KR20110022108A - The method of spacer height measurement with parallel plate and apparatus of spacer height measurement with parallel plate - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 유리기판에 부착된 간극제의 높이를 원기를 써서 일정한 압력으로 누르면서 검사하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and an apparatus for inspecting the height of the gap agent attached to a glass substrate while pressing it at a constant pressure by using the original air.
액정층의 두께(Cell Gap)는 간극제의 높이에 의하여 결정이 된다. 액정층의 두께가 달라지면 화면 색도와 응답특성 등이 달라지므로, 간극제의 높이를 일정하게 만들어야 한다. 또한 간극제의 높이에 따라서 액정 주입량을 달리해야 하므로, 간극제의 높이를 정밀하게 재야한다. The thickness (Cell Gap) of the liquid crystal layer is determined by the height of the gap agent. If the thickness of the liquid crystal layer is different, the chromaticity and response characteristics of the screen are different, so that the height of the gap agent must be made constant. In addition, since the amount of liquid crystal injection must be varied according to the height of the gap agent, the height of the gap agent must be precisely measured.
종래에는 광간섭법을 써서 간극제의 높이를 쟀다. 도 1은 종래의 측정 장치도이다. 기판부(100)에는 간극제가 형성되어 있다. 유리기판(104) 위에 빨강, 초록, 파란색의 칼라필터층(103)이 만들어져 있고, 인접 화소의 경계면에는 빛이 새어나지 않도록 빛을 흡수하는 블랙매트릭스(BM; Black Matrix, 102)가 칼라필터층 과 동일 평면에 형성되어 있다. 간극제 주변에는 간극제의 형상 때문에, 액정배향이 달라지어 빛이 누설될 수 있으므로, 간극제는 블랙매트릭스 위에 만든다. Conventionally, the height of the gap agent is measured by using the optical interference method. 1 is a diagram of a conventional measuring device. The gap agent is formed in the
광원(40)에서 나온 빛은 렌즈(43)를 지나 평행광이 되어 간섭체 (interferometric object ; 200)에 입사된다. 간섭체의 빔분할기(203)에서 빛은 나누어져서 일부는 표면이 매우 평탄한 기준면(202)에서 반사되고, 일부는 빔분할기를 지나 기판부(100)에 만들어진 간극제의 표면에서 반사되는데, 빔분할기(203)에서 나누어진 두 빛이 지나온 경로에 따라서 위상의 차이가 생기므로 간섭무늬를 띄게 된다. 이 간섭무늬를 CCD(41)로 촬영한다. 간섭체를 상하로 미세 조절하면, 빔분할기를 지나온 빛만이 위상이 달라져서 간섭무늬의 모양이 달라진다. 간섭체의 이동량에 따른 간섭무늬를 해석하여 간극제의 3차원 영상으로 전환하여 이로부터 간극제의 높이를 결정한다. 광원의 빛을 여러 파장이 섞여있는 백색광을 사용하면, 보다 정밀한 형상을 얻을 수 있다. 이러한 방법을 백색광 주사 간섭법(White Light Scanning Interfermetry)라고 한다. 에스앤유프리시전(주) 회사가 백색광 주사 간섭법을 써서 간극제 높이를 측정하는 장비를 현재 상용 판매하고 있다.Light emitted from the
간극제는 아크릴계 수지로 만드는데 모양은 원통형이고 높이는 보통 3㎛, 부착면인 아래 직경은 약 20 ~ 30㎛ 정도이고, 위 직경은 노광 특성상 아래 보다 3~8㎛ 정도 작다. BM(102) 부분에 접촉하는 쪽이 직경이 크다. 액정층의 두께를 정밀하게 유지하려면 간극제가 누르는 압력에 따라서 변형이 되는 탄성력이 있어야 한다. TFT LCD 공정에서는 액정을 원터치(One Touch. One Drop) 방식으로 액정셀의 유리기판을 합착한다. 이 방식에서는 액정주입과 두 유리기판 합착이 동시에 이루어진다. 진공에서 유리기판에 액정을 떨어뜨리고, 유리기판 두 장을 일정한 힘으로 가압하여 합착하는데, 이 합착 과정에서 간극제는 힘을 받으므로 변형된다. 따라서 액정셀의 전체 액정이 차지하는 부피는 합착하는 힘에 따라 달라지므로, 가압력에 따른 간극제 높이 변화는 중요한 검사 항목이다. 가압력을 결정하고, 이 가압력에서 간극제의 높이를 잰 다음, 간극제 높이에 대응되는 액정량을 토출한다. 그러나 도 1과 같은 비접촉 측정법을 쓰는 경우에는 간극제에 힘을 가할 수 없고, 또한 주위 진동에 예민하기 때문에 방진장치가 설치되어 가격이 높고, 진동이 없는 상태에서 측정해야 하므로 간섭체가 빠르게 이동할 수 없어, 1회 검사시간이 10초 이상이 소요된다. 7세대나 8세대 TFT LCD 생산공장처럼 큰 기판을 검사할 경우에는 광학계를 여러 대 달아서 전체 소요시간을 줄여야 하기 때문에 검사장치가 고가이다.The gap agent is made of acrylic resin, which is cylindrical in shape and usually has a height of 3 μm, and the bottom diameter of the attachment surface is about 20 to 30 μm, and the upper diameter is about 3 to 8 μm smaller than