KR20070094679A - 컬러필터 기판 - Google Patents

Abstract

색재현성을 향상시킬 수 있는 컬러필터 기판이 개시된다. 컬러필터 기판은 베이스 기판, 베이스 기판 위에 복수의 개구부들을 형성하는 차광 패턴, 개구부들에 색을 발현하는 양자점(Quantum Dot)들로 형성된 컬러필터층 및 차광 패턴 및 컬러필터층 위에 형성된 투명 전극층을 포함한다. 이에 따라, 양자점으로 형성된 컬러필터층은 표현할 수 있는 색상의 종류를 다양화할 수 있어 컬러필터 기판의 색재현성을 향상시킬 수 있다.

컬러필터 기판, 양자점, RGB 컬러필터

Description

컬러필터 기판{COLOR FILTER SUBSTRATE}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 표시 패널의 평면도이다.

도 2는 도 1의 I-I'선을 따라 절단한 표시 패널의 단면도이다.

도 3은 양자점의 크기에 따른 발광 파장의 변화를 나타낸 스펙트라를 나타낸 도면이다.

도 4는 CIE 색도도 및 NTSC 표준 색 좌표를 나타낸 도면이다.

도 5는 패시베이션한 양자점의 성장 시간에 따른 피크 강도의 변화를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

500 : 표시 패널 100 : 컬러필터 기판

200 : 어레이 기판 110, 210 : 베이스 기판

CF : 컬러필터 R : 레드 컬러필터

G ; 그린 컬러필터 B : 블루 컬러필터

CE : 공통 전극 220 : 어레이층

PE : 화소 전극 TFT : 스위칭 소자

T1 : 제1 삼각형 T2 : 제2 삼각형

본 발명은 컬러필터 기판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 색재현성을 향상시킬 수 있는 컬러필터 기판에 관한 것이다.

일반적으로, 액정 표시 패널은 어레이 기판, 상기 어레이 기판과 대향하는 컬러필터 기판 및 상기 컬러필터 기판과 어레이 기판 사이에 개재된 액정층을 포함한다.

상기 어레이 기판은 복수의 게이트 배선들, 상기 게이트 배선들과 교차하도록 형성되는 복수의 소스 배선들, 상기 게이트 배선들과 소스 배선들이 구획하는 화소 영역 및 상기 화소 영역에 형성된 화소 전극을 포함한다. 상기 화소 영역에는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하는 스위칭 소자가 형성되고, 상기 드레인 전극과 화소 전극이 전기적으로 연결된다.

상기 컬러필터 기판은 차광층, 색상을 구현하는 RGB 컬러필터층, 상기 액정층에 전압을 인가하기 위한 공통 전극으로 구성되어진다. 상기 컬러필터 기판의 상기 RGB 컬러필터층은 복수의 컬러필터들로 구성되어 있으며, 상기 컬러필터층은 백색광으로부터 필터링하는 색에 따라 적색 컬러필터(R), 녹색 컬러필터(G) 및 청색 컬러필터(B)들을 포함한다. 이들 상기 컬러필터들은 컬러필터 기판 상에 매트릭스형태로 배치되고, 각 컬러필터들은 컬러필터 기판 상에 교대로 배치된다.

상기 컬러필터들은 상기 어레이 기판의 화소 영역에 일대일 대응된 구조로 화소 영역의 액정 셀의 투과율을 조절하면서 밝기가 각각 다른 R, G, B의 조합으로 여러 종류의 색을 표현할 수 있다.

최근에는 표시 장치의 대형화와 동영상 표현에 따른 고화질 실현 및 색의 순도 향상에 대한 연구가 진행 중이다. 예를 들어, 상기 컬러필터들의 두께를 증가시켜 상기 표시 장치의 색상 범위를 증가시킬 수 있다. 그러나 상기 컬러필터들의 두께가 증가됨에 따라 휘도가 급격히 감소하는 문제점이 있다.

또한, R, G, B의 조합으로는 다양한 색을 표현할 수 없고, 상기 R, G, B 이외의 추가적인 컬러를 도입하는 경우, 비용적인 면 및 기술적인 면에 있어서 양산하기에 어려움이 있다.

