KR100778316B1

KR100778316B1 - 레이저를 이용한 액정패널의 흑화장치 및 방법

Info

Publication number: KR100778316B1
Application number: KR1020060129789A
Authority: KR
Inventors: 김일호
Original assignee: (주)티원프리시젼; 김일호
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2007-11-22
Also published as: TW200827821A; CN101617262B; TWI340840B; CN101617262A; JP5235896B2; WO2008075885A1; JP2010513979A

Abstract

본 발명은 액정패널(LCD; Liquid Crystal Display Device)의 결함을 수정하는 것에 관한 것으로, 특히 액정셀 내부의 이물질에 의해 발생하는 빛샘 현상을 제거하는 흑화장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 액정패널의 흑화장치는, 다수의 레이저 발진기, 상기 레이저 발진기에서 발진된 빔의 출력 세기를 조절하는 빔 조정수단, 상기 레이저 빔의 프로파일을 변환하는 빔 형성수단 및 상기 레이저 빔을 선택적으로 투과 또는 반사시키는 특성을 가지는 하프미러를 포함하는 레이저 발진부; 상기 레이저 발진부에서 조사된 레이저 빔의 방향을 전환하는 빔 전달부; 상기 레이저 빔을 액정패널에서 흑화를 원하는 부위에 조사되도록 빔의 방향을 조절하는 스캔부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

흑화장치, 레이저 발진기, 흡수 스펙트럼

Description

레이저를 이용한 액정패널의 흑화장치 및 방법{Apparatus and Method for Blacking Liquid Crystal using laser}

도 1은 본 발명에 따른 흑화장치 구성도

도 2는 불순물이 흡착된 액정패널의 단면도

도 3은 레이저 발진부내에 레이저 빔을 선택적으로 투과 반사시켜주는 하프미러(110)의 파장에 따른 투과 반사 그래프

도 4는 레이저 발진부내에 레이저 빔을 선택적으로 투과 반사시켜주는 하프미러(111)의 파장에 따른 투과 반사 그래프

도 5는 스캔렌즈(135)와 조명광원(136)의 확대도

도 6은 빔 전달부의 방향전환 미러 및 XY-축 이동 스캐너 내부의 X-축 갈바노 미러 및 Y-축 갈바노 미러의 파장에 따른 반사 그래프

도 7은 필름의 파장별 투과율 그래프

도 8은 편광필름의 파장별 투과율 그래프

도 9는 본 발명의 실시에 따른 레이저 빔 프로파일(모양)을 나타낸 그래프

도 10은 흑화시키고자 하는 필름의 두께에 따라 초점거리를 조절하면서 흑화를 처리하는 과정을 나타낸 도면

도 11은 흑화처리 과정을 나타낸 흐름도

도 12는 본 발명에 따른 흑화처리 방법의 개략도

도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 흑화장치의 구성도

<*도면의 주요 부분에 대한 설명*>

100: 레이저 발진기부 101: 적색파장의 레이저

102: 근적외선 파장의 레이저 102-1 : 청색파장의 레이저

103: 녹색파장의 레이저 104,105,106: 빔 조정 장치

107,108,109: 빔 형성 수단 110: 제1 하프미러

111: 제2 하프미러 120: 빔 전달부

121,122: 방향전환미러 130: 스캔부

131: Z-축 이동 스캐너 132: 카메라 연결장치

133: CCD카메라 132-1 : 영상 하프미러

134: XY-축 이동 스캐너 134-1: X-축 갈바노 미러

134-2: Y축 갈바노 미러 135: 스캔 렌즈

136: 조명광원 140: 가공대상물

150: 구동 제어부

본 발명은 액정패널(LCD; Liquid Crystal Display Device)의 결함을 수정하는 것에 관한 것으로, 특히 액정셀 내부의 이물질에 의해 발생하는 빛샘 현상을 제 거하는 흑화장치 및 방법에 관한 것이다.

최근에 액정표시장치는 소비전력이 낮고, 휴대성이 양호하여 기술집약적이며 부가가치가 높은 차세대 첨단 디스플레이(display)소자로 각광받고 있다. 이러한 액정표시장치 중에서도, 각 화소(pixel)별로 인가되는 전압을 스위칭할 수 있는 스위칭 소자가 구비된 액티브 매트릭스형 액정표시장치가 해상도 및 동영상 구현능력이 뛰어나 가장 주목받고 있다.

액정패널은 상부 기판인 컬러필터 기판과 하부 기판인 TFT(Thin Film Transistor)어레이 기판이 서로 대향 되도록 합착 되고, 그 사이에 유전 이방성을 갖는 액정층이 형성되는 구조로 구비되어, 화소 선택용 어드레스(address)배선을 통해 수십 만개의 화소에 부가된 박막트랜지스터(TFT)를 스위칭 동작시켜 해당 화소에 전압을 인가해 주는 방식으로 구동된다.

이러한 액정패널을 제조하기 위해서는 박막트랜지스터 어레이 기판 공정, 컬러필터 기판 공정, 액정셀 공정 등을 수행하여야 한다.

상기 박막트랜지스터 어레이 기판 공정은 증착(deposition) 및 포토리소그래피(photolithography), 식각(etching)공정을 반복하여 유리 기판상에 게이트 배선, 데이터 배선, 박막트랜지스터 및 화소 전극을 형성하는 공정이다.

상기 컬러 필터 기판 공정은 블랙매트릭스가 형성된 유리 기판상에 일정한 순서로 배열되어 색상을 구현하는 RGB의 컬러 필터층을 제작한 후, 공통전극용 ITO막을 형성하는 공정이다.

또한, 액정셀 공정은 박막트랜지스터 어레이 기판과 컬러필터 어레이 기판 사이의 일정한 틈이 유지되도록 합착한 후, 그 틈 사이로 액정을 주입하여 액정층을 형성하는 공정이다.