the bottom in terms of exposure characteristics. The one in contact with the BM 102 portion has a larger diameter. In order to maintain the thickness of the liquid crystal layer precisely, there must be an elastic force that deforms according to the pressure of the spacer. In the TFT LCD process, the liquid crystal cell is bonded to the glass substrate of the liquid crystal cell by one touch. In this method, the liquid crystal injection and the two glass substrates are bonded at the same time. In the vacuum, the liquid crystal is dropped on the glass substrate, and the two glass substrates are pressed together by a constant force, and the bonding agent is deformed because of the force. Therefore, since the volume occupied by the entire liquid crystal of the liquid crystal cell depends on the bonding force, the change in the gap height according to the pressing force is an important test item. The pressing force is determined, the height of the gap agent is measured at this pressing force, and the amount of liquid crystal corresponding to the gap height is discharged. However, in the case of using the non-contact measuring method as shown in FIG. 1, since the force cannot be applied to the gap agent and is sensitive to the surrounding vibration, the interference device cannot be moved quickly because the vibration is installed and the price is high and the measurement must be performed without the vibration. This test takes about 10 seconds or more. In the case of inspecting a large substrate, such as a 7th generation or 8th generation TFT LCD production plant, an inspection apparatus is expensive because it requires reducing the overall time required by attaching several optical systems.
고착형 간극제(Column Spacer)는 아크릴계 수지로 어느 정도 탄성력이 있어 누르는 압력에 따라서 높이가 달라진다. 액정셀을 합착하는 과정에서 유리기판에는 일정한 압력이 가해지므로, 누르는 압력에 따라서 고착형 간극제의 높이를 재는 것이 필요하다. 종래에는 광간섭법을 써서 비접촉 방법으로 간극제의 높이를 쟀으므로 가압하는 힘에 따른 변형을 잴 수 없었다. 본 발명에서는 유리기판 위에 원기를 일정한 압력으로 눌러주어, 원기와 유리기판이 간극제에 의하여 일정한 거리가 유지되도록 하고, 원기와 유리기판 사이의 간섭 및 다중간섭에 의한 광학적 특성 또는 정전용량과 같은 전기적 특성을 재서, 이로부터 간극제의 높이를 결정할 수 있게 하였다. The fixing spacer (Column Spacer) is an acrylic resin that has a certain elastic force, and the height varies depending on the pressing pressure. Since a certain pressure is applied to the glass substrate in the process of bonding the liquid crystal cell, it is necessary to measure the height of the fixing type gap agent according to the pressing pressure. Conventionally, since the height of the gap agent is measured by the non-contact method using the optical interference method, the deformation due to the pressing force cannot be detected. In the present invention, by pressing the pressure on the glass substrate at a constant pressure, the distance between the original substrate and the glass substrate by the gap agent, and the electrical characteristics such as optical characteristics or capacitance due to interference and multiple interference between the original substrate and the glass substrate It was then possible to determine the height of the gap agent.
