KR100897507B1 - 지문 인식 소자를 내장한 일체형 액정표시장치 제조방법 - Google Patents

지문 인식 소자를 내장한 일체형 액정표시장치 제조방법 Download PDF

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Abstract

지문 인식 소자를 내장한 일체형 액정표시장치 제조방법이 개시된다. 디스플레이에 사용되는 TFT 어레이(array)를 형성하는 포토 마스크 공정과 지문 인식에 사용되는 TFT 어레이를 형성하는 포토 마스크 공정을 통합하여 디스플레이에 사용되는 TFT 어레이(array)와 지문 인식에 사용되는 TFT 어레이를 단일 기판 위에 동시에 형성하며, 작은 면적의 지문 인식 영역을 사용하는 다이내믹 스캐닝 방식을 적용한다. 사용되는 유리 기판 수 및 포토 마스크 공정 수를 줄일 수 있어 제조 비용을 절감할 수 있고, 특히 경박 단소가 중요한 셀룰러 폰과 같은 모바일 기기에 적용할 경우 경박 단소화가 가능한 효과가 있다.

Description

지문 인식 소자를 내장한 일체형 액정표시장치 제조방법{FABRICATING METHOD OF LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE HAVING FINGERPRINT SENSING DEVICE}
도 1은 종래의 지문 인식 TFT 기판을 실장한 TFT-LCD 패널을 가지는 셀룰러 폰의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 TFT-LCD 패널 위에 a-si 센서 방식을 사용한 지문 인식 TFT 기판이 실장된 상태의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 지문 인식부와 디스플레이부를 실장한 셀룰러 폰의 개략적인 사시도이다.
도 4는 도 3의 디스플레이부와 지문 인식부의 개략적인 구성 블록도이다.
도 5는 도 4의 지문 인식부의 동작 원리를 설명하기 위한 도 4의 단위셀의 지문 인식 TFT 기판의 개략적인 단면도이다.
도 6은 도 5의 지문 인식 TFT 기판의 단위셀에 대한 등가 회로를 나타낸다.
도 7은 지문 인식 TFT 기판의 제조 공정을 설명하기 위한 도 5의 단위셀의 지문 인식 TFT 기판의 개략적인 단면도이다.
도 8a 내지 도 15b는 도 7의 단위셀의 지문 인식 TFT 기판의 제조 공정을 설명하는 평면도 및 단면도들이다.
본 발명은 지문 인식 소자를 내장한 일체형 액정표시장치의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 경박 단소가 중요한 셀룰러 폰과 같은 모바일 기기에 적용할 수 있도록 경박 단소화가 가능한 지문 인식 소자를 내장한 일체형 액정표시장치의 제조 방법을 제공함에 있다.
a-Si 박막 트랜지스터 액정 표시 장치(TFT-LCD; Thin Film Transistor Liquid Crystal Display)는 평판 디스플레이 장치(FPD; Flat Panel Display)의 하나로서 노트북 컴퓨터, 모니터, 텔레비전, 모바일 단말기 등에 널리 사용되고 있다. a-Si TFT-LCD는 스위칭 기능을 가지고 있어 디스플레이 소자로 사용된다.
또한, a-Si TFT-LCD는 감광성이 있어 광 감지 센서로서 사용되어 바이오메트릭스(biometrics) 등에도 널리 이용되고 있다.
바이오메트릭스 산업은 지문, 음성, 얼굴, 손, 홍채와 같은 개인의 특유한 특징을 이용한 개인 인증 시스템에 관한 것이다. 특히, 비용, 사용 편의성, 정확성의 측면에서 지문 인식을 이용한 개인 인증 방법이 널리 사용되고 있다.
기존의 지문 인식 장치에는 광학 센서를 이용하는 광학식과 실리콘 칩 기반의 센서를 이용한 반도체식이 있었다.
광학식은 지문 영상의 품질이 높은 장점이 있지만 이미지 왜곡에 약하고 소형화가 어려우며 가격이 높은 단점이 있다. 특히, 다수의 렌즈의 사용으로 경박 단소가 불가능하므로 모바일 단말기 등에는 적합하지 않다.
반도체식 중 CMOS 공정을 활용하는 방식은 CMOS 공정으로 제작이 가능하여 소형으로 제작할 수 있지만, 정전기나 기타 외부 환경에 약하여 신뢰성이 떨어진다는 단점이 있다. 향후의 지문 인식 장치는 모바일용 적합하도록 가볍고 소형이어야 할 뿐만 아니라 내구성 및 안정성을 필요로 한다.
최근, 모바일용으로서의 요구 조건을 만족하는 a-Si의 감광성을 이용한 a-Si TFT 지문 인식 장치가 개발되었고, 비교적 얇은 구조로써 높은 감광성을 얻을 수 있다.
한편, 상기와 같은 a-Si TFT 지문 인식 장치를 셀룰러 폰의 TFT-LCD에 결합한 복합형 TFT-LCD가 나타나고 있다.
