KR20030046190A - 액정표시장치용 컬러필터 기판과 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로, 본원 발명은 액정패널의 컬러필터 기판 제조방법에 관한 것이다.

전면노광과 배면노광 공정을 동시에 진행하여 컬러필터 기판에 스페이서(spacer)와 블랙 매트릭스(black, matrix)를 동시에 형성하다.

이와 같이 하면 공정을 단순화 할 수 있고 제조비용을 줄일 수 있어 제품의 경쟁력을 높일 수 있다.

Description

액정표시장치용 컬러필터 기판과 그 제조방법{A color filter for LCD and method for fabricating the same}

본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로, 패턴된 스페이서(spacer)를 포함하는 액정표시장치용 컬러필터기판과 그 제조방법에 관한 것이다.

이하, 도 1을 참조하여 액정표시장치에 구성되는 액정패널의 구조와 이에 따른 동작특성을 개략적으로 설명한다.

도 1은 일반적인 액정패널을 개략적으로 도시한 도면이다.

도시한 바와 같이, 액정패널은 블랙매트릭스(6)와 서브컬러필터(적, 녹, 청)(8)를 포함한 컬러필터(7)와, 상기 컬러필터(7)상에 투명한 공통전극(18)이 형성된 상부기판(5)과, 화소영역(P)과 화소영역 상에 형성된 화소전극(17)과 스위칭소자(T)를 포함한 어레이배선이 형성된 하부기판(22)으로 구성되며, 상기 상부기판(5)과 하부기판(22) 사이에는 액정(14)이 충진 되어있다.

상기 하부기판(22)은 어레이기판이라고도 하며, 스위칭 소자인 박막트랜지스터(T)가 매트릭스형태(matrix type)로 위치하고, 이러한 다수의 박막트랜지스터를 교차하여 지나가는 게이트배선(13)과 데이터배선(15)이 형성된다.

상기 화소영역(P)은 상기 게이트배선(13)과 데이터배선(15)이 교차하여 정의되는 영역이다. 상기 화소영역(P)상에 형성되는 화소전극(17)은 인듐-틴-옥사이드(indium-tin-oxide : ITO)와 같이 빛의 투과율이 비교적 뛰어난 투명도전성 금속을 사용한다.

전술한 바와 같은 구성을 가지고 제작되는 액정패널은 이하, 흐름도 2를 참조하여 액정패널의 제작순서를 간략히 설명한다.

도 2는 일반적으로 적용되는 액정셀의 제작 공정을 도시한 흐름도로써, st1 단계에서는 먼저 하부기판을 준비한다. 상기 하부기판에는 스위칭 소자로 다수개의 박막 트랜지스터(TFT)가 배열되어 있고, 상기 TFT와 일대 일 대응하게 화소전극이 형성되어 있다.

st2 단계는 상기 하부기판 상에 배향막을 형성하는 단계이다.

상기 배향막 형성은 고분자 박막의 도포와 러빙(Rubbing) 공정을 포함한다. 상기 고분자 박막은 통상 배향막이라 하고, 하부기판 상의 전체에 균일한 두께로 증착되어야 하고, 러빙 또한 균일해야 한다.

상기 러빙은 액정의 초기 배열방향을 결정하는 주요한 공정으로, 상기 배향막의 러빙에 의해 정상적인 액정의 구동이 가능하고, 균일한 디스플레이(Display)특성을 갖게 한다.

일반적으로, 배향막은 유기질의 유기배향막인 폴리이미드(polyimide)계열이 주로 쓰이고 있다.

러빙공정은 천을 이용하여 배향막을 일정한 방향으로 문질러주는 것을 말하며, 러빙 방향에 따라 액정 분자들이 정렬하게 된다.

st3 단계는 씰 패턴(seal pattern)을 인쇄하는 공정을 나타낸다.

액정셀 에서 씰 패턴은 액정 주입을 위한 갭 형성과 주입된 액정을 새지 않게 하는 두 가지 기능을 한다. 상기 씰 패턴은 열경화성 수지를 일정하게 원하는패턴으로 형성시키는 공정으로, 스크린 인쇄법이 주류를 이루고 있다.

st4 단계는 스페이서(Spacer)를 산포하는 공정을 나타낸다.

