KR100854948B1 - 블랙매트릭스의 구조를 개선한 투과형 액정표시장치와 그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 투과형 액정표시장치에 관한 것으로, 박막트랜지스터의 광누설전류를 줄이고 화질을 개선하기 위한 투과형 액정표시장치의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에서는 회절 또는 부분노광을 통하여 블랙매트릭스를 패턴하여 백라이트에서 입사되는 빛이 전술한 블랙매트릭스에 반사되어 박막트랜지스터의 액티브층으로 유입되지 않도록 하였다.

이로 인하여 광 누설전류를 효과적으로 줄여 박막트랜지스터의 특성을 개선하였고, 또한 블랙매트릭스의 상부에 형성하는 컬러필터층과의 단차를 줄여 불균일한 액정배향을 막아 화질을 개선하였다.

컬러필터(CF : color filter), 블랙매트릭스(BM : black matrix), 액정표시장치

Description

블랙매트릭스의 구조를 개선한 투과형 액정표시장치와 그 제조방법 {improvement of black matrix structure for transmittive liquid crystal display and fabrication method of the same}

도 1은 일반적인 투과형 액정표시장치를 도시한 도면.

도 2는 종래의 투과형 액정표시장치의 평면도.

도 3은 백라이트를 통하여 입사된 빛이 블랙매트릭스에 반사하는 경로를 도시한 종래의 투과형 액정표시장치의 단면도.

도 4는 종래의 상부기판상에 형성한 블랙매트릭스의 상부에 컬러필터층과 공통전극을 적층한 단면도.

도 5a는 상부기판상에 적층한 블랙매트릭스를 새도우 마스크를 이용하여 노광하는 과정을 도시한 도면.

도 5b는 형성한 상부기판을 아랫변으로 하는 삼각형상의 블랙매트릭스를 형성하는 과정을 도시한 도면.

도 5c는 형성한 블랙매트릭스의 상부에 컬러필터층과 공통전극을 형성하는 공정을 도시한 단면도.

도 5d는 공통전극의 상부에 배향막을 도포하는 공정을 도시한 도면.

도 6은 백라이트를 통하여 입사된 빛이 블랙매트릭스에 반사하는 경로를 도시한 본 발명에 따른 투과형 액정표시장치의 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>

112 : 액티브층 114 : 소스전극

115 : 드레인 전극 108 : 게이트 전극

117 : 데이터 배선 121 : 블랙매트릭스

122a, 122b, 122c : 컬러필터층

본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로, 특히 백라이트에서 입사한 빛이 블랙매트릭스에 반사되어 박막트랜지스터의 액티브층으로 유입되는 광량을 줄이기 위한 투과형 액정표시장치의 구조 및 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 박막트랜지스터의 액티브층은 비정질 실리콘과 폴리실리콘을 이용하는데, 비정질 실리콘은 증착된 이후 열처리나 레이저 조사 없이 바로 액티브층으로 사용할 수 있어 공정이 간단해지고 기존의 기술을 이용할 수 있다는 장점을 가지고 있지만, 빛에 민감하게 특성이 변한다는 단점을 가지고 있다.

그래서 투과형 액정표시장치에 있어서 백라이트의 빛이 액티브층인 비정질실 리콘에 입사되면 박막트랜지스터의 오프 전류가 상당히 증가하여 액정표시장치 (TFT-LCD : thin film transistor-liquid crystal display)의 화질저하를 가져온다.

일반적으로 박막트랜지스터의 액티브층으로 유입되는 빛은 3 가지로 나뉘게 되는데, 첫째, 백라이트에서 박막트랜지스터로 직접 입사되는 빛이다. 모니터용 백라이트의 밝기는 3000cd/cm²를 상회하기 때문에 이 빛이 가장 심각하다. 이 빛의 효과적인 차단 방법은 인버티드 스테거드(inverted staggered) 구조의 박막트랜지스터 구조를 채용하는 것이다.

인버티드 스테거드 구조의 박막트랜지스터는 기판에 게이트 전극을 먼저 형성하여 기판의 하부에서 직접 입사되는 빛을 금속인 게이트 전극이 막아주는 형태로, 게이트 전극의 상부에는 게이트 절연막과 비정질 실리콘인 액티브층 다음으로 오믹층을 형성한 다음, 금속층을 증착하고 패턴하여 소스전극과 드레인전극을 형성한다.

