KR20020002318A - 레드 필터층을 가진 컬러 필터 어레이 - Google Patents

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KR20020002318A
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고오사이 아끼오
스미또모 가가꾸 고교 가부시끼가이샤
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소니 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 레드 필터층이 500 내지 600 nm의 파장에서 최대 흡수를 나타내는 크산텐 염료 및 400 내지 550 nm의 파장에서 최대 흡수를 나타내는 피라졸론 아조 염료를 포함하고, 투과율이 535 nm의 파장에서 1% 이하이고, 650 nm의 파장에서 90% 이상인 것을 특징으로 하는, 기판 상에 레드 필터층을 가진 컬러 필터 어레이를 제공하고; 상기 컬러 필터 어레이는 레드광에 대해 우수한 분광 특성을 나타내고, 광 견뢰도가 우수한 레드 필터층을 가진다.

Description

레드 필터층을 가진 컬러 필터 어레이{A COLOR FILTER ARRAY HAVING A RED FILTER LAYER}
본 발명은 고상 이미지 장치 또는 액정 디스플레이 장치를 위한 컬러 필터 어레이, 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
고상 이미지 장치 또는 액정 디스플레이 장치와 같은 장치에 형성되는 컬러 필터 어레이로서, 기판(1)의 동일면에 서로 인접하도록 형성된 레드 필터층(R), 그린 필터층(G), 및 블루 필터층(B)으로 구성된 컬러 필터 어레이(2)가 공지되어 있다(도 1). 컬러 필터 어레이(2)에서, 상기 필터층들 (R), (G), (B)은 줄무늬 패턴(도 2) 또는 격자형 패턴(모자이크)(도 3)으로 배열된다.
이러한 컬러 필터 어레이를 제조하기 위한 공정들이 다양하게 제안되어 왔다. 그 중에서도, 일명 "컬러 레지스트법"이 실질적으로 널리 사용된다. 컬러 레지스트법에서 패터닝은 착색제를 포함한 감광성 수지 조성물을 노광하고 현상하는 단계로 이루어지고, 이 패터닝은 필요한 시간 내에 연속 반복된다.
컬러 레지스트법에 사용되는 감광성 수지 조성물로는, 착색제로서 안료를 사용하는 것이 널리 사용된다. 그러나, 이러한 안료는 과립상이고, 현상액에 용해되지 않고, 현상에 따른 잔류물이 생성되므로, 미세하거나 작은 패턴을 형성하는데 적합하지 않다.
미세하게 패터닝된 컬러 필터 어레이를 얻기 위한 감광성 수지 조성물로는, 착색제로서 염료를 사용하는 감광성 수지 조성물도 공지되어 있다. 예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제 6-75375호에는 염료를 포함하는 네거티브 감광성 수지 조성물이 개시되어 있고, 일본 특허 공고 제 7-111485호에는 포지티브 감광성 수지 조성물에 사용되는 용매에 용해되는 염료를 건조중량을 기준으로 10 내지 50% 포함하는 포지티브 감광성 수지 조성물이 개시되어 있다(이하, "JP-A-"는 일본 특허 출원 공개, "JP-B-"는 일본 특허 공고를 가리키는데 사용한다).
상기와 같은 컬러 필터 어레이를 제조하는데 사용되는 감광성 수지 조성물에 포함된 착색제는 하기 두가지 특성을 가져야 한다.
(1) 우수한 분광 특성, 즉, 소정의 가시광선 영역에서 충분한 흡수를 나타내고, 다른 영역에서는 불필요한 흡수가 없는 것.
(2) 우수한 광 견뢰도, 즉, 통상의 작동 조건 하에서 염료의 탈색으로 인한 얼룩(burn-in)이 없는 것.
그러나, 통상의 감광성 수지 조성물에 사용되는 염료 중 어느 것도 상기 두 특성 모두를 가지지는 못한다.
예를 들어, 통상의 감광성 수지 조성물에서 컬러 필터의 레드 필터층은 450 nm의 파장 및 535 nm의 파장에서는 투과율이 작고, 650 nm의 파장에서는 투과율이 큰 것이 바람직하지만, 535 nm에서 투과율을 낮추려고 하면, 650 nm에서 투과율이 감소하여 분광 특성이 저하된다.
통상의 감광성 수지 조성물의 이러한 문제점들은 하기에 더 구체적으로 언급될 것이다.
피라졸론 아조 염료(C.I. 솔벤트 레드 8)를 포함하는 감광성 수지 조성물은 상기 JP-B-7-111485에 기재되어 있다. 이 염료는 광 견뢰도가 우수하다. 그러나, 650 nm에서 생성된 레드 필터층의 투과율을 크게하려고 하면, 450 nm에서의 투과율이 커지는 경향이 있다. 그 결과, 이러한 감광성 수지 조성물을 사용하여 형성된 레드 필터층을 가진 컬러 필터는 항상 그 성능이 만족스럽지는 않다. 사실상, 공보에 따르면, 이러한 감광성 수지 조성물을 사용하여 형성된 2 ㎛-두께의 레드 필터층의 투과율은 450 nm에서 5%, 535 nm에서 0.6%, 및 650 nm에서 85%이다.
우수한 분광 특성을 가진 착색제는 공지되어 있다. 그러나, 우수한 분광 특성을 가진 착색제 중에는 광 견뢰도가 만족스러운 것이 없다. 따라서, 실용적인 레드 필터층을 가진 컬러 필터 어레이를 제조하기가 어려웠다.
본 발명의 발명자들은 우수한 분광 특성 및 우수한 광 견뢰도를 가진 레드 필터층을 가진 컬러 필터 어레이를 개발하기 위해 집중적이고, 광범위하게 연구하였다. 그 결과, 본 발명자들은 두 종류 이상의 특정한 염료를 사용하여 분광 특성및 광 견뢰도가 모두 만족스러운 레드 필터층을 형성할 수 있다는 것을 발견하였다. 이 발견을 토대로 본 발명을 완성하였다.