액정 셀의 제조공정에서 상부기판과 하부기판 사이의 갭을 정밀하고 균일하게 유지하기 위해 일정한 크기의 스페이서가 사용된다. 따라서, 상기 스페이서 산포시 하부기판에 대해 균일한 밀도로 산포해야 하며, 산포 방식은 크게 알코올 등에 스페이서를 혼합하여 분사하는 습식 산포법과 스페이서 만을 산포하는 건식 산포법으로 나눌 수 있다.

또한, 건식 산포에는 정전기를 이용하는 정전 산포식과 기체의 압력을 이용하는 제전 산포식으로 나뉘는데, 정전기에 취약한 구조를 갖고 있는 액정 셀에서는 제전 산포법을 많이 사용한다.

상기 스페이서 산포 공정이 끝나면, 컬러필터 기판인 상부기판과 박막 트랜지스터 배열 기판인 하부기판의 합착공정으로 진행된다(st5).

상부기판과 하부기판의 합착 배열은 각 기판의 설계시 주어지는 마진(Margin)에 의해 결정되는데, 보통 수 μm의 정밀도가 요구된다. 두 기판의 합착 오차범위를 벗어나면, 빛이 새어나오게 되어 액정 셀의 구동시 원하는 화질 특성을 기대할 수 없다.

st6 단계는 상기 st1 내지 st5 단계에서 제작된 액정 셀을 단위 셀로 절단하는 공정이다. 일반적으로 액정 셀은 대면적의 유리기판에 다수개의 액정 셀을 형성한 후 각각 하나의 액정 셀로 분리하는 공정을 거치게 되는데, 이 공정이 셀 절단 공정이다.

초기 액정 표시장치의 제조공정에서는 여러 셀을 동시에 액정주입후 셀단위로 절단하는 공정을 진행하였으나, 셀 크기가 증가함에 따라 단위 셀로 절단한 후, 액정을 주입하는 방법을 사용한다.

셀 절단 공정은 유리기판 보다 경도가 높은 다이아몬드 재질의 펜으로 기판 표면에 절단 선을 형성하는 스크라이브(Scribe) 공정과 힘을 가해 절단하는 브레이크(Break) 공정으로 이루어진다.

st7 단계는 각 단위 셀로 절단된 액정 셀에 액정을 주입하는 단계이다.

단위 액정 셀은 수백 cm²의 면적에 수 μm의 갭을 갖는다. 따라서, 이런 구조의 셀에 효과적으로 액정을 주입하는 방법으로 셀 내외의 압력 차를 이용한 진공 주입법이 가장 널리 이용된다.

전술한 바와 같은 공정 중 상기 스페이서는 설명한 바와 같이 주로 별도의 규격화된 스페이서를 사용하나, 이 방법은 스페이서를 산포하는 방법상의 제약이 많다.

따라서, 기판의 제작공정 중 스페이서를 패턴하여 형성하는 방법이 많이 연구되고 있다.

기판에 직접 패턴되는 스페이서는 상기 하부기판 또는 상부기판(컬러필터 기판)에 형성할 수 있으며, 하부기판에 구성될 경우에는 일반적으로 상기 하부기판의 어레이 배선 상부에 형성한다.

상기 스페이서를 형성하는 한가지 예로 상부기판에 감광성 물질을 이용하여스페이서를 형성하는 방법을 설명한다.

이하, 도 3a 내지 도 3g의 공정을 참조하여 종래의 패턴된 스페이서 형성방법을 설명한다.

먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이 투명한 절연기판(5) 상에 감광성 블랙 유기물질을 도포하여 블랙 유기막(4)을 형성한다.

상기 감광성 블랙 유기물질은 빛을 받은 부분이 현상되는 포지티브형(positive type)과, 빛을 받지 않은 부분이 현상되는 네가티브형(negative type)으로 나눌 수 있다.

상기 감광성 블랙 유기막(4)의 상부에 투과부(A)와 차단부(B)로 구성되는 마스크(19)를 위치시킨다.

