KR101658532B1

KR101658532B1 - 표면 플라즈몬을 이용한 컬러필터 및 액정표시장치의 제조방법

Info

Publication number: KR101658532B1
Application number: KR1020090104525A
Authority: KR
Inventors: 이승철; 김정현; 이명호; 이창구; 박세영
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2016-09-23
Also published as: KR20110047766A

Abstract

본 발명의 표면 플라즈몬(surface plasmon)을 이용한 컬러필터 및 액정표시장치의 제조방법은 표면 플라즈몬 현상을 이용하여 특정 파장의 빛만을 선택 투과시키는 투과막 패턴을 갖는 3차원 패턴 구조를 컬러필터에 적용함으로써 패널의 투과율을 향상시키는 동시에 공정을 단순화하는 것을 특징으로 한다.

특히, 본 발명의 표면 플라즈몬을 이용한 컬러필터 및 액정표시장치의 제조방법은 나노 입자의 유전체를 투과막 패턴 표면에 도포하여 평탄화시킨 후 레이저 또는 그에 상응하는 열원을 가하여 도포된 나노 입자를 용융시킴으로써 상기 투과막 패턴 내부를 공극 없이 유전체로 채우는 동시에 그 표면을 평탄화시키는 것을 특징으로 한다.

표면 플라즈몬, 금속막 패턴, 투과막 패턴, 나노 입자, 유전체, 용융

Description

표면 플라즈몬을 이용한 컬러필터 및 액정표시장치의 제조방법{METHOD OF FABRICATING COLOR FILTER USING SURFACE PLASMON AND METHOD OF FABRICATING LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE}

본 발명은 표면 플라즈몬을 이용한 컬러필터 및 액정표시장치의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 특정 파장의 빛만을 선택 투과시키는 투과막 패턴을 갖는 3차원 패턴 구조의 컬러필터를 구비한 표면 플라즈몬을 이용한 컬러필터 및 액정표시장치의 제조방법에 관한 것이다.

최근 정보 디스플레이에 관한 관심이 고조되고 휴대가 가능한 정보매체를 이용하려는 요구가 높아지면서 기존의 표시장치인 브라운관(Cathode Ray Tube; CRT)을 대체하는 경량 박막형 평판표시장치(Flat Panel Display; FPD)에 대한 연구 및 상업화가 중점적으로 이루어지고 있다. 특히, 이러한 평판표시장치 중 액정표시장치(Liquid Crystal Display; LCD)는 액정의 광학적 이방성을 이용하여 이미지를 표현하는 장치로서, 해상도와 컬러표시 및 화질 등에서 우수하여 노트북이나 데스크탑 모니터 등에 활발하게 적용되고 있다.

상기 액정표시장치는 크게 컬러필터(color filter) 기판과 어레이(array) 기 판 및 상기 컬러필터 기판과 어레이 기판 사이에 형성된 액정층(liquid crystal layer)으로 구성된다.

상기 액정표시장치의 제조공정은 기본적으로 다수의 마스크공정(즉, 포토리소그래피(photolithography)공정)을 필요로 하므로 생산성 면에서 상기 마스크수를 줄이는 방법이 요구되어지고 있다.

이하, 도 1을 참조하여 일반적인 액정표시장치의 구조에 대해서 상세히 설명한다.

도 1은 일반적인 액정표시장치를 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 상기 액정표시장치는 크게 컬러필터 기판(5)과 어레이 기판(10) 및 상기 컬러필터 기판(5)과 어레이 기판(10) 사이에 형성된 액정층(liquid crystal layer)(30)으로 구성된다.

상기 컬러필터 기판(5)은 적(Red; R), 녹(Green; G) 및 청(Blue; B)의 색상을 구현하는 다수의 서브-컬러필터(7)로 구성된 컬러필터(C)와 상기 서브-컬러필터(7) 사이를 구분하고 액정층(30)을 투과하는 광을 차단하는 블랙매트릭스(black matrix)(6), 그리고 상기 액정층(30)에 전압을 인가하는 투명한 공통전극(8)으로 이루어져 있다.

또한, 상기 어레이 기판(10)은 종횡으로 배열되어 복수개의 화소영역(P)을 정의하는 복수개의 게이트라인(16)과 데이터라인(17), 상기 게이트라인(16)과 데이터라인(17)의 교차영역에 형성된 스위칭소자인 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor; TFT)(T) 및 상기 화소영역(P) 위에 형성된 화소전극(18)으로 이루어져 있다.

이와 같이 구성된 상기 컬러필터 기판(5)과 어레이 기판(10)은 화상표시 영역의 외곽에 형성된 실런트(sealant)(미도시)에 의해 대향하도록 합착되어 액정표시패널을 구성하며, 상기 컬러필터 기판(5)과 어레이 기판(10)의 합착은 상기 컬러필터 기판(5) 또는 어레이 기판(10)에 형성된 합착키(미도시)를 통해 이루어진다.

이때, 합착시 정렬(align) 오차에 의한 빛샘불량을 방지하기 위해 블랙매트릭스의 선폭을 넓게 함으로써 정렬 마진(margin)을 확보하게 되는데, 그에 따라 패널의 개구율이 감소하게 된다.

상기 액정표시장치에 사용되는 기존의 컬러필터는 염료 또는 안료를 이용하여 불필요한 색의 광은 흡수하여 소멸시키고 구현하고자 하는 색의 광만 투과시켜 컬러를 구현함에 따라 하나의 서브-화소를 기준으로 입사된 백색광에서 RGB 삼원색 중 한가지색만 투과시킴으로써 투과율이 30%이상 되기 어렵다. 이러한 이유로 패널의 투과효율이 매우 낮아 백라이트에 의한 전력 소비가 증가하게 된다.