도 1은 그린 필터층, 레드 필터층, 및 블루 필터층이 기판의 동일면에 제공된 컬러 필터 어레이의 단면을 나타내는 개략도이고,
도 2는 줄무늬 패턴으로 배열된 그린 필터층, 레드 필터층, 및 블루 필터층이 제공된 컬러 필터 어레이의 평면 개략도이고,
도 3은 모자이크 패턴으로 배열된 그린 필터층, 레드 필터층, 및 블루 필터층이 제공된 컬러 필터 어레이의 평면 개략도이고,
도 4는 실시예 1에서 얻은 컬러 필터 어레이의 평면 개략도이고,
도 5는 실시예 1에서 얻은 컬러 필터 어레이의 평면 개략도이고,
도 6은 실시예 4의 단계를 나타내는 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 기판
2: 컬러 필터 어레이
3: 오버 코팅막
4: 폴리실리콘 전극
5: 센서
6: V 레지스터
7: 차광막
8: 패시베이션 막
9: 마이크로렌즈
R: 레드 필터층
G: 그린 필터층
B: 블루 필터층
본 발명은 레드 필터층이 500 내지 600 nm의 파장에서 최대 흡수를 나타내는 크산텐 염료(이하, "염료(I)"이라 칭함), 및 400 내지 550 nm의 파장에서 최대 흡수를 나타내는 피라졸론 아조 염료(이하, "염료(II)"라 칭함)를 포함하고; 및 투과율이 535 nm의 파장에서 1% 이하이고, 650 nm의 파장에서 90% 이상인 것을 특징으로 하는, 기판 상에 레드 필터층을 가진 컬러 필터 어레이를 제공한다.
본 발명은 또한 이 컬러 필터 어레이의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 컬러 필터에 사용되는 기판으로서, 실리콘 웨이퍼 및 투명한 무기 유리 플레이트를 예로 들 수 있다. 실리콘 웨이퍼 상에, 전하-커플링(charge-coupled) 장치를 형성할 수 있다.
본 발명의 컬러 필터 어레이는 그 기판 상에 레드 필터층을 가진다.
상기 레드 필터층은 500 내지 600 nm의 파장에서 최대 흡수를 나타내는 염료(I), 및 400 내지 550 nm의 파장에서 최대 흡수를 나타내는 염료(II)를 포함한다.
염료(I)의 예로는, 화학식 1로 표시되는 화합물:
[상기 식에서,
R10, R11, R12및 R13은 각각 독립적으로 수소 원자 또는 탄소수가 1 내지 3인 알킬기를 나타내고; R14, R15및 R16은 각각 독립적으로 술폰산기 또는 화학식 1a로 표시되는 기:
R17HNSO2-
{상기 식에서, R17은 탄소수가 2 내지 20인 알킬기, 알킬쇄의 탄소수가 2 내지 12인 것을 특징으로 하는 시클로헥실알킬기, 알킬쇄의 탄소수가 1 내지 4인 알킬시클로헥실기, 탄소수가 2 내지 12이고, 탄소수가 2 내지 12인 알콕실기로 치환된 알킬기, 화학식 1aa로 표시되는 알킬카르복실알킬기:
R180-CO-O-R181
(상기 식에서, R180은 탄소수가 2 내지 12인 알킬기를 나타내고, R181은 탄소수가 2 내지 12인 알킬렌기를 나타낸다),
화학식 1ab로 표시되는 알킬옥시카르보닐알킬기:
R190-O-CO-R191
(상기 식에서, R190은 탄소수가 2 내지 12인 알킬기를 나타내고, R191은 탄소수가 2 내지 12인 알킬렌기를 나타낸다),
탄소수가 1 내지 20인 알킬기로 치환된 페닐기, 또는 탄소수가 1 내지 20이고, 페닐기로 치환된 알킬기이다}]
및 이의 염을 들 수 있다.
화학식 1의 화합물에서 R10, R11, R12또는 R13으로 표시되는 탄소수가 1 내지 3인 알킬기의 예로는, 메틸기, 에틸기, 및 프로필기를 들 수 있다. R17로 표시되는 탄소수가 2 내지 20인 알킬기의 예로는, 에틸기, 프로필기, n-헥실기, n-노닐기, n-데실기, n-도데실기, 2-에틸헥실기, 1,3-디메틸부틸기, 1-메틸부틸기, 1,5-디메틸헥실기, 및 1,1,3,3-테트라메틸부틸기를 들 수 있다. 알킬쇄의 탄소수가 2 내지 12인 것을 특징으로 하는 시클로헥실알킬기의 예로는, 시클로헥실에틸기, 3-시클로헥실프로필기, 및 8-시클로헥실옥틸기를 들 수 있다. 알킬쇄의 탄소수가 1 내지 4인 것을 특징으로 하는 알킬시클로헥실기의 예로는, 2-에틸시클로헥실기, 2-프로필시클로헥실기, 및 2-(n-부틸)시클로헥실기를 들 수 있다. 탄소수가 2 내지 12인 알콕실기로 치환된 C2-12알킬기의 예로는, 3-에톡시-n-프로필기, 프로폭시프로필기, 4-프로폭시-n-부틸기, 3-메틸-n-헥실옥시에틸기 및 3-(2-에틸헥실옥시)프로필기를 들 수 있다. 탄소수가 1 내지 20인 알킬기로 치환된 페닐기의 예로는, o-이소프로필페닐기를 들 수 있다. 페닐기로 치환된 C1-20알킬기의 예로는 DL-1-페닐에틸기, 벤질기, 및 3-페닐-n-부틸기를 들 수 있다. 탄소수가 2 내지 12이고, R180또는 R190으로 표시된 알킬기의 예로는, 에틸기, 프로필기, n-헥실기, n-노닐기, n-데실기, n-도데실기, 2-에틸헥실기, 1,3-디메틸부틸기, 1-메틸부틸기, 1,5-디메틸헥실기, 및 1,1,3,3-테트라메틸부틸기를 들 수 있다. 탄소수가 2 내지 12이고, R181또는 R191로 표시된 알킬렌기의 예로는, 디메틸렌기 및 헥사메틸렌기를 들 수 있다.
염료(I)는 화학식 1으로 표시되는 화합물 또는 이의 염일 수 있다. 이 염의 예로는 나트륨 및 칼륨과 같은 알칼리금속류 또는 트리에틸아민 및 1-아미노-3-페닐부탄과 같은 아민류를 가지는 것을 들 수 있다. 그룹 R14, R15또는 R16이 술폰산기인 경우, 그 염은 술폰산기의 위치에서 형성된 것이다.