도 1은 종래의 지문 인식 TFT 기판을 실장한 TFT-LCD 패널을 가지는 셀룰러 폰의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 TFT-LCD 패널 위에 a-Si 센서 방식을 사용한 지문 인식 TFT 기판이 실장된 상태의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, TFT-LCD 패널(20) 위에 a-Si의 전기 광학적 특성을 활용하는 a-Si 센서 방식을 사용한 지문 인식 TFT 기판(10)을 부착한다. TFT-LCD 패널(20)은 칼라 필터(42)가 형성된 칼라 필터 기판, 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor; TFT) 기판 및 백라이트(도시하지 않음)를 포함한다.
지문 인식 TFT 기판(10)은 유리와 같은 재질로 이루어진 제1 투명 기판(12), 투명 기판(12) 위에 형성된 지문 인식을 위한 센서 TFT와 스위칭 TFT로 구성된 지문 인식 TFT(14), 그 결과물 상에 형성된 층간 절연물(16)을 포함한다.
종래의 TFT-LCD 패널(20)은 TFT 기판, 칼라 필터 기판 및 상기 TFT 기판과 칼라 필터 기판 사이에 개재된 액정층(35)으로 이루어진다. TFT 기판은 유리와 같은 재질로 이루어진 제2 투명 기판(22) 상에 형성된 박막 트랜지스터(도시하지 않음)를 포함한다. 칼라 필터 기판에는 유리와 같은 재질로 이루어진 제3 투명 기판(34) 상에 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B) 칼라 필터(40)들이 형성되고, 상기 칼라 필터 기판은 액정층(35)을 사이에 두고 상기 TFT 기판과 대향하도록 상기 TFT 기판에 부착된다.
a-Si TFT 지문 인식 장치와 디스플레이용 TFT LCD를 상하 구조로 배치한 종래의 셀룰러 폰의 복합형 TFT-LCD의 경우에는 디스플레이 영역의 TFT 기판에 2개의 유리 기판이 사용되고, 지문 인식 영역의 지문 인식 TFT 기판에 1개의 유리 기판이 사용되어 총 3개의 유리 기판이 사용된다. 따라서, 지문 인식 장치용으로 별도의 유리 기판을 사용해야 하므로 그 만큼 제조 비용이 상승하게 된다. 또한, 지문 인식 장치용으로 별도의 유리 기판을 사용해야 하므로 유리 기판으로 인한 무게 및 두께 증가로 인하여 특히 경박 단소가 중요한 셀룰러 폰과 같은 모바일 기기에 적용하기 어렵다.
한편, 일반적으로 정확한 지문 인식을 위해 디스플레이 영역의 TFT-LCD의 해상도보다 높은 해상도를 가진 지문 인식 TFT 기판(10)을 사용한다. 예를 들어, 1:n의 종횡비(aspect ratio)를 가지는 1개의 TFT-LCD 픽셀(pixel)에 대하여 1:1의 종횡비를 가지는 TFT 지문 인식 셀(cell) n개가 대응한다. 이 경우, 지문 인식 TFT 기판(10)과 디스플레이 영역의 TFT-LCD간에 미스 얼라인(miss-align)이 발생하는 경우 상기와 같이 디스플레이 영역의 TFT-LCD의 n배의 해상도를 가지는 지문 인식 TFT 기판(10)의 개구율은 디스플레이 영역의 TFT-LCD의 개구율보다 n배 이상 감소하게 된다. 특히, 디스플레이 영역의 TFT 기판과 칼라 필터 기판 사이에 미스 얼라인이 발생하는 경우까지도 고려하면 개구율이 대폭 감소하게 되는 문제점이 있다. 그 결과, 설계 마진(margin)이 적어지고 제조 공정 관리에 어려움이 발생한다.
또한, 정확한 얼라인을 위한 작업에 어려움이 있고, 미스 얼라인을 고려하여 지문 인식 TFT 기판(10)을 실장한 TFT-LCD 패널(20)을 설계할 경우 개구율 감소에 따른 디스플레이 특성이 저하된다.
