KR101537674B1 - 컬러필터용 잉크 및 이를 이용한 액정표시소자의 컬러필터제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 컬러잉크는 인쇄롤의 블랑켓에 스웰링 현상이 발생하는 것을 방지하기 위한 것으로, 15-30 중량부의 안료, 40-60 중량부의 알콜계 용매, 25-35 중량부의 니트로셀룰로오스계 바인더, 2 중량부 이하의 첨가제로 이루어진 컬러밀베이스; 저비점 알콜계 용매 및 고비점 알콜계 용매가 혼합된 용매; 및 니트로셀롤로오스계 바인더로 이루어지며, 상기 컬러밀베이스는 40-50 중량부, 니트로셀룰로오스계 바인더는 25-35 중량부, 용매는 15-35 중량부의 비율로 혼합된다.
액정, 컬러잉크, 컬러밀베이스, 용매, 바인더

Description

컬러필터용 잉크 및 이를 이용한 액정표시소자의 컬러필터 제조방법{COLOR FILTER INK AND METHOD OF BABRICATING COLOR FILTER OF LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE USING THEREOF}
본 발명은 컬러필터용 잉크 및 컬러필터 제조방법에 관한 것으로, 특히 인쇄법에 의한 컬러필터 형성시 스웰링에 의해 롤의 블랑켓이 파손되는 것을 방지할 수 있는 컬러필터용 잉크 및 이를 이용한 액정표시소자의 컬러필터 제조방법에 관한 것이다.
근래, 핸드폰(Mobile Phone), PDA, 노트북컴퓨터와 같은 각종 휴대용 전자기기가 발전함에 따라 이에 적용할 수 있는 경박단소용의 평판표시장치(Flat Panel Display Device)에 대한 요구가 점차 증대되고 있다. 이러한 평판표시장치로는 LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), FED(Field Emission Display), VFD(Vacuum Fluorescent Display) 등이 활발히 연구되고 있지만, 양산화 기술, 구동수단의 용이성, 고화질의 구현이라는 이유로 인해 현재에는 액정표시소자(LCD)가 각광을 받고 있다.
도 1은 일반적인 액정표시소자의 단면을 개략적으로 나타낸 것이다. 도면에 도시된 바와 같이, 액정표시소자(1)는 하부기판(5)과 상부기판(3) 및 상기 하부기판(5)과 상부기판(3) 사이에 형성된 액정층(7)으로 구성되어 있다. 하부기판(5)은 구동소자 어레이(Array)기판으로써, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 하부기판(5)에는 복수의 화소가 형성되어 있으며, 각각의 화소에는 박막트랜지스터(Thin Film Transistor)와 같은 구동소자가 형성되어 있다. 상부기판(3)은 컬러필터(Color Filter)기판으로써, 실제 컬러를 구현하기 위한 컬러필터층(2)과 빛샘을 차단하기 위한 블랙매트릭스(8)이 형성되어 있다. 또한, 상기 하부기판(5) 및 상부기판(3)에는 각각 화소전극(7) 및 공통전극(4)이 형성되어 있으며 액정층(7)의 액정분자를 배향하기 위한 배향막(미도시)이 도포되어 있다.
상기 하부기판(5) 및 상부기판(3)은 실링재(Sealing material)(미도시)에 의해 합착되어 있으며, 그 사이에 액정층(7)이 형성되어 상기 하부기판(5)에 형성된 구동소자(9)에 의해 액정분자를 구동하여 액정층을 투과하는 광량을 제어함으로써 정보를 표시하게 된다.
상기 하부기판(5)은 하부기판(5)에 구동소자를 형성하는 구동소자 어레이기판공정에 의해서 형성되고, 상기 상부기판(3)은 컬러필터를 형성하는 컬러필터기판공정에 의해서 형성된다.
구동소자 어레이기판공정은 하부기판(5)상에 배열되어 화소영역을 정의하는 복수의 게이트라인(Gate Line) 및 데이터라인(Date Line)을 형성하고 상기 화소영역 각각에 상기 게이트라인과 데이터라인에 접속되는 구동소자인 박막트랜지스터를 형성한 후, 박막트랜지스터에 접속되어 박막트랜지스터를 통해 신호가 인가됨에 따 라 액정층을 구동하는 화소전극을 형성함으로써 이루어진다.