상기 액정표시 장치의 검사 과정에서는, 액정패널의 화면에 테스트 패턴을 띄우고 불량 화소의 유무를 탐지하여 불량 화소가 발견되었을 때 이에 대한 수정 작업을 수행하게 된다. 액정패널의 불량에는 점 결함, 선 결함과 표시 불균일로 나눌 수 있다. 점 결함은 TFT 소자, 화소전극, 컬러필터 배선의 불량 등에 의해 발생되며, 선 결함은 배선간의 단선(Open), 쇼트(Short), 정전기에 의한 TFT들의 파괴, 구동회로와 접속불량에 기인한다. 표시 불균일은 셀 두께 불균일, 액정배향의 불균일, TFT 특성 장소 산포 및 상대적으로 큰 배선의 시정수에 의해 발생될 수 있다.

이 중, 점 결함 및 선 결함은 일반적으로 배선의 불량이 그 원인으로 종래에는 단선(open)된 배선이 발견되면, 단선된 부분을 연결해 주고, 쇼트(short)의 경우 해당 배선들을 단선시키는 정도에 불과하였다.

이러한 결함 외에도 특정 픽셀이 매우 밝게 빛을 발하는 빛샘 현상이 있다. 이러한 특정 화소의 빛샘 현상은 인간의 시각 특성상 인식되기 쉬우며, 빛샘 현상이 발견된 패널은 불량으로 분류된다. 그러나 빛샘 현상은 배선의 전기적 단선 및 쇼트와는 무관한 것이어서, 종래와 같이 배선을 가공 처리하는 기술로는 해결할 수 없다.

액정패널을 제조하는 과정에서 먼지, 유기물 또는 금속 등을 포함하는 불순물이 흡착되는데, 이러한 불순물이 컬러필터 부근에 흡착될 경우 해당 픽셀은 패널 구동 시 다른 정상적인 픽셀의 밝기보다 매우 밝은 빛을 내는 이른바 빛샘 현상을 유발하는 휘도 불량 화소로 형성되기 때문에, 패널 검사과정에서 불량 패널로 분류된다. 이러한 불순물을 제거하기 위해 레이저를 이용하는 방법에 대한 연구가 진행되고 있다.

일본 공개특허공보 2006-72229에서는 배향막에 레이저를 조사하여 손상을 가하여 액정의 배열특성을 저해시키고, 이로 인하여 액정의 빛에 대한 투과율을 낮추어 빛샘 현상을 제거하는 기술을 개시하고 있다. 그러나 이러한 방법은 배열특성을 완전히 제거할 수 없을 뿐만 아니라, 공정에 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다.

또한, 한국공개특허 2006-65134에는 액정패널의 상부 기판에 레이저를 조사하여 불투명하게 헤이징시켜 리페어하는 기술을 개시하고 있다. 상기 레이저로서는 네오늄 YAG, 다이오드, CO2 레이저 등을 이용하고 있다. 그러나 상기의 방식에서는, 통상적으로 사용되는 나노초의 펄스 폭을 갖는 레이저를 사용하는데 수정하고자 하는 기판에 조사할 경우, 열적 확산에 의하여 기판의 다른 영역에 손상을 가함으로써, 액정기판 자체를 불량화시키는 문제점이 있다. 특히, 유기물층을 헤이징 처리하는데 있어서, 유기물층의 면적에 비하여 헤이징 처리를 위하여 조사되는 레이저의 면적이 작기 때문에, 가공 시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라 제품을 양산하는 산업체의 공정 라인에 적용이 어렵다는 단점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 액정표시 장치의 빛샘 현상을 효율적으로 제거하는 흑화 처리 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 흑화 처리를 함에 있어 필름의 흡수 스펙트럼이 높은 파장대의 레이저빔을 선택적으로 사용함으로 레이저 빔의 에너지 손실을 줄이는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 레이저 빔의 출력의 세기를 조정하고 조사면적을 조절함으로써 흑화처리 속도를 향상시키고, 흑화 처리 두께를 조절할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 레이저 빔의 조사 방식을 스코프(블럭 샷) 방식 또는 스캔 방식을 이용함으로써, 흑화처리 속도를 향상시키고, 흑화 처리 두께를 조절할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 흑화장치의 구성도로서, 레이저 발진부(100), 상기 레이저 발진부에서 조사된 레이저 빔의 경로를 조절하는 빔 전달부(120), 및 상기 빔 전달부(120)를 경유한 레이저 빔을 액정패널 등의 대상물에 조사할 수 있도록 조절하는 스캔부(130)를 구비하고 있다.

상기 레이저 발진부(100)는 다수의 레이저 발진기(101, 102, 103), 레이저 빔의 세기, 각도 또는 편광을 조절하는 레이저 빔 조정 수단(104, 105, 106), 레이저 빔의 프로파일을 플랫 탑(Flat Top)으로 변환하는 빔 형성수단(107, 108, 109), 상기 레이저 발진기(101, 102, 103)에서 발진된 레이저 빔을 투과 또는 반사시키는 제 1, 2 하프 미러(110, 111) 및 레이저 컨트롤러를 포함한다.

상기 레이저 발진기(101, 102, 103)는 레이저 다이오드, 레이저 다이오드 모듈 또는 DPSS(Diode Pumped Solid State) 레이저 광원이 사용될 수 있다. 또한, 상기 레이저 발진기(101, 102, 103)는 적색 파장, 녹색 파장 및 근적외선 파장 영역의 레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 경우에 따라서는 상기 근적외선 파장 영역의 레이저에 갈음하여 청색 파장영역의 레이저를 사용할 수도 있다.

상기 빔 형성 수단(107, 108, 109)은 빔의 가공 가능 영역을 확장하고 빔의 모양을 평탄하게 하는 빔 쉐이퍼(beam shaper)와 흑화시키고자 하는 영역, 즉 가공 영역의 크기에 따라 조사되는 빔의 크기를 조절하는 빔 슬릿(slit)을 포함한다.