따라서, 본 발명의 목적은 경박 단소가 중요한 셀룰러 폰과 같은 모바일 기기에 적용할 수 있도록 경박 단소화가 가능한 지문 인식 소자를 내장한 일체형 액정표시장치의 제조 방법을 제공함에 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 제1 기판상의 디스플레이 영역에는 TFT 게이트 전극을 포함하는 제1 게이트 배선을 형성하고, 상기 디스플레이 영역과 인접한 상기 제1 기판상의 지문 인식 영역에는 센서 TFT 게이트 전극 및 스위칭 TFT 게이트 전극을 포함하는 제2 게이트 배선을 형성하는 단계와, 상기 게이트 배선이 형성된 제1 기판 상의 디스플레이 영역 및 지문 인식 영역에 각각 상기 게이트 배선을 덮도록 게이트 절연막을 형성하는 단계와, 상기 디스플레이 영역의 상기 TFT 게이트 전극 상부의 게이트 절연막 상에는 비정질실리콘(a-Si)을 포함하는 도전성 TFT 채널 영역을 형성하고, 상기 지문 인식 영역의 상기 센서 TFT 게이트 전극 및 스위칭 TFT 게이트 전극 상부의 게이트 절연막 상에는 각각 비정질실리콘(a-Si)을 포함하는 도전성 센서 TFT 채널 영역 및 스위칭 TFT 채널 영역을 형성하는 단계와, 상기 디스플레이 영역의 채널 영역의 양측 가장자리에 각각 중첩되도록 TFT 소오스 전극 및 드레인 전극을 형성하고, 상기 지문 인식 영역의 채널 영역의 양측 가장자리에 각각 중첩되도록 센서 TFT 소오스 전극 및 센서 TFT 드레인 전극, 스위칭 TFT 소오스 전극 및 스위칭 TFT 드레인 전극을 형성하는 단계와, 상기 지문 인식 영역에 제1 전극을 형성하는 단계와, 상기 디스플레이 영역 및 상기 지문 인식 영역에 제1 절연층을 형성하는 단계와, 상기 디스플레이 영역 및 상기 지문 인식 영역에 제2 전극을 형성하는 단계와, 상기 지문 인식 영역의 상기 스위칭 TFT 게이트 전극 상부에 광차단층을 형성하는 단계 및 상기 지문 인식 영역에 제2 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 지문 인식 소자를 내장한 일체형 액정표시장치 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 디스플레이에 사용되는 TFT 어레이(array)를 형성하는 포토 마스크 공정과 지문 인식에 사용되는 TFT 어레이를 형성하는 포토 마스크 공정을 통합하여 디스플레이에 사용되는 TFT 어레이(array)와 지문 인식에 사용되는 TFT 어레이를 단일 기판 위에 동시에 형성하며, 작은 면적의 지문 인식 영역을 사용하는 다이내믹 스캐닝 방식을 적용한다.
따라서, 사용되는 유리 기판 수 및 포토 마스크 공정 수를 줄일 수 있어 제조 비용을 절감할 수 있고, 특히 경박 단소가 중요한 셀룰러 폰과 같은 모바일 기기에 적용할 경우 경박 단소화가 가능하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 지문 인식부와 디스플레이부를 실장한 셀룰러 폰의 개략적인 사시도이다.
도 3을 참조하면, 셀룰러 폰의 디스플레이 영역에 디스플레이부(350)가 위치하고, 상기 디스플레이 영역과 인접 영역인 지문 인식 영역에 지문 인식부(300)가 위치한다. 디스플레이부(350)와 지문 인식부(300)는 동일한 유리 기판 상에 형성된다.
상기 지문 인식 영역은 상기 지문 인식 영역보다 작은 면적을 가지며, 작은 면적의 센싱 영역(지문 인식 영역)을 이용하여 다이내믹 스캐닝 방식을 구현한다. 즉, 지문 인식 영역의 단축 방향으로 손가락을 이동시켜 지문 패턴이 지문 인식 영역 내의 센서 TFT에 센싱될 수 있도록 한다.
도 4는 도 3의 디스플레이부와 지문 인식부의 개략적인 구성 블록도이다.
도 4를 참조하면, 유리 기판(400) 상에는 디스플레이부(350)와 지문 인식부(300)가 함께 형성된다.
디스플레이부(350)는 디스플레이용 게이트 IC(370), 디스플레이용 데이터 IC(380), 디스플레이 영역(360) 및 제1 연성 회로 기판(FPC; 390)을 포함한다.
디스플레이 영역(360)은 복수의 박막 트랜지스터(TFT)로 이루어진 m*n 개의 픽셀들로 이루어진다. 디스플레이용 게이트 IC(370)과 디스플레이용 데이터 IC(380)에 의하여 상기 복수의 픽셀을 구성하는 TFT들을 순차적으로 ON/OFF 제어함 으로써, 액정에 전계를 인가하여 원하는 영상을 디스플레이 한다. 디스플레이부(350)는 일반적인 TFT 액정 표시 장치에 대한 것이므로 자세한 설명은 생략한다.
지문 인식부(300)는 지문 인식 게이트 IC(342), 지문 인식 데이터 IC(344), 지문 인식 영역(310), 제2 FPC(346) 및 지문 인식 프로세서(348)를 포함한다.
지문 인식 영역(310)은 스위칭 TFT(310a, 도 5 참조) 및 센서 TFT(310b, 도 5 참조)로 이루어진 단위셀들이 지문 인식 데이터 IC(344) 및 지문 인식 게이트 IC(342)의 라인 수에 상응하여 형성된다. 예를 들어, 지문 인식 데이터 IC(344)의 라인이 m 개이고, 지문 인식 게이트 IC(342)의 라인이 1 개인 경우 m*1 개의 단위셀이 존재한다. 바람직하게는 지문 인식 게이트 IC(320)에 보조 라인을 1개 더 형성하여 2개의 라인을 형성하여 다이내믹 스캐닝 동작시 현재 프레임의 스캐닝과 직전 (또는 직후) 프레임의 스캐닝을 수행하도록 할 수 있다. 또는, 지문 인식 게이트 IC(320)에 3개의 라인을 형성하여 다이내믹 스캐닝 동작시 현재 프레임의 스캐닝과 직전 및 직후 프레임의 스캐닝을 수행하도록 할 수 있다.