본 발명을 구현한 검사방법은 누르는 힘에 따른 간극제의 변형 높이를 잴 수 있으므로 액정셀의 높이를 정밀하게 만들 수 있다. 또한 정전용량법과 다중간섭으로 재면 진동에 영향을 받지 않고, 또한 1초 미만으로 빠르게 잴 수 있으므로 장치 구성비를 낮출 수 있다.Since the inspection method embodying the present invention can measure the deformation height of the gap agent according to the pressing force, it is possible to precisely make the height of the liquid crystal cell. In addition, the capacitive method and multi-interference are not affected by the surface vibration, and can be quickly measured in less than 1 second, thereby reducing the device configuration ratio.
본 발명은 간극제(101)가 형성되어있는 기판부(100)를 일정한 압력으로 눌러주는 원기(302)를 도입하였다. 원기(302)와 기판부의 유리기판(104) 사이의 공기층 경계면에서의 광학(Optic)적 유전(Dielectric)적 특성을 재서 간극제의 높이를 알 아낸다. The present invention introduces a primitive 302 that presses the
원기의 정도는 1λ, λ/2, λ/4, λ/10, λ/20, λ/30가 있는데, 이는 25.4mm 거리에서 평탄도가 벗어나는 정도를 나타낸다. 파장의 기준은 550nm이다. 1λ급 원기는 0.5㎛, λ/2급 원기는 파장의 약 1.0㎛, λ/10급 원기는 25.4mm에서 파장의 10% 정도가 되는 0.05㎛만큼 평탄도가 벗어난다. 측정정도가 0.01㎛이고, 측정면적이 10× 10mm라면 λ/20급 이상의 정도가 되는 원기를 써야한다. The degree of primitive is 1λ, λ / 2, λ / 4, λ / 10, λ / 20, λ / 30, which indicates the degree of flatness deviation at a distance of 25.4 mm. The wavelength is 550 nm. The 1λ class is out of flatness by 0.5 μm, the λ / 2 class is about 1.0 μm in wavelength, and the λ / 10 class is 0.05 μm, which is about 10% of the wavelength at 25.4 mm. If the measurement accuracy is 0.01 µm and the measurement area is 10 × 10 mm, the base shall be used with a degree of λ / 20 or more.
도 2는 본 발명을 종래의 광간섭법에 적용한 것이다. 가압부(300)는 원기(302)와 가압기(301)가 결합된 구조이다. 가압기는 원기에 힘을 가하는 부분으로, 가장 간단한 구조는 두꺼운 유리로 된 구조이다. 유리의 비중은 2.4이므로 100mm 되는 크기라면 단위 ㎠당 24g의 힘을 받는다. 유압이나 공기압을 쓰면, 힘의 크기를 쉽게 조절할 수 있다. 광원(40)에서 나온 빛은 렌즈(43)를 지나 평행광이 되어 간섭체(interferometric object;200)에 입사된다. 간섭체의 빔분할기(203)에서 빛은 나누어져서 일부는 표면이 매우 평탄한 기준면(202)에서 반사되고, 일부는 빔분할기(203)와 가압부(300)를 지나 기판부(100)에 만들어진 간극제의 표면에서 반사되는데, 빔분할기(203)에서 나누어진 두 빛이 지나온 경로에 따라서 위상의 차이가 생기므로 간섭무늬를 띄게 된다. 도 2와 같은 구조에서는 간극제의 입체 모양을 알아낼 필요가 없이, 칼라필터면(103)와 원기면(302)이 이루는 간단한 판 구조가 되므로, 이 판의 높이가 간극제의 높이가 된다. 가압기에 무게를 올리거나 또는 공기압을 높이면 간극제의 높이 변화를 쉽게 검사할 수 있다.2 applies the present invention to a conventional optical interference method. The pressurizing
평행한 축전기(Parallel Capacitor)를 모형으로, 정전용량(Capacitance)을 재서 간극제의 두께를 알 수 있다. 두 전극의 겹치는 영역의 면적이 A이고 거리가 d인 축전기의 정전용량 C는 아래 식과 같다. Using a parallel capacitor as a model, the thickness of the gap agent can be determined by measuring the capacitance. The capacitance C of a capacitor having an area A and a distance d of two electrodes is expressed by the following equation.