둘째로, 백라이트에서 패널로 입사한 빛이 화소전극 및 데이터 배선과 게이트 배선사이를 통과하고 상부기판의 블랙매트릭스에서 반사되어 액티브층에 유입되는 빛이다. 이것은 첫 번째 경우와 비교해서 그 세기는 작지만, 이 빛의 효과적인 차단설계를 하기 위해서는 블랙매트릭스의 반사율을 낮추어야 한다.

셋째로 외부 주변광이 컬러필터 기판을 통하여 패널로 입사되는 빛인데, 이 빛은 컬러필터 기판에 배치되는 블랙매트릭스를 통해서 박막트랜지스터의 액티브층 으로의 입사하기 때문에 대부분을 차단시킬 수 있다.

이러한 블랙매트릭스의 재질로는 크롬(Cr) 등의 금속 박막이나 카본(carbon) 계통의 유기재료가 주로 쓰이며, Cr/CrOx 의 이층막 구조도 액정표시장치 스크린의 저반사화를 목적으로 사용되기도 한다.

일반적인 액정표시장치의 구조를 도 1을 통하여 도시하였다.

도시한 바와 같이, 하부기판(6)에는 데이터 배선(17)과 게이트 배선(5)이 교차된 영역을 화소영역(P)으로 하고 교차점에 박막트랜지스터(T)가 형성되어 있다.

박막트랜지스터(T)의 상부에는 화소전극(18)을 형성하며, 일반적으로 투명한 인듐틴옥사이드(ITO : indium tin oxide)를 사용한다.

한편, 상부기판은 별도로 제조되는 바, 상부기판(24)의 상부에는 블랙매트릭스(21)와 컬러필터층(22a,22b,22c)을 형성한다. 컬러필터층(22a,22b,22c)의 상부에는 투명한 공통전극(23)을 형성한다.

다음으로, 하부기판(6)과 상부기판(24)을 서로 대향하도록 하여 합착하고 액정층(20)을 주입하게 되면, 하부기판(6)의 하부에 위치한 백라이트(미도시)를 통하여 빛이 공급되고 다수개의 화소영역(P)은 다수개의 박막트랜지스터로 구동되는 풀 컬러(full color) 액정표시장치를 제작하게 된다.

이러한 액정표시장치의 평면도와 단면도를 각각 도 2와 도 3에서 도시하였다.

도시한 바와 같이 도 2에서는, 데이터 배선(17)과 게이트 배선(5)이 교차하여 다수개의 화소영역(P)을 정의하고 각 교차지점에 박막트랜지스터(T)를 형성한 다. 박막트랜지스터는 전술한 바와 같이 광 누설전류를 줄이기 위하여 게이트 전극이 하부에 위치한 인버티드 스테거드 구조의 박막트랜지스터를 사용하였다.

각 박막트랜지스터의 구성요소는 액티브층(12)과 게이트 전극(8), 소스전극(14) 및 드레인 전극(15)이며, 액티브층은 비정질 실리콘으로 이루어져 있다.

여기에서 블랙매트릭스(21)는 박막트랜지스터(T)와 데이터 배선(17)의 직접적인 광조사를 차폐하는 역할을 하는데, 전술한 바와 같이 게이트 전극(8)이 하부에 위치한 인버티드 스테거드 구조에서 게이트 전극(8)의 크기를 증가시켜 추가적으로 조사되는 빛의 양을 줄일 수 있다.

그런데, 게이트 전극(8)의 크기가 커지게 되면 B영역의 길이가 증가해서 게이트 전극(8)을 덮는 블랙매트릭스(21)의 크기도 같이 커지게 되고, 결과적으로 화소영역(P)이 줄어들어 개구율을 감소시키게 된다.

도 3은 도 2에서 도시한 A-A'영역의 단면구조로서, 백라이트를 통하여 입사된 빛이 블랙매트릭스에서 반사되는 경로를 도시하였다.

먼저, 하부기판(6)상에 박막트랜지스터(T)와 데이터 배선(17)을 형성하고 상부에 층간절연막(16)을 증착하고, 화소전극(18)을 형성하였다.

다음으로, 상부기판(24)의 하부에는 블랙매트릭스(21)와 컬러필터층(22a,22b, 22c)이 위치하고, 그 하부에 공통전극(23)이 형성되어 있으며, 공통전극(23)과 화소전극(18)의 중간에 액정층(20)이 충진되어 있다.