상기 마스크(19)의 투과부(A)에 대응하는 블랙유기막(4)에 빛(L1)을 조사한 후 현상하여, 도 3b에 도시한 바와 같이 다수의 블랙매트릭스(6)를 형성한다.

일반적으로, 블랙매트릭스(6)는 서브 컬러필터인 적/녹/청 패턴(미도시)사이에 위치하며, 상기 화소전극(도 1의 17) 주변부에 형성되는 반전도메인(reverse tilt domain)을 통과하는 빛을 차폐하는 것을 목적으로 형성한다.

일반적으로, 블랙매트릭스(6)의 재질로는 광밀도(optical density)가 3.5이상인 크롬(Cr)등의 금속박막이나 카본(carbon)계통의 유기재료가 주로 쓰이며, 크롬(Cr)/산화크롬(CrO_X)등의 이층막 구조의 블랙매트릭스는 저 반사화를 목적으로 사용하기도 한다.

따라서, 목적에 따라 전술한 재료 중 임의의 재료를 사용하여 블랙매트릭스(6)를 형성한다.

도 3c는 적/녹/청색을 띄는 컬러수지를 이용한 컬러필터 형성공정을 도시한 도면이다.

상기 컬러수지의 주요성분은 광 중합 개시제, 모노머(monomer), 바인더(binder)등의 광 중합형 감광 조성물과 적/녹/청색 또는 이와 유사한 색상을 띄는 유기안료로 구성되어 있다.

먼저, 적(red), 녹(green), 청(blue)컬러수지 중 적색을 띄는 컬러 수지를 상기 블랙매트릭스(6)가 형성된 기판(5)의 전면에 도포한 후 선택적으로 노광하여, 원하는 영역에 적색 서브컬러필터(8a)를 형성한다. (색을 입히는 순서는 임의로 적(R), 녹(G), 청(B)의 색순서로 정하여 설명한다.)

다음으로, 상기 적색 컬러필터(8a)가 형성된 기판(5)의 전면에 녹색 컬러수지를 도포한 후 선택적으로 노광하여, 녹색 컬러필터(8b)를 형성한다.

연속하여, 상기 적색 및 녹색컬러필터(8a,8b)가 형성된 기판(5)의 전면에 청색 컬러수지를 도포한 후 선택적으로 노광하여, 청색 컬러필터(8c)를 형성한다.

도 3d는 상기 컬러필터가 형성된 기판의 표면을 평탄화하는 공정이다. `상기 컬러필터(8a,8b,8c)가 형성된 기판(5)을 평탄화 하기 위해, 상기 기판(5)상부에 절연특성을 가지는 투명한 수지를 도포하여 평탄화층(overcoat layer)(26)을 형성한다.

도 3e는 상기 컬러필터 상에 전극을 형성하는 공정이다.

일반적으로, 컬러필터 기판(5)을 액정패널의 상부기판으로 사용할 경우, 컬러필터 기판(5)의 상층은 투명전극(18)을 형성한다.

이때, 상기 투명전극(18)에는 공통전압이 흐르게 되며, 도 1의 화소전극(17)에 흐르는 화소전압과 더불어 액정(14)을 구동하는 역할을 하게된다.

따라서, 상기 오버코트 층(26)이 형성된 기판(5)의 전면에 투과율이 뛰어난 인듐-틴-옥사이드(ITO)와 인듐-징크-옥사이드(IZO)로 구성된 투명 도전성 금속그룹 중 선택된 하나를 증착하고 패턴하여, 공통전극(common electrode)(18)을 형성한다.

연속하여, 상기 공통전극(18)의 상부에 폴리이미드와 같은 배향물질을 도포한 후 러빙하여 배향막(Alignment layer)(19)을 형성한다.

다음으로, 도 3f는 스페이서를 형성하는 공정으로, 상기 배향막(19)이 형성된 기판(5)의 전면에 감광성 유기물질을 코팅하여 감광성 유기막(28)을 형성한다. 이때, 상기 감광성 유기물질은 일반적으로 네가티브 타입(negative type)을 사용한다.

상기 감광성 유기막(28)이 형성된 기판(5)의 상부에 투과부(E)와 차단부(F)로 구성된 마스크(30)를 위치시킨다. 상기 투과부(E)는 기판(5)상에 스페이서 패턴을 형성할 부분에 대응하여 위치하도록 한다.

