KR100358643B1 - 컬러필터제조방법및구조 - Google Patents

Abstract

이 발명은 유기 물질을 이용하여 블랙 매트릭스를 구성한 컬러필터의 제조방법 및 구조에 관한 것이다.

종래의 컬러필터는 크롬 등의 금속막으로 블랙 매트릭스를 형성한 후, 블랙 매트릭스와 유리 기판 위에 색 필터층을 형성하고, 색 필터층과 블랙 매트릭스 위에 보호막을 형성한 다음 투명전극을 형성한 구조를 가지고 있다.

그러나, 이와 같이 종래의 컬러필터를 형성하면 색 펄터층을 형성하기 위해 자외선에 노광시키는 공정에서 빛의 흡수, 반사로 인하여 색 필터층의 상층부와 하층부에 빛의 흡수량 차이가 발생하여 색 필터층의 에지부에 변형이 발생하여 언더 컷 현상이 발생하고, 차광용으로 색 필터층을 형성하기 이전에 형성하는 블랙 매트릭스에 의한 반사율이 높은 문제점이 있었다.

따라서, 이 발명에서는 유기 포토 레지스트를 사용하여 색 필터층을 형성한 후 상기한 색 필터층 형성 방법과 동일한 공정으로 색 필터층 사이에 블랙 매트릭스를 형성하여 스탭 커버리지를 개선할 수 있다는 효과와 블랙 매트릭스에 의한 반사율을 줄일 수 있다는 효과를 가져온다. 또한, 블랙 매트릭스의 비전도성 때문에 종래의 보호막 형성 공정을 줄일 수 있어 스루풋을 향상시키고 원가를 절감할 수 있는 효과를 가져온다.

Description

컬러필터 제조방법 및 구조

발명이 속하는 기술분야 및 그분야의 종래기술

이 발명은 컬러필터 제조방법 및 구조에 관한 것으로 더욱 상세하게 말하자면, 액정 표시장치(liquid crystal display)의 컬러 표시를 위해 컬러필터(color filter)를 형성하는데 있어서, 유기 물질을 사용하여 블랙 매트릭스(black matrix)를 구성하는 컬러필터의 제조방법 및 구조에 관한 것이다.

일반적으로 빛은 짧은 파장을 갖는 전자기파의 일종으로 우리는 가시 영역인380nm(nanometer,10^-9meter)에서 780nm 까지의 전자기파를 빛으로 느낀다.

이와 같이 우리가 눈으로 감지할 수 있는 여러가지 파장의 빛은 그 파장에 따라 고유한 색상을 띠고 있는데, 이들중에서 적·녹·청의 3가지 색을 빛의 3원색이라 하고, 이 3원색의 세기를 여러가지로 바꾸어 혼합하면 많은 색을 표현 할 수 있다.

화면 표시장치에는 컬러 표시를 위하여 이러한 빛의 3원색을 이용하는 경우가 대부분인데 화면 표시부에 적·녹·청의 3가지 색을 나타낼 수 있는 픽셀(pixel)을 일정한 방법으로 배열하고, 픽셀에서 나오는 이들 3가지 색을 조합하여 컬러(color) 표시를 한다.

액정 표시장치에 있어서, 컬러 표시를 나타내기 위한 방법이 여러가지 있는데 이 발명은 화면 표시부에 컬러필터(color filter)를 형성하고, 3가지 색을 나타낼 수 있는 픽셀을 배치하여 이곳을 통과한 빛이 해당 색조를 띨 수 있도록 구성한 액정 표시장치에 관한 것이다.

일반적으로 빛이 어떠한 물체에 입사하면 흡수, 반사, 투과 등의 현상이 일어나는데 모든 물질이 갖는 색상이나 투명성 등은 빛의 이러한 현상에 의해서 발생한다.

물질을 이루고 있는 원자는 중심에 핵을 이루고 그 외각에 전자를 갖는 구조를 가지고 있는데 이 원자들이 모여 결정을 이룰 때 외각의 전자들이 상호 작용하여 에너지 밴드(energy band)를 형성한다.

에너지 밴드는 결정 속에 있어서 전자가 가질 수 있는 에너지 상태, 즉 에너지 준위가 서로 근접한 다른 원자의 영향을 받아 띠 모양을 이룬 것을 말하는데, 전자가 가질 수 없는 에너지 영역인 금지대와, 전자가 존재 할 수 있는 영역인 허용대가 있고, 이 허용대에는 다시 전자가 충만되어 있는 가전자대와 일부만 전자로 채워져 있는 전도대로 나뉘는데 전도대에 있는 전자는 자유로이 움직일 수 있다.

