KR20080110148A - 액정표시소자용 포토마스크 및 이를 이용한 컬러필터의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액정표시소자용 포토마스크 및 이를 이용한 컬러필터의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차광영역의 적어도 한 변에 서로 평행하게 배열된 다수의 슬릿구조 또는 투과율이 조절된 구조를 포함하는 포토마스크 및 이를 이용한 컬러필터의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 포토마스크를 이용하여 제조된 컬러필터는 블랙 매트릭스로 구분된 화소의 경계면에서의 단차가 적어 액정셀에서 컬러필터와 박막트랜지스터의 간격 차이가 발생하는 현상을 줄일 수 있으며, 이러한 컬러필터를 이용하여 제조한 액정표시소자의 경우 별도의 공정이나 광학적 또는 회로보상 없이도 전계특성이 개선되어 명암대비가 향상되고 색상차 현상이 줄어드는 효과가 있다.

포토마스크, 컬러필터, 액정표시소자, 슬릿, 투과율

Description

액정표시소자용 포토마스크 및 이를 이용한 컬러필터의 제조방법{PHOTOMASK FOR LIQUID CRYSTAL DISPLAY AND METHOD OF MANUFACTURING COLOR FILTER USING THE SAME}

도 1은 본 발명의 슬릿 구조를 포함하는 포토마스크의 평면도이다.

도 2는 본 발명의 투과율이 조절된 구조를 포함하는 포토마스크의 평면도이다.

도 3은 도 1의 일부영역을 확대한 확대도이다.

도 4는 블랙 매트릭스 패턴에 의해 구분되는 경계면에서의 단차를 나타낸 단면도이다.

도 5는 블랙 매트릭스 패턴이 형성된 기판상에 컬러필터 층을 도포하고 종래의 포토마스크 및 본 발명의 포토마스크를 이용하여 노광 및 현상한 후의 단차를 비교한 단면도이다.

도 6은 포토마스크의 투과율에 따른 빛샘현상을 나타낸 사진이다.

도 7은 본 발명의 실시예 1의 투과율 5%의 포토마스크를 사용하여 형성된 패턴의 모습을 나타낸 사진이다.

도 8은 본 발명의 비교예 1의 투과율 3%의 포토마스크를 사용하여 형성된 패턴의 모습을 나타낸 사진이다.

본 발명은 평면표시장치, 예를 들어 액정표시소자에 사용되는 포토마스크 및 그 적용에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차광영역의 적어도 한 변에 서로 평행하게 배열된 다수의 슬릿구조 또는 투과율이 조절된 구조를 포함하는 액정표시소자용 포토마스크 및 이를 이용한 컬러필터의 제조방법에 관한 것이다.

액정표시소자에 사용되는 액정셀의 구조는 크게 구동을 위한 박막트랜지스터 기판과 색상을 구현하는 컬러필터, 그리고 두 기판 사이의 액정으로 이루어져 있다. 상기 컬러필터는 안료가 분산된 감광성 유기 물질을 이용하여 광식각법에 의해 패턴을 형성한 후 컬러영상을 구현하기 위해 세 종류 이상의 투과-흡수 파장을 갖는 컬러잉크를 이용하여 화소를 형성하는 기판이다. 액정표시소자에서 선명하고 자연스러운 영상을 구현하기 위해서는 높은 명암대비와 색상차가 최소화된 컬러필터를 이용해야 한다.

컬러필터의 제조에 있어서, 화소를 형성할 때 각 화소를 구분하기 위해 블랙 매트릭스를 사용하는 것이 필수적이다. 그러나, 블랙 매트릭스 패턴을 형성한 후 다시 화소를 형성할 때 가장 크게 문제가 되는 것은 화소의 경계면에서의 단차이다. 단차가 발생하는 경우, 액정셀에서 컬러필터와 박막트랜지스터 사이의 간격차이가 발생하므로, 결과적으로 전기장의 왜곡으로 이어지게 된다. 따라서, 명암대비가 감소하거나 색상차가 발생한다. 이러한 단점을 보완하기 위한 추가공정이 필요 하다. 예를들어 명암대비가 감소하는 경우 광학적인 보상 필름을 추가하여 이를 향상 시키거나, 색상차가 발생하는 경우 회로의 신호를 따로 보정해 주는 조치를 취할 수 있다. 그러나, 이는 액정표시소자의 제조 원가를 상승시키는 주요 원인이 될 수 있다.