또한, 컬러필터기판공정은 상부기판(3)에 블랙매트릭스를 형성한 후, 그 상부에 컬러필터(2)를 형성한 다음, 공통전극(4)을 형성함으로써 이루어진다.
컬러필터를 제조하는 방법으로는 안료분산법, 전착법등이 있으며, 안료분산법은 포토레지스트에 분산된 안료조성물을 코팅, 노광, 현상 및 소성함으로써 컬러필터를 형성하는 방법으로, 도 2를 참조하여 상기 안료분산법에 따른 컬러필터를 제조하는 방법을 살펴보기로 한다.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 기판(21)위에 크롬, 유기물등의 블랙매트릭스 형성용 물질(26)을 코팅한 다음, 포토리소그래피(photolithography)공정을 이용하여 블랙매트릭스패턴(22)을 형성한다. 이어서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 적색(Red) 컬러필터층 형성용 조성물(27)을 코팅한 다음, 포토마스크(28)를 이용하여 소정영역만을 노광한 다음, 이를 현상하여, 도 2c에 도시된 바와 같이, 적색컬러필터층(23a)을 형성한다. 이후에, 적색컬러필터층 형성용 조성물 대신. 녹색(Green) 및 청색(Blue) 컬러필터층 형성용 조성물을 이용하여 상기 과정을 반복하여 도 2d에 도시된 바와 같이, 녹색 및 청색컬러필터층(23b,23c)을 각각 형성함으로써, R, G, B 컬러필터층(23)을 제작한다.
그러나, 상기와 같은 종래 컬러필터의 제조방법은 고가의 포토마스크를 사용해야 하며, 컬러필터 코팅, 노광 및 현상과 같은 사진식각공정을 반복하여 진행해야하기 때문에 제조비용이 증가하는 문제점이 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 근래 인쇄롤을 이용하여 기판상에 컬러잉크를 직접 인쇄하는 인쇄법이 제안되고 있다. 이러한 인쇄법에서는 원하는 형태(컬러필터층의 형상)의 컬러잉크를 인쇄롤에 형성한 후, 상기 인쇄롤을 기판에 작용시켜 기판상에 컬러잉크를 전사함으로써 컬러필터층을 형성한다. 그러나, 이러한 종래 인쇄법에 의한 컬러필터 형성방법에는 다음과 같은 문제가 있었다.
컬러잉크의 전사시 인쇄롤에는 실리콘으로 이루어진 블랑켓(blanket)이 피복되며, 컬러잉크는 상기 블랑켓의 표면에 전사된다. 한편, 컬러잉크는 착색용 안료와, 바인더와, 상기 안료가 용융되는 용매로 이루어지는데, 종래 인쇄법에서는 용매로서 주로 PGMEA(Propylene Glycol Methyl Ether Acetate)를 사용한다. 그런데, 상기와 같은 PGMEA를 용매로 사용하는 경우, 인쇄롤의 표면에 피복된 블랑켓에 스웰링현상이 발생하게 된다. 스웰링현상은 블랑켓의 표면에 전사된 컬러필터의 용매가 블랑켓으로 흡수되어 발생하는 것으로서, 인쇄롤을 반복 사용함에 따라 블랑켓의 표면이 부풀어 오르거나 손상되어 블랑켓의 수명이 단축되는 문제가 발생하게 된다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 스웰링비가 낮은 알콜계 용매와 니트로셀롤로오스계 바인더를 사용하여 컬러잉크를 제작함으로써 인쇄법에 의한 컬러필터 제작시 인쇄롤의 블랑켓에 스웰링이 발생하는 것을 방지할 수 있는 컬러잉크 및 이를 이용한 컬러필터 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 컬러잉크는 15-30 중량부의 안료, 40-60 중량부의 알콜계 용매, 25-35 중량부의 니트로셀룰로오스계 바인더, 2 중량부 이하의 첨가제로 이루어진 컬러밀베이스; 저비점 알콜계 용매 및 고비점 알콜계 용매가 혼합된 용매; 및 니트로셀롤로오스계 바인더로 이루어지며, 상기 컬러밀베이스는 40-50 중량부, 니트로셀룰로오스계 바인더나 비닐계 합성수지 바인더는 25-35 중량부, 용매는 15-35 중량부의 비율로 혼합된다.
