KR20040000123A - 칼라필터 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 칼라필터의 제조방법에 관한 것으로써, 상기 방법은 유리기판상에 블랙 매트릭스, RGB 유기수지층 및 오버코트를 형성하고, 무기산화물층 또는 무기질화물층을 형성하는 단계; 상기 무기산화물층 또는 무기질화물층이 형성된 기판상에 스퍼터링 방법을 이용하여 ITO 투명전도막을 저온에서 성막하는 단계; 및 상기 ITO 투명전도막을 약 150℃ 내지 300℃에서 열처리하는 단계를 포함한다. ITO 투명전도막 형성에 있어 저온성막후 열처리함으로써 열에 의한 칼라필터의 손상을 방지하고, 비저항 및 투과율의 향상을 이룰 수 있다.

Description

칼라필터 제조 방법{METHOD FOR PREPARATION OF COLOR FILTER}
본 발명은 칼라필터 제조방법에 관한 것으로, 특히 액정 표시 소자등의 투명 전극 형성시에 적합하게 사용될 수 있는 ITO 투명전도막을 저온에서 성막한 후 열처리하여 칼라필터의 열손상을 방지하면서 비저항 및 투과율이 개선된 칼라필터의제조방법에 관한 것이다.
지금까지는, 액정을 구동하기 위한 칼라 필터상에 투명 전도막을 형성하는 방법으로는 스퍼터링(sputtering)법이나 전자 빔 증착(E-beam evaporation)법이 이용되고 있다. 고정세, 극미세 피치의 칼라 액정 표시소자에 이용하기 위해서는 비저항이 낮은 저저항 배선이 요구되어 지고 있다. 일반적으로, 스퍼터링 방법을 이용하여 ITO 투명전도막을 형성하는 경우, 사용하기 충분한 비저항값을 얻기 위해서는 막두께가 두꺼워야 한다. 그러나, 막이 두꺼워질수록 응력이 커져서 양산공정에 적용시 식각(wet etching)시간의 연장, 잔사 제거, 막내부의 크랙(crack) 발생 등의 문제가 있을 수 있어서 생산성이 저하될 수 있다.
상기 문제점을 피하기 위해 막두께를 얇게 성막하게 되면 막의 비저항이 높아지게 된다. 비저항이 높을 때에는 배선간의 전압 강하가 일어나 고정세의 디스플레이 구현이 어려워지게 된다. 고온에서 스퍼터링 방법에 의한 성막을 하게되면 성막된 ITO막의 결정성이 좋아지고 비저항이 감소한다는 것이 알려져 있다. ITO막의 결정배향성은 X선회절분석에서 얻어지는 (222)/(400)의 피크비로 나타내는데, 일반적으로 (222)/(400) 피크비가 5.0 이상이면 결정배향성이 강한 것으로 인정된다. 열처리 온도가 상승할수록 ITO 투명 전도막내의 격자구조가 치밀해지고 결정립이 커지며 한쪽 방향으로 결정립이 성장하기 때문에 (222)/(400)값이 커진다. 또한 ITO의 식각속도는 비정질 상태가 많을 수록 빠르고 다결정질화 될수록 느리다. 그러나, ITO막의 비저항을 개선하기 위하여 고온에서 ITO를 성막하게 되면 유기 수지막으로 구성된 칼라 필터가 열에 의해 손상될 수 있어 고온 성막에 의한 저저항화는 한계가 있다.
따라서, 양산공정에 널리 사용되는 기존의 제조 방법에 의해 형성된 ITO 투명전도막은 비저항이 높아 배선간의 전압 강하가 발생할 수 있어 고정세 화면 구현이 어려울 수 있고, 칼라 필터의 열에 의한 손상이나 투과율의 저하로 인해 광원의 효율 및 시인성이 떨어지는 문제가 발생한다.