지문 인식 게이트 IC(342) 및 지문 인식 데이터 IC(344)는 제2 연성 회로 기판(FPC; 346)을 통하여 유리 기판(400) 외부의 인쇄회로 기판 상에 실장된 지문 인식 프로세서(348)와 연결된다.
본 발명에 따른 지문 인식 게이트 IC(342)는 타이밍 콘트롤러(TCON)를 내장할 수 있다.
타이밍 콘트롤러(TCON)는 지문 인식 게이트 IC(342) 및 지문 인식 데이터 IC(344)에 클락 (clock) 신호 및 동기(sync) 신호등의 타이밍 제어신호를 제공하여 지문 인식 게이트 IC(342)가 지문 인식 영역(310)의 스위칭 TFT의 게이트 단자를 ON/OFF 제어할 수 있도록 하고, 지문 인식 데이터 IC(344)가 센서 TFT로부터 아날로그 지문 인식 값을 읽어들일 수 있도록 한다.
지문 인식 게이트 IC(342)는 1개 프레임(frame)씩 지문 패턴 값을 읽어들이도록 한다. 예를 들어, m*1의 단위셀이 존재할 경우는 1개의 게이트 라인으로 ON/OFF 제어 신호를 제공하여, m 개의 데이터 라인으로부터 지문 패턴 값을 읽어 들이도록 한다. 즉, 지문 인식 게이트 IC(342)는 지문 인식 영역(310)에 배열된 복수개의 센서 TFT로부터 연속적으로 지문 패턴 값을 읽어들이도록 지문 인식 영역(310) 내의 스위칭 TFT를 스위칭하기 위한 게이트 구동 신호를 출력한다. 그 결과, 지문 인식 영역(310)에 배열된 복수개의 센서 TFT로부터 지문의 패턴을 읽어들일 수 있도록 한다.
지문 인식 데이터 IC(344)는 지문 인식 데이터 독출부(도시하지 않음) 및 아날로그-디지털 변환기(ADC, 도시하지 않음) 등을 포함한다.
지문 인식 데이터 독출부는 지문 인식 게이트 IC(342)에 의해 지문 인식 영역(310) 내의 스위칭 TFT가 턴-온(turn on)된 경우 센서 TFT에서 감지된 아날로그 지문 패턴 신호를 증폭부(도시하지 않음)를 통하여 증폭시킨다. 상기 증폭부의 신호 출력단은 멀티플렉서(도시하지 않음) 등에 연결되어 단일 신호로 출력되고, ADC로 입력된다.
ADC는 지문 인식 영역(310)으로부터 지문 인식 데이터 독출부를 통하여 읽어 들인 아날로그 지문 패턴 신호 값을 디지털 데이터로 변환하여 제2 FPC(346)을 통하여 지문 인식 프로세서(348)로 출력한다.
지문 인식 프로세서(348)는 인쇄회로 기판(PCB) 상에 형성되며, ADC의 출력인 디지털 지문 인식 데이터 값을 입력받고, 현재 입력된 지문 인식 데이터 값을 이용하여 기존에 메모리에 저장된 지문 패턴과 비교하는 등의 지문 인식에 필요한 처리를 수행한다. 도면에는 도시되지 않았지만 기존의 지문 패턴을 저장하기 위한 메모리가 상기 지문 인식 프로세서(348)에 연결된다.
지문 인식 프로세서(348)는 지문 인식 패턴 값을 1 프레임(frame) 단위로 읽어들여 인식한다. 지문 인식 프로세서(348)는 현재 프레임(n 번째 프레임)을 읽어들이고 현재 프레임의 지문 패턴 값을 메모리에 저장된 이전 프레임(n-1 번째 프레임)의 지문 패턴 값과 비교한다. 상기 비교 결과, 현재 프레임(n 번째 프레임)의 지문 패턴이 이전 프레임(n-1 번째 프레임)의 지문 패턴과 동일한 사람의 지문 패턴의 연장이라고 볼 수 있는 경우에는 현재 프레임(n 번째 프레임)의 지문 패턴을 메모리에 저장하고 이전 프레임(n-1 번째 프레임)의 지문 패턴과 합쳐서 지문 패턴을 합성한다.