상기 빔 전달부(120)는 레이저 빔의 경로를 조절하기 위한 방항전환 미러(121, 122)를 포함한다. 본 실시예에서는 방향 전환 미러(121, 122)가 2개가 예시되어 있지만 레이저 발진부(100) 및 대상체(140)의 위치에 따라 상기 방향 전환 미러(121, 122)의 개수 및 위치는 다양하게 변경 가능하다. 상기 빔 전달부(120)는 레이저 발진부(100)에서 발진되는 모든 파장의 레이저 빔을 반사하여야 하므로 넓은 영역의 파장에서 사용할 수 있도록 설계되어야 한다. 도 6은 빔 전달부의 방향 전환 미러(121, 122)의 코팅 사양 그래프이다. (a)는 350nm 에서 1100nm 영역의 모든 영역의 파장을 반사하도록 설계된 것이고, (b)는 조사되는 레이저의 파장을 고려하여, 해당 파장대역에서만 반사되도록 설계된 것이다.

상기 스캔부(130)는 레이저 빔의 초점 위치를 변화시키는 Z축 이동스캐너(131), 대상체(140)의 조사되는 레이저 빔을 실시간으로 모니터링하는 CCD 카메라(133), 상기 Z축 이동스캐너(131)와 CCD 카메라(133)를 결합하기 위한 연결장치(132), 레이저 빔의 방향을 변환시켜 주는 X-갈바노미러(134-1) 및 Y-갈바노미러(134-2)가 포함된 XY축 이동스캐너(134), 상기 이동 스캐너(134)에 의해 방향이 전환된 레이저 빔을 집속시켜주는 스캔 렌즈(135) 및 보다 선명한 이미지를 얻기 위한 조명광원(136)을 포함한다. 상기 X-갈바노미러(134-1) 및 Y-갈바노미러(134-2) 역시 빔 전달부와 도 6의 그래프 특성을 만족시키도록 코팅을 한다. 상기 스캔 렌즈(135)는 레이저 빔을 집속시켜주는 역할을 함과 동시에 레이저 빔이 액정패널에 조사되는 이미지를 형성하여 CCD 카메라(133)에 영상을 관찰할 수 있도록 하는 역할도 수행한다.

도 2는 불순물이 흡착된 액정패널의 단면도이다. ITO(210)와 유기물 소재의 컬러필터(220), 블랙 매트릭스(230), 배향막(도시안됨), 편광필름(280), 보호필름(도시안됨), 반사방지필름(도시안됨)을 포함하는 제1기판(240), 액정층(250) 및 TFT(도시안됨)와 배향막(도시안됨) 및 편광필름(도시안됨) 등을 포함하는 제2기판(260b)으로 구성되어 있다.

액정패널을 제조하는 과정에서 먼지, 유기물 및 금속을 포함하는 불순물(270)이 흡착되는데, 이러한 불순물(270)이 컬러필터(220) 부근에 흡착될 경우, 해당 픽셀은 패널 구동 시 다른 정상적인 픽셀의 밝기보다 매우 밝은 빛을 내는, 이른바 빛샘 현상을 유발하는 휘도 불량 화소로 형성되기 때문에, 패널 검사과정에서 불량패널로 분류된다. 그러나 상기와 같은 흑화장치를 이용하여 불순물이 흡착된 액정패널의 화소를 흑화처리하여, 사람의 눈에 인식되지 않도록 하여 출하를 하게 된다.

이하에서는 상기와 같은 구성으로 이루어진 흑화장치를 통해 액정패널의 빛샘 현상을 제거하는 과정, 즉 흑화가 이루어지는 과정을 살펴본다.

먼저, 검사장비를 통하여 액정패널(140)에 빛샘 현상을 유발하는 휘도 불량 화소가 발견되면, 해당 액정패널(140)은 구동 제어부(150)에 의하여 흑화장치로 이동한다.

본 발명에 따른 구동 제어부(150)는 액정패널(140)을 x,y,z축으로 이동하거나 회전시켜, 액정패널(140)을 로딩 및 언로딩할 수 있고 불량화소 위치를 레이저 조사 위치로 이동할 수 있는 패널 스테이지(도시안됨)와 패널 로딩 후 불량화소 위치에 레이저를 조사할 수 있도록 하는 갠트리 스테이지(도시안됨), 갠트리 스테이지와 패널 스테이지의 동작을 제어하기 위한 제어기(도시안됨)를 포함한다. 상기 제어부(150)에 의하여 흑화장치로 이동된 액정패널(140)은 스캔부(130)에 의하여 휘도 불량 화소의 위치가 판별된다.

휘도 불량 화소의 위치가 확인되면, 스캔부(130)를 통해 CCD카메라(133)에 담긴 영상을 확인 후 정확한 가공 위치를 잡는다. 이는 실시간으로 CCD카메라(133)에 의해 모니터링 되며, CCD 카메라(133)를 통해 휘도 불량 화소의 위치 및 흑화시킬 필름이 결정되면, 레이저 발진부(100)를 작동시킨다.

흑화시킬 필름의 종류에 따라 사용되는 레이저의 파장 및 출력이 다르며 이는 미리 연산되어 있는 소프트웨어에 의해 선택되어 발진된다.

레이저 발진부(100)는 3가지 파장을 독립적으로 구현하기 위해 적색 파장 영역의 레이저(101), 근적외선 파장 영역의 레이저(102) 및 녹색 파장 영역의 레이저(103)를 구비하고 각각의 레이저(101, 102, 103)는 레이저 전용 컨트롤러(112)에 의해 제어된다. 상기 근적외선 파장 영역의 레이저 대신 청색 파장의 레이저가 사용될 수 있다. 또한, 상기 레이저 발진부(100)는 자외선 또는 근자외선 파장 영역의 레이저를 사용할 수도 있다. 자외선 또는 근자외선 파장은 액정패널의 필름의 색(R, G, B)에 관계없이 모든 영역에 흡수되므로 흑화시키고자 하는 필름의 색에 관계없이 선택될 수 있다.