그런데, 백라이트에서 입사하는 빛(30)은 도시한 바와 같이, 블랙매트릭스(21)에서 반사(31)되어 박막트랜지스터(T)의 액티브층(12)에 들어가게 된다.

이러한 빛(31)은 박막트랜지스터(T)의 광 누설전류를 발생시켜 화질을 저하시킨다.

또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 상부기판(24)의 구성요소들 제조시에는 블랙매트릭스(21)를 상부기판(24)의 상부에 형성하고 다음으로 컬러필터층(22a, 22b, 22c)과 공통전극(23)을 차례로 적층하는데, 이때 블랙매트릭스(21)가 사각형상이기 때문에 단차가 형성될 수 있으며 단차가 심할 경우에는 컬러필터(22a, 22b, 22c)층 상부에 위치하는 액정(20)의 배향방향이 단차로인해 균일하지 못해 화질이 떨어질 수 있다.

본 발명은 이상에서 설명한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 블랙매트릭스에 반사되어 액티브층으로 들어가는 빛의 양을 감소시키고 블랙매트릭스로 인한 개구율 감소를 개선할 수 있는 투과형 액정표시장치 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 블랙매트릭스 구조를 개선한 투과형 액정표시장치는, 서로 이격되어 대향한 하부기판과 상부기판과; 상기 하부기판 하부의 백라이트와; 상기 하부기판상의 게이트 배선과 데이터 배선과; 상기 게이트 배선과 데이터 배선이 교차하는 지점에 형성된 박막트랜지스터와; 상기 박막트랜지스터와 연결된 화소전극과; 상기 상부기판의 하부에 위치하고, 상부기판에 접촉한 면을 아랫변으로 하는 삼각형상의 블랙매트릭스와; 상기 블랙매트릭스의 하부에 상기 블랙매트릭스의 최대 높이보다 더 두꺼운 두께를 가지며 상기 블랙매트릭스 중앙을 기준으로 이격하며 평탄한 표면을 가지며 형성된 컬러필터층과; 상기 컬러필터층의 하부에 단차없이 평탄한 표면을 가지며 상기 블랙매트릭스와 접촉하며 형성된 공통전극과; 상기 화소전극과 상기 공통전극 사이에 충진된 액정층을 포함하며, 상기 블랙매트릭스는 크롬(Cr) 또는 카본(carbon) 계통의 유기재료이다.

그리고, 상기 공통전극은 인듐틴옥사이드 또는 인듐징크옥사이드가 재질이다.

다음으로, 본 발명에 따른 액정표시장치의 제조방법은, 하부기판의 상부에 박막트랜지스터와 이와 연결된 화소전극을 형성하는 단계와; 상부기판의 내측면과 접촉한 면을 아랫변으로 하는 삼각형상의 블랙매트릭스를 형성하는 단계와; 상기 블랙매트릭스의 하부에 상기 블랙매트릭스의 최대 높이보다 더 두꺼운 두께를 가지며 상기 블랙매트릭스 중앙을 기준으로 이격하며 평탄한 표면을 가지며 형성된 컬러필터층을 형성하는 단계와; 상기 컬러필터층의 하부에 단차없이 평탄한 표면을 가지며 상기 블랙매트릭스와 접촉하는 공통전극을 형성하는 단계와; 상기 화소전극이 형성된 하부기판과 상기 공통전극이 형성된 상부기판 사이에 액정층을 형성하고 이들 두 기판을 합착하는 단계를 포함한다.

이때, 상기 박막트랜지스터는 게이트 전극과 액티브층과 서로 이격하는 소스 및 드레인 전극을 포함하며, 상기 게이트 전극은 상기 액티브층의 하부에 위치한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 실시예에서는 블랙매트릭스에 반사하여 액티브층으로 입사하는 광량을 줄이기 위하여 도 5a 내지 도 5c에 도시한 바와 같이, 블랙매트릭스를 패턴하는 과정을 도시하였다.

먼저 도 5a에서는, 상부기판(124)상에 블랙매트릭스(121)를 적층한 다음, 상부에 마스크(130)를 위치시키고, 그 상부에 빛(131)을 조사하여 노광하는 과정을 도시하였다.

상기 블랙매트릭스(121)는 반사도가 높거나 빛을 잘 흡수하는 물질을 사용하는데, 일반적으로 사용하는 재질로는 크롬(Cr) 등의 금속 박막이나 카본(carbon) 계통의 유기재료가 있다.