또한, 지문 인식 프로세서(348)는 계속해서 다음 프레임(n+1 번째 프레임)의 지문 패턴을 읽어들이고, 이를 현재 프레임(n 번째 프레임)의 지문 패턴과 비교한다. 상기 비교 결과, 다음 프레임(n+1 번째 프레임)의 지문 패턴이 현재 프레임(n 번째 프레임)의 지문 패턴과 동일한 사람의 지문 패턴의 연장이라고 볼 수 있는 경우에는 다음 프레임(n+1 번째 프레임)의 지문 패턴을 메모리에 저장하고 현재 프레 임(n 번째 프레임)의 지문 패턴과 합쳐서 지문 패턴을 합성한다. 이와 같은 방법을 사용하여 동일한 사람의 전체 지문 패턴을 인식하고 합성할 수 있다.
도 5는 도 4의 지문 인식부의 동작 원리를 설명하기 위한 도 4의 단위셀의 지문 인식 TFT 기판의 개략적인 단면도이고, 도 6은 도 5의 지문 인식 TFT 기판의 단위셀에 대한 등가 회로를 나타낸다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 지문 인식 TFT 기판에는 제1 투명 기판(312) 상에 형성된 스위칭 TFT(310a), 센서 TFT(310b) 및 저장 커패시터(Cst)가 형성된다.
센서 TFT(310b)의 드레인 전극(327)은 외부 전원선(VDD)에 연결되어 있고, 센서 TFT(310b)의 소스 전극(325)과 스위칭 TFT(310a)의 소스 전극(309)은 제1 전극(332)을 통하여 전기적으로 연결되어 있다. 스위칭 TFT(310a)의 드레인 전극(307)은 센서 신호 출력 라인에 연결되어 있다. 센서 TFT(310b)의 게이트 전극은 센서 TFT 게이트 라인에 연결되어 있고, 스위칭 TFT(310a)의 게이트 전극은 스위칭 TFT 게이트 라인에 연결되어 있다. 또한, 제2 전극(336)은 센서 TFT 게이트 라인에 연결되어 있다.
제2 전극(336)은 제1 전극(332)과 절연층(334)을 사이에 두고 위치하여 제1 전극(332)과 제2 전극(336)은 저장 커패시터(Cst)로서 역할을 한다. 즉, 상기 저장 커패시터(Cst)는 센서 TFT(310b)로 입력되는 광의 양에 비례하여 전하를 충전시키는 역할을 한다.
센서 TFT(310b)의 소스 전극(325)과 드레인 전극(327)의 사이에는 비정질실 리콘(a-Si)으로 이루어진 채널 영역(323)이 형성된다. 채널 영역(323)으로 일정 광량 이상의 빛이 수광되면 소스 전극(325)과 드레인 전극(327)이 전기적으로 도통된다.
사용자가 손가락의 지문을 지문 인식 TFT 기판에 밀착하면, 제1 투명 기판(312) 하부의 백라이트(도시되지 않음) 등으로부터 발생된 광이 TFT-LCD 패널의 액정층(도시하지 않음)을 거친 후 지문 인식 TFT 기판으로 입사된다. 지문 인식 TFT 기판으로 입사된 광은 지문 패턴에 따라 반사되어 센서 TFT(310b)의 채널 영역(323)에 수광된다. 그 결과, 센서 TFT(310b)가 도통되어 저장 캐패시터(Cst)에는 입력되는 빛의 양에 비례하는 전하가 충전된다.
한편, 스위칭 TFT(310a)의 드레인 전극(307)과 소스 전극(309)의 상부에는 광이 수광되는 것을 방지하도록 광차단층(shielding layer 또는 Black Matrix)(339)이 형성된다.
이하, TFT 지문 인식 기판의 단위셀에 대한 등가회로를 나타낸 도 6을 참조하여 지문 인식 원리를 설명한다.
센서 TFT(310b)의 드레인 단자(D)로 소정 레벨의 직류 전압(VDD)이 인가되고, 게이트 단자(G)에는 소정 레벨의 바이어스 전압이 인가된다.
스위칭 TFT(310a)는 스위칭 TFT(310a)의 게이트 단자(G)에서 게이트 구동부(도시하지 않음)로부터 게이트 구동 신호를 인가 받아 스위칭 동작을 한다. 게이트 구동부는 지문을 스캐닝하도록 설정된 매프레임마다 스위칭 TFT(310a)를 스위칭하 기 위한 게이트 구동 신호를 출력함으로써, TFT 지문 인식 기판을 통해 입력된 지문의 영상을 배열된 각 센서 TFT(310b) 별로 스캔한 프레임을 형성하도록 한다.
또한, 스위칭 TFT(310a)의 드레인 단자(D)는 센싱 신호 출력 라인을 통하여 외부의 데이터 독출부(도시하지 않음) 내의 증폭부(도시하지 않음)에 연결되어, 스위칭 TFT(310a)가 턴-온된 경우 저장 커패시터(Cst)에 충전된 전하의 양에 비례하는 전압이 출력된다. 센서 TFT(310b)의 소스 단자(S)로부터 출력되는 신호가 상기 증폭부를 통하여 증폭된다. 상기 증폭부의 신호 출력단은 멀티플렉서 등에 연결되어 단일 신호로 출력된다.