이하에서는 적색 파장 영역의 레이저(101), 근적외선 파장 영역의 레이저(102) 및 녹색 파장 영역의 레이저(103)를 구비한 레이저 발진부(100)를 기준으로 설명하기로 한다.

불량 화소의 위치 및 흑화시킬 필름에 흡수 파장 영역의 레이저 발진기가 선택되고, 선택된 레이저 발진기에서 발진된 레이저 빔은 레이저 조정 부(104,105,106)를 통해 각도, 세기 또는 편광 등이 조절되고, 빔 형성수단(107,108,109)을 통해 빔 프로파일이 평탄하게 변환됨과 동시에 흑화시키고자 하는 위치의 크기에 맞게 빔의 크기가 조절된다. 그리고 2개의 하프미러(110,111)를 통해 각각의 레이저 빔은 하나로 결합된다. 상기와 같은 방법으로 조사되는 빔의 에너지 분포를 고르게 하면서 동기에 크기 조절이 가능하기 때문에 흑화하고자 하는 부위에 빔을 스캔 방식으로 조사하여 흑화하는 것도 가능하고, 동시에 빔의 크기를 크게 하여 블락샷 방식(흑화하고자 하는 부위에 한 번의 빔을 조사하는 방식)으로 조사하는 것도 가능하다.

제1 하프미러(110)는 적색 파장 영역의 레이저(101)를 투과시키고 근적외선 파장 영역의 레이저(102)를 반사시키며, 제2 하프미러(111)는 적색 파장 영역 레이저(101)와 근적외선 파장영역의 레이저(112)를 투과시키고 녹색 파장 영역의 레이저(103)를 반사시킨다.

도 3은 제 1하프미러(110)의 파장에 따른 투과 반사 곡선을 나타낸 그래프이고 도 4는 제 2하프미러(111)의 파장에 따른 투과 반사 곡선을 나타낸 그래프이다. 즉, 제 1 하프미러(110)와 제 2하프미러(111)는 투과 또는 반사시키는 빛의 파장이 상이하므로 각각의 레이저의 파장 특성에 맞게 설계 코팅되어야 한다. 제 1하프미러 및 제 2하프미러의 투과 및 반사 특성은 레이저 발진기의 위치와 상기 하프미러들의 특징에 따라 다양하게 변경 가능하다.

앞서 살펴 본 것과 같이 상기 빔 조정 장치(104,105,106)는 발진된 레이저 빔을 흑화 처리에 적절한 상태로 조절한다. 출력되는 레이저의 세기가 너무 크면, 흑화처리 할 필름 외에 다른 구성에도 손상을 주게 되어 액정패널 자체가 완전불량으로 폐기 처리될 수 있다. 적절한 상태로 조절된 레이저는 빔 형성수단(107,108,109)을 통과한 후, 하프미러(110 또는 111)를 거치게 되고, 빔 전달부(120)에 의해 방향이 전환되어 Z축 이동 스캐너(131)에 입사하게 된다. Z축 이동 스캐너(131)와 스캔 렌즈(135)에 의해 집속된 레이저 빔이 액정패널(140)에 조사된다. 레이저 빔이 조사됨과 동시에 XY축 이동 스캐너(134)에 의해 원하는 크기 및 형태 레이저 빔을 이동시켜 필름을 흑화시킨다.

액정패널(140)을 구성하는 필름이 흑화되는 과정은 스캔렌즈(135)에 의해 보이는 가공된 이미지가 카메라 연결장치(132)내의 영상 하프미러(132-1)에 반사되어 CCD카메라(133)로 보내져 실시간으로 확인할 수 있다. 여기서 카메라연결부(132) 내에는 필요 여부에 따라 영상의 확대 및 축소를 가능하게 하는 릴레이렌즈(도시안됨), 또는 선명한 이미지 영상을 구현하기 위해 일정 영역 파장을 제거해주는 컷오프필터(cut off filter, 도시안됨)가 삽입될 수도 있다.

도 5는 상기 스캔렌즈(135)와 조명광원(136)의 확대도면이다.

도면에서 보는 바와 같이 스캔렌즈(135)의 외곽을 조명광원(136)이 감싸고 있다. 상기 조명광원(136)은 다수의 LED 조명(137)을 포함하고 있다. 상기 조명광원(136)은 스캔렌즈(135)를 통과해 가공면의 이미지가 CCD카메라(133)로 전달될 때 가공영역보다 조금 큰 크기로 집속되어 부족한 광량을 보충해주는 역할을 한다.

예를 들어 LCD 패널의 컬러필터의 RGB중 하나의 픽셀(pixel)을 흑화시키기 위해선 각 픽셀의 흡수 스펙트럼이 가장 넓은 파장의 레이저를 사용하게 된다. 위 와 같이 구성된 레이저 발진기 내에는 각 픽셀의 제거를 위한 각각의 레이저를 선택적으로 발진시킬 수 있으므로 보다 효율적으로 픽셀을 흑화시킬 수 있는 것이다.

상기 레이저 발진기부(100)는 가공하려는 컬러필터 글래스(260(a)) 표면의 편광필름(280)의 유무에 따라, 편광필름(280) 부착시 적색 파장(101), 녹색 파장(103) 및 근적외선 파장(102) 영역의 레이저를 사용하는 것이 바람직하고 편광필름(280)부착 전 공정에서는 적색파장(101), 녹색파장(103), 청색파장(102-1) 영역의 레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 청색파장(102-1)의 레이저는 편광필름의 부착여부에 따라 상기 근적외선 파장에 갈음하여 사용될 수 있다.

