KR20050061215A

KR20050061215A - 컬러필터 어레이 기판의 제조방법

Info

Publication number: KR20050061215A
Application number: KR1020030093434A
Authority: KR
Inventors: 은종찬; 구동효; 유준영
Original assignee: 엘지.필립스 엘시디 주식회사
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2005-06-22
Also published as: CN1629699A; US20050136342A1; US7455940B2; DE102004037042A1; CN101221260B; CN100399145C; KR101055187B1; DE102004037042B4; CN101221260A

Abstract

본 발명은 컬러필터층의 단차를 개선하기 위한 컬러필터 어레이 기판의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 기판 상에 블랙 매트릭스를 형성하는 단계와, 상기 블랙 매트릭스를 포함한 전면에 단차가 없도록 70∼80℃의 고비점을 가지는 컬러 레지스트를 도포하는 단계와, 상기 컬러 레지스트를 패터닝하여 컬러 필터층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

컬러필터 어레이 기판의 제조방법{Method For Fabricating Color Filter Array Substrate}

본 발명은 액정표시장치(LCD: Liquid Crystal Display Device)의 제조방법에 관한 것으로 특히, 컬러필터층의 단차를 개선하기 위한 컬러필터 어레이 기판의 제조방법에 관한 것이다.

근래 고품위 TV(high definition TV) 등의 새로운 첨단 영상기기가 개발됨에 따라 브라운관(CRT) 대신에 액정표시소자(LCD :Liquid Crystal Display), ELD(electro luminescence display), VFD(vacuum fluorescence display), PDP(plasma display panel) 등과 같은 평판표시장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

그 중에서도 액정표시소자는 평판 표시기의 대표적인 기술로써 박형, 저가, 저소비 전력 구동 등의 특징을 가져 랩 톱 컴퓨터(lap top computer)나 포켓 컴퓨터(pocket computer) 외에 차량 적재용, 칼라 TV의 화상용으로도 그 용도가 급속하게 확대되고 있다.

이러한 특성을 갖는 액정표시소자는 상부기판인 컬러필터(color filter) 기판과 하부기판인 TFT(Thin Film Transistor) 어레이 기판이 서로 대향되도록 배치되고, 그 사이에 유전 이방성을 갖는 액정이 형성되는 구조를 가지는 것으로, 화소 선택용 어드레스(address) 배선을 통해 수십 만개의 화소에 부가된 박막트랜지스터(TFT)를 스위칭 동작시켜 해당 화소에 전압을 인가해 주는 방식으로 구동되게 된다.

이때, 상기 컬러필터 기판은 일정한 순서로 배열되어 색상을 구현하는 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue)의 컬러필터층과, R,G,B 셀 사이의 구분과 광차단 역할을 하는 블랙 매트릭스와, 액정 셀에 전압을 인가하기 위한 공통 전극으로 구성된다.

상기 컬러필터층을 구성하는 세가지 색은 각각 독립적으로 구동되고 이들의 조합에 의해 한 화소(pixel)의 색이 표시된다.

한편, 컬러필터 기판을 제조하는 방법은, 제조시 사용되는 유기 필터의 재료에 따라 염료 방식과 안료 방식이 있으며, 제작 방법에 따라 염색법, 분산법, 코팅법, 전착법, 잉크젯법등으로 분류할 수 있으나, 현재 TFT-LCD의 컬러필터층의 제조시 사용되는 가장 보편적인 방법은 안료 분산법이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술의 컬러필터 어레이 기판의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

도 1a 내지 1g는 종래 기술에 의한 액정표시소자의 컬러필터 기판 제조방법을 나타낸 공정단면도이다.

먼저, 절연 기판(11)의 세정을 실시한 후, 도 1a에 도시된 바와 같이, 상기 절연기판(11) 상에 광밀도(optical density) 3.5이상의 크롬산화물(CrOx) 또는 크롬(Cr) 등의 금속을 스퍼터링 방법으로 증착하거나 또는, 카본(carbon) 계통의 유기물질을 도포하고, 사진식각(photolithograpy) 기술로 패터닝하여 블랙 매트릭스(13)를 형성한다.

여기서, 상기 블랙 매트릭스(13)는 단위 화소 가장자리와 박막트랜지스터가 형성되는 영역에 상응되도록 형성하여 전계가 불안한 영역에서의 빛샘을 차광한다.

상기 블랙 매트릭스(13)를 형성한 후에는, 상기 블랙 매트릭스(13)를 포함한 전면에 색상을 구현하는 안료가 함유된 컬러 레지스트(color resist)를 약 1㎛∼3㎛ 두께로 도포한다. 먼저, 상기 블랙 매트릭스(13)를 완전히 덮을 수 있도록 적색(Red)이 착색된 제 1 컬러 레지스트(14a)를 도포한다.

컬러 레지스트를 도포하는 방법에는 스핀(spin)법과 롤 코트(roll coat)법이 있는데, 상기 스핀법은 기판 위에 컬러 레지스트를 적당히 흘려 놓고 기판을 고속으로 회전시킴으로써 상기 컬러 레지스트를 기판 전체에 고루 퍼지게 하는 방법이고, 상기 롤 코트법은 롤 위에 전개한 컬러 레지스트를 기판에 전사/인쇄하여 가는 방법이다.

한편, 상기 컬러 레지스트의 주요 성분은 일반적인 포토 레지스트와 같이 감광 조성물인 광중합 개시제와, 모노머(monomer)와, 바인더(binder)와, 색상을 구현하는 유기 안료 등으로 구성된다.