도 7은 지문 인식 TFT 기판의 제조 공정을 설명하기 위한 도 5의 단위셀의 지문 인식 TFT 기판의 개략적인 단면도이다.
도 7을 참조하면, TFT 지문 인식 기판은 유리와 같은 재질로 이루어진 제1 투명 기판(312), 제1 투명 기판(312)의 상면에 형성된 지문 인식을 위한 센서 TFT(310b)와 스위칭 TFT(310a)로 구성된 지문 인식 TFT(310), 그 결과물 상에 형성된 층간 절연물(340) 및 제1 투명 기판(312)의 하면에 형성된 ITO(indium-tin-oxide) 등으로 이루어진 공통 전극(도시하지 않음)을 포함한다.
도 8a 내지 도 15b는 도 7의 단위 셀의 지문 인식 영역의 제조 공정을 설명하는 평면도 및 단면도들이다. 도 8c, 9c, 10c, 12c 및 13c는 디스플레이 영역(360) 내의 1개의 픽셀(pixel)에 대한 박막 트랜지스터(TFT) 부분을 나타낸 단면도이다. 각 픽셀에는 액정을 제어하여 영상을 디스플레이하기 위하여 액정에 소정의 전계를 인가하기 위한 박막 트랜지스터(TFT)가 형성된다.
이하, 단위셀의 지문 인식 영역의 제조 공정을 설명한 후, 하나의 픽셀에 대한 TFT-LCD 패널의 제조 공정에 대해 설명한다.
도 8b는 도 8a의 스위칭 TFT(310a) 및 센서 TFT(310b)로 구성된 단위셀의 지문 인식 TFT를 A-A' 라인을 따라서 절개한 단면도이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 지문 인식 영역(310)에서는 각각의 단위셀마다 유리, 석영 또는 사파이어로 이루어진 제1 투명 기판(312) 상에 센서 TFT 게이트 전극(321)을 포함하는 센서 TFT 게이트 라인과 스위칭 TFT 게이트 전극(301)을 포함하는 스위칭 TFT 게이트 라인이 형성된다. 이와 함께, 도 8c를 참조하면, 디스플레이 영역(360)에서는 각각의 픽셀마다 제1 투명 기판(312) 상에 TFT 게이트 전극(351)을 포함하는 TFT 게이트 라인(도시하지 않음)이 형성된다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 지문 인식 영역(310)에서는 센서 TFT 게이트 전극(321), 센서 TFT 게이트 라인, 스위칭 TFT 게이트 전극(301) 및 스위칭 TFT 게이트 라인 상에, 예를 들어 실리콘 질화물(SiNX)로 이루어진 게이트 절연막(303)이 형성된다. 상기 센서 TFT 게이트 전극(321) 및 스위칭 TFT 게이트 전극(301) 상부의 게이트 절연막(303)상에는 비정질실리콘(a-Si) 및 n+ 비정질실리콘으로 이루어진 센서 TFT 채널 영역(323) 및 스위칭 TFT 채널 영역(305)이 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방식에 의해 형성된다. 이와 함께, 도 9c를 참조하면, 디스플레이 영역(360)에서는 TFT 게이트 전극(351) 및 상기 TFT 게이트 라인 상에 게이트 절연막(353)이 형성되고, 상기 TFT 게이트 전극(351) 및 상기 TFT 게이트 라인 상부의 게이트 절연막(353) 상에는 비정질실리콘(a-Si) 및 n+ 비정질실리콘으로 이루어진 TFT 채널 영역(355)이 형성된다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 지문 인식 영역(310)에서는 상기 결과물 위에 금속막으로 이루어진 데이터 배선이 형성된다. 상기 데이터 배선은 상기 센서 TFT 채널 영역(323) 및 스위칭 TFT 채널 영역(305)의 양측 가장자리에 각각 중첩되는 센서 TFT 소오스 전극(325) 및 센서 TFT 드레인 전극(327), 스위칭 TFT 소오스 전극(309) 및 스위칭 TFT 드레인 전극(307), 상기 게이트 라인과 교차하는 센서 신호 출력 라인, 외부 전원 라인(VDD)을 포함한다. 바람직하게는 상기 게이트 라인과 센서 신호 출력 라인은 ITO(indium-tin-oxide)와 같은 투명 전극으로 형성한다. 이와 함께, 도 10c를 참조하면, 디스플레이 영역(360)에서는 상기 TFT 채널 영역(355)이 형성된 결과물 위에 TFT 소오스 전극(359) 및 TFT 드레인 전극(357), 데이터 라인 등의 데이터 배선이 형성된다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 지문 인식 영역(310)에서는 상기 결과물 상에 저장 커패시터(Cst)를 만들기 위하여 ITO(indium-tin-oxide)로 이루어진 제1 전극(332)을 형성한다. 이때, 디스플레이 영역(360)에서는 새로운 레이어(layer)를 형성하는 공정은 이루어지지 않는다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 지문 인식 영역(310)에서는 상기 데이터 배선 및 제1 전극(332) 상에 절연층(334)을 형성하고, 상기 센싱 TFT의 게이트 라인의 일부를 노출시키는 콘택홀(335)을 형성한다. 이와 함께, 도 12c를 참조하면, 디스 플레이 영역(360)에서는 상기 데이터 배선이 형성된 결과물 상에 절연층(또는 보호막 361)을 형성하고, 상기 TFT 소스 전극(359)의 일부를 노출시키는 콘택홀(360)을 형성한다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 지문 인식 영역(310)에서는 저장 커패시터(Cst)를 만들기 위하여 제1 전극(332)과 대향하도록 절연층(334) 상에 ITO(indium-tin-oxide)로 이루어진 제2 전극(336)을 형성한다. 이와 함께, 도 13c를 참조하면, 디스플레이 영역(360)에서는 상기 절연층(361)이 형성된 결과물 상에 ITO(indium-tin-oxide)로 이루어진 투명 전극(365)을 상기 TFT 소스 전극(359)과 전기적으로 연결되도록 형성한다.