도 2는 일반적인 안료분산법을 이용한 컬러필터를 사용할 경우의 패널의 투과효율을 개략적으로 나타내는 예시도이다.

도면을 참조하면, 백라이트로부터 입사된 광은 편광판, TFT 어레이, 액정 및 컬러필터를 거치면서 광량이 줄어들게 됨에 따라 투과효율이 5%미만으로 감소하게 됨을 알 수 있다.

이때, 상기 편광판, TFT 어레이 및 컬러필터는 각각 투과율이 ~40%, 45~55% 및 ~25%정도인 경우를 예를 들고 있다.

또한, 기존의 컬러필터는 각 원색별로 컬러 레지스트 도포, 노광, 현상 및 경화공정을 반복, 진행하여야 하기 때문에 공정이 복잡하고, 컬러필터 기판에 컬러필터를 제조하기 위해 TFT 공정라인과 별도로 컬러필터 공정라인을 운영해야 하므로 라인 투자비용이 증가하게 된다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 기존의 염료 또는 안료를 이용하지 않고, 표면 플라즈몬 현상을 이용하여 투과효율이 향상된 컬러필터를 형성함으로써 개구율 및 패널의 투과율을 향상시킨 표면 플라즈몬을 이용한 컬러필터 및 액정표시장치의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 상기 표면 플라즈몬 컬러필터의 투과막 패턴 내부에 공극발생을 방지함으로써 표면 플라즈몬에 의한 투과광의 효율을 향상시킨 표면 플라즈몬을 이용한 컬러필터 및 액정표시장치의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적 및 특징들은 후술되는 발명의 구성 및 특허청구범위에서 설명될 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 표면 플라즈몬을 이용한 컬러필터 및 액정표시장치의 제조방법은 소정의 금속막 패턴과, 일정한 주기를 갖는 파장이하의 투과막 패턴으로 이루어져 컬러를 구현하는 컬러필터를 기판 위에 형성하는 단계와, 상기 컬러필터를 포함하는 상기 기판 전면에 나노 입자의 유전체를 도포하는 단계 및 열원을 이용하여 상기 나노 입자의 유전체를 용융시켜, 상기 기판 표면에 상기 컬러필터의 투과막 패턴 내부를 채우는 동시에 그 표면을 평탄화시키는 절연층을 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 절연층은 상기 기판과 같은 유전상수를 가질 수 있다.

이때, 본 발명의 액정표시장치의 제조방법은 상기 절연층이 형성된 제 1 기판 위에 박막 트랜지스터를 형성하는 단계 및 상기 제 1 기판과 제 2 기판을 합착하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬을 이용한 컬러필터 및 액정표시장치의 제조방법은 상, 하부 기판의 정렬이 불필요하여 정렬 마진 확보를 위한 개구율 감소문제를 해결할 수 있는 한편, 패널의 투과효율이 기존대비 약 3배정도 증가함에 따라 백라이트에 대한 전력 소비가 감소하게 되는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬을 이용한 컬러필터 및 액정표시장치의 제조방법은 백라이트의 전력 소비가 감소함에 따라 다원색 화소를 구현할 수 있게 되어 고색재현의 화질을 얻을 수 있는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 표면 플라즈몬을 이용한 컬러필터 및 액정표시장치의 제조방법은 표면 플라즈몬 컬러필터의 투과막 패턴 내부에 공극발생을 방지함으로써 표면 플라즈몬에 의한 투과광의 효율 및 색재현성을 향상시킬 수 있게 된다. 그리고, 컬러필터의 금속막 패턴을 유전체층이 균일하게 덮음으로써 균일한 표면 플라즈몬 효과의 구현을 통해 표시품질이 향상되는 한편, 컬러필터 표면이 균일하게 평탄화 됨에 따라 상부에 소자구현이 용이한 효과를 제공한다.

특히, 본 발명의 경우에는 하나의 공정으로 투과막 패턴 내부의 공극을 채우는 동시에 그 표면을 평탄화시킴으로써 평탄화를 위한 추가공정이 필요 없을 뿐만 아니라 저온공정이 가능하여 플라스틱 기판과 같은 저온공정용 기판을 사용할 수 있는 이점이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 표면 플라즈몬을 이용한 컬러필터 및 액정표시장치의 제조방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

기존의 어레이 기판의 개구율 개선을 통한 투과율 향상은 물리적 한계에 직면하고 있으며, 이에 따라 개구율 개선보다는 컬러필터의 제거를 통한 투과율 향상으로 패러다임(paradigm)의 이동이 필요하다.

이를 위해 소정의 패턴이 형성된 금속막에 특정 파장의 빛만이 선택적으로 투과되도록 투과막 패턴을 형성하여 빛을 필터링(filter)하는 방식이 제안되고 있으며, 이와 같은 표면 플라즈몬 현상을 이용한 컬러필터를 형성하여 적, 녹 및 청색의 빛을 투과시키는 컬러필터를 구현하고자 한다.

도 3a 및 도 3b는 표면 플라즈몬 현상을 이용하여 제작한 본 발명에 따른 컬러필터의 구조를 개략적으로 나타내는 평면도 및 단면도이다.