염료(I)의 예로는 C.I. 애시드 레드 289를 들 수 있다. 이들은 단독으로 또는 조합으로 사용된다.
염료(II)의 예로는 화학식 2로 표시되는 화합물:
(상기 식에서,
R21및 R22는 각각 히드록실기 또는 카르복실산기를 나타내고; R20, R23, R24및 R25는 각각 독립적으로 수소 원자, 할로겐 원자, 탄소수가 1 내지 4인 알킬기, 술폰산기, 탄소수가 1 내지 4인 알킬기, 또는 니트로기이다)
및 이의 염을 들 수 있다.
화학식 2에서, R20, R23, R24또는 R25로 표시되는 할로겐 원자로는, 플루오르 원자, 염소 원자, 브롬 원자 등이 있다. 탄소수가 1 내지 4인 알킬기의 예로는, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 및 부틸기를 들 수 있다. 탄소수가 1 내지 4인 알콕실기의 예로는, 메톡시기, 에톡시기, 프로폭시기, 및 부톡시기를 들 수 있다.
염료(II)는 화학식 2의 화합물 또는 이의 염일 수 있다. 이 염의 예로는, 나트륨 및 칼륨과 같은 알칼리금속류 또는 트리에틸아민, 2-에틸헥실아민, 및 1-아미노-3-페닐부탄과 같은 아민류를 가지는 것을 들 수 있다. 그룹 R23, R24, R25또는 R26이 술폰산기인 경우에는 일반적으로 그 염은 술폰산기의 위치에서 형성된 것이다.
염료(II)는 크롬 원자와 배위를 통해 착물을 형성할 수 있다. 크롬 원자와 착물을 형성함으로써, 광 견뢰도가 더 개선된다.
염료(II)의 예로는, C.I. 애시드 옐로우 17, C.I. 솔벤트 오렌지 56, 및 C.I. 솔벤트 옐로우 82를 들 수 있다. 이들은 단독으로 또는 조합으로 사용된다.
본 발명의 컬러 필터 어레이의 레드 필터층에 함유된 염료(I)의 양과 염료(II)의 양은, 레드 필터층의 투과율이 535 nm의 파장에서 1% 이하이고, 650 nm의 파장에서 90% 이상이 되도록 조절된다. 더 구체적으로는, 일반적으로 염료(I)의 함량 및 염료(II)의 함량은, 염료(I) 및 염료(II)의 총 100 중량부 당 각각 약 20 내지 60 중량부 및 80 내지 40 중량부이다. 염료(I)의 함량이 20 중량부 보다 작으면, 레드광에 대하여 광 견뢰도가 불충분하거나 분광 특성이 불만족스럽게 되는 경향이 있다. 염료(I)의 함량이 60 중량부를 초과하면, 레드광에 대한 이의 분광 특성이 불만족스러워지는 경향이 있다. 염료(II)의 함량이 40 중량부 보다 작으면, 레드광에 대하여 광 견뢰도가 불충분하거나 분광 특성이 불만족스럽게 되는 경향이 있다. 염료(II)의 함량이 80 중량부를 초과하면, i-선 흡수량이 증가하여, 노광을 통한 패턴 형성이 어려워지는 경향이 있다.
본 발명의 컬러 필터 어레이의 레드 필터층은 컬러, 바꾸어 말하면, 이의 분광 특성을 조절하기 위하여 다른 염료를 함유할 수 있다. 예를 들어, 400 내지 500 nm 범위의 파장에서 최대 흡수를 가지는 피리돈 아조 염료(이하, "염료(III)"라 함)를 함유할 수 있다.
염료(III)의 예로는, 화학식 3로 표시되는 화합물:
(상기 식에서,
R30은 탄소수가 2 내지 10인 알킬기를 나타내고; R31, R32및 R34는 각각 독립적으로 수소 원자, 메틸기, 히드록실기, 또는 시아노기를 나타내고; R33은 탄소수가 1 내지 4인 알킬기를 나타낸다)
을 들 수 있다. 염료(III)을 혼입함으로써, 레드 필터층의 분광 특성이 더 개선된다. 그 결과, 투과율이 450 nm의 파장에서 5% 이하, 535 nm에서 1% 이하 및 650 nm에서 90% 이상이고, 더 바람직하게는 투과율이 450 nm의 파장에서 3% 이하, 535 nm에서 1% 이하 및 650 nm에서 90% 이상인 레드 필터층을 가진 컬러 필터 어레이를 얻을 수 있다.
화학식 3으로 표시되는 화합물에서, 탄소수가 2 내지 10이고, R30으로 표시되는 알킬기의 예로는, 에틸기, 프로필기, n-헥실기, n-노닐기, n-데실기, n-도데실기, 2-에틸헥실기, 1,3-디메틸부틸기, 1-메틸부틸기, 1,5-디메틸헥실기, 및1,1,3,3-테트라메틸부틸기를 들 수 있다. 탄소수가 1 내지 4이고, R33으로 표시되는 알킬기의 예로는, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 및 부틸기를 들 수 있다.
염료(III)의 예로는, C.I. 솔벤트 옐로우 162를 들 수 있다. 이들은 단독으로 또는 조합으로 사용된다.
염료(III)이 사용되는 경우, 이의 함량은 일반적으로 염료(I) 및 염료(II)의 총 100 중량부 당 10 내지 40 중량부이다. 염료(III)의 함량이 10 중량부 보다 작거나, 40 중량부 보다 큰 경우, 분광 특성이 레드광에 대해 불만족스럽게 개선되는 경향이 있다.
본 발명의 컬러 필터 어레이는 통상의 컬러 레지스트법으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 착색제를 포함하는 감광성 수지 조성물을 패터닝하는 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다. 감광성 수지 조성물은 염료(I) 및 염료(II)를 포함한다. 감광성 수지 조성물에 포함되는 염료(I) 및 염료(II)의 양은 개별적으로 원하는 레드 필터층에서의 양과 동일하다. 패터닝 후 레드 필터층의 투과율은 535 nm에서 1% 이하이고, 650 nm에서 90% 이상이다.
레드 필터층이 염료(III)을 포함하는 것이 바람직한 경우, 염료(III)을 포함하는 감광성 수지 조성물이 사용된다. 감광성 수지 조성물에 포함되는 염료(III)의 양은 원하는 레드 필터층에서의 양과 동일하다.