도 14a 및 도 14b를 참조하면, 지문 인식 영역(310)에서는 스위칭 TFT(310a)의 채널 영역(305) 상부의 절연층(334) 위에는 크롬/크롬 산화물(Cr/CrxOY)로 이루어지는 광차단층(shielding layer 또는 Black Matrix)(339)이 형성된다. 광차단층(339)은 상기 스위칭 TFT채널 영역(305)을 광의 노출로부터 차단하는 역할을 한다. 또는, 광차단층(BM; 339)이 형성되기 전에 도 14b에 도시된 바와 같이 절연막(338)을 먼저 형성할 수도 있다. 한편, 광차단층(339)은 도 14b와 달리 층간 절연층(340)을 먼저 형성한 후 스위칭 TFT(310a)의 채널 영역(305) 상부의 층간 절연층(334) 위에 형성할 수도 있다. 광차단층(339)은 상기 외부 전원 라인의 일부를 외부 광의 노출로부터 차단하도록 상기 외부 전원 라인의 상부에 형성될 수도 있다.
도 15a 및 도 15b를 참조하면, 지문 인식 영역(310)에서는 상기 광차단층(339), 제2 전극(336) 및 절연층(334) 상에 TFT 지문 인식 기판(300)을 외부 환경으로부터 보호하기 위한 실리콘 질화물로 이루어진 층간 절연층(340)이 형성된다.
이후, 디스플레이 영역(360)에서는 유리, 석영 또는 사파이어로 이루어진 제2 투명 기판(도시하지 않음) 상에 적색(red), 녹색(green), 청색(blue) 색화소를 형성하고, 그 위에 ITO로 이루어진 공통 전극이 형성된다.
이와 같이, 본 발명에서는 디스플레이에 사용되는 TFT 어레이(array)를 형성하는 포토 마스크 공정과 지문 인식에 사용되는 TFT 어레이를 형성하는 포토 마스크 공정을 통합한다. 기존의 디스플레이에 사용되는 TFT 어레이(array)를 형성하는 포토 마스크 공정(5매 포토 마스크 공정)과 지문 인식에 사용되는 TFT 어레이를 형성하는 포토 마스크 공정(8매 포토 마스크 공정)은 본 발명의 통합 공정에 의해 8매의 포토 마스크 공정으로 줄 일수 있다.
본 발명에 따르면, 디스플레이에 사용되는 TFT 어레이(array)를 형성하는 포토 마스크 공정과 지문 인식에 사용되는 TFT 어레이를 형성하는 포토 마스크 공정을 통합하여 디스플레이에 사용되는 TFT 어레이(array)와 지문 인식에 사용되는 TFT 어레이를 단일 기판 위에 동시에 형성하며, 작은 면적의 지문 인식 영역을 사용하는 다이내믹 스캐닝 방식을 적용한다.
따라서, 디스플레이에 사용되는 TFT 어레이(array)와 지문 인식에 사용되는 TFT 어레이를 단일 기판 위에 동시에 형성하므로, 종래의 디스플레이에 사용되는 TFT 어레이(array)와 지문 인식에 사용되는 TFT 어레이를 서로 다른 유리 기판 상에 독립적으로 형성할 경우보다 사용되는 유리 기판 수를 줄일 수 있어 제조 비용을 절감할 수 있다. 특히, 경박 단소가 중요한 셀룰러 폰과 같은 모바일 기기에 적용할 경우 경박 단소화가 가능하여 모바일 제품의 두께 및 총 중량이 감소하여 경박 단소화가 가능한 효과가 있다.
또한, 디스플레이에 사용되는 TFT 어레이(array)를 형성하는 포토 마스크 공정과 지문 인식에 사용되는 TFT 어레이를 형성하는 포토 마스크 공정을 통합하여 단일 기판 위에 동시에 형성하므로 기존의 13매의 포토 마스크 공정을 8매의 포토 마스크 공정으로 줄일 수 있다.