ε은 두 전극 사이의 매질의 유전율이다. 정전용량과 면적을 알고 있으면 전극과 전극 사이의 떨어진 거리(d)는 아래 식과 같다.ε is the permittivity of the medium between the two electrodes. If the capacitance and the area are known, the distance d between the electrode and the electrode is as follows.
도 3은 정전용량법을 적용한 본 발명의 장치도이다. 도 3에서는 가압부(300)의 원기(302)에 원기전극(303)을 형성하였다. 기판부(100)의 칼리필터층(103) 위에는 칼라필터전극(105)이 형성되어 있다. 칼라필터전극(105)은 TFT LCD에서는 공통전극이라고 부른다. 측정정밀도는 원기전극의 가장자리에서 생기는 가장자리 전기장(Fringe Field)이 중요 요소인데, 가장자리 전기장이 미치는 범위는 보통 두 전극의 이격거리(d)이다. 따라서 0.1% 정도의 정밀도를 얻으려면, 전극의 길이가 전극의 이격거리인 간극제의 두께(d)에 1000배 정도 커야한다. 현재 90도 TN형 TFT LCD의 간극제의 높이는 약 3㎛ 정도이다. 정전용량으로 간극제의 높이를 재는 경우 0.1% 분해능이라면 전극의 크기를 2~3mm로 만든다. 원기전극과 칼라필터전극을 엘씨알메터(50)에 연결하여 정전용량을 잰다.3 is an apparatus diagram of the present invention to which the capacitive method is applied. In FIG. 3, the
간극제가 차지하는 면적은 보통 0.2% 미만이면 무시하고, 그 이상이면 간극제가 차지하는 부분과 공기층이 차지하는 두 부분이 병렬연결된 것으로 보아 간극제의 높이를 결정한다. 간극제가 차지하는 면적의 비율이 x라면, 간극제의 두께(d)는 아래 식으로 구한다. 두 전극이 겹치는 부분의 면적이 A이고, ε1은 공기의 유전율이고 ε2는 간극제의 유전율이다.If the area occupied by the gap agent is usually less than 0.2%, it is ignored, and if it is larger than that, the height of the gap agent is determined by the parallel connection between the two parts of the gap agent and the air layer. If the ratio of the area occupied by the gap agent is x, the thickness d of the gap agent is obtained by the following equation. The area where the two electrodes overlap is A,
7세대나 8세대 TFT LCD의 경우 기판부의 크기가 보통 2m 이상이므로 칼라필터전극을 엘씨알메터에 연결하려면 기구물이 필요하다. 그러나 도 4에서와 같이 원기에 면적이 같은 두 개의 독립된 복수 전극(303,304)을 만들고, 두 전극을 엘씨알메터(50)로 정전용량을 재면, 칼라필터전극을 접촉할 필요가 없다. 도 5는 도 4의 등가회로도이다. 도 4는 칼라필터전극과 복수전극(304)의 정전용량 C1과 칼라필터전극과 복수전극(305)의 정전용량 C2가 직렬로 연결된 회로이다. 도 4와 같은 구조에서는 칼라필터전극(105)을 연결할 필요가 없다. 복수전극 각각의 면적이 A이고, 공기층의 유전율이 ε1이고, 복수전극에 측정되는 정전용량이 C라면 간극제의 높이(d)는 아래 식과 같다. In the case of the 7th or 8th generation TFT LCDs, the size of the substrate is usually 2 m or more, so a mechanism is required to connect the color filter electrode to the LCD. However, as shown in FIG. 4, if two independent plurality of
90도 TN형 TFT LCD의 간극제의 높이는 약 3㎛ 정도이다. 정전용량으로 간극제의 높이를 재는 경우 0.1% 분해능이라면 전극의 크기를 2~3mm로 만든다. The height of the gap agent of the 90 degree TN type TFT LCD is about 3 micrometers. When measuring the height of the gap agent with capacitance, the electrode size is made 2 ~ 3mm with 0.1% resolution.