금속결합을 하고있는 금속과 같은 물질은 전도대의 전자가 넓은 범위의 입사광을 쉽게 흡수할 수 있어 입사되는 빛을 강하게 반사하거나 흡수한다. 즉, 입사광이 가지고 있는 에너지를 흡수하여 전자가 높은 에너지 준위로 여기(exciting)되고, 여기된 전자가 결정내의 원자 또는 이온들과 충돌하여 여분의 에너지를 격자진동으로 방출하는 것을 흡수라 한다. 그러나 대부분의 여기된 전자는 안정된 바닥준위로 떨어지면서 포톤(photon)을 방출하게되고 이 결과로 빛이 반사된다.

이온결합의 경우는 모든 전자가 원자에 강하게 구속되어 있어 입사광의 에너지가 금지대보다 크거나 같지 않으면 빛을 흡수 할 수 없다. 일반적으로 이온결합에 있어서 금지대 폭으로 나타나는 밴드갭은 6∼9 eV(electron voltage)인데 입사광이 이보다 큰 에너지를 가지고 있으면 결정에 흡수되어 빠르게 소멸된다. 따라서 이온결합을 갖는 물질은 가시 영역의 빛에는 투명하지만 자외선 부근의 빛에 대해서는 강한 흡수성을 갖는다.

그러나, 이온결합의 경우에 있어서 결정내에 불순물이 존재하게되면 불순물이 존재하는 위치에 있는 전자의 에너지 준위가 달라지게 된다. 즉, 불순물 근처의 전자들은 강한 결합을 하지 못하고 가전자대와 전도대 사이의 에너지 준위를 갖게된다.

이 새로운 에너지 준위가 빛의 흡수정도를 변화시키게 되는데, 새로운 준위에 의한 흡수가 가시광 영역에 있으면 결정이 색을 나타내게 되고 그 색의 강도(intensity)는 불순물의 밀도에 따라 달라진다.

액정 표시장치에 있어서 컬러필터의 구성은 빛의 이러한 특성을 이용하는데, 순수한 결정 상태에서 투명한 광학적 효과를 갖는 물질에 여러가지 불순물을 주입하여 원하는 색을 재현시킬 수 있도록 하여 적·녹·청의 3가지 색상을 갖는 컬러필터 층을 형성하고, 빛을 흡수 또는 반사하는 물질로 블랙 매트릭스를 형성한다.

이러한 원리에 의해 색을 표시 할 수 있는 컬러필터 층의 제조방법은 염색법, 안료 분산법, 인쇄법 등의 여러가지 방법이 있다.

염색법은 컬러필터 층의 패턴(pattern)을 형성한 후, 이 패턴을 염색하는 방법이고, 인쇄법은 유리 기판에 인쇄기법을 이용하여 직접 착색층을 부착하는 방법이다. 안료 분산법은 염료 또는 안료 등의 여러 불순물을 주입하여 착색된 물질을 유리 기판에 도포하여 패턴하는 방법이다.

일반적으로 액정 표시장치의 패널(panel)은 적·녹·청의 3가지 컬러필터 층과 블랙 매트리스와 공통전극 등이 형성된 상부 기판과, 액정을 구동시키기 위한 스위칭(switching) 소자로 사용하는 반도체 소자와 배선들이 형성되는 하부기판으로 구성되는데, 상기한 상부기판에 종래의 컬러필터를 형성하는 방법 및 구조를 제1도에 도시하였다.

제1도 (가)∼(바)는 종래의 컬러필터 제조 공정도로서, 제1도의 (가)∼(바)에 도시되어 있는 종래의 컬러필터 제조방법 및 구조를 설명하면 다음과 같다.

유리 기판(1) 위에 크롬(Cr) 등의 금속막을 형성한 후 이 금속막 위에 포토 레지스트(photo resist)를 도포(coating)하고 노광(exposure)시킨 후 현상(development)하여 포토 레지스트를 일정한 패턴(pattern)으로 형성하고, 이 패턴된 포토 레지스트를 마스크(mask)로 사용하여 상기한 금속막을 습식법으로 에칭(etching)한 후 포토 레지스트를 제거(strip)하면 일정한 패턴의 금속막이 형성되는데, 이와 같은 공정을 포토 리소그래피(photo lithography)라 하고, 이와 같은 공정에 의해 형성되는 패턴된 금속막을 블랙 매트릭스(black matrix, 2)라 한다. 이 블랙 매트릭스(2)는 액정을 구동하기 위한 스위칭(switching) 소자로 사용하기 위하여 하부 기판에 형성하는 반도체 소자에 빛으로 인하여 유기되는 누설전류 및 열화를 방지하고, 화면을 표시하는 단위인 화소의 유효부분 이외의 영역에서 빛이 투과하는 것을 차단하여 화면에 흑(black)을 강조하므로써 양호한 컨트라스트(contrast)를 얻기 위한 수단으로 형성하는 것으로 1000∼2000Å(angstrom) 정도의 두께를 갖도록 하여 제1도 (가)에 도시한 바와 같이 형성한다.