또한, 유리 기판 수의 감소에 따라 본 발명인 지문 인식 소자를 내장한 일체형 TFT-LCD 패널의 투과율이 증가됨으로써, 지문 인식에 필요한 빛의 양이 종래 보다 증가하여 지문 인식의 감도를 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 지문 인식 소자를 내장한 일체형 TFT-LCD 패널의 제조시 얼라인 불량을 감소시킬 수 있고, 지문 인식 소자를 내장한 일체형 TFT-LCD 패널의 개구율을 크게 향상시켜 디스플레이 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 얼라인 불량을 감소시킴으로써 공정 및 설계상 마진(margin)을 증가시킬 수 있고, 공정 관리의 편의성을 증가시킬 수 있다.
실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 제1 기판상의 디스플레이 영역에는 TFT 게이트 전극을 포함하는 제1 게이트 배선을 형성하고, 상기 디스플레이 영역과 인접한 상기 제1 기판상의 지문 인식 영역에는 센서 TFT 게이트 전극 및 스위칭 TFT 게이트 전극을 포함하는 제2 게이트 배선을 형성하는 단계;
    상기 게이트 배선이 형성된 제1 기판 상의 디스플레이 영역 및 지문 인식 영역에 각각 상기 게이트 배선을 덮도록 게이트 절연막을 형성하는 단계;
    상기 디스플레이 영역의 상기 TFT 게이트 전극 상부의 게이트 절연막 상에는 비정질실리콘(a-Si)을 포함하는 도전성 TFT 채널 영역을 형성하고, 상기 지문 인식 영역의 상기 센서 TFT 게이트 전극 및 스위칭 TFT 게이트 전극 상부의 게이트 절연막 상에는 각각 비정질실리콘(a-Si)을 포함하는 도전성 센서 TFT 채널 영역 및 스위칭 TFT 채널 영역을 형성하는 단계;
    상기 디스플레이 영역의 채널 영역의 양측 가장자리에 각각 중첩되도록 TFT 소오스 전극 및 드레인 전극을 형성하고, 상기 지문 인식 영역의 채널 영역의 양측 가장자리에 각각 중첩되도록 센서 TFT 소오스 전극 및 센서 TFT 드레인 전극, 스위칭 TFT 소오스 전극 및 스위칭 TFT 드레인 전극을 형성하는 단계;
    상기 지문 인식 영역에 형성된 센서 TFT의 일부 및 스위칭 TFT의 일부를 덮는 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 디스플레이 영역 및 상기 지문 인식 영역에 제1 절연층을 형성하는 단계;
    상기 디스플레이 영역 및 상기 지문 인식 영역에 제2 전극을 형성하는 단계;
    상기 지문 인식 영역의 상기 스위칭 TFT 게이트 전극 상부에 광차단층을 형성하는 단계; 및
    상기 지문 인식 영역에 제2 절연층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 지문 인식 영역에서 중첩되는 상기 제1 전극, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 전극은 저장 커패시터를 정의하는 것을 특징으로 하는 지문 인식 소자를 내장한 일체형 액정표시장치 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지문 인식 영역은 상기 디스플레이 영역보다 작은 것을 특징으로 하는 지문 인식 소자를 내장한 일체형 액정표시장치 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 지문 인식 소자를 내장한 일체형 액정표시장치 제조방법은
    상기 제1 기판 상부의 디스플레이 영역의 제2 기판 상에 적색, 녹색 및 청색 색화소를 형성하는 단계;
    상기 색화소 상에 제3 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판사이의 디스플레이 영역에 액정층을 개재하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 인식 소자를 내장한 일체형 액정표시장치 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 지문 인식 소자를 내장한 일체형 액정표시장치 제조방법은
    상기 센서 TFT의 게이트 라인과 교차하고 상기 센서 TFT 드레인 전극과 전기적으로 연결되는 ITO(indium-tin-oxide)으로 이루어진 센서 신호 출력 라인을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 인식 소자를 내장한 일체형 액정표시장치 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 광차단층은
    상기 센서 신호 출력 라인의 일부를 가리도록 상기 센서 신호 출력 라인의 상부에도 더 형성되는 것을 특징으로 하는 지문 인식 소자를 내장한 일체형 액정표시장치 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 지문 인식 소자를 내장한 일체형 액정표시장치 제조방법은
    상기 스위칭 TFT의 게이트 라인과 교차하고 상기 스위칭 TFT 드레인 전극과 전기적으로 연결되는 ITO(indium-tin-oxide)으로 이루어진 외부 전원 라인을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 인식 소자를 내장한 일체형 액정표시장치 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 광차단층은
    상기 외부 전원 라인의 일부를 가리도록 상기 외부 전원 라인의 상부에도 더 형성되는 것을 특징으로 하는 지문 인식 소자를 내장한 일체형 액정표시장치 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극은
    ITO(indium-tin-oxide)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지문 인식 소자를 내장한 일체형 액정표시장치 제조방법.
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