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 색재현성을 증가시키기 위한 컬러필터 기판을 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 실시예에 따른 컬러필터 기판은 베이스 기판, 상기 베이스 기판 위에 복수의 개구부들을 형성하는 차광 패턴, 상기 개구부들에 색을 발현하는 양자점(Quantum Dot)들로 형성된 컬러필터층 및 상기 차광 패턴 및 컬러필터층 위에 형성된 투명 전극층을 포함한다.

이러한 컬러필터 기판에 따르면, 양자점으로 형성된 컬러필터층을 통해 표현할 수 있는 색상의 종류를 다양화할 수 있어 컬러필터 기판의 색재현성을 향상시킬 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하 게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 표시 패널의 평면도이고, 도 2는 도 1의 I-I'선을 따라 절단한 표시 패널의 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 액정 표시 패널(500)은 컬러필터 기판(100), 어레이 기판(200) 및 액정층(미도시)을 포함한다.

컬러필터 기판(100)은 베이스 기판(110), 차광 패턴(BM), 컬러필터층 및 공통 전극(CE)을 포함한다. 베이스 기판(110)은 광이 투과될 수 있는 투명한 물질, 예를 들어, 베이스 기판(110)은 유리로 이루어진다.

차광 패턴(BM)은 각 화소의 경계 부근에 설치되어 단위화소(P)의 RGB를 각각 분리하는 동시에 어레이 기판(200)에 형성되는 화소전극(PE)이 통제하지 못하는 영역의 액정을 통과해 나오는 빛을 차단한다. 차광 패턴(BM)은 개구부를 포함하고, 어레이 기판(200)의 게이트 배선(GL) 및 소스 배선(DL)에 대응하는 영역에 대응하여 형성된다.

상기 차광층은 어레이 기판(200)상에 형성된 게이트 배선(GL)들 및 소스 배선(DL)들이 교차하면서 형성하는 화소영역(P)들에 대향하여 형성된 복수의 컬러필터(CF)들이 반복하여 배치되어 형성된다.

복수의 컬러필터(CF)들은 백색광에 포함된 레드 광을 출사시키는 레드(Red) 컬러필터(R), 백색광에 포함된 그린 광을 출사시키는 그린(Green) 컬러필터(G) 및 백색광에 포함된 블루 광을 출사시키는 블루(Blue) 컬러필터(B)를 포함한다. 상기 RGB 화소의 컬러필터(CF)들의 투과율을 조절하면 밝기가 각각 다른 레드, 그린, 블 루의 조합으로 다양한 종류의 색을 표현할 수 있다.

컬러필터(CF)는 양자점(Quantum Dot; 이하 QD)으로 형성된다. 예를 들어, 레드 컬러필터(R)는 레드 색을 발하는 복수의 제1 양자점(QD)들로 형성되고, 그린 컬러필터(G)는 그린 색을 발하는 복수의 제2 양자점(QD)들로 형성된다. 상기 블루 컬러필터(B)는 블루 색을 발하는 복수의 제3 양자점(QD)들로 형성된다.

상기 레드, 그린 및 블루 색을 발하는 제1, 제2 및 제3 양자점(QD)이외에 추가적인 색을 발하는 양자점들을 이용한 컬러필터(CF)를 추가적으로 형성할 수 있다.

컬러필터 기판(100)은 평탄화층을 더 포함할 수 있다. 상기 평탄화층은 베이스 기판(110)과 평행한 수직선 형상으로 차광 패턴(BM) 및 상기 컬러필터층을 덮도록 형성되는 것이 바람직하다.

공통 전극(CE)은 차광 패턴과 상기 컬러필터층을 덮도록 형성된다. 이때, 차광 패턴(BM)과 상기 컬러필터층 위에 상기 평탄화층이 형성된 경우에는 상기 평탄화층의 상부에 공통 전극(CE)이 형성된다.

공통 전극(CE)은 투명하면서도 도전성이 있는 예를 들어, 산화 주석 인듐(Indium Tin Oxide, ITO), 산화 아연 인듐(Indium Zinc Oxide, IZO) 및 아몰퍼스 산화 주석 인듐(amorphous Indium Zinc Oxide, a-ITO)등으로 형성된다.