도면을 참조하면, 소정의 금속막 패턴(152) 주변에 일정한 주기(L)를 갖는 파장이하(sub-wavelength)의 투과막 패턴(153)을 형성하게 되면, 가시광선에서 근적외선 대역을 가진 입사광의 전기장과 플라즈몬이 커플링(coupling)되면서 특정 파장의 빛만이 투과되고 나머지 파장은 모두 반사됨으로써 RGB 색을 얻을 수 있게 된다.

예를 들어, 은 필름(silver film)에 일정한 주기(L)를 갖는 파장이하의 홀 패턴을 형성하게 되면 홀의 크기(d)와 주기(L)에 따라 선택된 적, 녹 및 청색의 특정 파장의 빛만이 투과됨으로써 RGB 색을 구현할 수 있게 되며, 빛의 투과는 홀 주변의 빛을 끌어들임에 따라 홀 면적보다 많은 양의 빛이 투과될 수 있게 된다.

그리고, 순도가 높은 색을 구현하기 위해서, 도시된 바와 같이, 각각의 파장에 대응하는 금속막 패턴(152)의 두께를 다르게 조절할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

참고로, 상기 플라즈몬이란 입사된 빛의 전기장에 의해 금속 표면에 유도된 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자를 말하는 것으로, 표면 플라즈몬은 플라즈몬이 금속 표면에 국부적으로 존재하는 것을 말하며, 금속과 유전체의 경계면을 따라 진행하는 전자기파에 해당한다.

또한, 표면 플라즈몬 현상이란 나노 수준의 주기적인 홀 패턴을 갖는 금속 표면에 빛이 입사할 경우 특정 파장의 빛과 금속 표면의 자유전자가 공명을 일으켜 특정 파장의 빛을 형성하는 현상을 말하며, 입사된 빛에 의해 표면 플라즈몬을 형성할 수 있는 특정 파장의 빛만이 홀을 투과할 수 있으며 나머지 빛은 모두 금속 표면에 의해 반사가 이루어진다.

이와 같은 특성을 이용하여 투과막 패턴의 주기를 조절하여 원하는 빛만을 투과시킴으로써 백색광으로부터 다원색의 색을 분리할 수 있다. 이때, 투과되는 빛 은 격자 주기, 즉 투과막 패턴 간격의 약 1.7~2배에 해당하는 파장을 갖게 된다. 따라서, 투과막 패턴의 주기를 조절함으로써 원하는 파장의 빛을 투과시키는 것이 가능하다.

이때, 상기 투과막 패턴은 홀과 같은 단순한 원형뿐만 아니라 필요에 따라 타원, 사각형, 삼각형, 슬릿 등 다양한 형태로 변경할 수 있으며, 홀의 경우 크기, 즉 지름은 100~300nm이고 간격은 300~700nm범위를 가질 수 있다. 이때, 436nm의 파장을 가지는 청색의 빛이 투과되기 위해서는 홀의 간격과 크기는 각각 300nm 및 155nm정도로 하고, 538nm의 파장을 가지는 녹색의 빛이 투과되기 위해서는 홀의 간격과 크기는 각각 450nm 및 180nm정도로 할 수 있으며, 627nm의 파장을 가지는 적색의 빛이 투과되기 위해서는 홀의 간격과 크기는 각각 550nm 및 225nm정도로 할 수 있다.

이와 같이 특정한 주기 및 크기를 갖는 홀 패턴을 금속막 패턴 주변에 형성하여, 금속막에서 발생하는 표면 플라즈몬 현상을 이용하여 컬러필터로 사용하고, 이를 액정표시장치에 적용함으로써 컬러를 구현하게 된다.

이때, 기존의 컬러필터는 상부 컬러필터 기판에 형성되었으나, 본 발명에서 제안하는 표면 플라즈몬을 이용한 컬러필터는 상부 컬러필터 기판에 국한되지 않고, 하부 어레이 기판 또는 기판 외부에 형성할 수 있다.

또한, 기존의 안료 또는 염료 형태의 컬러필터가 고온 공정이 불가능했던 것과 달리 금속막이 컬러필터 기능을 하기 때문에 금속막 위에 고온 공정을 통해 박막 트랜지스터를 제작하는 것이 가능하며, 컬러필터를 하부 어레이 기판에 형성함 으로써 기존의 액정표시장치가 상부 컬러필터 기판과 하부 어레이 기판을 합착하기 위한 정렬 마진을 확보하기 위해 개구율을 감소시킬 수밖에 없었던 문제를 해결할 수 있다.

한편, 상기 표면 플라즈몬을 이용한 컬러필터의 금속막 패턴은 모든 면을 굴절률이 동일한 유전체로 덮어주는 것이 효율면에서 유리한데, 이는 표면 플라즈몬이 금속과 주변 유전체의 유전상수의 영향을 받으므로 2성분계를 형성해야 효율에 유리하기 때문이다.

이때, 주변 유전체들의 유전상수 값에 차이가 발생하거나 컬러필터의 투과막 패턴이 유전체로 완전히 채워지지 않아 패턴 내부에 공극이 발생하는 경우에는 피크파장의 이동(shift)으로 인한 혼색 등으로 디스플레이의 품질이 저하되게 된다.

즉, 컬러필터의 투과막 패턴은 나노(nano) 사이즈로 내부에 유전체를 채워 넣어야 하나 좁은 공간으로 인해 공극(cavity)이 발생하게 된다. 이는 상기 컬러필터의 투과막 패턴 내부에 유전체를 채워 넣기 위해 일반적인 물리기상증착(Physical Vapour Deposition; PVD)장비 또는 화학기상증착(Chemical Vapour Deposition; CVD)장비를 이용하여 컬러필터의 금속막 패턴 상부에 절연층을 형성할 때, 도 4와 같이 금속막 패턴의 상부와 모서리부에 먼저 절연층이 증착되게 되어 투과막 패턴의 내부 일부에 공극이 생기게 된다.