감광성 수지 조성물은 포지티브 감광성 수지 조성물 또는 네거티브 감광성 수지 조성물일 수 있다.
본 발명의 포지티브 감광성 수지 조성물은 상기 염료 외에도, 예를 들면, 광활성 화합물 및 알칼리-가용성 수지를 포함한다.
통상의 감광성 수지 조성물에서 사용되는 광활성 화합물이 본 발명의 포지티브 감광성 수지 조성물에 사용될 수 있다. 이의 예로는, o-나프토퀴논디아지드 술포네이트와 페놀성 화합물의 에스테르를 포함한다. 페놀성 화합물의 예로는, 화학식 10으로 표시되는 화합물:
을 들 수 있다.
o-나프토퀴논디아지드 술포네이트로는, o-나프토퀴논디아지드-5-술포네이트 및 o-나프토퀴논디아지드-4-술포네이트를 예로 들 수 있다.
"알칼리-가용성 수지"란 알칼리 현상액에 용해되는 수지를 말하며, 통상의 감광성 수지에 사용되는 것과 유사한 임의의 알칼리-가용성 수지가 사용될 수 있다. 이러한 알칼리-가용성 수지의 예로는, p-크레졸 노볼락 수지, p-크레졸 및 m-크레졸의 노볼락 수지와 같은 노볼락 수지; 화학식 20으로 표시되는 구조를 가진 노볼락 수지:
;폴리비닐페놀; 및 비닐페놀과 스티렌의 공중합체를 들 수 있다. 알칼리-가용성 수지로서 노볼락 수지를 사용하는 것이 바람직하다.
감광성 수지 조성물에 포함되는 염료, 광활성 화합물 및 알칼리-가용성 수지의 양은 일반적으로 상기 염료, 광활성 화합물, 및 알칼리-가용성 수지의 총 100 중량부 당 각각 25 내지 55 중량부, 25 내지 55 중량부, 및 3 내지 50 중량부이다.
포지티브 감광성 수지 조성물 속에 경화제가 혼입될 수 있다. 경화제를 혼입하면, 이 감광성 수지 조성물을 사용하여 형성된 패턴의 기계적 강도가 개선된다.
경화제로는 일반적으로, 열에 의해 경화되는 열 경화제가 사용된다. 열 경화제의 예로는, 화학식 30으로 표시되는 화합물:
{상기 식에서,
Q1, Q2, Q3, 및 Q4는 각각 독립적으로 수소 원자, 탄소수가 1 내지 4인 히드록시알킬기, 또는 탄소수가 1 내지 4이고, 탄소수가 1 내지 4인 알콕실기로 치환된 알킬기이고; Z는 페닐기 또는 화학식 31로 표시되는 기:
Q5Q6N-
(상기 식에서, Q5및 Q6는 각각 독립적으로 수소원자, 탄소수가 1 내지 4인 히드록시알킬기, 또는 탄소수가 1 내지 4이고, 탄소수가 1 내지 4인 알콕실기로 치환된 알킬기이다)이고,
단, Q1내지 Q6중에서 하나 이상은 탄소수가 1 내지 4인 히드록시알킬기 또는 탄소수가 1 내지 4이고, 탄소수가 1 내지 4인 알콕실기로 치환된 알킬기이다}
을 들 수 있다.
탄소수가 1 내지 4인 히드록시알킬기의 예로는, 히드록시메틸기, 히드록시에틸기, 히드록시프로필기, 및 히드록시부틸기를 들 수 있다. 탄소수가 1 내지 4이고, 탄소수가 1 내지 4인 알콕실기로 치환된 알킬기의 예로는, 메톡시메틸기, 메톡시에틸기, 에톡시에틸기, 및 프로폭시부틸기를 들 수 있다.
화학식 30으로 표시되는 화합물의 한 예로는 헥사메톡시메틸멜라민을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 포지티브 감광성 수지 조성물 내의 경화제로서 예를 들면,하기 화학식 32 내지 37의 화합물이 사용될 수 있다:
경화제가 사용되는 경우, 이 경화제의 함량은 염료, 광활성 화합물 및 알칼리-가용성 수지의 총 100 중량부 당 일반적으로 10 중량부 내지 35 중량부이다.
본 발명의 포지티브 감광성 수지 조성물은 일반적으로 용매로 희석된다.
용매는 염료(I), 염료(II), 염료(III), 염료(IV), 광활성 화합물, 알칼리-가용성 수지 및 경화제의 용해도에 따라, 특히, 염료(I), 염료(II), 염료(III), 염료(IV)의 용해도에 따라 적당하게 선택된다. 예를 들어, 메틸 셀로솔브, 에틸 셀로솔브, 메틸 셀로솔브 아세테이트, 에틸 셀로솔브 아세테이트, 디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노이소프로필 에테르, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르, N-메틸피롤리돈, γ-부티로락톤, 디메틸 술폭시드, N,N'-디메틸포름아미드, 시클로헥산, 에틸 아세테이트, n-부틸 아세테이트, 프로필렌 글리콜 모노에틸 에테르 아세테이트, 에틸 아세테이트, 에틸 피루베이트, 에틸 락테이트 등이 사용될 수 있다. 이들 용매는 단독으로 또는 조합으로 사용된다.
사용되는 용매의 양은 염료, 광활성 화합물, 알칼리-가용성 수지, 및 경화제의 총 100 중량부 당 일반적으로 약 180 내지 400 중량부이다.
본 발명의 네거티브 감광성 수지 조성물은 상기 염료 이외에 예를 들면, 광 반응성 산발생제, 경화제, 및 알칼리-가용성 수지를 포함한다.
통상의 네거티브 감광성 수지 조성물에 사용되는 광 반응성 산발생제가 본 발명의 네거티브 감광성 수지 조성물에 사용되는 광 반응성 산발생제로서 사용될 수 있다. 이들의 예로는, 화학식 40으로 표시되는 화합물:
(상기 식에서, Q7은 탄소수가 1 내지 3인 알킬기를 나타내고, Q8은 탄소수가 1 내지 3인 알킬기로 치환된 페닐기 또는 탄소수가 1 내지 3인 알콕실기로 치환된 페닐기를 나타낸다)
을 들 수 있다.