다음으로, 마스크(130)는 투과부와 차단부, 그리고 반투과부로 이루어져 있으며, 상기 반투과부는 부분 또는 회절노광하는 영역이다. 반투과부는 슬릿으로 구성될 수도 있고, 모노실리사이드와 같은 불투명한 물질을 증착하여 형성할 수 있다.

전술한 바와 같이, 상기 반투과부를 통과하는 빛(131)의 양은 투과부를 통과하는 빛(131)의 양에 비해 적게 되는데, 노광이후 블랙매트릭스(121)를 패턴하게 되면, 도 5b에 도시한 바와 같이 블랙매트릭스(121)가 종래의 사각형상과 달리 경사각을 가지는 삼각형상으로 형성된다.

다음으로 도 5c에서는 상부기판(124)상에 형성한 상부기판(124)과 접촉한 면 을 아랫변으로 하는 삼각형상의 블랙매트릭스(121)의 상부에 컬러필터층(122a, 122b)을 적층한 다음 공통전극(123)을 증착하는 과정을 도시하였다.

상기 컬러필터층(122a, 122b)은 도면에서는 2종류만 도시되어 있으나, 실제로는 적, 녹, 청을 표현할 수 있도록 3가지 종류의 컬러필터를 형성한다. 도시한 바와 같이, 컬러필터층(122a, 122b)의 상부에는 공통전극(123)을 적층하는데, 사용되는 물질은 투명하며, 전기를 통하는 인듐틴옥사이드나 인듐징크옥사이드를 주로 사용하고 있다.

공통전극(123)까지 적층하고 난 다음, 도 5d에서는 배향막(126)을 도포하는 공정을 도시하였다.

상기 배향막(126)은 상부기판(124)상에 얇고 균일하게 롤러(roller)를 이용하여 도포된다. 배향막(126)을 적층하는 방법으로는 회전도포법이나 인쇄도포법이 있으며, 도포 이후 이를 경화하고 러빙(rubbing)을 한다. 러빙을 하게 되면, 배향막이 일정한 방향으로 홈을 형성하게 되는데, 이는 차후 상부기판(124)과 하부기판(미도시)을 합착한 다음 액정을 주입할 때 액정이 균일한 방향으로 배향되도록 하는 역할을 하게 된다.

그런데, 종래의 사각형상의 블랙매트릭스 상부에 컬러필터층을 적층하게 되면 단차가 심하게 형성되어, 배향막을 도포한 다음 러빙을 해도 블랙매트릭스로 인한 단차로 액정배향이 균일하게 되지 않았다.

그러나, 본 발명에 의한 삼각형상의 블랙매트릭스(121)는 종래와는 달리 컬러필터층(122a, 122b)을 적층하더라도 단차가 거의 나지 않기 때문에, 균일하게 액 정을 배향할 수 있는 장점을 가지고 있다.

다음으로, 전술한 바와 같은 블랙매트릭스가 형성된 액정표시장치를 도 6을 통하여 도시하였다.

도시한 바와 같이, 하부기판(106)상에 박막트랜지스터(T)와 데이터 배선(117)이 위치하고, 그 상부에 층간절연막(116)과 화소전극(118)을 차례로 적층되어 있다.

상기 박막트랜지스터(T)는 게이트 전극(108)과 소스전극(114), 드레인전극(115), 그리고 액티브층(112)을 구성요소로 하며, 액티브층(112)의 상부에는 오믹콘택층(113)이 위치하여 소스전극(114) 및 드레인전극(115)이 각각 접촉된다.

종래의 기술에서 전술한 바와 같이 광누설을 일으키는 요소중 백라이트로부터 박막트랜지스터(T)로 입사하는 빛(130)이 큰 요인이 되기 때문에, 상기 박막트랜지스터(T)는 게이트전극(108)이 하부에 위치하여 액티브층(112)으로 백라이트의 빛이 입사하지 못하도록 하는 인버티드 스테거드 구조를 사용한다.

다음으로 상부기판(124)의 상부에 본 발명에 따른 상부기판(124)과 닿는 면을 아랫변으로 하는 삼각형상의 블랙매트릭스(121)가 위치한다. 다음으로, 상기 블랙매트릭스(121)의 하부에 컬러필터층(122a, 122b, 122c)이 위치한다. 또한, 컬러필터층(122a, 122b, 122c)의 하부에는 공통전극(123)이 위치한다.