상기 컬러밀베이스의 알콜계 용매는 에탄올이다. 또한, 상기 저비점 알콜계 용매는 에탄올이며, 상기 고비점 알콜계 용매는 에톡시프로판올로서, 상기 저비점 알콜계 용매와 고비점 알콜계 용매는 4:1의 중량비율로 혼합된다.
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또한, 본 발명에 따른 컬러필터 제조방법은 15-30 중량부의 안료, 40-60 중량부의 알콜계 용매, 25-35 중량부의 니트로셀룰로오스계 바인더 또는 비닐계 합성 수지 바인더, 2 중량부 이하의 첨가제로 이루어진 컬러밀베이스와, 저비점 알콜계 용매 및 고비점 알콜계 용매가 혼합된 용매와, 니트로셀롤로오스계 바인더 또는 비닐계 합성수지 바인더로 이루어지며, 상기 컬러밀베이스는 40-50 중량부, 니트로셀룰로오스계 바인더나 비닐계 합성수지 바인더는 25-35 중량부, 용매는 15-35 중량부의 비율로 혼합된 컬러잉크를 준비하는 단계; 상기 컬러잉크를 롤에 도포하는 단계; 상기 컬러잉크가 도포된 롤을 볼록패턴이 형성된 클리쉐와 접촉시켜 회전하여 상기 볼록패턴과 접촉하는 컬러잉크를 롤로부터 제거하여 롤 표면에 잉크컬러패턴을 형성하는 단계; 상기 롤을 기판에 작용시켜 롤의 컬러잉크패턴을 기판상에 전사하는 단계; 및 상기 재전사된 컬러잉크패턴을 베이킹하는 단계로 구성된다.
본 발명에서는 새로운 컬러잉크를 적용함으로써 반복된 인쇄에 의해 인쇄롤 표면에 피복된 블랑켓에 스웰링현상이 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다. 그 결과 블랑켓의 수명단축을 방지할 수 있게 된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 3a∼도 3c는 본 발명에 따른 액정표시소자의 컬러필터 제조방법을 나타내는 도면이다. 도3a에 도시된 바와 같이, 우선 원통형 롤(131) 표면에 블랑켓(132)을 형성한 다음, 컬러잉크공급기(135)를 통해 블랑켓(132) 표면에 컬러잉크막(133)을 도포한다.
이어서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 표면에 복수의 볼록패턴(130')이 형성된 클리쉐(130)을 준비한 다음, 상기 클리쉐(130) 표면에 컬러잉크막(133)이 도포된 롤(131)을 접촉시킨 상태에서 회전시킴에 따라, 클리쉐(130)와 접촉된 컬러잉크가 제거되어 상기 클리쉐(130)의 볼록패턴(130')과 접촉하지 않는 블랑켓(132) 표면에는 컬러잉크패턴(133a)이 형성된다. 이때, 볼록패턴(130')을 갖는 클리쉐(130)는 기존의 사진식각공정을 통해 형성할 수 있다. 즉, 유리재질의 기판을 준비한 다음, 상기 기판 전면에 금속막을 증착한 후, 이를 패터닝함으로써, 금속패턴을 형성한다. 이어서, 상기 금속패턴을 마스크로 하여 기판을 식각함으로써, 금속패턴이 형성된 영역에 볼록패턴(130')을 형성할 수가 있다. 이때, 금속패턴을 제거할 수도 있다.
이와 같이 제작된 클리쉐(130) 표면에 컬러잉크막(133)이 도포된 롤(131)을 회전하며 진행시킴에 따라, 볼록패턴(130')과 접촉하지 않는 영역의 컬러잉크막(133')이 블랑켓(232) 표면에 컬러잉크패턴(233a)으로 남아 있게 되는 것이다.