Q7로 표시되는 탄소수가 1 내지 3인 알킬기의 예로는, 메틸기, 에틸기, 및 프로필기를 들 수 있다. 탄소수가 1 내지 3인 알킬기로 치환되고, Q8로 표시되는 페닐기의 한 예로는 o-이소프로필페닐기를 들 수 있다. 탄소수가 1 내지 3인 알콕실기로 치환된 페닐기의 예로는 p-메톡시페닐기, p-에톡시페닐기, 및 p-프로폭시페닐기를 들 수 있다.
또한, 예를 들면, 화학식 41 내지 47로 표시되는 화합물:
도 광 산발생제로서 사용될 수 있다.
경화제로는, 통상의 네거티브 감광성 수지 조성물의 경우에서와 마찬가지로, 일반적으로 열에 의해 경화되는 열 경화제가 사용된다. 포지티브 감광성 수지 조성물에 대해 상기 예로써 나열된 열 경화제들이, 본 발명의 네거티브 감광성 수지 조성물에 사용될 수도 있다.
통상의 네거티브 감광성 수지 조성물의 경우에서와 같이, 포지티브 감광성 수지 조성물에 대한 예로써 상기 나열된 알칼리-가용성 수지가 본 발명의 네거티브 감광성 수지 조성물에서 사용될 수도 있다.
염료, 광반응성 산발생제, 경화제, 및 알칼리-가용성 수지의 총 100 중량부 당 네거티브 감광성 수지 조성물에 포함된 광 산발생제, 경화제, 및 알칼리-가용성 수지의 양은 다음과 같다. 염료의 함량은 일반적으로 약 15 내지 40 중량부이고, 광 산발생제의 함량은 일반적으로 0.3 내지 5 중량부이다. 사용되는 경화제의 양은 일반적으로 10 내지 25 중량부이고, 알칼리-가용성 수지의 함량은 일반적으로 20 내지 75 중량부이다.
네거티브 감광성 수지 조성물은 일반적으로 용매로 희석된다.
용매는 염료(I), 염료(II), 염료(III), 광 산발생제, 알칼리-가용성 수지 및경화제의 용해도에 따라, 특히, 염료(I), 염료(II), 염료(III)의 용해도에 따라 적당하게 선택된다. 포지티브 감광성 수지 조성물에 대해 상기 예로서 나열된 용매들이 사용될 수 있다. 사용되는 용매의 양은 염료, 광 산발생제, 경화제, 및 알칼리-가용성 수지의 총 100 중량부 당 약 180 내지 400 중량부이다.
상기 감광성 수지 조성물은 착색제로서 염료(I) 및 염료(II)를 사용하므로, 조성물을 장기간 저장하더라도 침전물이 거의 생성되지 않는다.
따라서, 이 조성물은 실질적으로 기판에 고르게 도포될 수 있다. 이로써, 각 측면의 두께가 약 0.5 내지 2 ㎛이고, 길이가 약 2 내지 20 ㎛인 패턴을 가지는 레드 필터층을 가진 컬러 필터 어레이를 제공할 수 있다.
이 패터닝은 예를 들면, 상기 수지 조성물을 기판에 코팅하고, 이 코팅을 노광한 후, 현상함으로써 이루어진다.
이 코팅은 희석된 감광성 수지 조성물을 기판에 도포하여 얻어진다. 이 조성물은 일반적으로 스핀 코팅에 의해 도포된다. 이 조성물이 기판에 도포된 후에는, 코팅을 예를 들면 약 80 내지 130℃로 가열하여 그 속에 포함된 용매를 증발시킨다. 이로써, 감광성 수지 조성물의 코팅이 얻어진다.
그 후, 이 코팅을 노광한다. 노광은 원하는 패턴에 대응하는 마스크 패턴을 사용하고, 이 마스크 패턴을 통해 코팅을 빔으로 조사함으로써 이루어진다. 코팅을 노광하기 위한 빔으로는 예를 들면, g-선, i-선 등이 사용될 수 있다. 노광하기 위하여 g-선 스텝퍼 또는 i-선 스텝퍼와 같은 노광 장치들이 사용될 수 있다. 네거티브 감광성 수지 조성물이 사용되는 경우, 이 코팅은 노광 후에 가열된다.포지티브 감광성 수지 조성물이 사용되는 경우, 이 코팅은 노광 후에 가열되거나 또는 가열되지 않을 수 있다. 코팅 가열시, 가열 온도는 예를 들면, 약 80 내지 150℃이다.
노광 후, 이 코팅을 현상한다. 통상의 감광성 수지 조성물을 사용하는 경우에서와 같이, 코팅된 기판을 현상액에 침지시켜 현상한다. 통상의 감광성 수지 조성물을 사용하는 패터닝에 사용되는 현상액이 본 발명 중의 패터닝에 사용될 수도 있다. 기판을 현상액에서 꺼내어, 물로 세척하여 현상액을 제거함으로써 원하는 패턴으로 만들어진 레드 필터층을 가진 컬러 필터 어레이를 얻을 수 있다.
포지티브 감광성 수지 조성물을 사용하는 경우, 물로 세척한 후에 기판을 자외선 조사할 수 있다. 자외선을 조사하면 잔존하는 광활성 화합물이 분해된다. 또한, 이 감광성 수지 조성물이 열 경화제를 포함하는 경우, 물로 세척한 후에 기판을 가열할 수 있다. 가열에 의해, 형성된 레드 필터층의 기계적 강도가 개선될 수 있다. 가열 온도는 일반적으로 160℃ 내지 220℃ 이다. 일반적으로, 가열 온도는 염료의 분해 온도 보다 높지 않다.
네거티브 감광성 수지 조성물이 사용되는 경우, 물로 세척한 후에 이 기판을 가열할 수 있다. 가열에 의해, 형성된 레드 필터층의 기계적 강도가 개선된다. 가열 온도는 일반적으로 160℃ 내지 220℃ 이다. 일반적으로, 가열 온도는 염료의 분해 온도 보다 높지 않다.