단차를 줄이기 위한 다른 보편적인 방법으로는 투명한 유기박막을 추가적으로 도포하는 방법이 있다. 그러나, 이 방법 또한 추가 공정에 따른 비용증가, 그리고 유기박막 공정 중 이물에 의해 발생할 수 있는 불량 요소 등에 따른 수율 저하의 문제가 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 다수의 슬릿 구조 또는 투과율이 조절된 구조를 포함함으로써 컬러필터의 단차를 최소화할 수 있는 액정표시소자용 포토마스크를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 포토마스크를 이용하여 광학 보상 필름이나 회로 보상 또는 추가 공정 없이도 명암대비가 향상되고 색상차 현상이 줄어든 컬러필터의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 광에 대하여 차광성을 갖는 차광영역, 상기 차광영역으로 둘러싸이고 광에 대해 투광성을 갖는 투광영역 및 상기 차광영역의 적어도 한 변에 서로 평행하게 배열된 다수의 슬릿구조 또는 투과율이 조절된 구조를 포함하는 포토마스크를 제공한다.

도 1과 도 2는 이러한 본 발명의 일 구현예에 따른 포토마스크의 구조를 보여준다.

도 1에서 회색 부분은 광이 투과되지 않는 차광영역이고, 흰색 부분은 광이 투과되는 투광영역이다. 도 1의 포토마스크는 차광영역 중 적어도 한 변 이상에 다수의 슬릿 구조가 서로 평행하게 배열되어 있는 구조이다.

상기 슬릿 구조의 형태는 특별히 제한은 없으나, 직사각형 또는 격자 무늬 등의 형태일 수 있고, 설계의 편의상 직사각형의 형태가 바람직하다.

상기 각 슬릿 구조는 폭과 간격이 0.5 내지 20 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 슬릿 구조의 폭과 간격이 0.5㎛ 미만인 경우 슬릿을 안정적으로 형성하기 어렵고, 상기 슬릿 구조의 폭과 간격이 20㎛을 초과한 경우 원하는 패턴의 모양을 얻을 수 없어 화소부 경계면 부분에서의 단차를 줄일 수 없다.

또한, 상기 슬릿 구조는 차광영역 중 적어도 한 변 이상에 형성되는 것이 바람직하고, 차광영역의 적어도 2변 이상에 형성되는 것이 더욱 바람직하며, 차광영역의 모든 변에 형성되는 것이 가장 바람직하다.

한편, 도 3에 나타나 있는 것과 같이 슬릿의 개수와 크기를 통해 빛이 투과되는 양을 조절할 수 있다. 상기 포토마스크 내의 차광영역은 완전히 빛이 차단되고 상기 슬릿구조가 형성된 영역은 슬릿 구조에 의해 일부의 빛이 투과되어 상기 차광영역보다 적은 빛에너지를 받게 되지만, 상기 일부의 투과되는 빛에 의해 컬러필터 층이 반응하게 된다. 상기 슬릿 구조를 통하여 빛이 투과되는 영역은 최소 차광부 영역에 대하여 5 내지 90%인 것이 바람직하다. 상기 슬릿 구조에 의하여 빛이 투과되는 영역이 차광부 영역에 대해여 5% 미만인 경우 패턴의 형성이 어려울 수 있고, 90%를 초과할 경우 본 발명에 따른 효과가 나타나지 않는다.

도 2의 포토마스크는 차광영역에 투과율이 조절된 구조가 배열되어 있는 구조이다.