액정패널에 편광필름(280)이 부착된 상태에서 흑화처리를 하는 것이 더 일반적이고, 완성된 제품에서도 적용이 가능하다. 편광필름(280)이 붙은 상태에서의 가공이 가능하면 편광필름(280)이 없는 상태의 가공은 당연히 이루어진다. 하지만 파장이 짧을수록 물질내 흡수도는 증가하게 되므로 편광필름(280)이 없는 상태일 경우는 근적외선 파장 레이저(102) 대신 청색 파장의 레이저(102-1)를 사용하는 것이 더 효과적이다.

도 7은 액정 패널 중 컬러필터의 투과율 그래프이다.

RGB 중 하나를 흑화 시키기 위해선 상기 그래프를 참조해야 한다. 예를 들어, 530nm 파장을 가지는 영역-녹색(Green)-을 흑화시키기 위해서는 녹색파장 레이저를 사용하면 투과가 되므로 흑화가 진행되지 않게 된다.

도 8은 편광필름의 파장에 따른 투과율 그래프를 나타낸 것이다.

가시광영역에서 50% 이하의 투과율을 나타내며 자외선(UV)영역에서는 전혀 투과되지 않고 근적외선 영역으로 갈수록 투과율이 증가하게 됨을 확인할 수 있다. 따라서 편광필름이 부착되어있는 패널의 RGB중 하나를 흑화시키기고자 하는 경우에는 근적외선 영역의 레이저를 사용하는 것이 바람직하다.

예를 들어 LCD 패널의 컬러필터의 RGB중 하나의 픽셀(pixel) 흑화시키기 위해선 각 픽셀의 흡수 스펙트럼이 가장 넓은 파장의 레이저를 사용하게 된다. 위와 같이 구성된 레이저 발진기 내에는 각 픽셀의 제거를 위한 각각의 레이저를 선택적으로 발진시킬 수 있으므로 보다 효율적으로 픽셀을 흑화시킬 수 있는 것이다. 예를 들어 액정패널의 컬러필터의 파란색(B) 영역을 흑화하고자 하는 경우에는 적색 파장의 레이저를 사용하고, 빨간색(R) 영역의 경우에는 녹색 파장의 레이저를, 녹색(G) 영역의 경우에는 근적외선 영역의 레이저를 사용하여 흑화시킨다.

경우에 따라서는 컬러필터의 파란색 영역을 흑화하고자 하는 경우에는 노랑 파장 이상(노란색 파장보다 파장이 크거나 같음)이거나 근자외선 파장 이하 대역의 레이저를 발진하고, 빨간색 영역을 흑화하고자 하는 경우에는 녹색 파장 이하 또는 근적외선 파장 이상의 레이저를 발진하고, 녹색 영역을 흑화하고자 하는 경우에는 청색파장 이하 또는 노랑 파장 이상의 레이저를 발진할 수 있다.

레이저가 필름에 조사되면 필름을 구성하는 유기물은 분자 간의 결합이 끊어져 중성원자, 분자, 양·음 이온을 포함한 플라즈마를 포함하여 라디컬, 클러스터, 전자 및 포톤을 방출하면서 어블레이선(ablation) 되면서 흑화가 진행된다.

어블레이션(ablation)은 유기물이 그 유기물을 구성하는 분자 간의 결합이 해리되면서 분자, 이온 등으로 되는 현상이지만, 이러한 해리를 위해서는 유기물의 에너지 준위 이상의 에너지를 흡수할 필요가 있다.

도 9는 본 발명의 실시에 따른 레이저 빔 프로파일을 도시한 것이다.

최초 레이저 발진기에서 조사되는 레이저는 가우시안 형태로 에너지가 가운데 영역에 집중되어 있다. 이러한 레이저 빔이 빔 형성기(107, 108, 109 ; beam shaper 또는 homogenizer)를 통과하면서 소정의 범위에서 레이저 빔의 세기가 균일화 되면서 크기가 확장된 플랫 탑(Flat Top)의 프로파일로 변환되는데, 이때, 빔 프로파일과 함께 조사되는 레이저의 면적도 동시에 변화된다. 이때 사각 플랫탑 모양(300) 또는 원형의 플랫 탑 모양(301)으로 변환될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 빔 형성기와 빔 조정기를 이용하여 조사되는 레이저 빔의 크기와 세기를 변환할 수 있다. 조사되는 레이저 빔의 면적이 작을수록, 복수의 화소 전체를 흑화처리하는데 매우 많은 시간이 소요된다. 이러한 레이저 빔의 크기를 균일하게 변환시켜, 흑화처리 속도를 높임으로써, 제품을 양산하는 생산라인에 적용할 수 있다. 적절한 세기의 사각 플랫탑 프로파일(300) 또는 원형 플랫탑(301)로 변환된 레이저는 Z축 이동 스캐너에 의해 액정패널을 구성하는 복수의 필름 중 RGB 픽셀을 원하는 두께만큼 흑화시킬 수 있다.

도 10은 흑화시키고자 하는 필름의 두께에 따라 필름을 원하는 두께만큼 제거하고 흑화시키기 위하여 설계된 레이저 빔의 심도(Depth of Focus, DOF)를 대략적으로 묘사한 도면이다. 즉, 원하는 두께만큼 필름을 제거한 후 다시 초점거리를 조절하여 제거하는 과정을 나타낸 것이다.

Z 축 이동 스캐너(131)를 사용하여 제거 픽셀 두께의 10% 되는 영역에 DOF를 일치시킨 후 XY축 이동 스캐너(134)를 사용하여 흑화시킨다. CCD카메라로 흑화 정도를 확인하고 흑화정도의 부족시에는 다시 Z축 이동 스캐너(131)의 위치를 이동시켜 제거 픽셀 두께의 20% 되는 영역에 DOF를 일치시키고 XY축 이동스캐너(134)를 사용해 제거한다. 2~4회 정도의 반복 제거 후 흑화의 정도가 원하는 수준을 만족하면 흑화를 종료하고 다음 가공을 위해 준비한다.