다음으로, 상기 마스크(30)의 상부에서 빛(L2)을 조사한 후, 상기 감광성 유기막(28)을 현상(develop)한다.

위의 결과로 도 3g에 도시한 바와 같이, 소정의 형상으로 패턴된스페이서(40)를 형성할 수 있다.

전술한 바와 같은 공정으로 기판 상에 직접 스페이서를 제작할 수 있다.

그러나, 종래의 상부기판 형성방법은 상기 스페이서를 별도로 형성하는 공정을 필요로 한다.

따라서, 스페이서를 패턴하여 형성하는 경우는 산포방식으로 스페이서를 구성하는 방법보다는 패턴형성 공정이 추가되기 때문에 공정상 복잡함이 있다.

또한, 상기 스페이서를 패턴하기 위해 별도의 마스크를 제작하여 사용해야 하기 때문에 비용상승으로 제품의 가격 경쟁력이 저하되는 문제가 있다.

전술한 바와 같은 문제를 해결하기 위한 목적으로 본 발명이 안출 되었으며, 전면노광과 배면노광 공정을 동시에 진행하여 상부기판에 스페이서와 블랙매트릭스를 동시에 형성하는 방법과 이러한 방법으로 제작된 컬러필터 기판을 제안한다.

도 1은 액정패널을 개략적으로 도시한 도면이고,

도 2는 액정패널이 제작되는 순서를 도시한 흐름도이고,

도 3a 내지 도 3g는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ를 따라 절단하여 종래의 공정 순서에 따라 도시한 컬러필터기판 공정 단면도이고,

도 4는 본 발명에 따른 컬러필터 기판의 일부를 개략적으로 도시한 단면도이고,

도 5a 내지 도 5e는 컬러필터 기판을 본 발명의 공정에 따라 순서대로 도시한 공정 단면도이다.

<도면의 부호에 대한 간단한 설명>

99 : 컬러필터기판 100 : 투명한 절연기판

108a,b,c : 서브 컬러필터 110 : 공통전극

116 : 블랙매트릭스 118 : 스페이서

120 : 배향막

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 액정표시장치용 컬러필터 기판은 기판 상에 소정간격 이격하여 구성한 다수의 적색 컬러필터와 녹색 컬러필터와 청색 컬러필터와; 상기 각 컬러필터를 포함한 기판 상부에 구성한 투명한 공통전극과; 상기 각 컬러필터 사이의 이격된 영역에 구성한 블랙매트릭스와; 상기 각 컬러필터 상부에 구성한 기둥형상의 스페이서와; 상기 기둥형상의 스페이서를 포함한 기판의상부에 구성한 배향막을 포함한다.

본 발명의 따른 액정표시장치용 컬러필터기판 제조방법은 기판에 소정 간격 이격하여 적색과 녹색과 청색 컬러필터를 형성하는 단계와; 상기 각 서브 컬러필터와 노출된 기판의 상부에 투명한 공통전극을 형성하는 단계와; 상기 공통전극이 형성된 기판의 전면에 네가티브형 감광성 블랙 유기물질을 도포하여, 상기 서브 컬러필터 사이의 이격된 영역을 채우면서 기판 상에 구성된 블랙 유기막을 형성하는 단계와; 상기 블랙 유기막이 형성된 기판의 상부에 투과부와 차단부로 구성된 마스크를 위치시키고, 상기 마스크의 상부와 기판의 하부에서 빛을 조사하는 단계와;

상기 빛이 조사된 블랙 유기막을 현상하여, 상기 컬러필터의 사이영역에 블랙 매트릭스를 형성하고, 상기 컬러필터의 상부에 스페이서를 형성하는 단계와; 상기 블랙 매트릭스와 스페이서가 형성된 기판의 전면에 배향막을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 마스크의 투과부는 상기 각 컬러필터에 대응하여 위치하도록 한다.

상기 감광성 블랙 유기물질은 빛이 조사되지 않은 부분이 현상되는 특성을 가진다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.

-- 실시예 --

본 발명은 컬러필터 기판에 블랙매트릭스와 스페이서를 동시에 패턴하는 것을 특징으로 한다.