따라서, 레드 필터층은 원하는 패턴으로 형성된다. 다른 필터층, 즉, 그린 필터층 및 블루 필터층은 레드 필터층이 제공된 기판의 동일면에 예를 들면, 통상의 방법에 따라 형성된다. 포지티브 감광성 수지 조성물을 사용하는 경우, 형성된 레드 필터층의 강도를 개선하기 위해, 경화제를 함유하는 것을 사용하고, 현상 후 가열하는 것이 바람직하다. 레드 필터층은 다른 컬러 필터층이 기판에 제공된 후에 형성될 수도 있다.
따라서, 기판의 동일면에 서로 인접하도록 형성된 레드 필터층, 그린 필터층, 및 블루 필터층으로 구성된 컬러 필터 어레이를 얻을 수 있다. 따라서, 얻어진 컬러 필터 어레이는 고상 이미지 장치, 액정 디스플레이 장치 등에 사용된다. 예를 들어, 고상 이미지 장치에서, 컬러 필터 어레이가 이의 전하-커플링 장치 앞에 배치되면, 컬러 재현성, 특히 레드 컬러 재현성이 우수한 컬러 이미지를 얻을 수 있다.
본 발명의 컬러 필터 어레이는 레드광에 대해 분광 특성이 우수하고, 광 견뢰도가 우수한 레드 필터층을 가진다. 또한, 착색제로서 염료를 사용하기 때문에, 그 제조를 위해 사용되는 감광성 수지 조성물은 생성되는 침전물의 양이 적고, 저장 안정성이 우수하다. 그 결과, 이물질 함량이 거의 없고, 두께가 균일한 레드 필터층을 쉽게 제조할 수 있다. 이러한 컬러 필터 어레이는 전하-커플링 장치를 포함하는 고상 이미지 장치 또는 액정 디스플레이 장치에 사용되기에 알맞다.
이하, 실시예를 토대로 본 발명을 더 상세하게 설명할 것이나, 이것은 본 발명의 범위를 한정하는 의미로 해석되어서는 안된다.
(실시예 1)
염료(I)로서 4 중량부의 화학식 50으로 표시되는 화합물:
염료(II)로서 3 중량부의 C.I. 솔벤트 오렌지 56, 염료(II)로서 2 중량부의 C.I. 솔벤트 옐로우 82, 염료(III)으로서 2 중량부의 C.I. 솔벤트 옐로우 162, 광활성 화합물로서 o-나프토퀴논디아지드-5-술포네이트와 화학식 10으로 표시되는 페놀성 화합물의 에스테르 10 중량부, 알칼리-가용성 수지로서 p-크레졸의 노볼락 수지 2 중량부(폴리스티렌으로 환산한 중량 평균 분자량: 6,000), 경화제로서 헥사메톡시메틸멜라민 7 중량부, 및 용매로서 에틸 락테이트 70 중량부를 혼합 및 용해시킨 후, 생성된 혼합물을 구멍 크기가 0.1 ㎛인 막 필터로 여과시켜, 포지티브 감광성 수지 조성물을 얻었다.
스핀 코팅에 의해 생성된 포지티브 감광성 수지 조성물을 기판(실리콘 웨이퍼) 상에 도포하고, 100℃에서 1분 동안 가열하여 이로부터 에틸 락테이트를 증발시킴으로써 코팅을 형성하였다. 이 코팅을 노광 장치(니콘사제 "Nikon NSR i7A")를 사용하여 마스크 패턴을 통해 i-선을 조사하여 노광하였다. 그리고 나서, 이 코팅된 기판을 23℃에서 1분 동안 현상액(스미또모 화학사제 "SOPD")에 침지시켜 상기 패턴을 현상하였다. 현상 후, 이 기판을 물로 세척하고, 건조시키고, 자외선으로 조사하고, 180℃에서 3분 동안 가열하여 줄무늬-패턴으로 레드 필터 층을 가진 컬러 필터 어레이를 얻었다(도 4). 이 레드 필터층은 선폭이 1.0㎛이고, 두께가 1.5㎛이었다.
그 후, 다른 마스크 패턴을 사용한 것을 제외하고는, 상기와 동일한 과정을 반복하여 모자이크 패턴으로 형성된 레드 필터층을 가진 컬러 필터 어레이를 얻었다(도 5). 이 레드 필터층은 선폭이 2.0㎛이고, 두께가 1.5㎛이었다.
기판으로서 실리콘 웨이퍼 대신 투명한 유리 플레이트를 사용하고, 패턴을 노광하지 않고 현상한 것을 제외하고는, 동일한 과정을 반복하여 기판 전체에 1.5㎛의 두께로 형성된 레드 필터층을 얻었다.
(실시예 2)
염료(I)로서 4 중량부의 화학식 50으로 표시되는 화합물, 염료(II)로서 3 중량부의 C.I. 솔벤트 오렌지 56, 염료(II)로서 2 중량부의 C.I. 솔벤트 옐로우 82, 염료(III)으로서 2 중량부의 C.I. 솔벤트 옐로우 162, 광 산발생제로서 0.5 중량부의 화학식 51로 표시되는 화합물:
알칼리-가용성 수지로서 14.5 중량부의 p-크레졸의 노볼락 수지(폴리스티렌으로 환산한 중량 평균 분자량: 5,000), 경화제로서 4 중량부의 헥사메톡시메틸멜라민, 및 용매로서 70 중량부의 에틸 락테이트를 혼합 및 용해시켰다. 생성된 혼합물을 구멍 크기가 0.1 ㎛인 막 필터로 여과시켜 네거티브 감광성 수지 조성물을 얻었다.
스핀 코팅에 의해 생성된 네거티브 감광성 수지 조성물을 기판(실리콘 웨이퍼) 상에 도포하고, 100℃에서 1분 동안 가열하여 이로부터 에틸 락테이트를 증발시킴으로써 코팅을 형성하였다. 이 코팅을 노광 장치(니콘사제 "Nikon NSR i7A")를 사용하여 마스크 패턴을 통해 i-선을 조사하여 노광시킨 후, 120℃에서 1분 동안 가열하였다. 그리고 나서, 이 코팅된 기판을 23℃에서 1분 동안 현상액(스미또모 화학사제 "SOPD")에 침지시켜 상기 패턴을 현상하였다. 현상 후, 이 기판을 물로 세척하고, 건조시키고, 자외선으로 조사하고, 180℃에서 3분 동안 가열하여 줄무늬-패턴으로 레드 필터층을 가진 컬러 필터 어레이를 얻었다. 이 레드 필터층은 선폭이 1.0㎛이고, 두께가 1.5㎛이었다.