도 11은 상기의 절차에 따라 초점거리를 이동하면서 흑화처리를 하는 과정을 나타낸 흐름도이다.

도시된 것과 같이 최초 레이저 조사(S10), 흑화를 10% 정도만 진행하고(S20) 흑화정도를 확인한 후(S30), 흑화 정도가 만족한 수준으로 이루어졌는지 여부를 판단하고(S40), 흑화가 원하는 수준으로 이루어진 경우에는 절차를 종료하고(S60) 그렇지 않은 경우에는 초점거리를 이동하고(S50) 다시 레이저를 조사하여 흑화과정을 진행한다.

레이저 빔의 심도는 1㎛를 넘지 않는 범위 내에서 Z축 이동 스캐너(131)와 스캔 렌즈(135)의 초점거리 및 입사빔의 직경에 의해서 계산된다.

DOF = λ/2(NA)²

NA = nsinθ

f/# = 1 / 2(NA)

f/# = efl /φ

상기 수학식 3과 수학식 4를 이용하면 수학식 5를 도출할 수 있다.

NA =φ/2(efl)

상기 수학식들에서 NA(numerical aperture)는 유효 수치구경이고, λ(Lambda)는 레이저의 파장을 나타낸다. efl은 초점거리를 나타낸다.

입사빔의 직경이 클수록 레이저의 파장이 짧을수록 심도는 얕아지게 되고, 렌즈의 초점거리(efl)가 짧을 경우 NA가 커지게 되며 심도(DOF)는 얕아지게 됨을 확인할 수 있다.

본 발명에서 1㎛ 이하의 심도(DOF)를 만들기 위해서 대구경의 스캔렌즈(135)를 사용하고 그에 맞는 빔을 만들기 위해 광학계가 설계된다.

액정 디스플레이에 사용되는 컬러필터(240)의 경우, 흑화처리된 두께는 액정패널의 시야각 범위에서 빛샘 현상이 발생하지 않도록 컬러필터 두께의 20% 내지 40%가 적당하고 최대 90%를 넘지 않는 두께가 바람직하다. 두께의 20% 미만으로 흑화 처리를 하는 경우는 흑화 자체가 빛샘을 100% 막지 못할 수 있고, 90% 이상의 과도한 흑화는 아래층에 쌓여 있는 막들에 손상을 줄 수 있기 때문이다. 그리고 적절한 두께로 필름을 흑화시키기 위하여 레이저 에너지가 중요한 역할을 한다. 즉, 레이저의 출력 에너지에 따라 흑화 두께를 조절할 수 있다.

도 12a, 12b, 12c는 본 발명에 따른 흑화처리 방법을 도시한 것이다.

빔 형성 수단을 이용하여 빔의 크기를 조절한 레이저를 이용하여 빛샘 현상이 발생한 화소의 필름을 흑화처리 하는데 있어서, 스캔(도 11a), 멀티 블럭샷(도 11b) 또는 블럭샷(도 11c)방식을 사용할 수 있다. 스캔 방식은 흑화 부위에 레이저를 스캔하는 방식으로 조사하는 것을 말하고, 블럭 샷 방식은 흑화 부위에 레이저빔을 한번에 조사하는 방식으로 스코프 방식이라고도 한다. 멀티 블럭 샷은 스캔 방식과 블럭 샷 방식이 결합된 형태로 블럭 샷 방식으로 조사하면서 동시에 스캔 방식처럼 연속해서 계속 조사하는 방식을 말한다.

예를 들어, 컴퓨터 모니터 정도의 크기를 갖는 액정패널에서 하나의 화소 면적은 수만 ㎛² 이상이다. 레이저를 빔 형성 수단에 의하여 화소 크기로 변환하여 액정패널의 화소면적과 대응되는 경우, 한 번의 레이저 조사(블럿샷)로 한 개 화소의 전면적을 흑화처리 할 수 있다(도 12c). 다른 예로, 30인치 대형 TV용 액정패널의 경우 하나의 화소 면적은 수십만 ㎛2 이므로 한 번의 레이저 조사로는 화소의 면적에 대응하는 필름 전면적을 흑화시킬 수 없다. 따라서, 이런 경우 필름의 표면 전체를 지그재그로 지나가면서 레이저를 조사하는 스캔방식(도 8a) 또는 멀티 블럭샷(도 12b)을 사용하는 것이 바람직하다.

도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 흑화장치의 구성도이다.

상기의 흑화장치는 다수의 레이저 발진기, 상기 레이저 발진기에서 발진된 빔의 출력 세기를 조절하는 빔 조정수단, 상기 레이저 빔의 프로파일을 변환하는 빔 형성수단 및 상기 레이저 빔을 선택적으로 투과 또는 반사시키는 특성을 가지는 하프미러를 포함하는 레이저 발진부(100); 상기 레이저 발진부(100)에서 조사된 레이저 빔의 형상제어 및 영상 촬영 레이저 빔의 포커싱을 위한 광학부(400)로 구성이 된다.

도 1과 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.

상기 광학수단(400)은 레이저 발진부(100)에서 출력된 레이저를 흑화처리할 액정패널(140)로 유도하기 위한 방향전환 거울(401)을 포함한다. 본 실시예에서는 방향 전환 미러(401)가 1개가 예시되어 있지만 레이저 발진부(100) 및 대상체(140)의 위치에 따라 상기 방향 전환 미러(401)의 개수 및 위치는 다양하게 변경 가능하다. 상기 방향전환 미러(401)는 레이저 발진부(100)에서 발진되는 모든 파장의 레이저 빔을 반사하여야 하므로 넓은 영역의 파장에서 사용할 수 있도록 설계되어야 한다. 도 6에서 도시된 미러 코팅 사양이 동일하게 적용될 수 있다.