계속하여, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 컬러 레지스트(14a)의 특정 영역(패턴을 남기고자 하는 영역)을 제외한 나머지 영역을 마스크(17)의 차광부로 마스킹한 후, UV선을 조사하여 상기 제 1 컬러 레지스트(14a)를 부분 노광한다.

이 때, 컬러필터용 컬러 레지스트는 일반적으로, 노광되지 않는 부분이 제거되는 네가티브(negative) 특성을 가지므로, 패턴이 형성되는 특정영역을 마스크의 투광부로 노출시켜 노광한다.

한편, 노광시키는 방법에는 원판을 일광 노광하는 프록시미티(proximity)방법, 축소 패턴을 반복하여 노광하는 스테퍼(stepper)방법, 마스크 패턴을 투영하여 노광하는 미러(mirror) 투영방법의 3가지가 있는데, 생산성을 우선으로 하는 단순 매트릭스 LCD는 정확도는 열악하지만 처리속도가 빠른 프록시미티 방식을, 고정밀도가 요구되는 능동 매트릭스 LCD는 스테퍼 방식이나 미러 투영방식이 사용된다.

다음, 도 1c에 도시된 바와 같이, 노광에 의해 광화학적 구조가 변경된 상기 제 1 컬러 레지스트(14a)를 현상액에 담궈 패터닝하여, 적색(R)으로 착색된 제 1 컬러필터층(15a)을 남겨두고 노광되지 않은 부분은 제거한다. 이후, 상기 제 1 컬러필터층(15a)을 230℃의 고온에서 경화시킨다.

이 때, 현상(develop)은 딥핑(dipping), 퍼들(puddle), 샤워 스프레이(shower spray)법 중 어느 하나로 한다.

그러나, 상기 제 1 컬러필터층(15a)은 블랙 매트릭스(13)와 오버랩되는 부분에서 단차가 생기는데, 이러한 문제점은 상기 블랙 매트릭스(13)를 카본 계통의 유기막으로 형성하여 두껍게 형성할 경우 더욱 심해진다. 따라서, 상기 컬러필터층의 평탄화를 위해 평탄화 특성이 뛰어난 오버코트층을 도포하는 후공정이 요구된다.

계속하여, 도 1d에 도시된 바와 같이, 적색의 제 1 컬러필터층(15a)을 포함한 전면에 녹색(Green)이 착색된 제 2 컬러 레지스트(14b)를 도포하고, 상기 제 2 컬러 레지스트(14b)의 특정영역을 제외한 나머지 영역을 마스크(17)의 차광부로 마스킹한 후, UV선을 조사하여 상기 제 2 컬러 레지스트(14b)를 부분 노광한다.

노광에 의해 광화학적 구조가 변경된 상기 제 2 컬러 레지스트(14b)를 현상하여, 도 1e에 도시된 바와 같이, 녹색(G)으로 착색된 제 2 컬러필터층(15b)을 형성한다.

상기 제 2 컬러필터층(15b)은 상기 블랙 매트릭스(13)를 사이에 두고 상기 제 1 컬러필터층(15a)과 인접한 화소에 형성한다.

이어서, 상기 녹색의 제 2 컬러필터층(15b)을 포함한 전면에 청색(Blue)이 착색된 제 3 컬러 레지스트(14c)를 도포하고, 상기 제 3 컬러 레지스트(14c)의 특정영역을 제외한 나머지 영역을 마스크(17)의 차광부로 마스킹한 후, UV선을 조사하여 상기 제 3 컬러 레지스트(14c)를 부분 노광한다.

노광에 의해 광화학적 구조가 변경된 상기 제 3 컬러 레지스트(14c)는 현상되어, 도 1f에 도시된 바와 같이, 청색(B)으로 착색된 제 3 컬러필터층(15c)을 형성한다.

상기 제 3 컬러필터층(15c)은 상기 블랙 매트릭스(13)를 사이에 두고 상기 제 2 컬러필터층(15b)과 인접한 화소에 형성하여, R,G,B로 구성된 컬러필터층(15)을 완성한다. 통상, 컬러필터층(15)은 R, G, B순서로 형성한다.

계속하여, 도 1g에 도시된 바와 같이, 상기 컬러필터층(15)의 보호와 평탄화를 위하여 상기 컬러필터층(15)을 포함한 전면에 아크릴(Acryl)계 수지 또는 폴리이미드(Polyimide)계 수지를 사용하여 스핀 코팅 방법으로 평탄화막을 도포하여 투명한 오버코트층(overcoat layer, 16)을 형성한다.

마지막으로, 상기 오버코트층(16) 상에 투과성과 도전성이 좋으며 화학적, 열적 안정성이 우수한 투명 전극 재료인 ITO(Indium Tin Oxide)를 스퍼터링에 의해 증착한다. 상기 공통 전극(18)은 TFT 어레이 기판에 형성된 화소 전극과 함께 액정 셀을 동작시키는 역할을 한다. 이 때, 액정표시소자의 모드에 따라 상기 오버코트층 상에 ITO를 형성하지 않을 수도 있다.

이로써, 블랙 매트릭스(13), 컬러필터층(15), 오버코트층(16) 또는 공통전극(18)을 포함한 컬러필터 기판을 완성한다.

그러나, 상기와 같은 종래의 컬러필터 어레이 기판의 제조방법은 다음과 같은 문제점이 있다.

즉, R,G,B 컬러필터층을 각각 별도의 공정으로 형성함에 따라, 컬러 레지스트의 특성 및 노광 정도에 따라 R,G,B의 컬러필터층 사이에 단차가 생기는 문제점이 발생한다.