즉, 상기 PVD 또는 CVD방법에 의해 증착되는 절연층은 하부층의 표면 형상을 따라서 막이 형성되게 되나, 하부 패턴의 각도가 커지면 완전한 증착이 이루어지지 않고 공극이 발생하게 된다. 이러한 공극은 표면 플라즈몬의 형성시 금속막에 서로 다른 유전율 계면을 형성하게 됨에 따라 파장의 이동 또는 분리현상을 발생시키게 한다. 상기 2가지 방법 모두 투과막 패턴의 나노 사이즈 및 테이퍼(taper)에 따라 증착되는 절연층의 모양이 영향을 받을 수 있다.

또한, 하부층의 형태를 따라서 증착 되기 때문에 후속 공정을 위해 평탄화가 필요한 경우 평탄화를 위한 추가 공정이 필요하다.

도 5a 및 도 5b는 이종의 유전체로 인한 표면 플라즈몬의 피크이동 및 그에 따른 혼색을 설명하기 위한 그래프이다.

도면에 도시된 바와 같이, 표면 플라즈몬에 의해 형성되는 피크파장은 금속과 유전체 물질의 유전상수 및 금속 결정의 격자상수에 의해 결정되게 되므로 컬러필터의 금속막 패턴 주위 유전체들의 유전상수 값이 일치해야만 하나의 예리한(sharp) 피크를 가진 원하는 파장(a)의 빛(A)만 나오게 되나, 컬러필터의 투과막 패턴, 예를 들어 홀 사이즈는 수백 nm로 미세하기 때문에 이런 홀 내에 유전체 물질을 채우는 것이 어려운 문제이다.

예를 들어 컬러필터의 금속막 위에 하부 기판과 다른 유전상수를 가진 유전체가 형성되는 경우 원하는 파장(a)의 빛(A) 이외에 원하지 않은 파장(b)의 빛(B)이 생성되어 결과적으로 혼색의 파장(a')을 가진 빛(A')이 나오게 된다.

또한, 상기 컬러필터 금속막 패턴 위에 하부 기판과 같은 유전상수를 가진 유전체가 형성되기는 하나, 컬러필터의 투과막 패턴이 유전체로 완전히 채워지지 않아 패턴 내부에 공극이 발생하는 경우에는 상기 공극으로 인한 작은 파장의 빛이 추가되어 색순도가 저하되기도 한다.

이를 해결하기 위해 본 발명의 실시예에서는 나노 입자의 유전체를 투과막 패턴 표면에 도포하여 평탄화시킨 후 레이저 또는 그에 상응하는 열원을 가하여 도포된 나노 입자를 용융시킴으로써 상기 투과막 패턴 내부를 공극 없이 유전체로 채우는 동시에 그 표면을 평탄화 할 수 있게 된다.

도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 실시예에 따른 컬러필터 형성과정을 순차적으로 나타내는 단면도이다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 투명한 절연물질로 이루어진 유리기판(110) 전면에 금속막을 증착한 후, 예를 들어 포토리소그래피공정을 통해 선택적으로 패터닝하여 소정의 금속막 패턴(152)과 투과막 패턴(153)으로 이루어진 컬러필터(150)를 형성한다.

이때, 상기 유리기판(110) 대신에 플라스틱과 같은 플렉서블 기판을 사용할 수도 있으며, 상기 금속막은 예를 들어 알루미늄, 몰리브덴, 구리, 금, 은, 크롬 등을 사용할 수 있다.

그리고, 상기 투과막 패턴(153)은 일정한 주기를 가진 파장이하의 나노 사이즈로 홀과 같은 단순한 원형뿐만 아니라 필요에 따라 타원, 사각형, 삼각형, 슬릿 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.

또한, 도면에는 도시하지 않았지만 상기 표면 플라즈몬을 이용한 컬러필터(150)는 순도가 높은 색을 구현하기 위해서 각각의 파장에 대응하도록 상기 금속막 패턴(152)의 높이를 다르게 조절하여 형성할 수도 있다.

또한, 상기 표면 플라즈몬을 이용한 컬러필터(150)는 436nm의 파장을 가지는 청색의 빛이 투과되기 위해서는 투과막 패턴(153), 예를 들어 홀의 간격과 크기는 각각 300nm 및 155nm정도로 하고, 627nm의 파장을 가지는 적색의 빛이 투과되기 위해서는 홀의 간격과 크기는 각각 550nm 및 225nm정도로 할 수 있으며, 538nm의 파장을 가지는 녹색의 빛이 투과되기 위해서는 홀의 간격과 크기는 각각 450nm 및 180nm정도로 할 수 있다.

다음으로, 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 컬러필터(150)가 형성된 유리기판(110) 전면에 잉크젯(inkjet)과 같은 도포장치(200)를 이용하여 나노 입자의 유전체(250)를 고루 도포하여 나노 사이즈의 투과막 패턴(153) 내에 나노 입자의 유전체(250)를 채워 넣는다.

이때, 상기 나노 입자의 유전체(250)는 유리기판(110)과 실질적으로 비슷한 유전상수를 가지는 유리 알갱이(glass frit), SiO₂ 등을 포함한다.