또한, 상기 광학부는 복수의 필름 중 흑화처리를 원하는 필름에 레이저의 초점을 자동으로 맞추기 위한 포커스 센서(415)와 포커스 렌즈(419), 레이저 빔의 크기를 조절하기 위한 슬릿(413), 슬릿의 크기 및 위치를 확인하기 위한 슬릿 조명(412), 상기 슬릿조명(412)을 반사시키는 슬릿하프미러(411), 휘도 불량 화소를 확인하기 위한 2개의 하프미러(414,417), CCD 카메라(416) 및 광원(418)을 포함한다.

휘도 불량 화소의 위치가 확인되면, 포커스 센서와 포커스 렌즈를 이용하여 복수의 필름 중 특정 필름을 흑화하기 위한 레이저의 초점을 맞춘다. 포커스 센 서(415)는 광원(418)에서 복수의 필름 중 특정 필름에 조사된 후, 다시 반사되어 스플리터(414)를 통해 들어온 빛을 감지한다. 영상의 초점이 맞지 않을 경우, 포커스 센서(415)는 포커스 렌즈(419)를 상하로 제어하며, 이를 통하여 얻은 선명한 영상을 실시간으로 CCD 카메라(416)로 전송한다. CCD 카메라(416)를 통해 휘도 불량 화소의 위치 및 흑화시킬 필름이 결정되면, 종류에 따라 흑화에 적합한 레이저 발진기(101,102,103)를 작동시킨다. 출력된 레이저는 빔 조절 장치(104,105,106)에 의하여 흑화처리에 적절한 상태로 조절된다. 적절한 상태로 조절된 레이저는 빔 형성수단(107,108,109)를 통과한 후, 슬릿(413)을 거쳐 빔의 크기가 조절되고, 포커스 렌즈(419)를 거쳐 액정패널(140)에 조사된다. 액정패널(140)을 구성하는 필름이 흑화되는 과정은 CCD 카메라(416)를 통하여 실시간으로 확인할 수 있다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

본 발명은 레이저 빔의 파장을 선택적으로 사용함으로써, 레이저의 출력 손실을 줄이며 전반적인 가공 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, XY축 이동 스캐너를 사용하여 흑화처리 속도를 고속화할 수 있으며 Z축 이동 스캐너를 통해 초점 거리를 조절하여 다양한 두께의 필름의 흑화 처리를 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 빔 형성수단을 이용하여 조사되는 빔 프로파일을 변환하고 크기를 조절하여 스캔 방식으로 조사하거나 블럭샷 방식으로 조사하는 것이 가능하여 처리 속도를 개선할 수 있다.

Claims

다수의 레이저 발진기, 상기 레이저 발진기에서 발진된 빔의 출력 세기를 조절하는 빔 조정수단, 상기 레이저 빔의 프로파일을 변환하는 빔 형성수단 및 상기 레이저 빔을 선택적으로 투과 또는 반사시키는 특성을 가지는 하프미러를 포함하는 레이저 발진부;

상기 레이저 발진부에서 조사된 레이저 빔의 방향을 전환하는 빔 전달부;

상기 레이저 빔을 액정패널에서 흑화를 원하는 부위에 조사되도록 빔의 방향을 조절하는 스캔부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑화장치.
제 1항에 있어서, 상기 레이저 발진부는 적색 파장, 녹색 파장, 및 근적외선 파장의 레이저 빔을 발진하는 레이저 발진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑화장치.
제 2항에 있어서, 상기 레이저 발진부는 근적외선 파장의 레이저 빔에 갈음해서 청색 파장의 레이저 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑화장치.
제 1항에 있어서, 상기 레이저 발진부는 자외선(UV) 또는 근자외선(NUV) 파장의 레이저 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑화 장치.
제 1항에 있어서, 상기 레이저 발진부는 흑화하고자 하는 컬러필터의 흡수 스펙트럼이 높은 파장 대역의 레이저 빔을 선택적으로 발진하는 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑화장치.
제 1항에 있어서, 상기 레이저 발진부는 액정패널 컬러필터의 파란색(B) 영역을 흑화하고자 하는 경우에는 노란색 파장 이상의 레이저를 발진하거나 근자외선 파장 이하 대역의 레이저를 발진하고, 빨간색(R) 영역을 흑화하고자 하는 경우에는 녹색 파장 이하 또는 근적외선 파장 이상의 레이저를 발진하고, 녹색(G) 영역을 흑화하고자 하는 경우에는 청색파장 이하 또는 노랑 파장 이상의 레이저를 발진하는 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑화장치.
제 1항에 있어서, 상기 레이저 발진부는 액정 패널의 컬러필터에 편광필름이 부착되어 있을 경우에는 상기 근적외선 파장 이상의 레이저를 발진하는 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑화장치.
제 1항에 있어서, 상기 레이저 발진기는 레이저 다이오드, 레이저 다이오드 모듈, 또는 DPSS 레이저 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑화장치.
제 1항에 있어서, 상기 레이저 발진기는 연속발진 레이저 또는 펄스발진 레이저인 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑화장치.
제 1항에 있어서, 상기 빔 조정수단은 빔의 세기와 더불어 빔의 각도 및 편광 상태를 조절하는 것을 특징으로 액정패널의 흑화장치.
제 1항에 있어서, 상기 빔 형성수단은 가우시안 분포의 레이저 빔을 사각 플랫탑 또는 원형 플랫탑 형식으로 변환하는 빔 쉐이퍼와 빔의 크기를 조절하는 빔 슬릿을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑화장치.
제 1항에 있어서, 상기 하프미러는 적색 파장을 투과시키고 근적외선 파장을 반사시키는 제 1하프미러와, 적색 파장을 투과시키고 녹색 파장을 반사하는 제 2하프미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑화장치.
제 1항에 있어서, 상기 빔 전달부는 상기 레이저 발진부에서 발진되는 350nm 내지 1,100nm 영역의 파장을 반사시키는 반사미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑화장치.
제 13항에 있어서, 상기 반사미러는 상기 레이저 발진부에서 조사되는 파장대역만 반사하도록 설계된 것을 특징으로 하는 액정 패널의 흑화장치.
제 1항에 있어서, 상기 스캔부는 상기 레이저 빔의 초점 거리를 조절하는 Z 축 이동 스캐너 및 상기 레이저 빔의 방향을 상하 또는 좌우로 조절하는 XY축 이동 스캐너를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑화장치.
제 15항에 있어서, 상기 스캔부는 상기 레이저 빔이 액정패널의 원하는 위치에 조사되는지 여부를 관찰하기 위한 CCD 카메라와, 상기 Z축 이동 스캐너와 XY축 이동 스캐너의 사이에 위치하여 상기 CCD 카메라로 이미지를 전달시켜주는 카메라 연결장치와, 상기 스캐너를 통과한 레이저 빔을 액정 패널에 조사하기 위해 레이저 빔을 집속시키고 액정패널에 조사되는 이미지를 형성하는 스캔 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 패널의 흑화장치.
제 15항에 있어서, 상기 XY축 이동 스캐너는 빔의 방향을 변환시키는 X축 갈바노 미러와 Y축 갈바노 미러를 포함하고, 상기 갈바노 미러들은 상기 레이저 발진기에서 조사되는 350nm 내지 1,100nm 의 파장을 반사시키는 것을 특징으로 하는 액정 패널의 흑화장치.
제 16항에 있어서, 상기 스캔 렌즈는 모든 위치에서 수직인 빔을 형성하게 하는 텔레센트릭 렌즈를 사용하는 것을 특징으로 하는 액정 패널의 흑화장치.
제 16항에 있어서, 상기 CCD 카메라는 가공 대상물의 위치 판별 및 가공 영상을 실시간으로 구현하는 것을 특징으로 하는 액정 패널의 흑화장치.
제 16항에 있어서, 상기 카메라 연결장치는 가시광선 영역에서 투과율과 반사율의 비가 50:50 인 영상하프미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑화장치.
제 1항에 있어서, 상기 액정패널을 로딩 또는 언로딩하고, x, y 및 z축으로 이동하거나 회전시킬 수 있는 패널 스테이지;