결국, 단차를 가진 컬러필터층의 평탄화를 위해 평탄도가 뛰어난 투명 유기물질을 선정하여 오버코트층을 형성하는 공정을 추가하여야 하므로 공정이 복잡해지고 공정시간도 많이 소요된다.

그리고, 오버코트층을 형성함으로써 컬러필터 기판의 두께가 더욱 두꺼워지므로 액정패널의 박막화 및 경량화에 한계가 있다.

또한, 컬러필터층의 단차 부분에서 배향막이 러빙되지 않고, 그로 인해 해당영역에서 액정배열의 제어가 어려워져 디스클리네이션(discrination)이 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로, 컬러필터층을 평탄하게 형성하는 컬러필터 어레이 기판의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 제 1 실시예에 의한 컬러필터 어레이 기판의 제조방법은 기판 상에 블랙 매트릭스를 형성하는 단계와, 상기 블랙 매트릭스를 포함한 전면에 단차가 없도록 70∼80℃의 고비점을 가지는 컬러 레지스트를 도포하는 단계와, 상기 컬러 레지스트를 패터닝하여 컬러 필터층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고, 기판 상에 블랙 매트릭스를 형성하는 단계와, 상기 블랙 매트릭스를 포함한 전면에 단차가 없도록 3∼5cp의 저점도를 가지는 컬러 레지스트를 도포하는 단계와, 상기 컬러 레지스트를 패터닝하여 컬러 필터층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 기판 상에 블랙 매트릭스를 형성하는 단계와, 상기 블랙 매트릭스를 포함한 전면에 단차가 없도록 20%이하의 고체 함유량을 가지는 컬러 레지스트를 도포하는 단계와, 상기 컬러 레지스트를 패터닝하여 컬러 필터층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 제 2 실시예에 의한 컬러필터 어레이 기판의 제조방법은 기판 상에 블랙 매트릭스를 형성하는 단계와, 인쇄롤에 컬러 레지스트를 전사하고 클리체의 돌출부에 컬러 레지스트의 소정 부위를 피착시키는 단계와, 상기 컬러 레지스트가 남아있는 상기 인쇄롤을 상기 기판 상에 재전사하여 상기 블랙 매트릭스 사이에 컬러 레지스트를 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

본 발명의 제 3 실시예에 의한 컬러필터 어레이 기판의 제조방법은 기판 상에 블랙 매트릭스를 형성하는 단계와, 상기 블랙 매트릭스를 포함한 전면에 제 1 컬러 레지스트를 도포하는 단계와, 상기 기판 배면에 제 1 마스크를 배치하고, 상기 제 1 컬러 레지스트를 배면 노광하는 단계와, 상기 제 1 컬러 레지스트를 현상하여, 상기 블랙 매트릭스와 오버랩되는 부분에서 낮은 단차를 가지는 제 1 컬러필터층을 형성하는 단계와, 상기 제 1 컬러 레지스트를 포함한 전면에 제 2 컬러 레지스트를 형성하는 단계와, 상기 기판 배면에 제 2 마스크를 배치하고, 상기 제 2 컬러 레지스트를 배면 노광하는 단계와, 상기 제 2 컬러 레지스트를 현상하여, 상기 블랙 매트릭스 및 제 1 컬러필터층과 오버랩되는 부분의 단차와 상기 블랙 매트릭스와 오버랩되지 않는 부분의 단차가 동일한 제 2 컬러필터층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

즉, 고비점(high boiling point), 저점도, 저 고체함유량의 컬러 레지스트를 사용하여 컬러필터층의 테이퍼(taper)를 개선하고, 인쇄법 또는 배면 노광(Back Exposure)을 적용하여 컬러필터층의 단차를 개선함으로써 오버코트층을 형성하지 않고 컬러필터 어레이 기판을 형성할 수 있게 하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 의한 컬러필터 어레이 기판의 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.

이하의 실시예에서는 적(R), 녹(G), 및 청(B)의 3색으로 구성된 컬러필터층에 대해 한정하여 설명하나, 이하의 실시예는 어디까지나 일례이고, 어떤 식으로도 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

제 1 실시예

컬러필터층의 단차를 개선하기 위해서는 그 표면 단차가 0.3㎛ 이하 정도 되어야 하는데, 그 이상의 단차가 발생하는 경우 단차 부분에서의 배향막이 러빙되지 않아 해당영역에서 디스클리네이션(discrination)이 발생한다.

본 발명의 제 1 실시예에서는 상기와 같은 문제점을 해결하고자, 고비점의 컬러 레지스트를 사용하여 컬러필터층의 테이퍼(taper)를 개선하는 것을 특징으로 한다.

도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 제 1 실시예에 의한 컬러 레지스트 도포 과정을 나타낸 공정사시도 및 공정단면도이다.

먼저, 표면이 연마된 투명한 유리 기판(111)상에 광밀도(optical density) 3.5이상의 크롬산화물(CrOx) 또는 크롬(Cr) 등의 금속을 스퍼터링 방법으로 증착하거나 또는 유기물질을 도포한 후, 이를 사진식각(photolithograpy) 기술로 패터닝하여 블랙 매트릭스(도 3의 113)를 형성한다.

상기 유기물질로는 카본 블랙 입자(carbon black particle)를 포함하는 유기물질 또는, 티타늄 산화물(TiOx) 입자를 이용한 유기물질 또는, 컬러 안료(Color Pigment)를 혼합한 유기물질 또는, 상기 카본 입자(Carbon particle), 티타늄 산화물 입자(TiOx particle), 컬러 안료(Color Pigment) 중 적어도 1가지 이상을 포함하여 혼합한 형태의 유기물질 등이 있다.