상기한 블랙 매트릭스(2)와 유리 기판(1) 위에 최적화된 분광 특성을 갖는 네가티브 형 포토 레지스트(negative type photo resist)로 (나)에 도시한 바와 같은 착색 레지스트(3)를 형성한다. 이 착색 레지스트(3)는 적색 안료를 분산시켜 착색된 아크릴(acryl) 감광성 수지로 구성되는데, 이 감광성 수지를 대략 1.3∼2.0㎛(micro meter) 정도의 두께로 도포하고 80∼110℃의 핫 플레이트(hotplate)에서 약 90초 정도 소프트 베이크(soft bake)를 실시한다. 이 소프트 베이크 공정은 연화 건조라고도 하는데, 상기한 착색 레지스트(3)가 접착성과 내구성을 갖도록 하기 위하여 실시한다.

소프트 베이크 공정이 끝난 후 다음에 실시되는 노광 공정에서 발생하는 착색 레지스트(3)의 산화를 방지하기 위하여 수용성 수지를 도포하고 건조시켜 (다)에 도시한 바와 같이 산화 방지막(4)을 형성한다.

다음으로 (라)에 도시한 바와 같이 포토 마스크(photo mask, 5)를 사용하여 자외선에 노광을 실시한다.

상기한 노광 공정이 끝난 후 탈 이온수(deionized water)로 1∼2분 정도 세척하여 상기한 산화 방지막(4)을 박리한 다음 노광되지 않은 착색 레지스트(3) 부분을 제거하기 위하여 현상액으로 2∼4분 정도 현상하고 다시 탈 이온수로 1∼3분 정도 린스(rinse)하고, 착색 레지스트(3) 내부에 잔존하는 솔벤트(solvent) 등의 휘발성 물질과 수분을 제거하여 유리 기판(1)과 착색 레지스트(3) 사이의 밀착성을 증가시키기 위하여 약 100∼180℃의 온도에서 포스트 베이크(post bake)를 실시하여 (마)에 도시한 바와 같이 최적화된 적색 분광 특성을 갖는 적색 필터층(6)을 형성한다. 이때, 적색 필터층(6)은 블랙 매트릭스(2)와 약간 중첩되게 형성한다.

상기한 적색 필터층(6)을 형성하는 공정에서 녹색 안료를 분산시킨 착색 레지스트(3)와 청색 안료를 분산시킨 착색 레지스트(3)를 사용하여 (나)∼(마)의 공정을 반복 실시하면 (바)에 도시한 바와 같이 녹색 필터층(7)과 청색 필터층(8)이 형성된다.

이와 같은 공정들에 의해 색 필터층(6,7,8)을 형성한 후, 이 색 필터층(6, 7, 8)과 블랙 매트릭스(2)를 외부의 충격에서 보호하고 색 필터층(6, 7, 8)의 평탄화를 위해서 (사)에 도시한 바와 같이 보호막(over coat layer, 9)을 형성하는데, 상기한 보호막(9)을 형성하는 공정을 실시하지 않고 다음 공정을 진행하여 투명전극(10)을 증착하게 되면 색 필터층(6, 7, 8)의 에지(eage)에서 투명전극(10)의 단선이 발생하고, 또한 투명전극(10)과 블랙 매트릭스(2)와의 통전에 의해서 커패시터(capacitor)가 발생하여 액정의 구동에 문제를 일으키기 때문에 형성한다. 이와 같은 이유로 형성하는 보호막(9)은 표면 경도가 높고 광투과성이 우수한 폴리이미드(polyimide), 폴리아크릴레이트(poly-acrylate), 폴리우레탄(polyurethane) 등의 투명수지로 구성되는데, 이들을 1∼3㎛ 정도의 두께로 형성한 후 150∼220℃에서 약 5분간 가열하는 포스트 베이크(post bake)공정을 실시하여 보호막(9)을 형성하고, 마지막으로 상기한 보호막(9) 위에 액정을 구동시키기 위한 전압을 인가하기 위하여 ITO(indium tin oxide)로 구성되는 투명전극(10)을 약 500∼1800Å 정도의 두께로 스퍼터링(sputtering)에 의해 증착하면, 제1도 (사)에 도시한 바와 같이 종래의 컬러필터를 형성한 액정표시장치의 상부 기판이 완성된다.