최근에는, 상온에서 ITO성막과 동시에 또는 성막 후 저온에서 열처리하는 ITO 투명전도막 제조방법이 개발되고 있다. 대한민국 특허공개 제 1999-0080371호는 25-60℃의 온도에서 ITO막을 증착하고 120℃까지 점차 온도를 올려가며 성막을 하는 칼라필터의 제조 방법이 개시되어 있으나, 상기 방법은 비정질의 ITO막 제조를 특징으로 하는 것이고, 또한 본 발명에 따라 제조된 칼라필터에 비해 비저항이 높다. 또한, 대한민국 특허공개 제 2001-0028341호는 분말타겟을 이용한 스퍼터링법에 의해 ITO투명전도성 박막을 상온에서 성막하고 열처리하는 투명전도막 제조방법을 개시하고 있으나, 200℃ 이하에서 열처리하는 것이며 성막된 막의 비저항이 약 1x10-3Ωcm이상으로 본 발명의 투명전도막에 비해 상당히 큰 값을 갖는다. 국제특허공개 WO 2000/51139호는 열가소성 폴리머 기판상에 ITO 막을 형성하는 방법을 개시하고 있으나, ITO막의 결정구조를 제어하는 방법에 관한 것이다. 상기 발명들은 비교적 저온에서 성막 및 열처리를 실시하는 것이어서 원하는 만큼의 충분한 비저항값을 얻을 수 없다.
본 발명의 목적은 칼라필터 제조시 저온에서 성막된 ITO 투명전도막을 열처리함으로써 종래의 저온성막 기술에서 문제가 되었던 ITO막의 비저항 개선, 투과율 향상과 고온성막시의 칼라 필터의 열손상을 방지하여 종래의 칼라필터에 비해 생산성 및 특성이 우수한 칼라필터를 제공하는데 있다.
도 1은 칼라 필터의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 명칭)
11 : 유리기판
12 : 블랙 매트릭스
13 : RGB 유기 수지층
14 : 오버코트
15 : 무기산화물층 또는 무기질화물층
16 : ITO 투명전도막
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유리기판상에 블랙 매트릭스, RGB 유기수지층 및 오버코트를 형성하고, 무기산화물층 또는 무기질화물층을 형성하는 단계; 상기 무기산화물층 또는 무기질화물층이 형성된 기판상에 스퍼터링 방법을 이용하여 ITO 투명전도막을 저온에서 성막하는 단계; 및 상기 ITO 투명전도막을 약 150℃ 내지 300℃에서 열처리하는 단계를 포함하는 칼라필터 제조방법을 제공하는 것이다. 본 발명에 따라 제조된 칼라필터의 ITO막은 종래의 스퍼터링 방법으로 제조된 ITO막보다 비저항, 투과율 특성이 우수하고 결정구조가 치밀하여 막내부의 전자 캐리어 밀도의 농도를 증가시키고 전자 이동도를 증가시켜 배선간의 전압 강하를 방지할 수 있다. 이하에서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 칼라필터는 다음과 같은 과정을 거쳐 제조된다. 우선 유리기판상에 RGB 유기수지층을 형성하기 전에 블랙 매트릭스(black matrix)를 형성하는 것이 일반적이다. 블랙 매트릭스는 크롬(Cr), 니켈(Ni)등의 저반사, 저흡수 금속이 적당하며 백라이트(back light)등의 광원에서 나온 빛을 외부로 새어나가는 것을 차단하는 역할을 한다. 유기 수지막으로 구성된 RGB 형태의 칼라필터를 각각 형성하고, 칼라 필터의 보호와 RGB 유기 수지막간의 단차를 없애고 상부에 형성되는 금속성 산화물이나 ITO의 스텝 커버리지(step coverage)를 개선하기 위해 오버코트층을 형성한다. 일반적으로 아크릴 계열이 많이 사용된다. ITO 투명전도막과의 밀착성을 개선하기 위해 무기산화물층 또는 무기질화물층을 형성하는 데 보통 SiO2나 Si3N4등이 적당하며, 이러한 무기산화물층 또는 무기질화물층 상부에 ITO 투명전도막을 형성한다.
칼라 필터 상부에는 액정을 구동하기 위하여 전극을 형성하는데, 일반적으로 ITO나 IZO등의 금속산화물 투명전도막이 이용되며, ITO 투명전도막이 많이 이용된다. 칼라 필터의 일반적인 구조는 도 1에 잘 나타나 있다.