여기서, 상기 블랙 매트릭스(113)는 박막 어레이 기판의 단위 화소 가장자리와 박막트랜지스터가 형성되는 영역에 상응되도록 형성하여 전계가 불안한 영역에서의 빛샘을 차광하는 역할을 한다.

상기와 같이 블랙 매트릭스(113)를 형성한 후에는, 상기 블랙 매트릭스(113)를 포함한 전면에 고비점의 특징을 가지는 네가티브 컬러 레지스트(114)를 일정한 두께로 피복한다. 고비점의 특징을 가진 컬러 레지스트는 표면 퍼짐 특성이 우수하므로, 일정 두께의 블랙 매트릭스(113) 상부에 형성되더라도 단차가 거의 발생하지 않는다.

상기 컬러 레지스트는 바인더 수지(binder monomer)와, 다기능 단량체(multi-functional monomer)와, 광경화성 수지와, 안료(pigment)와, 용매(solvent)와, 첨가제(additives)를 포함하여 구성되며 각 구성 성분들의 함유량에 따라 표면 퍼짐성이 달라진다.

본 발명에서 사용되는 컬러 레지스트는 그 비점이 70∼80℃이거나, 그 점도가 3∼5cp 이거나, 또는 그 고형분량(solid content)이 20%이하인 것이 바람직하다. 참고로, 종래의 컬러 레지스트는 그 비점이 60℃ 정도이고, 그 점도가 7∼9cp 정도이고, 그 고형분량(solid content)이 20∼25% 정도인 것을 사용하였다.

구체적으로, 컬러 레지스트의 비점을 70∼80℃로 올리기 위해서는 바인더 수지의 함유량을 변경한다.

상기 바인더 수지는 상용성, 피막형성성, 현상성, 접착성 등의 개선을 위한 것으로 통상 사용되는 바인더 수지로는 예컨대, (메타)아크릴산, (메타)아크릴산에스테르, (메타)아크릴아미드, 말레산, (메타)아크릴로니트릴, 스티렌, 아세트산비닐, 염화비닐리덴, 말레이미드 등의 단독 또는 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아미드, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리에테르, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 아세틸셀룰로오스, 노볼락수지, 레졸수지, 폴리비닐페놀 또는 폴리비닐부티랄 등을 들 수 있다.

이들 바인더 수지 중에서 특히 바람직한 것은 (메타)아크릴산 또는 카르복실기를 갖는 (메타)아크릴산에스테르를 함유하는 공중합체(이것을 아크릴계 수지라고 함)이다. 아크릴계 수지는 현상성 및 투명성이 우수하고, 또한 각종 단량체를 선택하여 각종 공중합체를 얻을 수 있기 때문에, 성능 및 제조방법을 제어하기 쉽다는 장점이 있다.

그리고, 컬러 레지스트의 점도를 3∼5cp로 떨어뜨리기 위해서는 용매의 함유량을 높인다. 이 때, 사용되는 용매는 광경화성 수지를 용해시킬 수 있거나 또는 분산가능한 용매인 것이 바람직하며, 예를 들면 아세트산에틸, 아세트산부틸 등의 에스테르류, 사이클로헥산온, 에틸부틸케톤 등의 케톤류, 에틸렌글리콜모노에틸에테르아세테이트, 프로필렌글리콜모노메틸에테르 아세테이트 등의 다가 알콜 유도체, 디메틸포름아미드 등의 함질소계 용매 등이 있으며, 상기의 유기용매를 단독 또는 2종 이상을 병용하여 사용할 수 있다.

또한, 컬러 레지스트의 고형분량을 20% 이하로 낮추기 위해서는 바인더 수지 또는 다기능 단량체의 함유량을 증가시킨다.

상기 다기능 단량체로서는 중합가능한 저분자 화합물이면 특별히 제한되지 않는다. 여기서 단량체는, 소위 고분자물질에 상대하는 개념을 의미하고, 협의의 단량체 이외에 이량체, 삼량체, 올리고머도 함유하는 개념을 의미한다.

참고로, 컬러 레지스트의 색상 재현을 위해 사용되는 안료로서는 예컨대, 아조 레이크, 불용성 아조 안료, 축합 아조 안료, 킬레이트 아조 안료 등의 아조 안료, 프탈로시아닌 안료, 페릴렌 안료, 페리논 안료, 안트라퀴논 안료, 퀴나크리돈 안료, 디옥사진 안료, 티오인디고 안료, 이소인돌리논 안료, 퀴노프탈론 안료 등의 다환식 안료, 염기성 안료형 레이크, 산성 염료형 레이크 또는 니트로 안료, 니트로소 안료, 아닐린블랙 등의 유기 안료, 산화티탄, 산화철계, 카본블랙계 등의 무기계 안료 등이 있으며, 상기의 유기 또는 무기계 안료를 단독 또는 2종 이상을 병용하여도 좋고, 특히 제한되는 것은 아니다.

그리고, 컬러 레지스트의 감광 특성을 위해 사용되는 광중합 개시제는 광을 직접 흡수하거나 또는 광증감되어 분해반응 또는 수소제거반응을 일으켜, 중합 활성 라디칼을 발생하는 기능을 갖는데, 예컨대, 2-하이드록시에틸아크릴레이트, 2-하이드록시프로필아크릴레이트, 2-에틸헥실아크릴레이트, 에틸렌글리콜디아크릴레이트, 디에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜메타아크릴레이트, 테트라메틸렌글리콜 디아크릴레이트, 테트라에틸렌글리콜디아크릴레이트, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트, 펜타에리트리톨디아크릴레이트, 디펜타에리트리톨테트라아크릴레이트, 디펜타에리트리톨헥사아크릴레이트, 글리세롤아크릴레이트, 비스페놀에폭시디아크릴레이트 등의 아크릴산 에스테르류 등, 공지의 광경화성 수지를 단독 또는 2종 이상을 병용할 수 있고, 특히 제한되는 것은 아니다.