상기한 바와 같이 종래의 컬러필터를 형성하면 다음과 같은 문제점이 발생한다.

컬러필터를 형성하기 위하여 자외선에 노광시키는 공정에서 착색 레지스트(3)에 의한 빛의 흡수, 반사로 인하여 빛의 흡수량에 차이가 발생하게 된다. 이에 따라 상기한 착색 레지스트(3)를 현상하여 색 필터층(6, 7, 8)을 형성하면 색 필터층(6, 7, 8)의 에지(edge)부의 형상이 변형된다. 즉, 자외선 빛이 용이하게 도달하는 색 필터층(6, 7, 8)의 상층부는 패턴의 크기가 크고, 착색 레지스트(3)에 분산되어 있는 안료에 의해 빛이 흡수, 반사 또는 산란에 의해 색 필터층(6, 7, 8)의 하층부는 빛이 충분히 흡수되지 못해 가교결합이 충분하게 이루어지지 않기 때문에 색 필터층(6, 7, 8)의 에지부에서 언더 컷(under cut)현상이 발생한다는 문제점이 있다.

또한, 차광용으로 색 필터층을 형성하기 이전에 형성하는 블랙 매트릭스(2)에 의한 반사율이 높은 문제점이 있다.

발명의 목적

이 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 색 필터층에 의해서 발생하는 언더 컷 현상을 방지하고, 블랙 매트릭스에 의한 고반사를 저반사화 할 수 있는 액정 표시장치의 컬러필터 제조방법 및 구조를 제공하는데 있다.

발명의 구성, 작용 및 효과

상기한 목적을 달성하기 위하여 이 발명에서는 종래의 크롬 등으로 구성되는 금속막 대신에 유기 물질을 사용하여 블랙 매트릭스를 구성하고, 색 필터층을 먼저 형성한 후에 블랙 매트릭스를 형성하였다.

이를 한 실시예로서 첨부한 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제2도 (가)∼(사)는 이 발명에 따른 컬러필터 제조 공정도로서, 색 필터층을 먼저 형성하고, 포토 리소그래피를 이용하여 블랙 매트릭스를 형성하는 방법을 나타낸다.

제2도 (가)에 도시한 바와 같이 이 발명에 따른 컬러필터를 제조하기 위하여 먼저 유리 기판(1)에 종래의 색 필터층을 형성하는 공정과 같은 방법으로 착색 레지스트(11)를 형성하고, 상기한 착색 레지스트(11) 위에 산화 방지막(12)을 형성한다. 즉, 적색 안료를 분산시켜 착색된 아크릴 감광성 수지를 스핀 코팅(spin coating) 방법을 사용하여 대략 1.3∼2.0㎛ 정도의 두께로 도포하고 80∼110℃의 핫 플레이트(hot plate)에서 약 90초 정도 소프트 베이크를 실시하고, 상기한 착색 레지스트(11) 위에 다음에 실시되는 노광 공정에서 발생하는 착색 레지스트(11)의 산화를 방지하기 위하여 수용성 수지를 스핀 코팅하고 건조시켜 산소 차단막인 산화 방지막(12)을 형성한다. 이때, 착색 레지스트(11)를 구성하는 물질과 노광 조건에 따라 상기한 산화 방지막을 사용하지 않을 수도 있다.

계속하여 (나)에 도시한 바와 같이 포토 마스크(13)를 사용하여 자외선에 노광을 실시한다.

상기한 노광 공정이 끝난 후 탈이온수로 세척하여 산화 방지막(12)을 박리시키고, 착색 레지스트(11)를 현상하고 다시 탈 이온수로 린스한 후에 포스트 베이크를 실시하여 (다)에 도시한 바와 같은 최적화된 적색 분광 특성을 갖는 적색 필터층(14)을 형성한다.

상기한 적색 필터층(14)을 형성하는 공정에서 녹색 안료를 분산시킨 착색 레지스트(11)와 청색 안료를 분산시킨 착색 레지스트(11)를 사용하여 (가)∼(다)의 공정을 반복 실시하면 (라)에 도시한 바와 같이 녹색 필터층(15)과 청색펄터층(16)이 형성된다. 이때 형성되는 색 필터층(14, 15, 16)은 사이의 간격이 대략 10∼40㎛ 정도의 일정한 간격을 갖도록 형성한다.