그리고, 도 6c에 도시된 바와 같이, 상기 나노 입자의 유전체(250)를 상기 컬러필터(150)의 투과막 패턴 내에 고르게 침투시키고 유리기판(110) 전면을 평탄화하기 위해 초음파 진동(micro wave)을 가하거나 롤러(300)와 같은 기구물을 이용하여 유리기판(110) 표면을 고르게 다듬어 준다.

다음으로, 도 6d에 도시된 바와 같이, 평탄화 된 유리기판(110) 표면에 레이저, 전자빔(e-beam), 핫 플레이트(hot plate) 등의 열원(400)을 이용하여 나노 입자의 유전체(250)를 용융시켜 상기 컬러필터(150)의 투과막 패턴 내부를 공극 없이 채우는 동시에 그 표면을 평탄화시키는 절연층(106)을 형성하게 된다.

이때, 상기 나노 입자의 유전체(250) 용융시 초음파 진동을 추가로 가하여 평탄도를 향상시킬 수도 있다.

이와 같이 본 발명의 실시예의 경우에는 표면 플라즈몬을 이용한 컬러필터의 투과막 패턴 내부에 공극발생을 방지함으로써 표면 플라즈몬에 의한 투과광의 효율 및 색재현성을 향상시킬 수 있게 된다. 그리고, 컬러필터의 금속막 패턴을 절연층이 균일하게 덮음으로써 균일한 표면 플라즈몬 효과의 구현을 통해 표시품질이 향상되는 한편, 컬러필터 표면이 균일하게 평탄화 됨에 따라 상부에 소자구현이 용이한 효과를 제공한다.

특히, 본 발명의 실시예의 경우에는 하나의 공정으로 투과막 패턴 내부의 공극을 채우는 동시에 그 표면을 평탄화시킴으로써 평탄화를 위한 추가공정이 필요 없을 뿐만 아니라 저온공정이 가능하여 플라스틱 기판과 같은 저온공정용 기판을 사용할 수 있는 이점이 있다.

이하, 예를 들어 상기와 같은 표면 플라즈몬을 이용한 컬러필터를 어레이 기판에 형성한 경우의 액정표시장치 구조 및 그 제조방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 액정표시장치의 어레이 기판 일부를 개략적으로 나타내는 평면도이며, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 액정표시장치의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.

이때, 설명의 편의를 위해 좌측으로부터 청, 적 및 녹색에 해당하는 서브-컬러필터로 구성되는 하나의 화소를 예를 들어 나타내고 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 삼원색 이상의 다원색을 구현하는 경우에도 적용할 수 있다.

그리고, 상기 청, 적 및 녹색에 해당하는 서브-화소는 컬러필터의 구조, 즉 투과막 패턴의 크기 및 간격을 제외하고는 실질적으로 동일한 구성요소로 이루어져 있다.

또한, 상기 본 발명의 실시예에 따른 액정표시장치는 네마틱상의 액정분자를 기판에 대해 수직 방향으로 구동시키는 트위스티드 네마틱(Twisted Nematic; TN)방식의 액정표시장치를 예를 들고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 어레이 기판(110)에는 상기 어레이 기판(110) 위에 종횡으로 배열되어 화소영역을 정의하는 게이트라인(116)과 데이터라인(117)이 형성되어 있다. 또한, 상기 게이트라인(116)과 데이터라인(117)의 교차영역에는 스위칭소자인 박막 트랜지스터가 형성되어 있으며, 상기 화소영역 내에는 상기 박막 트랜지스터에 연결되어 컬러필터 기판(105)의 공통전극(108)과 함께 액정층을 구동시키는 화소전극(118)이 형성되어 있다.

상기 박막 트랜지스터는 상기 게이트라인(116)의 일부를 구성하는 게이트전극(121), 상기 데이터라인(117)에 연결된 소오스전극(122) 및 상기 화소전극(118)에 연결된 드레인전극(123)으로 구성된다. 또한, 상기 박막 트랜지스터는 상기 게이트전극(121)과 소오스/드레인전극(122, 123)의 절연을 위한 제 1 절연막(미도시) 및 상기 게이트전극(121)에 공급되는 게이트전압에 의해 상기 소오스전극(122)과 드레인전극(123) 간에 전도채널(conductive channel)을 형성하는 액티브패턴(미도 시)을 포함한다.

이때, 상기 소오스전극(122)의 일부는 일 방향으로 연장되어 상기 데이터라인(117)의 일부를 구성하며, 상기 드레인전극(123)의 일부는 화소영역 쪽으로 연장되어 제 2 절연막(미도시)에 형성된 콘택홀(140)을 통해 상기 화소전극(118)에 전기적으로 접속하게 된다.

특히, 상기 어레이 기판(110)의 최하층에는 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬을 이용한 컬러필터(150)가 위치하게 되는데, 상기 컬러필터(150)는 소정의 금속막 패턴(152) 주변에 일정한 주기를 갖는 파장이하의 투과막 패턴(153)이 형성되어 있어 가시광선에서 근적외선 대역을 가진 입사광의 전기장과 플라즈몬이 커플링 되면서 각각 청, 적 및 녹색에 해당하는 파장의 빛만이 투과되고 나머지 파장은 모두 반사됨으로써 RGB 색을 얻을 수 있게 된다.

이때, 상기 투과막 패턴(153)은 게이트라인(116)과 데이터라인(117) 및 박막 트랜지스터가 위치하는 영역을 제외한 화소영역 내에 형성되게 된다.