성막 방법은 스퍼터링(sputtering), 전자 빔 증착(E-beam evaporation), 화학기상증착(chemical vapor deposition), 이온 플레이팅(ion-plating) 방법 등이 사용되며 그 중 스퍼터링 방식이 바람직하다. 스퍼터링 방법에 있어서, 통상 방전가스로는 아르곤과 같은 불활성 가스를 사용하고 반응가스로는 산소를 사용한다. 아르곤의 주입량은 통상 600 내지 1000sccm이 가능하나 200 내지 400sccm이 적당하며, 산소의 주입량은 0 내지 20sccm이 가능하나 0.1 내지 5sccm이 적당하다. 파워는 2 내지 30KW가 가능하나 4 내지 20KW가 적당 하다.
ITO 투명전도막의 두께 및 비저항, 투과율은 성막조건 및 열처리조건에 따라 조절된다. 통상 전극으로 사용하기에 적당한 ITO막의 비저항은 3.0×10-4Ωcm 이하이고, 2.0×10-4Ωcm이하가 바람직하다. 투과율은 ITO의 두께에 따라 달라지는데 통상 80% 이상이 바람직하며,ITO의 두께는 통상 500~4000Å 정도가 적당하다.
양산시 생산성 향상을 위해서는 식각속도는 60초 이내가 적당하다. 또한 성막시 칼라 필터층의 유기 수지물에 열적인 충격이 없어야 한다.
상기와 같이 성막된 ITO 투명전도막은 비교적 고온의 열처리를 거치게 되며, 상기 열처리는 성막공정과 연속하여 또는 분리되어 수행될 수 있다. 공정효율성을 위해서는 열처리는 성막이 이루어진 진공챔버에서 연속적으로 수행되는 것이 바람직하다. 열처리 조건은 비저항 및 결정성을 개선하는데 효과적이어야 하며 또한 칼라필터의 손상이 없는 범위에서 이루어 져야 한다. 본 발명자들은 열처리 단계없이 고온에서 스퍼터링 방법에 의해 ITO 투명전도막을 성막하는 경우 원하는 비저항 및 결정배향성의 ITO투명전도막을 가진 칼라필터를 제조할 수 있지만 약 220℃이상의 온도에서는 열에 의한 컬러필터의 손상이 있다는 것을 알게 되었다. 그러나 본 발명에 의하면 220℃ 이상, 또는 300℃이상의 고온열처리에서도 칼라필터의 손상이 없는 칼라필터의 제조가 가능하다.
하기 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 - 8 및 비교예 1 - 4
ITO 투명 전도막의 성막과 관련된 공통 사항은 다음과 같다.
― 기판 : 블랙 매트릭스, RGB의 유기수지층, 오버코트 및 무기산화물층 또는 무기질화물층이 형성된 유리 기판
― ITO 성막시의 기판온도 : 상온~100℃
― 타겟(target) : In2O3(90중량%) : SnO2(10중량%)
― 성막 가스 : 아르곤, 산소
― 열처리 온도 : 150~220℃
― ITO 투명전도막 성막 두께 : 2200Å
― 열처리 분위기 : Air
블랙 매트릭스, RGB 유기 수지층, 오버코트 및 무기산화물층 또는 무기질화물층이 형성되어 있는 유리기판을 기판으로 사용하였고 직류전원 마그네트론 반응성 스퍼터링으로 ITO 투명 전도막을 성막하였다. ITO 성막은 상온 및 100℃의 두가지 온도조건에서 수행하였다.
RGB 유기수지층이 형성되어 있는 유리기판을 스퍼터링 챔버(chamber)에 넣은 후 1×10-3Pa까지 배기하였다. 실시예 중 100℃에서 성막한 경우는 배기를 하면서 기판을 가열하였으며, 이 때 기판의 승온 속도는 0.5℃/sec로 유지하였다. 그 후 방전가스로써 아르곤과 반응가스로써 산소를 주입하였고, 8KW의 전원을 공급하여 방전 플라즈마를 형성하였다. 방전된 플라즈마를 이용하여 ITO 타겟(target)의 입자를 기판 표면상에 성막하였다. 성막 조건은 표 1에 나타내었다.