상기 투과율이 조절된 구조의 형태는 특별히 제한은 없으나, 예를 들어 직사각,형 원형 등의 형태일 수 있고, 설계의 편의상 직사각형의 형태가 바람직하다. 투과율을 조절하기 위한 방법으로는 Cr이나 Cr의 산화물 또는 Mo나 Mo의 산화물과 같이 금속이나 금속의 산화물로 박막을 형성하는 방법이 가능하다. 또한, 빛을 흡수하는 유기물질로 프탈로시아닌 고분자 또는 폴리이미드와 실리카 또는 실리콘 등을 코팅 또는 증착시켜 투과율을 조절하는 방법이 가능하다. 그러나, 특정 영역의 투과율을 조절할 수 있는한 특별히 기재된 방법에 국한되지 않는다.

상기 각 투과율이 조절된 영역은 최소 차광부 영역에 대해 10 내지 50%인 것이 바람직하다. 상기 투과율이 조절된 영역이 최소 차광부 영역에 대해 10% 미만인 경우 원하는 효과를 얻을 수 없고, 50%를 초과하는 경우 인접한 구조와 겹쳐져 설계가 불가능하다.

또한, 투과율이 조절된 구조는 차광영역 중 적어도 한 변 이상에 형성되는 것이 바람직하고, 적어도 2변 이상에 형성되는 것이 더욱 바람직하며, 차광영역의 모든 변에 형성되는 것이 가장 바람직하다.

상기 슬릿구조 또는 투과율이 조절된 구조에 의해 빛이 투과되는 양을 조절할 수 있다. 상기 슬릿구조 또는 투과율이 조절된 구조에 의해 투과되는 빛의 투과 율은 5 내지 90%인 것이 바람직하다. 상기 투과율이 5% 미만인 경우 패턴이 제대로 형성되지 않을 수 있으며, 90%를 초과하는 경우 본 발명에 따른 효과가 나타나지 않을 수 있다. 도 6은 투과율에 따른 빛샘현상을 관찰한 사진으로 투과율이 5% 미만 또는 90%를 초과한 경우 빛샘현상이 발생하는 것을 알 수 있다.

또한, 본 발명은

a) 블랙 매트릭스가 도포되어 있는 기판상에 컬러필터층을 형성하는 단계; 및

b) 상기 형성된 컬러필터 층을 본 발명의 포토마스크를 이용하여 노광하고 현상하는 단계;

를 포함하는 컬러필터의 제조방법을 제공한다.

상기 a)는 블랙 매트릭스가 도포되어 있는 기판에 컬러필터 층을 형성하는 단계이다. 상기 기판으로는 재료에 특별히 한정되지 않으나, 유리 기판, 플라스틱 등의 플렉시블 기판 또는 전도성 물질이 코팅된 유리 기판 등을 사용할 수 있으며, 내열성이 강한 투명 유리 기판이 바람직하다.

상기 블랙 매트릭스로는 수지 블랙 매트릭스나 Cr 또는 CrOx 블랙 매트릭스 등이 사용될 수 있으나, 블랙 매트릭스 기능을 하는 것이면 특별히 상기 예에 국한되지 않는다.

상기 컬러필터 재료는 노광 후 알칼리 현상액에 대해 용해도가 낮아지는 구조로 바뀌게 되어 비노광부가 현상되는 네가티브(negative)형 감광성 수지 조성물이 바람직하다.

상기 수지 컬러필터 층은 당 기술분야에서 알려진 방법, 예컨대 스핀코팅, 딥코팅 또는 닥터 블레이딩 등의 방법으로 도포한 후 50 내지 150℃에서 10 내지 1000초 동안 프리베이크 공정을 수행하여 형성할 수 있다.