이하, 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 액정표시장치용 컬러필터 기판의 구성을 설명한다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 컬러필터 기판(99)은 유리기판(100)의 상부에 적/녹/청색의 서브 컬러필터(108a,108b,108c)를 구성하고, 상기 서브컬러 필터(108a,108b,108c)가 구성된 기판(100)의 전면에 공통전극(110)을 형성한다.

상기 각 서브컬러 필터(108a,108b,108c)사이에는 블랙매트릭스(116)를 구성한다.

상기 블랙매트릭스(116)는 상기 서브 컬러필터(108a,108b,108c)와는 공통전극(110)을 사이에 두고 구성되며, 종래와는 달리 상기 서브 컬러필터(108a,108b,108c) 사이영역(C)에 채워진 형상이다.

상기 블랙매트릭스(116)사이로 노출된 공통전극(110)의 상부에 블랙매트릭스(116)와 동일한 재질로 패턴된 스페이서(118)를 형성한다.

상기 스페이서(118)를 포함한 기판(100)의 상부에는 배향막(120)을 구성한다.

전술한 바와 같은 구성을 가진 본 발명에 따른 컬러필터기판의 특징은 상기 블랙매트릭스와 스페이서를 동시에 형성하는 것이다.

이하, 도 5a 와 도 5e를 참조하여 본 발명에 따른 컬러필터 기판의 제조방법을 설명한다.

도 5a 내지 도 5e는 컬러필터기판 형성방법을 본 발명의 공정순서에 따라 도시한 공정 단면도이다.

먼저, 도 5a에 도시한 바와 같이 투명한 절연기판(100)상에 적/녹/청 서브 컬러필터(108a,108b,108c)를 형성한다.

상세히 설명하면, 먼저, 적(red), 녹(green), 청(blue)컬러수지 중 적색을 띄는 컬러 수지를 기판(100)의 전면에 도포한 후 선택적으로 노광하여, 원하는 영역에 적색 서브컬러필터(108a)를 형성한다. (색을 입히는 순서는 임의로 적(R), 녹(G), 청(B)의 색순서로 정하여 설명한다.)

다음으로, 상기 적색 컬러필터(108a)가 형성된 기판(100)의 전면에 녹색 컬러수지를 도포한 후 선택적으로 노광하여, 녹색 컬러필터(108b)를 형성한다.

연속하여, 상기 적색 및 녹색컬러필터(108a,108b)가 형성된 기판(100)의 전면에 청색 컬러수지를 도포한 후 선택적으로 노광하여, 청색 컬러필터(108c)를 형성한다.

이때, 상기 각 서브컬러필터(108a,108b,108c) 사이로 각각 이격된 영역(C)이 존재한다.

다음으로, 도 5b에 도시한 바와 같이, 상기 각 서브 컬러필터(108a,108b,108c)가 형성된 기판(100)의 상부에 공통전극(110)을 형성한다.

상기 공통전극은 인듐-틴-옥사이드(ITO)와 인듐-징크-옥사이드(IZO)를 포함한 투명 도전성 물질 그룹 중 선택된 하나를 증착하여 형성할 수 있다.

다음으로, 도 5c에 도시한 바와 같이, 상기 공통전극(110)이 형성된 기판의 전면에 네가티브형 감광성 블랙 유기물질을 두텁게 도포하여 블랙 유기막(112)을형성한다.

상기 블랙유기막(112)은 상기 서브컬러필터(108a,108b,108c) 사이의 이격된 영역(C)을 채우면서 코팅된다.

상기 블랙유기막(116)의 상부에 투과부(G)와 차단부(H)로 구성된 마스크(114)를 위치시키고, 상기 마스크(114)의 상부로 빛(L3)을 조사하는 동시에 기판(100)의 하부에서 기판을 향해 빛(L4)을 조사한다.

즉, 기판(100)의 상부에서 진행되는 전면노광 공정과, 기판(100)의 하부에서 진행되는 배면노광 공정을 동시에 진행한다.

이때, 빛(L3,L4)에 의해 반응하는 부분은 상기 마스크(114)의 투과부(G)에 대응하는 블랙유기막(116)의 일부영역(F)과, 상기 서브 컬러필터 사이의 이격된 영역(C)에 채워진 부분이다.