상기 액정패널의 불량화소에 레이저 빔을 조사할 수 있도록 레이저 빔을 x, y 및 z축으로 이동시킬 수 있는 갠트리 스테이지; 및

상기 갠트리 스테이지와 패널 스테이지의 동작을 제어하기 위한 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 패널의 흑화장치.
레이저 발진부와 상기 레이저 발진부에서 조사된 레이저 빔의 가공 형상 및 실시간 영상촬영임 빔의 집속을 하기 위한 광학부를 포함하는 레이저를 이용한 액정패널의 흑화장치에 있어서,

상기 레이저 발진기는 다수의 레이저 발진기와, 상기 레이저 발진기에서 발진된 빔의 출력 세기를 조절하는 빔 조정수단과, 상기 레이저 빔의 프로파일을 변환하는 빔 형성수단 및 상기 레이저 빔을 선택적으로 투과 또는 반사시키는 특성을 가지는 하프미러를 포함하고,

상기 다수의 레이저 발진기는 흑화하고자 하는 부위의 흡수 스텍트럼에 따라 선택적으로 레이저를 조사하는 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑화장치
액정패널의 흑화방법에 있어서,

흑화하고자 하는 부위의 흡수 스펙트럼이 높은 파장에 해당하는 레이저 빔을 발진하는 단계;

상기 레이저 빔의 세기를 조정하는 단계;

상기 레이저 빔의 프로파일을 변환하는 단계;

상기 레이저 빔의 초점 거리를 조절하는 단계; 및

상기 레이저 빔을 조사하여 흑화 처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑화방법.
제 23항에 있어서, 상기 레이저 빔을 발진하는 단계는 적색 파장, 청색 파장, 근적외선, 자외선 또는 근자외선 파장의 레이저 빔 중 어느 하나를 발진하는 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑화방법.
제 23항에 있어서, 상기 레이저 빔을 발진하는 단계는 액정패널 컬러필터의 파란색(B) 영역을 흑화하고자 하는 경우에는 적색 파장의 레이저를 발진하고, 빨간색(R) 영역을 흑화하고자 하는 경우에는 녹색 파장의 레이저를 발진하고, 녹색(G) 영역을 흑화하고자 하는 경우에는 근적외선 파장의 레이저를 발진하는 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑화방법.
제 23항에 있어서, 상기 레이저 빔의 세기를 조정하는 단계는 빔의 세기와 더불어 빔의 각도 및 편광 상태를 조절하는 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑과 방법.
제 23항에 있어서, 상기 빔의 프로파일을 변환하는 단계는 레이저 빔의 프로파일을 플랫 탑 형태로 변환하고 빔의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑화방법.
제 23항에 있어서, 상기 빔의 세기를 조정하는 단계는 빔의 크기가 모두 동일하고 이로 인해 가공역역에서 집속된 초첨의 크기가 모두 동일하도록 조정하는 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑화방법.
제 23항에 있어서, 상기 레이저 빔의 세기를 조정하는 단계 및 초점 거리를 조절하는 단계는 필름 두께의 20% 내지 90%를 흑화 처리할 수 있도록 레이저 빔의 세기와 초점 거리를 조절하는 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑화방법.
제 23항에 있어서, 상기 레이저 빔을 조사하는 단계는 레이저의 초점거리를 조절하면서 순차적으로 조사하는 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑화방법.
제 23항에 있어서, 상기 레이저 빔을 조사하는 단계는 스캔 방식, 블록 스캔 방식, 또는 블럭 샷 방식 중 어느 하나의 방법으로 조사하는 것을 특징으로 하는 액정패널의 흑화방법.