이들 물질은 표준 포토리소그래픽 기법으로 에칭될 수 없기 때문에, 유리 기판의 바람직하지 않은 영역내에서 이를 제거하기 위한 다른 대체 수단이 요구될 수도 있음을 또한 이해할 것이다. 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면, 스퍼터링 공정 동안 침착되는 프러덕트 성질이 여러가지로 변경될 수도 있음을 또한 이해할 것이다. 예를 들면, 산화 크롬의 침착시, 침착되는 각각의 층은 화학양론적인 Cr2O3가 발생되지 않고, 기타 산화 크롬을 포함하는 혼합물이 발생될 수도 있다.

Claims (7)

  1. 액정 디스플레이(liquid crystal device)에 있어서, 유리 기판 부재(a glass substrate member)의 후측상에 침착되는 반사 방지 블랙 매트릭스(an antireflective black matrix) 및 거울(mirror)을 포함하되, 상기 블랙 매트릭스는, 35∼41nm 범위 내의 두께를 갖는 제 1 산화 크롬층(a first chromium oxide layer)과, 10∼30nm 범위 내의 두께를 갖는 몰리브덴(molybdenum)으로된 금속층과, 37∼42nm 범위 내의 두께를 갖는 제 2 산화 크롬층(a second chromium oxide layer)을 연속적으로 포함하는 액정 디스플레이.
  2. 제1항에 있어서, 상기 크롬 미러의 상기 후면상에 제 1 산화 크롬층, 몰리브덴층 및 제 2 산화 크롬층을 더 포함하는 액정 디스플레이.
  3. 제1항에 있어서, 상기 몰리브덴 층의 두께는 10.72 나노미터이고, 상기 제 1 및 제 2 산화 크롬층의 두께는 각각 35.61 및 42.1 나노미터인 액정 디스플레이.
  4. 박막 트랜지스터 액정 디스플레이에서 사용하는 반사방지 블랙 매트릭스를 제조하기 위한 방법에 있어서, (a) 산소가 존재하는 경우, 크롬 반응성 스퍼터링에 의해 전면 유리 기판의 후측면상에 제 1 산화 크롬층을 35∼41 나노미터 범위의 두께로 침착(deposit)하는 단계와; (b) 음극 스퍼터링(cathodic sputtering)에 의해 상기 제 1 산화 크롬층상에 텅스텐, 바나듐, 철, 크롬, 몰리브덴 및 니오븀으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속층을 10∼30 나노미터 범위의 두께로 침착하는 단계와; (c) 산소가 존재하는 경우, 크롬 반응성 스퍼터링에 의해 상기 금속층상에 제 2 산화 크롬층을 37∼42 나노미터 범위의 두께로 침착하는 단계와; (d) 상기 제 2 산화 크롬층상에 크롬 미러를 침착하는 단계를 포함하는 반사방지 블랙 매트릭스의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 금속은 몰리브덴인 반사방지 블랙 매트릭스의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 몰리브덴 층의 두께는 10.72 나노미터이고, 상기 제 1 및 제 2 산화 크롬층의 두께는 각각 35.61 및 42.1 나노미터인 반사방지 블랙 매트릭스의 제조 방법.
  7. 제2항에 있어서, 상기 크롬미러층의 후면상에 포함되는, 상기 몰리브덴층, 제 1 및 제 2 산화 크롬층의 두께는, 각기 10.72 나노미터, 35.61 및 42.1 나노미터인 액정 디스플레이.
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