그 후, 다른 마스크 패턴을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 동일한 과정을 반복하여 모자이크 패턴으로 형성된 레드 필터층을 가진 컬러 필터 어레이를 얻었다. 이 레드 필터층은 선폭이 2.0㎛이고, 두께가 1.5㎛이었다.
기판으로서 실리콘 웨이퍼 대신 투명한 유리 플레이트를 사용하고, 마스크 패턴을 사용하지 않고 노광한 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 동일한 과정을 반복하여 기판 전체에 1.5㎛의 두께로 형성된 레드 필터층을 얻었다.
(실시예 3)
그린 필터층을 형성하기 위한 감광성 수지 조성물, 레드 필터층을 형성하기 위한 감광성 수지 조성물, 및 블루 필터층을 형성하기 위한 감광성 수지 조성물은각각 하기 혼합 조성에 따라 제조하였다.
(레드 필터층 형성용 감광성 수지 조성물)
노볼락 수지 5 중량부
o-나프토퀴논디아지드-4-술포네이트 8 중량부
헥사메톡시메틸멜라민 2 중량부
에틸 락테이트 50 중량부
N,N'-디메틸포름아미드 25 중량부
화학식 50으로 표시되는 화합물 2 중량부
C.I. 솔벤트 오렌지 56 2 중량부
C.I. 솔벤트 옐로우 82 2 중량부
C.I. 솔벤트 옐로우 162 2 중량부
(블루 필터층 형성용 감광성 수지 조성물)
노볼락 수지 5 중량부
o-나프토퀴논디아지드-4-술포네이트 에스테르 8 중량부
헥사메톡시메틸멜라민 2 중량부
에틸 락테이트 50 중량부
N,N'-디메틸포름아미드 25 중량부
화학식 52로 표시되는 화합물 3 중량부
C.I. 솔벤트 블루 25 3 중량부
C.I. 애시드 블루 90 2 중량부
(그린 필터층 형성용 감광성 수지 조성물)
노볼락 수지 5 중량부
o-나프토퀴논디아지드-4-술포네이트 에스테르 8 중량부
헥사메톡시메틸멜라민 2 중량부
에틸 락테이트 50 중량부
N,N'-디메틸포름아미드 25 중량부
C.I. 솔벤트 블루 25 4 중량부
C.I. 솔벤트 옐로우 82 2 중량부
C.I. 솔벤트 옐로우 162 2 중량부
상기 제조된 레드 필터층 형성용 감광성 수지 조성물을 오버 코팅막(3), 폴리실리콘 전극(4), 센서(5), V 레지스터(6), 차광막(7), 및 패시베이션 막(8)으로 구성된 전하-커플링 장치가 제공된 실리콘 웨이퍼 상에 스핀 코팅으로 도포하였다. 그리고 나서, 100℃에서 베이킹 플레이트 상에서 이의 용매를 증발시켰다.
그 후, i-선 스텝퍼 노광 장치(니콘사제 "Nikon NSR2205 i12D)를 사용하여 십자선을 통해 기판을 365 nm 파장의 자외선으로 조사하였다(2,000mJ/cm2). 그리고나서, 이 기판을 현상제(1,000 cm3당 테트라메틸암모늄 수산화물 30 g을 함유하는 수용액)를 사용하여 현상하였다. 노광부를 제거한 후, 이 기판을 3차 증류수로 세척하였다. 그 후, 저압 수은 램프(3,000 mJ/cm2)를 사용하여, 기판 전체에 자외선을 조사한 후, 이 기판을 180℃에서 베이킹 플레이트 상에서 10분 동안 가열하여, 레드 필터층을 형성하였다(도 6a).
레드 필터층 형성용 감광성 수지 조성물 대신 상기 블루 필터층 형성용 감광성 수지 조성물을 사용한 것을 제외하고는, 상기와 같은 과정을 반복하여 블루 필터층을 형성하였다(도 6b).
상기 그린 필터층 형성용 감광성 수지 조성물을 사용한 것을 제외하고는, 상기와 같은 과정을 반복하여 그린 필터층 및 따라서 컬러 필터 어레이를 형성하였다(도 6c, 6d).
통상의 방법으로 컬러 필터 어레이에 마이크로렌즈를 형성하여 고상 이미지 장치를 얻었다. 상기 고상 이미지 장치에서의 컬러 필터 어레이의 레드 필터층의 두께는 1.7㎛이었다. 이 고상 이미지 장치에서 컬러 필터 어레이는 우수한 분광 특성을 나타내었다(도 6e).
상기와 동일한 방법으로, 레드 필터층(두께: 1.7 ㎛)을 전체 석영 웨이퍼에 형성하였다.
(비교예 1)
화학식 50으로 표시되는 화합물 대신 화학식 52로 표시되는 화합물:
4 중량부를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1에서와 동일한 과정을 반복하여, 선폭이 1.0 ㎛이고, 두께가 1.5 ㎛인 줄무늬-패턴 레드 필터층을 가진 컬러 필터 어레이, 선폭이 2.0 ㎛이고, 두께가 1.5 ㎛인 모자이크-패턴 레드 필터를 가진 컬러 필터 어레이, 및 전체 기판에 두께가 1.5 ㎛로 형성된 레드 필터층을 얻었다.
평가
(1) 분광 특성
전체 기판에 걸쳐 레드 필터층이 형성되고, 실시예 및 비교예에서 얻은 각각의 컬러 필터 어레이에 대해, 450 nm, 535 nm, 및 650 nm에서 광 투과율을 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.
광 투과율 (%)
파장(nm) 450 535 650
실시예 1 1.2 0.5 92
실시예 2 1.5 0.8 95
실시예 3 1.3 1.0 95
비교예 1 1.0 3.0 95
(2) 광 견뢰도
자외선-차단 필터(호야사제 "colored optical glass L38", 380 nm 이하 파장의 빛을 차단할 수 있음)를 실시예 및 비교예에서 얻은 각각의 컬러 필터 어레이앞에 위치시키고, 1,000,000 lxㆍ시간으로 빛을 조사하였다. 광원으로는 시마주사제 "Sun tester XF 180 CPS"를 사용하였다. 조사 후 각 컬러 필터 어레이의 광 투과율을 파장 450 nm, 535 nm, 및 650 nm에서 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.