마지막으로, 컬러 레지스트에는 필요에 따라 열중합방지제, 가소제, 보존안정제, 표면보호제, 평활제, 도포제, 그 외의 첨가제들이 추가로 포함될 수 있다.

이와같은 컬러 레지스트를 사용하는 경우, 하부에 블랙 매트릭스가 있는 부분과 블랙 매트리스가 없는 부분의 단차를 0.3㎛ 이하로 줄일 수 있다.

한편, 이러한 고비점의 컬러 레지스트는 표면 퍼짐 특성이 좋기 때문에 기존의 스핀-도포법을 사용하지 않고 디스펜싱(dispensing) 방법을 사용한다. 즉, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 디스펜서(126)를 기판(111)의 일 모서리에서부터 다른 모서리 측으로 일방향으로 이동시키면서 디스펜서의 분사 노즐(127)을 통해 컬러 레지스트(114)를 일정량씩 골고루 분사시킨다. 이 때, 도 3의 미설명 부호인 128은 고비점의 컬러 레지스트를 도포하는 동안 기판(111)을 지지해주는 지지판(128)이다.

여기서, 본 발명에 기한 컬러 레지스트는 점도가 낮아 잘 퍼지기 때문에 스핀공정을 생략한다. 오히려, 스핀공정을 수행할 경우, 원심력에 의해 컬러 레지스트가 바깥쪽으로 밀려 단차가 생길 여지가 있다.

평탄하게 도포된 컬러 레지스트를 저온에서 소프트-베이킹(soft baking)시키고, 자외선 노광, 현상, 세정 등으로 이루어진 주지의 포토리소그래피법을 적용하여 패터닝한 후, 하드-베이킹(hard baking)시켜 컬러필터층을 완성한다. 통상, 컬러필터층에 사용되는 컬러 레지스트는 네가티브 특성의 것을 사용하므로 노광되지 않은 부분이 제거된다.

상기와 같은 순서대로, 적(R), 녹(G), 및 청(B)의 3가지 색상의 안료가 착색된 컬러필터층을 순차적으로 형성함으로써 풀 칼라 소자를 위한 액정표시소자의 컬러필터 어레이 기판을 완성한다.

이와같이, 형성된 컬러필터층은 단차가 없는 평탄한 층이 되므로, 평탄화를 위해 오버코트층을 도포하는 후공정을 수행하지 않아도 되며, 배향막 러빙시 단차부분에서의 러빙 불량을 방지하게 된다. 또한, 별도의 오버코트층을 형성하지 않아도 되므로 공정 단가를 저감할 수 있다.

제 2 실시예

본 발명의 제 2 실시예에서는 인쇄법을 적용하여 단차없는 컬러필터층을 형성함을 특징으로 한다.

인쇄법은 기존의 포토리소그래피 기술에 의한 패터닝 방법의 복잡함과 높은 공정설비 투자를 극복하기 위한 대안으로서, 공정이 간소화되고 공정시간 및 공정비용이 절감된다.

도 4a 내지 도4c는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 컬러필터층 형성 과정을 나타낸 공정단면도이다.

먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 고무재질의 블랭킷(blanket, 231)이 감싸져 있는 인쇄롤(230)의 외주면에 컬러 레지스트(214)를 묻힌다. 즉, 컬러 레지스트(214)를 공급하는 디스펜서(226)를 통해 컬러 레지스트(214)를 분사하고, 상기 인쇄롤(230)의 외주면 선상에 동축방향으로 설치된 닥터롤(232)을 소정 간격으로 접촉한 상태에서 밀어, 상기 디스펜서(226)에서 분사된 컬러 레지스트(214)가 인쇄롤(230)의 외주면에 골고루 묻히도록 한다. 상기 닥터롤(232) 대신에 납작한 주걱 형태의 닥터 블레이드(doctor blade)를 사용하여도 무방하다.

이때 사용되는 컬러 레지스트는 종래 주지의 컬러 레지스트를 사용하여도 되고, 본 발명의 제 1 실시예에 의한 고비점의 컬러 레지스트를 사용하여도 무방하다.

이후, 도 4b에 도시된 바와 같이, 특정 위치에 돌출부(242)가 이미 형성되어 있는 클리체(cliche, 240)를 준비한다. 상기 돌출부(242)는 기판에 형성하고자 하는 패턴에 대응하도록 설계된 것이다. 다음, 상기 클리체(240) 표면에 컬러 레지스트(214)가 묻혀져 있는 인쇄롤(230)을 마찰시키면서 일방향으로 밀어준다.

그러면, 인쇄롤(230)이 회전하면서 컬러 레지스트(214)가 상기 클리체(240)의 돌출부(242)에 피착된다. 따라서, 클리체(240)의 오목홈(241)에 해당하는 부위의 컬러 레지스트(214)는 인쇄롤(230)에 피착된 상태로 그대로 남아있게 된다.