여기서, 전술한 바와 같이 상기 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬을 이용한 컬러필터(150)는 나노 입자의 유전체를 투과막 패턴(153) 표면에 도포하여 평탄화시킨 후 레이저 또는 그에 상응하는 열원을 가하여 도포된 나노 입자를 용융시킴으로써 상기 투과막 패턴(153) 내부를 공극 없이 유전체로 채우는 동시에 그 표면을 평탄화시키는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 어레이 기판(110)은 도 8에 도시된 바와 같이, 컬럼 스페이서(160)에 의해 일정한 셀갭이 유지된 상태에서 화상표시 영역의 외곽에 형성된 실런트(170)에 의해 컬러필터 기판(105)과 대향하여 합착되게 되는데, 이때 상기 컬러필터 기판(105)에는 컬러필터와 블랙매트릭스를 제외한 다른 구성요소, 즉 공통전극(108)이 형성될 수 있다.

이와 같이 어레이 기판(110)에 컬러필터(150)를 형성할 경우 상부 컬러필터 기판(105)과 하부 어레이 기판(110)의 정렬을 위한 마진 확보가 불필요하여 패널 설계시 개구율을 추가로 확보할 수 있다는 장점이 있으며, 이로 인해 패널의 투과율을 향상시킬 수 있다. 패널 투과율이 향상되면 백라이트의 밝기를 감소시킬 수 있으므로 백라이트에 대한 전력 소비가 감소하게 되는 효과를 제공한다.

이와 같이 백라이트의 전력 소비가 감소함에 따라 다원색 화소를 구현할 수 있게 되어 고색재현의 화질을 얻을 수 있는 효과를 제공한다.

도 9a 내지 도 9e는 상기 도 7에 도시된 어레이 기판의 제조공정을 순차적으로 나타내는 평면도이며, 도 10a 내지 도 10g는 상기 도 8에 도시된 액정표시장치의 제조공정을 순차적으로 나타내는 단면도이다.

도 9a 및 도 10a에 도시된 바와 같이, 투명한 절연물질로 이루어진 어레이 기판(110) 전면에 금속막을 증착한 후, 예를 들어 포토리소그래피공정을 통해 선택적으로 패터닝하여 소정의 금속막 패턴(152)과 투과막 패턴(153)으로 이루어진 컬러필터(150)를 형성한다.

이때, 상기 어레이 기판(110)은 유리기판이나 플라스틱과 같은 플렉서블 기판을 사용할 수도 있으며, 상기 금속막은 예를 들어 알루미늄, 몰리브덴, 구리, 금, 은, 크롬 등을 사용할 수 있다.

계속해서, 상기 도 10a에 도시된 바와 같이, 상기 컬러필터(150)가 형성된 유리기판(110) 전면에 잉크젯과 같은 도포장치(200)를 이용하여 나노 입자의 유전 체(250)를 고루 도포하여 나노 사이즈의 투과막 패턴(153) 내에 나노 입자의 유전체(250)를 채워 넣는다.

이때, 상기 나노 입자의 유전체(250)는 어레이 기판(110)을 유리기판으로 형성하는 경우 상기 유리기판과 실질적으로 비슷한 유전상수를 가지는 유리 알갱이, SiO₂ 등을 포함한다.

그리고, 도 10b에 도시된 바와 같이, 상기 나노 입자의 유전체(250)를 상기 컬러필터(150)의 투과막 패턴 내에 고르게 침투시키고 어레이 기판(110) 전면을 평탄화하기 위해 초음파 진동을 가하거나 롤러(300)와 같은 기구물을 이용하여 어레이 기판(110) 표면을 고르게 다듬어 준다.

다음으로, 도 10c에 도시된 바와 같이, 평탄화 된 어레이 기판(110) 표면에 레이저, 전자빔, 핫 플레이트 등의 열원(400)을 이용하여 나노 입자의 유전체(250)를 용융시켜 상기 컬러필터(150)의 투과막 패턴 내부를 공극 없이 채우는 동시에 그 표면을 평탄화시키는 절연층(106)을 형성하게 된다.

이와 같이 형성된 상기 컬러필터(150)는 소정의 금속막 패턴(152) 주변에 일정한 주기를 갖는 파장이하의 투과막 패턴(153)이 형성되어 RGB 컬러를 구현하게 된다.

상기 구조를 갖는 본 발명의 실시예에 따른 컬러필터(150)에서는 적색 컬러 영역 내 적색 컬러용 투과막 패턴을 통해 적색 컬러가 선택 투과되고, 녹색 컬러영역 내 녹색 컬러용 투과막 패턴을 통해 녹색 컬러가 선택 투과되며, 청색 컬러영역 내 청색 컬러용 투과막 패턴을 통해 청색 컬러가 선택 투과됨으로써, RGB 컬러를 구현하게 된다.

이때, 본 발명의 본 발명의 실시예에 따른 컬러필터(150)에서는 적, 녹, 및 청색 서브-화소에 해당하는 부분의 투과막 패턴, 즉 홀 패턴의 크기를 다르게 하였을 뿐만 아니라 투과효율을 높여주기 위하여 금속막 패턴의 두께도 다르게 구현하였다. 즉, 적색 컬러영역에 상대적으로 두꺼운 적색 컬러용 투과막 패턴을 형성하고, 녹색 컬러영역에 적색 컬러용 투과막 패턴의 두께보다 적어도 작은 두께를 갖는 녹색 컬러용 투과막 패턴을 형성하며, 청색 컬러영역에 상대적으로 가장 작은 두께를 갖는 청색 컬러용 투과막 패턴을 형성한다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

다음으로, 도 9b 및 도 10d에 도시된 바와 같이, 상기 절연층(106)이 형성된 어레이 기판(110) 위에 게이트전극(121)과 게이트라인(116)을 형성한다.