컬러필터 기판(100)의 하부에는 컬러필터 기판(100)과 대향하여 스위칭 소자(TFT)를 포함하는 어레이 기판이 배치된다. 어레이 기판(200)은 베이스 기판(210)위에 형성된 게이트 배선(GL), 소스 배선(DL), 스위칭 소자(TFT) 및 화소 전극(PE) 을 포함한다.

게이트 배선(GL)은 제1 방향(D1)으로 연장되어 형성되고, 상기 제1 방향(D1)과 수직한 제2 방향(D2)을 따라 복수개가 병렬로 배열된다. 소스 배선(DL)은 상기 제2 방향(D2)으로 연장되어 형성되고, 상기 제1 방향(D1)을 따라 복수개가 병렬로 배열된다. 게이트 배선(GL)은 스위칭 소자(TFT)의 게이트 전극(미도시)과 전기적으로 연결되고, 소스 배선(DL)은 스위칭 소자(TFT)의 소스 전극(미도시)과 전기적으로 연결된다.

게이트 절연층, 반도체층, 오믹 콘택층 등이 매트릭스 형태로 형성된 어레이층(220)이 베이스 기판(210) 상에 형성되고, 어레이층(220) 위에 화소 전극(PE)이 형성되어 스위칭 소자(TFT)와 화소 전극(PE)은 전기적으로 연결된다.

액정층(미도시)은 컬러필터 기판(100) 및 어레이 기판(200)의 사이에 개재되어 형성된다. 컬러필터 기판(100)의 공통 전극(CE)과 어레이 기판(200)의 화소전극(PE) 사이에 형성된 전계의 방향 및 전계의 세기에 의하여 광의 투과율을 조절한다.

이하, 양자점(QD)에 대해 상세하게 후술한다.

도 3은 양자점의 크기에 따른 발광 파장의 변화를 나타낸 스펙트라를 나타낸 도면이다.

양자점(QD)은 예를 들어, 카드뮴-셀레늄(CdSe)으로 형성되고, 이는 중심(Core) 및 껍질(Shell)을 갖는 코어-쉘 구조(Core-Shell structure)로 형성된다. 상기 양자점은 구성 원자에 따라서 다양한 종류가 있으나, 본 발명에서는 카드뮴- 셀레늄(CdSe)을 포함하는 양자점을 일례로 하여 설명하기로 한다.

양자점(QD)이란 나노(nano; 10^(-9)) 크기의 입자를 말하며, 나노 크리스탈(Nano Crystal)이라고 하기도 한다. 일반적으로 양자점은 지름이 30nm보다 작은 입자로서, 상기 양자점(QD)은 인위적으로 특정 크기로 형성할 수 있다. 상기 양자점(QD)은 동일한 물질로 이루어진 경우에라도, 그 크기에 따라 다른 색을 발하는 특성이 있다. 예를 들면, 카드뮴-셀레늄(CdSe)으로 형성된 양자점(QD)은 그 크기가 1.2nm에서 12nm로 증가함에 따라 블루 색에서 그린, 옐로우색을 거쳐 레드 색으로 변하게 된다.

상기와 같은 특성을 갖는 이유는 상기 양자점(QD)의 크기가 작을수록 표면 원자가 차지하는 비율이 높아지고 이를 열역학적인 관점에서 보면, 표면을 구성하는 원자들은 내부에 위치한 원자보다 에너지가 높기 때문이다. 또한, 표면 원자에 무관하게 단순한 내부 결정의 크기의 함수로서 나타내어지는 전자 에너지 준위 밀도의 체계적인 변화에 의해서도 상기와 같은 특성을 갖게 된다.

이에 따라, 상기 양자점(QD)의 크기가 작을수록 큰 밴드 갭 에너지를 가지고, 상기 양자점(QD)의 크기가 클수록 작은 밴드 갭 에너지를 가진다. 또한, 입자의 밴드 갭 에너지가 클수록 단파장 형광을 발하게 되고, 입자의 밴드 갭 에너지가 작을수록 장파장 형광을 발하게 된다.

도 3을 참조하면, 카드뮴-셀레늄(CdSe)으로 이루어진 양자점(QD)의 크기에 따른 발광 파장을 나타낸 발광 스펙트라(Emission Spectra)를 나타낸 그래프이며, 상기 그래프의 x축은 양자점(QD)의 발광 파장(nm)을 나타내고, 상기 그래프의 y축 은 빛의 최대 강도(max. intensity)를 1로 정의한 상대값을 나타낸다.