이와 같이 형성된 색 필터층(14, 15, 16) 사이의 유리 기판(1)에 상기한 색 필터층(14, 15, 16)과 같은 방식으로 (마)에 도시한 바와 같이 패턴된 유기 포토 레지스트스(17)를 형성한다. 즉, 색 필터층(14, 15, 16)과 유리 기판(1) 위에 유기 포토 레지스트(17)를 스핀 코팅하고, 유기 포토 레지스트(17)가 네가티브 타입(negative type)이므로 네가티브 타입 블랙 매트릭스용 포토 마스크(18)를 사용하여 (바)에 도시한 바와 같이 패턴된 유기 블랙 매트릭스(19)를 형성한다. 이때 형성되는 유기 블랙 매트릭스(19)는 상기한 색 필터층(14, 15, 16)과 중첩되도록 하여 약 1.0∼2.0㎛ 두께가 되도록 한다.

마지막 공정으로 상기한 색 필터층(14, 15, 16)과 상기한 유기 블랙 매트릭스(19) 위에 투명전극(20)을 약 1200∼2400Å 정도의 두께로 형성하면 (사)에 도시한 바와 같이 이 발명에 따른 액정 표시장치의 컬러필터가 완성된다. 여기에서 투명전극을 형성하기 전에 블랙 매트릭스와 색 필터층을 보호하기 위하여 보호막을 형성 할 수도 있다.

이상에서 본 바와 같이 이 발명에서는 색 필터층을 형성한 후 상기한 색 필터층 형성 방법과 동일한 공정으로 유기 포토 레지스트를 사용하여 블랙 매트릭스를 형성하는데, 이와 같이 컬러필터를 구성하면 다음과 같은 효과를 가져온다.

크롬 등의 금속막으로 구성되는 종래의 블랙 매트릭스에서 발생하던 반사율을 1/2 ∼ 1/3 정도로 줄일 수 있고, 이 발명에 따라 형성되는 블랙 매트릭스가 유기 포토 레지스트로 구성됨으로서 종래에 형성하던 보호막을 형성하지 않아도 유기 블랙 매트릭스의 비전도성에 의해서 투명전극과 블랙 매트릭스 사이의 통전 현상을 일어나지 않고, 또한 유기 블랙 매트릭스의 스탭 커버리지(step coverage)가 양호하다는 특성 때문에 투명전극의 단선을 방지 할 수 있다.

또한, 종래의 컬러필터에서 포토 리소그래피를 사용하여 블랙 매트릭스를 형성하는 공정중에서 금속막 에칭시에 마스크로 사용하던 포토 레지스트를 제거하는 공정과, 보호막을 형성하는 공정을 줄일 수 있어 컬러필터를 제조하는 공정을 단순화 할 수 있고, 이에 따라 상기한 공정에서 발생하던 불량을 방지하여 단위 시간당 처리능력을 나타내는 스루풋(throughput)을 향상시킬 수 있으며, 원가절감의 효과를 가져올 수 있다.

제1도 (가)∼(바)는 종래의 컬러필터 제조 공정도.

제2도 (가)∼(사)는 이 발명에 따른 컬러필터 제조 공정도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 유리 기판 11 : 착색 레지스트 12 : 산화 방지막

13, 18 : 포토 마스크 14 : 적색 필터층 15 : 녹색 필터층

16 : 청색 필터층 17 : 포토 레지스트 19 : 블랙 매트릭스

Claims (4)

1. 유리 기판,

   상기 유리 기판 위에 형성되어 있는 적색 필터,

   상기 유리 기판 위에 형성되어 있는 녹색 필터,

   상기 유리 기판 위에 형성되어 있는 청색 필터,

   상기 적, 녹, 청색 필터 사이에 형성되어 있으며 감광성 유기물질로 이루어져 있는 블랙 매트릭스, 및

   상기 적, 녹, 청색 필터와 상기 블랙 매트릭스 위에 형성되어 있는 투명 전극

   을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 액정 표시장치의 컬러 필터.
2. 제1항에 있어서,

   상기한 색 필터층에 상기한 블랙 매트릭스가 중첩되게 형성함을 특징으로 하는 액정 표시장치의 컬러필터.
3. 제1항에 있어서,

   상기한 블랙 매트릭스의 두께를 수 ㎛로 형성함을 특징으로 하는 액정 표시장치의 컬러필터.
4. 제1항에 있어서,

   상기한 블랙 매트릭스와 상기한 색 필터층의 보호를 위해 상기한 투명전극의 하부에 형성되어 있는 보호층을 더 포함함을 특징으로 하는 액정 표시장치의 컬러필터.