이후에, 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 롤(131)을 기판(150)과 접촉한 상태에서 회전시킴에 따라 롤(131)에 남아 있는 컬러잉크패턴(133a)이 기판(150)의 표면으로 전사되며, 상기 기판(121)에 전사된 컬러잉크패턴(133a)을 베이킹하므로써 컬러필터층(138)을 형성한다.
상기 컬러잉크(133)는 R, G, B 컬러잉크이다. 롤(131)의 한번 동작에 의해 롤(131)의 컬러잉크패턴(133a)이 기판(150)에 전사됨에 따라 R, G, B 컬러필터중 하나가 형성되므로, 기판(150) 상에 서로 인접하는 R, G, B컬러필터를 형성하기 위해서는 상기와 같은 인쇄공정을 3번 거쳐야만 한다.
본 발명에서는 상기와 같은 인쇄방법에 사용되는 컬러잉크(133)는 인쇄롤(131)의 블랑켓(132)에 전사되었을 때, 상기 블랑켓(132)에 스웰링이 발생하는 것을 방지하기 위해, 종래와 다른 새로운 컬러잉크를 제안한다. 즉, 본 발명에서는 종래 컬리잉크와는 다른 종류의 용매와 상기 용매에 따른 바인더를 사용함으로써 블랑켓에 스웰링이 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.
종래 사용되는 컬러잉크의 용매인 PGMEA는 아세테이트계의 용매로서, 스웰링비가 클 뿐만 아니라 가용성이 낮다. 반면에, 본 발명에서는 스웰링비가 낮을 뿐만 아니라 가용성이 높은 물질을 용매로서 사용한다. 즉, 본 발명에서는 안료를 용융하는 용매로서, 에탄올(ethanol)이나 메탄올(metanol)과 같은 알콜계 용매를 사용한다.
상기 알콜계 용매는 가용성 파라미터(solubility parameter, δ(cal1 /2cm2 /3))가 약 11-16이고 스웰링비(Swelling Ratio, 로그값)가 약 0-0.05이다. 반면에, 종래 사용되던 아세테이트계의 용매는 가용성 파라미터(δ)가 약 8-10이고 스웰링비는 약 0.7이다. 따라서, 본 발명의 컬러필터에 포함되는 알콜계 용매는 종래 컬러필터의 아세테이트계 용매보다 가용성 파라미터가 클 뿐만 아니라 스웰링비도 낮기 때문에, 컬러필터 형성시 안료의 용융성이 향상되고 인쇄롤의 블랑켓에 스웰링현상이 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.
이러한 본 발명의 컬러잉크를 준비하는 단계를 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 에탄올 또는 에틸아세테이트와 같은 알콜계 용매에 안료를 용융시키고 바인더를 혼합하여 컬러밀베이스(color millbase)를 형성한다. 이때, 안료는 R(Red), G(Green), B(Blue) 안료로서, 이들 안료들 각각을 알콜계 용매와 바인더에 혼합하여 각각 R, R, B 컬러밀베이스를 형성하게 된다.
상기 에탄올과 에틸아세테이트는 비점(boiling point)이 80℃ 이하(에탄올의 비점은 78℃이고 에틸아세테이트의 비점은 77℃이다)인 저비점용제로서, 컬러잉크(133)를 롤(131)에 전사하기 위한 캐리어용매(carrier solvent)로 사용된다.
바인더로는 니트로셀룰로오스(nitrocellulose)계 바인더 또는 비닐계 합성수지 바인더를 사용한다. 종래 잉크컬러에서는 주로 폴리에스테르로 이루어진 바인더를 사용하였지만, 본 발명에서는 종래의 잉크와는 용매가 다르기 때문에, 종래의 폴리에스테르를 바인더로 사용하는 경우 바인딩 효과가 저하될 뿐만 아니라 알콜계 용매에서의 분산안정성이 저하되기 때문에, 본 발명에서는 알콜계 용매에서 바인딩효과가 우수하고 분산안정성이 좋은 니트로셀룰로오스(nitrocellulose)계 바인더 또는 비닐계 합성수지 바인더를 사용하는 것이다.