이때, 상기 게이트전극(121)과 게이트라인(116)은 제 1 도전막을 상기 어레이 기판(110) 전면에 증착한 후 포토리소그래피공정을 통해 선택적으로 패터닝하여 형성하게 된다.

여기서, 상기 제 1 도전막으로 알루미늄(aluminium; Al), 알루미늄 합금(Al alloy), 텅스텐(tungsten; W), 구리(copper; Cu), 크롬(chromium; Cr), 몰리브덴(molybdenum; Mo), 몰리브덴 합금(Mo alloy) 등과 같은 저저항 불투명 도전물질 을 사용할 수 있다. 또한, 상기 제 1 도전막은 상기 저저항 도전물질이 두 가지 이상 적층된 다층구조로 형성할 수도 있다.

다음으로, 도 9c 및 도 10e에 도시된 바와 같이, 상기 게이트전극(121)과 게이트라인(116)이 형성된 어레이 기판(110) 전면에 제 1 절연막(115a), 비정질 실리콘 박막, n+ 비정질 실리콘 박막 및 제 2 도전막을 증착한 후, 포토리소그래피공정을 통해 선택적으로 제거함으로써 상기 어레이 기판(110)에 상기 비정질 실리콘 박막으로 이루어진 액티브패턴(124)을 형성하는 한편, 상기 제 2 도전막으로 이루어지며 상기 액티브패턴(124)의 소오스/드레인영역과 전기적으로 접속하는 소오스/드레인전극(122, 123)을 형성한다.

또한, 상기 포토리소그래피공정을 통해 상기 제 2 도전막으로 이루어지며, 상기 게이트라인(116)과 교차하여 화소영역을 정의하는 데이터라인(117)을 형성하게 된다.

이때, 상기 액티브패턴(124) 상부에는 상기 n+ 비정질 실리콘 박막으로 이루어지며 상기 소오스/드레인전극(122, 123)과 동일한 형태로 패터닝된 오믹-콘택층(125n)이 형성되게 된다.

또한, 상기 데이터라인(117) 하부에는 각각 상기 비정질 실리콘 박막 및 n+ 비정질 실리콘 박막으로 이루어지며 상기 데이터라인(117)과 실질적으로 동일한 형태로 패터닝된 비정질 실리콘 박막패턴(미도시) 및 n+ 비정질 실리콘 박막패턴(미도시)이 형성되게 된다.

여기서, 본 발명의 실시예에 따른 상기 액티브패턴(124)과 소오스/드레인전 극(122, 123) 및 데이터라인(117)은 하프-톤 마스크 또는 회절마스크를 이용하여 한번의 마스크공정으로 동시에 형성할 수 있게 된다.

이때, 상기 제 2 도전막은 소오스전극과 드레인전극 및 데이터라인을 구성하기 위해 알루미늄, 알루미늄 합금, 텅스텐, 구리, 크롬, 몰리브덴 및 몰리브덴 합금 등과 같은 저저항 불투명 도전물질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제 2 도전막은 상기 저저항 도전물질이 두 가지 이상 적층된 다층구조로 형성할 수도 있다.

다음으로, 도 9d 및 도 10f에 도시된 바와 같이, 상기 액티브패턴(124)과 소오스/드레인전극(122, 123) 및 데이터라인(117)이 형성된 어레이 기판(110) 전면에 제 2 절연막(115b)을 형성한 후, 포토리소그래피공정을 통해 상기 제 2 절연막(115b)을 선택적으로 제거함으로써 상기 어레이 기판(110)에 상기 드레인전극(123)의 일부를 노출시키는 콘택홀(140)을 형성한다.

여기서, 상기 제 2 절연막(115b)은 실리콘질화막이나 실리콘산화막과 같은 무기절연막으로 이루어질 수 있으며, 포토아크릴이나 벤조사이클로부텐(benzocyclobutene; BCB)과 같은 유기절연막으로 이루어질 수도 있다.

다음으로, 도 9e 및 도 10g에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 절연막(115b)이 형성된 어레이 기판(110) 전면에 제 3 도전막을 형성한 후, 포토리소그래피공정을 통해 선택적으로 제거함으로써 상기 콘택홀(140)을 통해 상기 드레인전극(123)과 전기적으로 접속하는 화소전극(118)을 형성한다.

이때, 상기 제 3 도전막은 화소전극을 구성하기 위해 인듐-틴-옥사이드(Indium Tin Oxide; ITO) 또는 인듐-징크-옥사이드(Indium Zinc Oxide; IZO)와 같은 투과율이 뛰어난 투명한 도전물질을 포함한다.

이와 같이 제작된 상기 본 발명의 실시예에 따른 어레이 기판은 화상표시 영역의 외곽에 형성된 실런트에 의해 컬러필터 기판과 대향하여 합착되게 된다.

상기 본 발명의 실시예는 액티브패턴으로 비정질 실리콘 박막을 이용한 비정질 실리콘 박막 트랜지스터를 예를 들어 설명하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명은 상기 액티브패턴으로 다결정 실리콘 박막을 이용한 다결정 실리콘 박막 트랜지스터에도 적용된다.

또한, 본 발명은 액정표시장치뿐만 아니라 박막 트랜지스터를 이용하여 제작하는 다른 표시장치, 예를 들면 구동 트랜지스터에 유기전계발광소자(Organic Light Emitting Diodes; OLED)가 연결된 유기전계발광 디스플레이장치에도 이용될 수 있다.