이때, 상기 돌출부(242)는 컬러 레지스트가 형성되지 않을 영역에 상응하도록 설계된다. 즉, R,G,B의 컬러 필터층을 형성하는 경우, 적색(R)의 컬러필터층을 형성하는 공정에 있어서는 블랙 매트릭스에 상응하는 영역 및 녹색(G),청색(B)의 컬러필터층에 상응하는 영역에 돌출부(242)가 설계된 클리체(240)를 사용하고, 녹색(G)의 컬러필터층을 형성하는 공정에 있어서는 블랙 매트릭스에 상응하는 영역 및 녹색(G),청색(B)의 컬러필터층에 상응하는 영역에 돌출부가 설계된 클리체를 사용하며, 적색(R)의 컬러필터층을 형성하는 공정에 있어서는 블랙 매트릭스에 상응하는 영역 및 녹색(G),청색(B)의 컬러필터층에 상응하는 영역에 돌출부가 설계된 클리체를 사용한다.

이후, 도 4c에 도시된 바와 같이, 일정한 패턴으로 블랙 매트릭스(213)가 이미 형성되어 있는 투명한 절연기판을 준비하고, 그 표면에서 상기 인쇄롤(230)을 일방향으로 회전 및 전진시켜 컬러 레지스트(214)를 블랙 매트릭스(213) 사이에 전사한다.

계속하여, 전사된 컬러 레지스트(214)를 큐어링(curing)하여 컬러필터층을 완성한다. 상기와 같은 방법으로 적(R), 녹(G), 및 청(B)의 3가지 색상의 안료가 착색된 컬러 레지스트를 순차적으로 인쇄함으로써 컬러필터층을 완성한다.

이와같이, 상기 인쇄롤(230)의 1회전에 의해 표시소자의 기판(211) 전체에 걸쳐 원하는 패턴의 컬러필터층을 형성할 수 있으므로, 대면적 표시소자일 경우 더욱 유용하게 적용할 수 있다.

더욱이, 컬러 필터층이 블랙 매트릭스 사이에 형성되므로 블랙 매트릭스와 컬러필터층의 오버랩에 의한 단차 불균형을 제거할 수 있다.

제 3 실시예

본 발명의 제 3 실시예에서는 배면 노광법을 적용하여 단차없는 컬러필터층을 형성함을 특징으로 한다.

즉, 블랙 매트릭스가 기형성되어 있는 기판 상에 일정 두께로 도포된 네가티브 컬러 레지스트를 기판 저면에서 배면노광하게 되면, 블랙 매트릭스와 오버랩되는 부분의 컬러 레지스트는 블랙 매트릭스에 의해 차광되어 노광되지 못하고 블랙 매트릭스와 오버랩되지 않는 컬러 레지스트는 노광된다.

이 때, 노광공정에서 블랙 매트릭스 에지 부분에 빛이 조금 스며들기 때문에 블랙 매트릭스와 오버랩되는 컬러 레지스트가 조금 노광된다. 따라서, 현상 공정이후, 블랙 매트릭스와 오버랩되는 컬러필터층은 완전 제거되지 못하고 낮은 단차를 가지게 된다.

결국, 블랙 매트릭스 상부에는 단차가 낮은 서로 다른 색상의 컬러필터층이 오버랩되어 형성되므로 그 단차가 보상되어 전체적으로 단차없는 컬러필터층이 된다.

도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 제 3 실시예에 의한 컬러필터 어레이 기판의 공정을 나타낸 공정단면도이다.

먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이, 기판(311) 상에 광밀도(optical density) 3.5이상의 크롬산화물(CrOx) 또는 크롬(Cr) 등의 금속을 스퍼터링 방법으로 증착하거나 또는 카본(carbon) 계통의 유기물질을 도포한 후, 사진식각(photolithograpy) 기술로 패터닝하여 블랙 매트릭스(313)를 형성한다.

여기서, 상기 블랙 매트릭스(313)는 단위 화소 가장자리와 박막트랜지스터가 형성되는 영역에 상응되도록 형성하여 전계가 불안한 영역에서의 빛샘을 차광한다.

다음, 상기 블랙 매트릭스(313)를 포함한 전면에 색상을 구현하는 안료가 함유된 네가티브 컬러 레지스트(color resist)를 스핀(spin)법과 롤 코트(roll coat)법 등을 적용하여 일정 두께로 도포한다. 먼저, 상기 적색(Red)이 착색된 제 1 컬러 레지스트(314a)를 도포한다.

이때, 사용되는 컬러 레지스트는 종래 주지의 컬러 레지스트를 사용하여도 되고, 본 발명의 제 1 실시예에 의한 고비점의 컬러 레지스트를 사용하여도 무방하다.

계속하여, 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 컬러 레지스트(314a)의 특정 영역(패턴을 남기고자 하는 영역)을 제외한 나머지 영역을 마스크(317)의 차광부로 마스킹한 후, UV선을 조사하여 상기 제 1 컬러 레지스트(314a)를 노광한다.

상기 마스크(317)는 기판(311)의 배면에 위치시켜 기판의 배면에서 UV선을 조사한다. 이 때, 컬러필터용 컬러 레지스트는 일반적으로, 노광되지 않는 부분이 제거되는 네가티브(negative) 특성을 가지므로, 패턴이 형성되는 특정영역을 마스크의 투광부로 노출시켜 노광한다.

다음, 도 5c에 도시된 바와 같이, 노광에 의해 광화학적 구조가 변경된 상기 제 1 컬러 레지스트(314a)를 현상하여, 적색(R)으로 착색된 제 1 컬러필터층(315a)을 남겨두고 노광되지 않은 부분을 제거한다. 이후, 상기 제 1 컬러필터층(315a)을 230℃의 고온에서 완전경화시킨다.

이 때, 상기 블랙 매트릭스(313) 사이로 노출된 제 1 컬러필터층(315a)은 제거되지 않고, 블랙 매트릭스(313)와 오버랩된 부분의 제 1 컬러필터층(315a)은 상기 블랙 매트릭스 에지부분으로 스며드는 빛에 의해 일부 노광되어 일정 두께만 제거된다.