광 투과율 (%)
파장(nm) 450 535 650
실시예 1 2.7 1.0 94
실시예 2 2.8 1.2 96
실시예 3 2.8 1.4 95
비교예 1 3.0 15.0 97
본 발명의 컬러 필터 어레이는 레드 광에 대해 분광 특성이 우수하고, 광 견뢰도가 우수한 레드 필터층을 가진다. 또한, 착색제로서 염료를 사용하기 때문에, 생산품을 위해 사용되는 감광성 수지 조성물은 생성되는 침전물의 양이 적고, 저장 안정성이 우수하다. 그 결과, 이물질 성분이 거의 없고, 두께가 균일한 레드 필터층을 쉽게 제조할 수 있다. 이러한 컬러 필터 어레이는 전하-커플링 장치를 포함하는 고상 이미지 장치 또는 액정 디스플레이 장치에 사용하기에 알맞다.

Claims (14)

  1. 레드 필터층이 500 내지 600 nm의 파장에서 최대 흡수를 나타내는 크산텐 염료, 및 400 내지 550 nm의 파장에서 최대 흡수를 나타내는 피라졸론 아조 염료를 포함하고; 투과율이 535 nm의 파장에서 1% 이하이고, 650 nm의 파장에서 90% 이상인 것을 특징으로 하는, 기판 상에 레드 필터층을 가진 컬러 필터 어레이.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 레드 필터층이 400 내지 500 nm의 파장에서 최대 흡수를 나타내는 피리돈 아조 염료를 더 포함하고, 투과율이 450 nm에서 5% 이하인 것을 특징으로 하는, 기판 상에 레드 필터층을 가진 컬러 필터 어레이.
  3. 투과율이 535 nm의 파장에서 1% 이하이고, 650 nm의 파장에서 90% 이상인 레드 필터층을 형성하기 위하여, 500 내지 600 nm의 파장에서 최대 흡수를 나타내는 크산텐 염료, 및 400 내지 550 nm의 파장에서 최대 흡수를 나타내는 피라졸론 아조 염료를 포함하는 감광성 수지를 패터닝하는 단계를 포함하는, 기판 상에 레드 필터층을 가진 컬러 필터 어레이의 제조방법.
  4. 400 내지 500 nm의 파장에서 최대 흡수를 나타내는 피리돈 아조 염료를 포함하고, 투과율이 450 nm에서 5% 이하인 레드 필터층을 제조할 수 있는 감광성 수지조성물.
  5. 500 내지 600 nm의 파장에서 최대 흡수를 나타내는 크산텐 염료, 및 400 내지 550 nm의 파장에서 최대 흡수를 나타내는 피라졸론 아조 염료를 포함하는 감광성 수지 조성물.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 크산텐 염료의 양이 크산텐 염료 및 피라졸론 아조 염료의 총 100 중량부 당 20 내지 60 중량부인 것을 특징으로 하는 감광성 수지 조성물.
  7. 제 5항에 있어서,
    400 내지 500 nm의 파장에서 최대 흡수를 나타내는 피리돈 아조 염료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 감광성 수지 조성물.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 크산텐 염료 및 상기 피라졸론 아조 염료의 총 100 중량부 당 상기 크산텐 염료의 양이 20 내지 60 중량부이고, 상기 피리돈 아조 염료의 양이 10 내지 40 중량부인 것을 특징으로 하는 감광성 수지 조성물.
  9. 제 5항에 있어서,
    광활성 화합물, 및 알칼리-가용성 수지를 더 포함하고,
    상기 염료, 상기 광활성 화합물, 및 알칼리-가용성 수지의 양이 상기 염료, 광활성 화합물, 및 알칼리-가용성 수지의 총 100 중량부 당 각각 25 내지 55 중량부, 25 내지 55 중량부, 및 3 내지 50 중량부인 것을 특징으로 하는 감광성 수지 조성물.
  10. 제 5항에 있어서,
    경화제를 더 포함하고,
    상기 경화제의 양이 상기 염료, 광활성 화합물, 및 알칼리-가용성 수지의 총 100 중량부 당 10 내지 35 중량부인 것을 특징으로 하는 감광성 수지 조성물.
  11. 제 5항에 있어서,
    광 산발생제, 경화제, 및 알칼리-가용성 수지를 더 포함하고,
    상기 염료, 상기 광 산발생제, 상기 경화제, 및 상기 알칼리-가용성 수지의 양이 상기 염료, 광반응성 산발생제, 경화제, 및 알칼리-가용성 수지의 총 100 중량부 당 각각 15 내지 40 중량부, 0.3 내지 5 중량부, 10 내지 25 중량부, 및 20 내지 75 중량부인 것을 특징으로 하는 감광성 수지 조성물.
  12. 제 7항에 있어서,
    광활성 화합물 및 알칼리-가용성 수지를 더 포함하고,
    상기 염료, 상기 광활성 화합물, 및 상기 알칼리-가용성 수지의 양이 상기 염료, 광활성 화합물, 및 알칼리-가용성 수지의 총 100 중량부 당 각각 25 내지 55 중량부, 25 내지 55 중량부, 및 3 내지 50 중량부인 것을 특징으로 하는 감광성 수지 조성물.
  13. 제 7항에 있어서,
    경화제를 더 포함하고,
    상기 경화제의 양이 상기 염료, 상기 광활성 화합물, 및 상기 알칼리-가용성 수지의 총 100 중량부 당 10 내지 35 중량부인 것을 특징으로 하는 감광성 수지 조성물.
  14. 제 7항에 있어서,
    광 산발생제, 경화제, 및 알칼리-가용성 수지를 더 포함하고,
    상기 염료, 상기 광 산발생제, 상기 경화제, 및 상기 알칼리-가용성 수지의 양이 상기 염료, 광반응성 산발생제, 경화제, 및 알칼리-가용성 수지의 총 100 중량부 당 각각 약 15 내지 40 중량부, 0.3 내지 5 중량부, 10 내지 25 중량부, 및 20 내지 75 중량부인 것을 특징으로 하는 감광성 수지 조성물.
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