상기한 설명에 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나 이것은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서 발명은 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위에 균등한 것에 의하여 정하여져야 한다.

도 1은 일반적인 액정표시장치의 구조를 개략적으로 나타내는 분해사시도.

도 2는 일반적인 안료분산법을 이용한 컬러필터를 사용할 경우의 패널의 투과효율을 개략적으로 나타내는 예시도.

도 3a 및 도 3b는 표면 플라즈몬 현상을 이용하여 제작한 본 발명에 따른 컬러필터의 구조를 개략적으로 나타내는 평면도 및 단면도.

도 4는 금속막 패턴 위에 절연층을 증착한 경우의 공극발생을 보여주는 사진.

도 5a 및 도 5b는 이종의 유전체로 인한 표면 플라즈몬의 피크이동 및 그에 따른 혼색을 설명하기 위한 그래프.

도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 실시예에 따른 컬러필터 형성과정을 순차적으로 나타내는 단면도.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 액정표시장치의 어레이 기판 일부를 개략적으로 나타내는 평면도.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 액정표시장치의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도.

도 9a 내지 도 9e는 상기 도 7에 도시된 어레이 기판의 제조공정을 순차적으로 나타내는 평면도.

도 10a 내지 도 10g는 상기 도 8에 도시된 액정표시장치의 제조공정을 순차적으로 나타내는 단면도.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

105 : 컬러필터 기판 106 : 유전체층

110 : 어레이 기판 116 : 게이트라인

117 : 데이터라인 118 : 화소전극

121 : 게이트전극 122 : 소오스전극

123 : 드레인전극 150 : 컬러필터

152 : 금속막 패턴 153 : 투과막 패턴

200 : 도포장치 250 : 나노 입자

300 : 롤러 400 : 열원

Claims

소정의 금속막 패턴과, 일정한 주기를 갖는 파장이하의 투과막 패턴으로 이루어져 컬러를 구현하는 컬러필터를 기판 위에 형성하는 단계;

상기 컬러필터를 포함하는 상기 기판 전면에 나노 입자의 유전체를 도포하는 단계; 및

열원을 이용하여 상기 나노 입자의 유전체를 용융시켜, 상기 기판 상부에 상기 컬러필터의 투과막 패턴 내부를 채우는 동시에 그 표면을 평탄화시키는 절연층을 형성하는 단계를 포함하며,

상기 절연층은 상기 기판과 같은 유전상수를 가지는 표면 플라즈몬을 이용한 컬러필터의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 기판은 유리기판이나 플렉서블 기판으로 형성하는 컬러필터의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 금속막 패턴은 알루미늄, 몰리브덴, 구리, 금, 은 또는 크롬을 사용하여 형성하는 컬러필터의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 투과막 패턴은 일정한 주기를 가진 파장이하의 나노 사이즈로 원형, 타원, 사각형, 삼각형 또는 슬릿의 형태로 형성하는 컬러필터의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 나노 입자의 유전체는 잉크젯을 이용하여 도포하는 컬러필터의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 나노 입자의 유전체는 유리 알갱이(glass frit)로 이루어진 컬러필터의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 나노 입자의 유전체를 도포한 후에,

초음파 진동(micro wave)을 가하거나 기구물을 이용하여 상기 기판 표면을 고르게 다듬어 주어 상기 나노 입자의 유전체를 상기 컬러필터의 투과막 패턴 내에 고르게 침투시키는 동시에 상기 기판 전면을 평탄화 하는 컬러필터의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 열원은 레이저, 전자빔(e-beam) 또는 핫 플레이트(hot plate)를 포함하는 컬러필터의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 금속막 패턴은 적색과, 녹색 및 청색 각각의 파장에 대응하여 높이를 다르게 조절하여 형성하는 컬러필터의 제조방법.
소정의 금속막 패턴과, 일정한 주기를 갖는 파장이하의 투과막 패턴으로 이루어져 컬러를 구현하는 컬러필터를 제 1 기판 위에 형성하는 단계;

상기 컬러필터를 포함하는 상기 제 1 기판 전면에 나노 입자의 유전체를 도포하는 단계;

열원을 이용하여 상기 나노 입자의 유전체를 용융시켜, 상기 제 1 기판 상부에 상기 컬러필터의 투과막 패턴 내부를 채우는 동시에 그 표면을 평탄화시키는 절연층을 형성하는 단계;

상기 절연층이 형성된 제 1 기판 위에 박막 트랜지스터를 형성하는 단계; 및

상기 제 1 기판과 제 2 기판을 합착하는 단계를 포함하며,

상기 절연층은 상기 제 1 기판과 같은 유전상수를 가지는 액정표시장치의 제조방법.
제 10 항에 있어서, 상기 나노 입자의 유전체는 잉크젯을 이용하여 도포하는 액정표시장치의 제조방법.
제 10 항에 있어서, 상기 나노 입자의 유전체는 유리 알갱이로 이루어진 액정표시장치의 제조방법.
제 10 항에 있어서, 상기 나노 입자의 유전체를 도포한 후에,

초음파 진동을 가하거나 기구물을 이용하여 상기 제 1 기판 표면을 고르게 다듬어 주어 상기 나노 입자의 유전체를 상기 컬러필터의 투과막 패턴 내에 고르게 침투시키는 동시에 상기 제 1 기판 전면을 평탄화 하는 액정표시장치의 제조방법.
제 10 항에 있어서, 상기 금속막 패턴은 적색과, 녹색 및 청색 각각의 파장에 대응하여 높이를 다르게 조절하여 형성하는 액정표시장치의 제조방법.