상기 b)는 상기 형성된 컬러필터 층을 본 발명의 포토마스크를 이용하여 노광하고 현상하는 단계이다. 상기 본 발명의 포토마스크는 차광영역에 슬릿 구조 또는 투과율이 조절된 구조가 도입되어 있다. 따라서, 상기 포토마스크를 이용하여 노광된 컬러필터 층을 현상액 속에 담그거나 또는 스프레이함으로써 현상액에 노출시키면, 빛이 차단되어 빛과 반응하지 않는 포토마스크의 차광영역에 해당하는 컬러필터 층 부분은 상기 현상액과 반응하여 제거되고, 투광영역 부분에 해당하는 컬러필터 층 부분은 기판 위에 남게된다. 상기 포토마스크 중 슬릿 구조 또는 투과율이 조절된 구조에 의해 투과되는 빛의 양이 조절된 부분에 해당하는 컬러필터 층 부분은 도 5에서 도시한 바와 같이 블랙 매트릭스 패턴에 의해 구분되는 경계면에서의 높이가 낮아진 형태로 형성된다.

상기 노광은 당기술분야에 알려진 통상의 방법을 이용하여 수행할 수 있다. 상기 노광은 마스크얼라이너, 스테퍼 또는 스캐너 등의 노광장비를 이용하여 g-선(436nm), h-선(405nm), i-선(365nm), j-선(313 nm)의 단독 또는 혼합광원을 사용할 수 있다.

노광 에너지는 컬러필터 층의 감도에 따라 결정이 되며, 보통 10 내지 200 mJ/㎠를 사용할 수 있다. 상기 노광 에너지가 10 mJ/㎠ 미만인 경우 패턴이 정상적으로 형성되기 어려우며, 200 mJ/㎠을 초과한 경우 본 발명의 효과가 나타나지 않 을 수 있다.

상기 노광에 의해 용해도 차이가 발생된 컬러필터 층을 현상한 후의 컬러필터의 제조방법은 당 기술분야에 알려진 일반적인 방법으로 수행할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예

두께 약 1 ㎛의 블랙 매트릭스가 형성된 유리 기판 상에 컬러필터 재료(LG화학의 네가티브 타입의 컬러필터용 포토레지스트인 HCR3)를 스핀코팅 방법을 이용하여 도포한 후 100 ℃에서 2 분 동안 프리베이크하여 컬러필터 층을 형성하였다. 이 후 본 발명에 따른 차광 영역에 슬릿 구조 또는 투과율 조절 구조에 의해 투과되는 빛의 투과율이 각각 5 %, 10 %, 20 %, 50 % 및 90 %인 포토 마스크를 이용하여 고압수은 램프 하에서 100 mJ/㎠의 에너지로 노광시켰다. 상기 노광된 기판을 25 ℃의 온도에서 0.04 %의 KOH 수용액에서 스프레이 방식으로 현상한 후, 순수로 세정하고 에어블로잉(air blowing)에 의해 건조시켰다. 이후 220 ℃의 컨벡션 오븐에서 30 분간 포스트베이크(post-bake)하였다. 상기 컬러필터에 의해 형성된 개구부의 면적은 60 ㎛ × 180 ㎛이였고, 투과율이 조절된 부분의 면적은 픽셀당 세로선의 영역이 20 ㎛ × 180 ㎛, 가로선의 영역이 50 ㎛ × 60 ㎛이였다. 상기 컬러필터에 의해 형성된 개구부 중심 표면에서 유리면까지의 거리는 1.5 ㎛이였다.

상기 투과율이 5 %인 포토마스크를 사용한 경우의 경계면에서의 패턴의 모습 을 도 7에 나타내었다.

비교예 1

차광영역의 빛의 투과율이 3 %인 포토마스크를 사용한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 컬러필터를 제조하였다.

상기 투과율이 3 %인 포토마스크를 사용한 경우의 경계면에서의 패턴의 모습을 도 8에 나타내었다. 상기 도 8에서 볼 수 있듯이 경계면 영역에서 패턴이 제대로 형성되지 않아 선폭이 가늘고 매끄럽지 않게 형성됨을 알 수 있다.

비교예 2

차광영역의 빛의 투과율이 95 %인 포토마스크를 사용한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 컬러필터를 제조하였다.

비교예 3

투과율을 조절하지 않은 포토마스크를 사용한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 컬러필터를 제조하였다.