또한, 상기와 같이 안료와 용매 및 바인더가 혼합된 컬러밀베이스에는 계면활성제와, 분산제 및 접착력 향상제와 같은 첨가제가 첨가된다. 상기 계면활성제는 계면장력을 증가시켜 컬러잉크의 도포시 균일한 막형성과 성분간의 충분한 용해를 위한 것으로서, 주로 F계/Si계/POE계 계면활성제를 사용하거나 이온형태의 양이온/음이온/양성/비이온성 계면활성제를 사용한다. 상기 접착력 향상제로는 주로 실라인결합제를 사용한다.
본 발명에서는 상기와 같이, 컬러밀베이스를 제작하기 위해 안료, 용매, 바인더, 첨가제가 혼합된다. 이때, 상기 안료는 약 15-30 중량부, 에탄올과 같은 알콜계 용매는 약 40-60 중량부, 니트로셀룰로오스계 바인더 또는 비닐계 합성수지 바인더는 약 25-35 중량부, 첨가제는 약 2 중량부 이하로 혼합되는 것이 바람직하며, 안료는 20 중량부, 에탄올과 같은 알콜계 용매는 48 중량부, 니트로셀룰로오스계 바인더는 31 중량부, 첨가제는 소량을 혼합하여 컬러밀베이스를 형성하는 것이 더욱 바람직하다.
상기와 같이 컬러밀베이스는 제작한 후, 상기 컬러밀베이스를 기초로 실제 롤(131)에 도포될 컬러잉크(133)를 제작한다.
컬러잉크(133)는 상기 컬러밀베이스에 용매와 바인더를 혼합함으로써 형성된다. 즉, 컬러밀베이스를 에탄올이나 에틸아세테이트, 에톡시프로판올(ethoxypropanol) 등과 같은 용매에 용융하고, 니트로셀룰로오스와 같은 바인더를 혼합함으로써 컬러잉크(133)를 형성한다.
이때, 상기 에탄올과 에틸아세테이트는 비점(boiling point)이 80℃ 이하(에탄올의 비점은 78℃이고 에틸아세테이트의 비점은 77℃이다)인 저비점용제로서, 컬러잉크(133)의 캐리어용매(carrier solvent)로 사용된다. 또한, 에톡시프로판올은 고비점용제로서(비점이 160℃), 컬러잉크(133)의 프린팅용매로서 사용된다.
상기와 같이, 용매로서 캐리어용매와 프린팅용매의 2가지 용매를 사용하는 이유는 다음과 같다. 도 3b 및 도 3c에 도시된 바와 같이, 컬러잉크(133)는 롤(131)에서 클리쉐(130)로 일부가 전사된 후, 나머지 컬러잉크패턴(133a)이 기판(150)으로 전사된다. 따라서, 컬러잉크(133)의 클리쉐(130)의 전사 및 기판(150)으로의 전사를 위해서는 이에 대응하는 용매를 사용하여 전사를 원활하게 해야만 한다. 본 발명에서는 상기 저비점용제인 에탄올 또는 에틸아세테이트와 고비점용제인 에톡시프로판올을 약 4:1의 중량비율로 혼합한 용매를 사용함으로서, 컬러잉크(133)의 클리쉐(130)로의 전사와 기판(150)으로의 전사가 원활하게 되는 것이다.
한편, 상기 캐리어용매로서 에탄올이나 에틸아세테이트를 단독으로 사용할 수도 있을 것이다.
상기 컬러잉크(133)는 컬러밀베이스 약 40-50 중량부, 니트로셀룰로오스계 바인더나 비닐계 합성수지 바인더 약 25-35 중량부, 에탄올과 에톡시프로판올을 약 4:1의 중량비율로 혼합한 용매 약 15-35 중량부, 소량의 첨가제 2 중량부를 혼합함으로써 제작하는 것이 바람직하며, 컬러밀베이스 47 중량부, 용매 23 중량부, 바인더 29 중량부, 첨가제 2중량부를 혼합하여 컬러잉크(133)를 형성하는 것이 더욱 바람직하다.