성막된 ITO 투명전도막은 동일한 챔버내에서 열처리하였다. 열처리 전에 진공도를 1×10-3Pa까지 배기한 후 공기 분위기에서 기판에 온도를 가했다. 기판의 승온 속도는 0.5℃/sec로 유지하였다. 열처리 시간은 1시간을 유지하였으며 칼라 필터상의 열적 손상 여부를 관찰하기 위해 기판 온도는 150~300℃로 나누어 열처리를 실시하였다. 칼라 필터의 열적 손상을 파악하기 위해 ITO 성막 후 광학 현미경으로 칼라 필터층을 관찰하였다.
각각의 실시예에서 얻어진 칼라필터의 ITO막에 대해 비저항 및 투과율을 측정하였고, X선 회절 분석, 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 막 내부의 결정 구조를 분석하였으며, 열처리에 따른 칼라 필터의 손상 여부도 관찰하였다. 또한 ITO의 식각속도를 관찰하기 위해 질산(HNO3)과 염산(HCl)과 순수(DI water)를 각각의 혼합 비율로 식각용액을 제조하여 식각하였다.
실시예 1~4는 ITO 투명전도막을 상온에서 성막한 후 각각 150℃, 200℃, 220℃, 300℃로 열처리한 것이고, 실시예 5~8은 ITO 투명전도막을 100℃에서 성막한 후 각각 150℃, 200℃, 220℃, 300℃로 열처리한 것이다. 세부 사항은 표 1에 정리하였다. 실시예와 비교하기 위해 성막후 열처리 단계를 수행하지 않는 비교예 1~4를 실시하였다. 비교예 1~4의 성막조건은 실시예의 조건과 동일하게 유지하였고, 다만 실시예와 달리 ITO 투명전도막 성막전에 각각 150℃, 200℃, 220℃, 300℃로 기판을 가열한 다음 성막하였다. 각 실험 조건은 표 1에 나타내었다.
예 초기 성막 조건 열처리 온도
실시예 1 상온 150°C
실시예 2 상온 200°C
실시예 3 상온 220°C
실시예 4 상온 300°C
실시예 5 100°C 150°C
실시예 6 100°C 200°C
실시예 7 100°C 220°C
실시예 8 100°C 300°C
비교예 1 150°C -
비교예 2 200°C -
비교예 3 220°C -
비교예 4 300°C -
실시예 1~8에서 얻어진 칼라필터상의 ITO막에 대해 각각의 비저항, 투과율, 결정성 및 식각속도를 측정하였고 칼라필터의 손상여부를 확인하였다. 결과는 하기 표 2에 정리하였다. 열처리 온도가 상승할수록 비저항, 결정배향성 및 투과율 등이 보다 우수한 칼라필터를 수득할 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 비교예 1-4에서 얻어진 칼라필터의 ITO막에 대해 비저항, 투과율, 결정도 및 식각 속도 등을 측정하였으며 실시예와 같이 칼라필터의 손상여부를 확인하였다. 결과는 표 2에 나타내었다. 표 2에서 보여지듯, 고온에서 성막한 비교예의 경우 비저항 및 투과율에 있어서는 본 발명의 칼라필터에 비해서도 불만족스러운 것은 아니나 칼라필터의 열손상이 있음을 알 수 있었다. 반면, 본 발명에 의해 제조된 칼라필터의 경우 비교적 열손상이 없으면서도 원하는 비저항, 투과율 및 식각속도 등의 특성을 가지는 칼라필터의 제조가 가능함을 알 수 있다.