실험예

단차 측정

블랙 매트릭스 패턴을 포함하는 유리 기판상에 상기 실시예 1과 비교예 1 내지 3에서 제조한 컬러필터의 개구부 중앙부위의 잉크 막의 두께는 1.5 ㎛를 유지하였다. 도 4에 나타낸 바와 같이 개구부의 중앙부위와 블랙 매트릭스 상에 잉크가 솟은 부분 사이의 단차를 측정하여 아래 표 1에 기재하였다. 단차는 Tencor사의 Alpha-Step을 이용하여 측정하였다.

표 1. 투과율에 따른 단차의 변화

명암비 측정

컬러필터의 명암비는 선편광된 광원 위에 상기 실시예 1과 비교예 1 내지 3에서 제조된 컬러필터를 올려 놓은 후 편광판을 돌려 가며 빛의 세기를 측정하여 최대값을 최소값으로 나누어 준 값을 기준으로 측정하였다. 빛의 세기를 측정하는 방법으로는 일본 미놀타 상의 CCD 소자를 장착한 카메라를 이용하였다. 상기 결과를 아래 표 2에 기재하였다.

표 2. 투과율에 따른 명암비의 변화

본 발명에 따른 포토마스크를 이용하여 제조된 컬러필터는 블랙 매트릭스로 구분된 화소의 경계면에서의 단차가 적어 액정셀에서 컬러필터와 박막트랜지스터 사이의 간격 차이가 발생하는 것을 최소화할 수 있으며, 이러한 컬러필터를 이용하여 제조한 액정표시소자의 경우 별도의 공정이나 광학적 또는 회로보상 없이 전계특성이 개선되어 명암대비가 향상되고 색상차 현상이 줄어드는 효과가 있다.

Claims (11)

1. 광에 대하여 차광성을 갖는 차광영역, 상기 차광영역으로 둘러싸이고 광에 대해 투광성을 갖는 투광영역 및 상기 차광영역의 적어도 한 변에 서로 평행하게 배열된 다수의 슬릿구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토마스크.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 슬릿구조는 각각 폭과 간격이 0.5 내지 20㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 포토마스크.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 슬릿구조를 통하여 빛이 투과되는 영역이 차광영역에 대해 5 내지 90%인 것을 특징으로 하는 포토마스크.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 슬릿구조 구조에 의해 투과되는 빛의 투과율이 5 내지 90%인 것을 특징으로 하는 포토마스크.
5. 광에 대하여 차광성을 갖는 차광영역, 상기 차광영역으로 둘러싸이고 광에 대해 투광성을 갖는 투광영역 및 상기 차광영역의 적어도 한 변에 서로 평행하게 배열된 투과율이 조절된 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토마스크.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 투과율이 조절된 구조는 Cr, Cr의 산화물, Mo, Mo 의 산화물, 프탈로시아닌 고분자, 폴리이미드, 실리카 또는 실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 포토마스크.
7. 청구항 5에 있어서, 상기 투과율이 조절된 구조를 통하여 빛이 투과되는 영역이 차광영역에 대해 10 내지 50%인 것을 특징으로 하는 포토마스크.
8. 청구항 5에 있어서, 상기 투과율이 조절된 구조에 의해 투과되는 빛의 투과율이 5 내지 90%인 것을 특징으로 하는 포토마스크.
9. a) 블랙 매트릭스가 형성된 기판상에 컬러필터 층을 형성하는 단계; 및

   b) 상기 형성된 컬러필터 층을 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항의 포토마스크를 이용하여 노광하고 현상하는 단계;

   를 포함하는 컬러필터의 제조방법.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 기판은 유리 기판, 플렉시블 기판 또는 전도성 물질이 코팅된 유리 기판인 것을 특징으로 하는 컬러필터의 제조방법.
11. 청구항 9에 있어서, 상기 컬러필터 층을 형성하는 컬러필터 재료는 네가티브형 감광성 수지 조성물인 것을 특징으로 하는 컬러필터의 제조방법.

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