본 발명에 따른 블랙 유기막(112)은 네가티브형 이므로, 현상 후 빛이 조사된 부분이 남게 되는 특성을 가진다.

따라서, 도 5d에 도시한 바와 같이, 상기 서브컬러필터(108a,108b,108c)의 이격된 영역(C)과, 상기 각 서브 컬러필터(108a,108b,108c)의 상부에 기둥 형상으로 패턴된 블랙유기막(116,118)이 남게된다.

이때, 상기 서브 컬러필터(108a,108b,108c)사이의 이격된 영역(C)에 존재하는 유기막은 블랙매트릭스(116)로서의 역할을 하게 되고, 상기 서브 컬러필터(108a,108b,108c)상부의 패턴된 유기막은 스페이서(118)의 역할을 하게 된다.

다음으로, 도 5e에 도시한바와 같이 상기 블랙매트릭스(116)와 스페이서(118)가 형성된 기판(100)의 전면에 폴리이미드와 같은 투명한 유기물질을 도포하여 배향막(120)을 형성한다.

전술한 바와 같은 공정을 통해 본 발명에 따른 컬러필터기판을 형성할 수 있다.

전술한 바와 같이 컬러필터 기판을 제작하게 되면 아래와 같은 효과가 있다.

첫째, 상기 스페이서와 블랙매트릭스를 동시에 형성하기 때문에 공정을 단순화 할 수 있는 효과가 있다.

둘째, 상기 스페이서와 블랙매트릭스를 동일물질로 동시에 형성하기 때문에 마스크 제작비용과 재료비를 절약할 수 있으므로 제품의 가격 경쟁력을 높이는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 기판 상에 소정간격 이격하여 구성한 다수의 적색 컬러필터와 녹색 컬러필터와 청색 컬러필터와;

   상기 각 컬러필터를 포함한 기판 상부에 구성한 투명한 공통전극과;

   상기 각 컬러필터 사이의 이격된 영역에 구성한 블랙매트릭스와;

   상기 각 컬러필터 상부에 구성한 기둥형상의 스페이서와;

   상기 기둥형상의 스페이서를 포함한 기판의 상부에 구성한 배향막

   을 포함하는 액정표시장치용 컬러필터기판.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 블랙매트릭스와 스페이서는 감광성 블랙 유기물질인 액정표시장치용 컬러필터기판.
3. 기판에 소정 간격 이격하여 적색과 녹색과 청색 컬러필터를 형성하는 단계와;

   상기 각 서브 컬러필터와 노출된 기판의 상부에 투명한 공통전극을 형성하는 단계와;

   상기 공통전극이 형성된 기판의 전면에 네가티브형 감광성 블랙 유기물질을 도포하여, 상기 서브 컬러필터 사이의 이격된 영역을 채우면서 기판 상에 구성된 블랙 유기막을 형성하는 단계와;

   상기 블랙 유기막이 형성된 기판의 상부에 투과부와 차단부로 구성된 마스크를 위치시키고, 상기 마스크의 상부와 기판의 하부에서 빛을 조사하는 단계와;

   상기 빛이 조사된 블랙 유기막을 현상하여, 상기 컬러필터의 사이영역에 블랙 매트릭스를 형성하고, 상기 컬러필터의 상부에 스페이서를 형성하는 단계와;

   상기 블랙매트릭스와 스페이서가 형성된 기판의 전면에 배향막을 형성하는 단계

   를 포함한 액정표시장치용 컬러필터기판 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 마스크의 투과부는 상기 각 컬러필터에 대응하여 위치하는 액정표시장치용 컬러필터기판 제조방법.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 감광성 블랙 유기물질은 빛이 조사되지 않은 부분이 현상되는 액정표시장치용 컬러필터 기판 제조방법.
6. 제 3 항에 있어서,

   상기 투명 공통전극은 인듐-틴-옥사이드(ITO)와 인듐-징크-옥사이드(IZO)를 포함한 투명 도전성 금속물질 그룹 중 선택된 하나로 형성한 액정표시자치용 컬러필터기판 제조방법.