예 비저항 투과율 X선 회절(222)/(400) 식각속도 칼라필터 손상여부1)
실시예 1 4.1×10-4Ωcm 78 5.3 35초 ×
실시예 2 2.0×10-4Ωcm 83 5.7 40초 ×
실시예 3 1.9×10-4Ωcm 82 6.1 40초 ×
실시예 4 1.7×10-4Ωcm 82 6.5 40초 ×
실시예 5 2.7×10-4Ωcm 77 6.5 25초 ×
실시예 6 2.1×10-4Ωcm 82 5.4 40초 ×
실시예 7 1.9×10-4Ωcm 82 5.5 40초 ×
실시예 8 1.8×10-4Ωcm 82 5.5 40초 ×
비교예 1 2.9×10-4Ωcm 75 3.6 45초 ×
비교예 2 2.7×10-4Ωcm 80 3.8 45초 ×
비교예 3 2.4×10-4Ωcm 81 3.6 45초 ○
비교예 4 1.6×10-4Ωcm 82 4.7 45초 ◎
1)×:비손상, ○:약간 손상, ◎:많이 손상
X선 회절 결과 결정의 우선 배향성은 실시예가 비교예보다 월등히 우수하였는데 (222)/(400)의 피크비가 비교예에서는 3.6~3.8의 값을 보였으나, 실시예에서는 5.0 이상의 피크비를 나타내어 본 발명의 칼라필터의 ITO투명전도막이 강한 결정배향성을 지닌 것으로 확인하였다. 이는 초기의 작은 그레인에서 결정립이 성장하면서 동일한 방향으로 연속적으로 성장하기 때문으로 생각된다. 또한 ITO의 식각속도는 결정화가 덜 되어 비정질 상태를 유지하는 실시예 1 및 실시예 5에서 식각속도가 빠른 것을 알수 있고 열처리 온도가 높아질수록 다결정질화 되어 식각 속도는 느려지게 된다. 실시예와 비교예를 비교시 결정질 영역에서는 비슷한 수준의 식각 속도를 얻을 수 있다. 비저항은 실시예 1~4과 실시예 5~8에서 비슷한 경향을 보이는데 열처리 온도가 상승할수록 비저항은 낮아졌다. 또한 비교예 1~4과 비교시 동일한 온도 조건에서 성막한 비교예보다는 실시예의 경우에서 더 낮은 비저항을 얻을 수 있었다. 투과율은 실시예에서 비교예보다는 조금 좋은 투과율을 얻을 수 있었으며 ITO 산소의 유량을 조절하여 투과율을 개선할 수 있다.
상기 결과에서 보여지는 바와 같이, 본 발명에 따른 칼라 필터에 있어서 비저항, 투과율 및 결정배향 특성이 개선되었고, 칼라필터의 열적 충격을 방지할 수 있다.
고온에서 성막한 후 열처리하지 않은 성막한 비교예의 칼라필터 ITO 투명전도막보다 저온에서 성막한 후 열처리한 실시예의 ITO 투명전도막이 비저항 및 투과율 면에서 더 우수하다. 본 발명에 따른 칼라필터는 비저항의 감소로 배선간의 전압강하가 발생하지 않아 화면 왜곡 현상이 방지되고, 투과율의 향상으로 시인성 확보가 가능하다. 또한 칼라 필터의 내열 온도보다 낮은 온도에서 열처리하여 열적 충격을 최소할 수 있다.

Claims (5)

  1. 유리기판상에 블랙 매트릭스, RGB 유기수지층 및 오버코트를 형성하고, 무기산화물층 또는 무기질화물층을 형성하는 단계;
    상기 무기산화물층 또는 무기질화물층이 형성된 기판상에 스퍼터링 방법을 이용하여 ITO 투명전도막을 저온에서 성막하는 단계; 및
    상기 ITO 투명전도막을 약 150℃ 내지 300℃에서 열처리하는 단계를 포함하는 칼라필터 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스퍼터링 방법이 상온 내지 100℃에서 실시되는 칼라필터 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 ITO 투명전도막의 비저항값이 3.0×10-4Ωcm이하가 되도록 하는 칼라필터 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 ITO 투명전도막의 (222)/(400)의 피크비가 5.0 이상이 되도록 하는 칼라필터 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항의 방법으로 제조한 칼라필터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS6279421A (ja) * 1985-10-03 1987-04-11 Seiko Epson Corp カラ−液晶表示体
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JPH0628932A (ja) * 1992-07-10 1994-02-04 Nippon Sheet Glass Co Ltd 錫をドープした酸化インジウム透明導電膜を形成する方法

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