상기 양자점(QD)의 지름이 가장 작은 경우(S1)에는, 상기 양자점(QD)의 밴드 갭 에너지가 가장 크고, 대략 460nm 내지 480nm의 단파장을 최대 강도로 발하게 된다. 즉, 단파장 형광에 해당하는 블루 계열을 발하게 된다.

상기 양자점(QD)의 크기가 커짐에 따라(S2<S3<S4<S5<S6) 그린 계열의 색에서 옐로우 계열의 색을 발하게 된다. 상기 양자점(QD)의 지름이 가장 큰 경우(S6<S7)에는, 대략 660nm 내지 680nm의 장파장을 최대 강도로 발하게 된다. 즉, 장파장 형광에 해당하는 레드 계열을 발하게 된다.

동일한 물질인 카드뮴-셀레늄(CdSe)으로 형성된 양자점(QD)이지만, 상기 양자점(QD)의 크기에 따라서 다른 파장에서 최대 강도를 나타내며, 각기 다른 색을 발현한다. 상기 양자점(QD)은 특정 파장에서 최대 강도를 나타내고, 상기 특정 파장에서 최대 발광 효율을 가지므로 상기 그래프 상에서는 샤프한 픽크의 스펙트라를 갖는다.

이상에서 본 바와 같은 상기 양자점(QD)의 성질을 통해, 상기 크기를 조절하여 특정한 색을 발하게 되는 양자점(QD)을 이용한 레드, 그린 및 블루 컬러필터(R, G, B)를 형성할 수 있다.

도 4는 CIE 색도도 및 NTSC 표준 색 좌표를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, CIE 색도도는 색 좌표계에서 디스플레이의 원색(Primary color)인 RGB의 색 좌표를 이루는 삼각형의 안쪽에 속하는 색들은 RGＢ의 적절한 혼합으로 표현이 가능하다. 따라서 이들 원색의 색 좌표가 순색의 RGB에 근접할수 록 표시패널이 표현할 수 있는 색의 범위가 넓어진다.

상기 CIE 색도도 내부에는 NTSC(National Television Standard Committee)에서 디스플레이의 표준 색 좌표로 정의한 값, 레드의 경우 제1 꼭지점(R1(0.67, 0.33)), 그린의 경우 제2 꼭지점(G1(0.21, 0.71)) 및 블루의 경우 제3 꼭지점(B1(0.14, 0.08))으로 표현되는 좌표들을 연결한 제1 삼각형(T1)을 형성한다.

이때, 상기 NTSC 표준 색 좌표에서의 디스플레이의 색 재현성은 [디스플레이의 RGB 좌표계의 삼각형의 면적]을 [NTSC 표준 좌표계의 삼각형 면적]으로 나눈 값에 100을 곱한 백분율로 정의된다.

상기 제1, 제2 및 제3 꼭지점(R1, G1, B1) 중 적어도 하나 이상의 꼭지점을 이동하여 상기 삼각형의 면적을 증가시키면 색재현성을 증가시킬 수 있다. 즉, 상기 삼각형의 면적을 증가시킴에 따라, 상기 컬러필터들의 조합에 의해 발현할 수 있는 색상은 더욱 더 다양해질 수 있다.

또는, 상기 제1, 제2 및 제3 꼭지점(R1, G1, B1) 이외에 다른 색상을 갖는 제n 꼭지점을 형성하여 상기 RGB 컬러필터층이 표현할 수 있는 영역을 확장할 수 있다. 상기 제n 꼭지점이 더 정의되는 경우, 상기 컬러필터 기판에 형성되는 컬러필터(CF)의 종류가 3이상이 된다.

상기 양자점(QD)을 이용하여 컬러필터들을 형성함으로써 상기 제1, 제2 및 제3 꼭지점을 이동시킬 수 있다. 상기 양자점은 상기 도 3에서와 같이 특정 크기에서는 특정한 색을 발하고, 상기 양자점이 발하는 빛의 강도(intensity)는 샤프한 스펙트라를 가지므로 제4, 제5 및 제6 꼭지점(R2, G2, B2)으로 정의될 수 있다.