계속하여, 도 5d에 도시된 바와 같이, 적색의 제 1 컬러필터층(315a)을 포함한 전면에 녹색(Green)이 착색된 제 2 컬러 레지스트(314b)를 도포하고, 마스크(317)를 기판(311) 배면에 배치한 후, 기판 배면에서 UV선을 조사하여 상기 제 2 컬러 레지스트(314b)를 부분 노광한다.

노광에 의해 광화학적 구조가 변경된 상기 제 2 컬러 레지스트(314b)를 현상하여, 도 5e에 도시된 바와 같이, 녹색(G)으로 착색된 제 2 컬러필터층(315b)을 형성한다.

이 때, 상기 제 2 컬러필터층(315b)은 블랙 매트릭스(313) 사이로 노출된 부분에서는 제거되지 않고 블랙 매트릭스(313)와 오버랩된 부분에서는 블랙 매트릭스 에지부분으로 스며드는 빛에 의해 부분노광되어 일정 두께만 제거된다.

따라서, 블랙 매트릭스(313) 상부에는 단차가 낮은 서로 다른 색상의 컬러필터층이 오버랩되어 그 단차가 보상된다. 결국, 블랙 매트릭스와 오버랩되는 컬러필터층과 블랙매트릭스와 오버랩되지 않는 컬러필터층의 단차가 일정하게 된다.

이어서, 상기 녹색의 제 2 컬러필터층(315b)을 포함한 전면에 청색(Blue)이 착색된 제 3 컬러 레지스트(314c)를 도포하고, 기판(311) 배면에 마스크(317)를 배치한 후, 기판의 배면에서 UV선을 조사하여 상기 제 3 컬러 레지스트(314c)를 부분 노광한다. 이후, 상기 제 3 컬러 레지스트(314c)는 현상하여, 도 5f에 도시된 바와 같이, 청색(B)으로 착색된 제 3 컬러필터층(315c)을 형성한다.

상기 제 3 컬러필터층(315c) 또한, 블랙 매트릭스와 오버랩되는 부분에서 그 단차가 낮게 형성되는데, 인접화소의 제 1 ,제 2 컬러필터층(315a,315b)과 서로 오버랩되어 단차가 보상된다. 결국, 전 기판에 대한 컬러필터층의 단차가 균일해진다. 표면단차가 균일해진 컬러필터층(315) 상에는 평탄화를 위한 별도의 공정을 수행하지 않고 바로 공통전극(318)을 형성한다.

상기와 같이, 제 3 실시예에서는 기판 배면에서 컬러 레지스트를 노광함으로써, 상기 블랙 매트릭스(313)에 의해 부분 차광되는 효과를 이용하여 컬러필터층의 단차를 개선하는 것을 특징으로 한다. 이 때, 블랙 매트릭스와 오버랩되는 컬러필터층과 블랙 매트릭스와 오버랩되지 않는 컬러필터층의 표면 단차를 0.3㎛ 이하로 유지하기 위해 노광조건을 적절히 조절함은 물론이다.

상기 컬러필터층(315)의 형성은 통상적으로 R, G, B순서로 한다.

상기 제 1 ,제 2 ,제 3 실시예에서와 같이 다양한 방법으로 컬러필터층을 완성한 이후에는, 상기 컬러필터층을 포함한 전면에 투과성과 도전성이 좋으며 화학적, 열적 안정성이 우수한 투명 전극 재료인 ITO(Indium Tin Oxide)를 스퍼터링에 의해 증착하여 공통 전극을 형성하고, 그 위에 배향막 원료액 예컨대, 폴리아믹산, 가용성 폴리이미드 등을 도포하고 경화하여 폴리이미드화한 후, 러빙함으로써 배향막을 형성한다.

이 때, 컬러필터층의 표면 단차가 제거되므로 전 배향막에 대해 균일한 러빙처리가 이루어진다.

이로써, 블랙 매트릭스, 컬러필터층, 공통전극 또는 배향막을 포함하여 구성되는 컬러필터 어레이 기판을 완성한다.

다만, 횡전계방식 액정표시소자는 공통전극을 컬러필터 어레이 기판에 형성하지 않고 박막 어레이 기판에 형성하여 박막 어레이 기판의 화소전극과의 사이에서 횡전계를 발생시켜 액정의 배향을 제어하므로, 횡전계방식의 컬러필터 어레이 기판에는 공통전극을 형성하지 않는다.

한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같은 본 발명의 컬러필터 어레이 기판의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 고비점(high boiling point)의 퍼짐성 좋은 컬러 레지스트를 사용하여 컬러필터층의 테이퍼(taper)를 개선하고, 인쇄법 또는 배면 노광(Back Exposure)을 적용하여 컬러필터층의 단차를 개선함으로써 표면이 평탄한 컬러필터층을 획득하게 된다.

따라서, 표면 평탄화를 위해 오버코트층을 도포하는 후공정을 수행하지 않아도 되므로 공정이 간소화되고 공정 비용이 절감된다.

둘째, 블랙 매트릭스와 컬러필터층이 오버랩되는 부분에서의 단차를 제거함으로써 단차부에서의 러빙 불량으로 인한 디스클리네이션을 방지하게 된다. 따라서, 액정표시소자의 구동시 화상품질이 향상된다.

셋째, 단차 없는 컬러필터층을 형성함으로써 컬러필터층 상에 형성하는 공통전극 또는 배향막의 스텝 커버리지(Step coverage)를 향상시킬 수 있다.