상기와 같은 컬러잉크(133)는 R, G, B컬러 별로 각각 준비된 후, 도 3a-도 3c에 도시된 인쇄법에 적용되어 기판(150)상에 R,G,B컬러필터를 형성할 수 있게 된다. 즉, R, G, B컬러 별로 컬러밀베이스를 형성한 후, 이 컬러밀베이스에 용매와 바인더를 혼합함으로써 R, G, B컬러잉크를 제작할 수 있게 되는 것이다.
이와 같이, 본 발명에서는 용융성이 좋고 스웰링비가 낮은 알콜계 용매에 니트로셀룰로오스로 이루어진 바인더를 혼합하여 컬러잉크를 제작함에 따라 인쇄법에 의해 컬러필터를 형성할 때 반복된 인쇄에 의해 인쇄롤(131) 표면의 블랑켓(132)에 스웰링현상이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
상기와 같이 본 발명에 의해 제작된 컬러잉크는 도 3a-3c에 도시된 인쇄법에만 적용되는 것은 아니다.
예를 들면, 컬러잉크가 채워진 홈이 형성된 전사롤을 준비하고 상기 전사롤과 인쇄롤을 접촉시킨 상태에서 전사롤과 인쇄롤을 회전하여 컬러잉크를 상기 인쇄롤에 전사한 후, 상기 인쇄롤을 기판상에 접촉한 상태에서 회전함으로써 기판상에 컬러잉크를 재전사함으로써 컬러필터를 형성하는 방법도 적용가능할 것이다.
또한, 홈이 형성된 클리쉐를 준비하고 상기 홈에 컬러잉크를 충진한 후, 롤을 상기 클리쉐와 접촉시켜 회전하여 홈에 충진된 컬러잉크를 롤의 표면에 전사하고, 이어서 상기 롤을 기판의 표면과 접촉시킨 상태에서 회전시켜 롤 표면의 잉크를 다시 기판상에 재전사함으로써 컬러필터를 형성할 수도 있을 것이다.
결론적으로, 본 발명에 따라 제작된 컬러잉크는 특정한 방법에만 한정되는 것이 아니라 롤이나 클리쉐 등을 이용하여 컬러잉크를 전사함으로써 컬러필터를 형성하는 모든 제조방법에 적용될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 액정표시소자의 구조를 나타내는 단면도.
도 2a-도 2d는 종래 액정표시소자의 컬러필터 제조방법을 나타내는 도면.
도 3a-도 3c는 본 발명에 따른 액정표시소자의 컬러필터 제조방법을 나타내는 도면.

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  9. 15-30 중량부의 안료, 40-60 중량부의 알콜계 용매, 25-35 중량부의 니트로셀룰로오스계 바인더 또는 비닐계 합성수지 바인더, 2 중량부 이하의 첨가제로 이루어진 컬러밀베이스와, 저비점 알콜계 용매 및 고비점 알콜계 용매가 혼합된 용매와, 니트로셀롤로오스계 바인더 또는 비닐계 합성수지 바인더로 이루어지며, 상기 컬러밀베이스는 40-50 중량부, 니트로셀룰로오스계 바인더나 비닐계 합성수지 바인더는 25-35 중량부, 용매는 15-35 중량부의 비율로 혼합된 컬러잉크를 준비하는 단 계;
    상기 컬러잉크를 롤에 도포하는 단계;
    상기 컬러잉크가 도포된 롤을 볼록패턴이 형성된 클리쉐와 접촉시켜 회전하여 상기 볼록패턴과 접촉하는 컬러잉크를 롤로부터 제거하여 롤 표면에 컬러잉크패턴을 형성하는 단계;
    상기 롤을 기판에 작용시켜 롤의 컬러잉크패턴을 기판상에 전사하는 단계; 및
    상기 재전사된 컬러잉크패턴을 베이킹하는 단계로 구성된 컬러필터 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 롤 표면에는 블랑켓이 피복된 것을 특징으로 하는 컬러필터 제조방법.
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