또한, 이러한 공통전극(123)과 화소전극(118)은 도시한 바와 같이 서로 대향하며 이격되어 있는데, 그 중간에 액정층(120)이 주입되어 있다.

백라이트로부터 입사한 빛이 액정표시장치를 통과하여 블랙매트릭스(121)에 반사되는 경로를 화살표(130,131)를 통하여 도시하였다.

먼저 백라이트로부터의 빛(130)이 박막트랜지스터(T)를 통과하여 액정표시장치의 내부로 입사하게 된다. 다음으로, 본 발명에 따라 형성한 삼각형상의 블랙매트릭스(121) 경사부에 반사되면, 반사된 빛(131)의 경로는 종래와는 달리 박막트랜지스터(T)의 액티브층(112)으로 직접 입사하지 않게 된다.

이러한 블랙매트릭스(121)에 반사되는 빛(131)의 경로는, 기존에 액티브층(112)으로 입사하여 광누설을 일으켰던 것을 개선할 수 있을 뿐 아니라, 게이트 전극(108)의 크기도 줄일 수 있어 블랙매트릭스(121)를 형성하는 영역을 더욱 줄일 수 있다. 그러므로 제품의 개구율을 늘일 수 있다.

또한, 광누설을 줄일 수 있어 박막트랜지스터(T)의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.

전술한 바와 같은 블랙매트릭스를 이용한 투과형 액정표시장치는 백라이트로부터 입사되는 빛이 블랙매트릭스에 반사되어 액티브층으로 들어가게 되는 경로를 변경하여 빛샘 현상을 막을 수 있고, 컬러필터층의 단차를 없앨 수 있어 액정배향을 균일하게 할 수 있으며, 개구율을 증가시킬 수 있다.

Claims (8)

1. 서로 이격되어 대향한 하부기판과 상부기판과;

   상기 하부기판 하부의 백라이트와;

   상기 하부기판상의 게이트 배선과 데이터 배선과;

   상기 게이트 배선과 데이터 배선이 교차하는 지점에 형성된 박막트랜지스터와;

   상기 박막트랜지스터와 연결된 화소전극과;

   상기 상부기판의 하부에 위치하고, 상부기판에 접촉한 면을 아랫변으로 하는 삼각형상의 블랙매트릭스와;

   상기 블랙매트릭스의 하부에 상기 블랙매트릭스의 최대 높이보다 더 두꺼운 두께를 가지며 상기 블랙매트릭스 중앙을 기준으로 이격하며 평탄한 표면을 가지며 형성된 컬러필터층과;

   상기 컬러필터층의 하부에 단차없이 평탄한 표면을 가지며 상기 블랙매트릭스와 접촉하며 형성된 공통전극과;

   상기 화소전극과 상기 공통전극 사이에 충진된 액정층

   을 포함하는 액정표시장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 블랙매트릭스는 크롬(Cr) 또는 카본(carbon) 계통의 유기재료인 액정표시장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 공통전극은 인듐틴옥사이드 또는 인듐징크옥사이드인 액정표시장치.
4. 하부기판의 상부에 박막트랜지스터와 이와 연결된 화소전극을 형성하는 단계와;

   상부기판의 내측면과 접촉한 면을 아랫변으로 하는 삼각형상의 블랙매트릭스를 형성하는 단계와;

   상기 블랙매트릭스의 하부에 상기 블랙매트릭스의 최대 높이보다 더 두꺼운 두께를 가지며 상기 블랙매트릭스 중앙을 기준으로 이격하며 평탄한 표면을 가지며 형성된 컬러필터층을 형성하는 단계와;

   상기 컬러필터층의 하부에 단차없이 평탄한 표면을 가지며 상기 블랙매트릭스와 접촉하는 공통전극을 형성하는 단계와;

   상기 화소전극이 형성된 하부기판과 상기 공통전극이 형성된 상부기판 사이에 액정층을 형성하고 이들 두 기판을 합착하는 단계

   를 포함하는 액정표시장치의 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 박막트랜지스터는 게이트 전극과 액티브층과 서로 이격하는 소스 및 드레인 전극을 포함하며, 상기 게이트 전극은 상기 액티브층의 하부에 위치하는 액정표시장치의 제조방법.
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