도 1a 내지 도 1g는 종래 기술에 의한 컬러필터 기판의 제조 방법을 나타낸 공정단면도.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 컬러 레지스트 도포 과정을 나타낸 공정사시도.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 컬러 레지스트 도포 과정을 나타낸 공정단면도.

도 4a 내지 도4c는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 컬러필터층 형성 과정을 나타낸 공정단면도.

도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 제 3 실시예에 의한 컬러필터 어레이 기판의 제작공정을 나타낸 공정단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호설명

111, 211, 311 : 기판 113, 213, 313 : 블랙 매트릭스

114, 214 : 컬러 레지스트 126, 226 : 디스펜서

127 : 분사 노즐 128 : 기판 스테이지

230 : 인쇄롤 231 : 블랭킷

232 : 닥터롤 240 : 클리체

241 : 오목홈 242 : 돌출부

315 : 컬러필터층 317 : 마스크

318 : 공통전극

Claims

기판 상에 블랙 매트릭스를 형성하는 단계;

상기 블랙 매트릭스를 포함한 전면에 단차가 없도록 70∼80℃의 고비점을 가지는 컬러 레지스트를 도포하는 단계;

상기 컬러 레지스트를 패터닝하여 컬러 필터층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 컬러필터 어레이 기판의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 고비점의 컬러 레지스트는 바인더 수지(binder monomer)와, 다기능 단량체(multi-functional monomer)와, 안료(pigment)와, 광중합 개시제와, 용매(solvent)와, 첨가제(additives)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 컬러필터 어레이 기판의 제조방법.
제 2 항에 있어서, 상기 컬러 레지스트의 비점이 70∼80℃가 되도록 상기 바인더 수지의 함유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 컬러필터 어레이 기판의 제조방법.
기판 상에 블랙 매트릭스를 형성하는 단계;

상기 블랙 매트릭스를 포함한 전면에 단차가 없도록 3∼5cp의 저점도를 가지는 컬러 레지스트를 도포하는 단계;

상기 컬러 레지스트를 패터닝하여 컬러 필터층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 컬러필터 어레이 기판의 제조방법.
제 4 항에 있어서, 상기 저점도의 컬러 레지스트는 바인더 수지(binder monomer)와, 다기능 단량체(multi-functional monomer)와, 안료(pigment)와, 광중합 개시제와, 용매(solvent)와, 첨가제(additives)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 컬러필터 어레이 기판의 제조방법.
제 5 항에 있어서, 상기 컬러 레지스트의 점도가 3∼5cp가 되도록 상기 용매의 함유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 컬러필터 어레이 기판의 제조방법.
기판 상에 블랙 매트릭스를 형성하는 단계;

상기 블랙 매트릭스를 포함한 전면에 단차가 없도록 20%이하의 고체 함유량을 가지는 컬러 레지스트를 도포하는 단계;

상기 컬러 레지스트를 패터닝하여 컬러 필터층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 컬러필터 어레이 기판의 제조방법.
제 7 항에 있어서, 상기 컬러 레지스트는 바인더 수지(binder monomer)와, 다기능 단량체(multi-functional monomer)와, 안료(pigment)와, 광중합 개시제와, 용매(solvent)와, 첨가제(additives)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 컬러필터 어레이 기판의 제조방법.
제 8 항에 있어서, 상기 컬러 레지스트의 고체 함유량이 20%이하가 되도록 상기 바인더 수지 또는 상기 다기능 단량체의 함유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 컬러필터 어레이 기판의 제조방법.
기판 상에 블랙 매트릭스를 형성하는 단계;

인쇄롤에 컬러 레지스트를 전사하고 클리체의 돌출부에 컬러 레지스트의 소정 부위를 피착시키는 단계;

상기 컬러 레지스트가 남아있는 상기 인쇄롤을 상기 기판 상에 재전사하여 상기 블랙 매트릭스 사이에 컬러 레지스트를 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 컬러필터 어레이 기판의 제조방법.
제 10 항에 있어서, 상기 인쇄롤에 컬러 레지스트를 전사하는 단계에서,

상기 컬러 레지스트가 단차없이 피착되도록 닥터 블레이드를 이용하여 밀어주는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 컬러필터 어레이 기판의 제조방법.
기판 상에 블랙 매트릭스를 형성하는 단계;

상기 블랙 매트릭스를 포함한 전면에 제 1 컬러 레지스트를 도포하는 단계;

상기 기판 배면에 제 1 마스크를 배치하고, 상기 제 1 컬러 레지스트를 배면 노광하는 단계;

상기 제 1 컬러 레지스트를 현상하여, 상기 블랙 매트릭스와 오버랩되는 부분에서 낮은 단차를 가지는 제 1 컬러필터층을 형성하는 단계;

상기 제 1 컬러 레지스트를 포함한 전면에 제 2 컬러 레지스트를 형성하는 단계;

상기 기판 배면에 제 2 마스크를 배치하고, 상기 제 2 컬러 레지스트를 배면 노광하는 단계;

상기 제 2 컬러 레지스트를 현상하여, 상기 블랙 매트릭스 및 제 1 컬러필터층과 오버랩되는 부분의 단차와 상기 블랙 매트릭스와 오버랩되지 않는 부분의 단차가 동일한 제 2 컬러필터층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 컬러필터 어레이 기판의 제조방법.
제 12 항에 있어서, 상기 컬러 레지스트는 네가티브 타입인 것을 특징으로 하는 컬러필터 어레이 기판의 제조방법.
제 13 항에 있어서, 상기 마스크의 투과영역이 컬러필터층 패턴을 남길 영역에 위치되도록 배치하는 것을 특징으로 하는 컬러필터 어레이 기판의 제조방법.