상기 양자점이 정의하는 제4, 제5 및 제6 꼭지점(R2, G2, B2)으로 형성되는 제2 삼각형(T2)의 면적은 상기 제1 삼각형(T1)의 면적보다 크게 되어 색재현성이 커지게 된다. 상기 제2 삼각형(T2)의 면적은 상기 제1 삼각형(T1)의 면적보다 크게 형성하여 색재현성이 100% 이상의 값을 가질 수 있어 고 색재현성을 실현할 수 있다.

한편, 상기 양자점(QD)에 대하여 상기 양자점(QD)의 껍질(Shell)에 형성된 표면원자에 밴드 갭 에너지가 큰 다른 물질을 결합시키는 패시베이션 (passivation) 이라는 화학적 과정을 거치면 구조의 재구성 및 표면 간섭(Strain)이 줄어들게 되어 표면 결함 (defect)에 대한 영향을 줄일 수 있다.

이에 따라, 상기 패시베이션한 양자점(QD)은 상기 패시베이션에 의해 강도(intensity)를 증가시킬 수 있다. 상기 패시베이션한 양자점(QD)으로 컬러필터(CF)를 형성함에 따라, 발광 효율을 상승시킬 수 있다.

도 5는 양자점의 성장(aging) 시간에 따른 피크 강도의 변화를 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 카드뮴-셀레늄(CdSe)으로 형성된 양자점(QD)은 대략 500nm 내지 600nm에서 최대 흡광도를 가진다.

상기 카드뮴-셀레늄 양자점(QD)을 예를 들어, 클로로포름 용액에서 패시베이션하는 경우 시간이 지날수록 상기 최대 흡광도를 가지는 파장에서, 대략 500nm 내지 600nm에서 발광 최대 강도(Emissin max intensity)가 점점 증가하게 된다. 즉, 상기 패시베이션된 양자점(QD)의 경우 발광 효율이 증가하므로 컬러필터 기판(100)의 색재현성을 향상시킬 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바에 의하면, 이와 같은 상기 양자점(QD)의 특성에 의해, 컬러필터 기판(100)의 컬러필터(CF)들을 양자점(QD)들로 형성하여 색재현성을 향상시킬 수 있다.

이와 같은 컬러필터 기판에 따르면, 레드 컬러필터, 그린 컬러필터 및 블루 컬러필터들을 포함하는 컬러필터층의 각각 컬러필터를 양자점(Quantum Dot)들로 형성하여 다양한 색상을 표현할 수 있어 색재현성을 증가시킬 수 있다. 상기 각각의 컬러필터를 양자점들로 형성함에 따라, 색의 순도 및 휘도를 향상시킬 수 있다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 베이스 기판;

   상기 베이스 기판 위에 복수의 개구부들을 형성하는 차광 패턴;

   상기 개구부들에 색을 발현하는 양자점(Quantum Dot)들로 형성된 컬러필터층; 및

   상기 차광 패턴 및 컬러필터층 위에 형성된 투명 전극층을 포함하는 컬러필터 기판.
2. 제1항에 있어서, 상기 컬러필터층은 제1 컬러필터, 제2 컬러필터 및 제3 컬러필터를 포함하고,

   상기 제1 컬러필터는 제1 색을 발현하는 제1 양자점들로 형성되고, 상기 제2 컬러필터는 제2 색을 발현하는 제2 양자점들로 형성되며, 제3 컬러필터는 제3 색을 발현하는 제3 양자점들로 형성되는 것을 특징으로 하는 컬러필터 기판.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1 색을 발현하는 제1 양자점과, 상기 제2 색을 발현하는 제2 양자점 및 상기 제3 색을 발현하는 제3 양자점의 크기는 서로 다른 것을 특징으로 하는 컬러필터 기판.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1 색은 레드(Red)색이고, 상기 제2 색은 그린 (Green) 색이고, 상기 제3 색은 블루(Blue) 색인 경우,

   상기 제3 양자점보다 상기 제2 양자점의 크기가 크고, 상기 제2 양자점보다 상기 제1 양자점의 크기가 큰 것을 특징으로 하는 컬러필터 기판.
5. 제1항에 있어서, 각 양자점은 상기 색의 발현성을 향상시키기 위해 패시베이션(Passivation) 처리된 것을 특징으로 하는 컬러필터 기판.

Images