정전용량법은 간극제가 전극이 위에 형성되어 있을 때 매우 정밀하게 간극제 높이를 잴 수 있지만, IPS(In Plane Switch) 모드의 TFT LCD처럼 칼라필터전극이 없는 경우에는 적용할 수 없다. 이 경우에는 다중반사되는 여러 파장의 빛의 간섭을 이용하여 경계면의 두께를 잴 수 있다. 도 6은 다중반사를 나타내는 설명도이다. 가압부의 가압기(301)와 원기를 지나온 빛은 굴절률 차이가 큰 경계면에서 다중반사가 효과가 크게 나타난다. 공기층과 접하는 원기에서 1차 반사가 생기고, 1차로 투과된 빛은 공기와 기판부의 칼라필터의 경계면에서 반사가 된다. 각각의 경계면에서 1차 반사된 빛은 투과와 반사를 여러 번 거치게 된다. 반사되는 빛의 강도는 파장(λ)의 함수이다. The capacitive method can measure the gap height very precisely when the gap is formed on the electrode, but cannot be applied when there is no color filter electrode, such as TFT LCD in IPS (In Plane Switch) mode. In this case, the thickness of the boundary surface can be measured by using the interference of light having multiple wavelengths reflected by multiple reflections. 6 is an explanatory diagram showing multiple reflections. The light passing through the
1차 반사되는 빛과 2차 반사되는 빛의 거리의 차가 λ/2가 되면 소멸이 되고, λ만큼 차이가 있으면 보강이 된다. 다중반사되는 빛의 분광특성을 재서, 그 값을 이론식과 비교하여 간극제의 높이를 구할 수 있다. 도 7은 다중반사 되는 빛의 분광특성으로부터 간극제의 높이를 검사하는 장치도이다. 가시광선 전영역(380 ~ 800nm) 빛을 내는 광원을 쓴다. 광파이버다발(44)은 광파이버가 2개 이상인 복수 개로 구성되어 있다. 광파이버 일부는 광원에서 나오는 입사광의 통로로 쓰고, 일부는 분광기로 들어가는 통로로 쓴다. 도 7에서는 광파이버 번들 두 개 가운데 하나는 광원의 통로로, 나머지는 분광기로 들어가는 통로로 썼다. 광원으로부터 나온 빛은 광파이버를 통해 렌즈(45)에 입사되고, 이 빛은 가압부와 기판부의 경계면에서 다중반사되어 다시 렌즈를 거쳐 광파이버다발을 거쳐 분광기에 들어간다. 도 8은 간극제의 높이가 4.8㎛ 분광특성의 한 예이다. 파장의 범위가 클수록 측정 정밀도가 올라간다. 자외선과 가시광선 그리고 적외선까지 빛이 투과되는 물질로 원기를 만들어야한다. 쿼츠(quartz)로 원기를 만들면, 파장 범위가 넓다. 간극제가 높으면 도 8의 봉오리수가 많아지고, 반대로 낮으면 봉오리수가 줄어든다. 도 7과 같은 구조에서는 CCD분광기로 측정하므로 1회 측정시 수십 ms 정도 걸린다. 또한 1회 측정시간이 짧기 때문에 진동에 영향이 거의 없다.When the difference between the primary reflected light and the secondary reflected light is λ / 2, it is extinguished. If there is a difference by λ, it is reinforced. By measuring the spectral characteristics of the multi-reflected light, the value of the gap agent can be obtained by comparing the value with the theoretical formula. 7 is a device diagram for checking the height of the gap agent from the spectral characteristics of the multi-reflected light. Use a light source that emits all visible light (380 ~ 800nm). The
도 1은 종래의 측정 장치도이다.1 is a diagram of a conventional measuring device.
도 2는 위상법을 적용한 본 발명의 장치도이다.2 is an apparatus diagram of the present invention to which the phase method is applied.
도 3은 정전용량법을 적용한 본 발명의 장치도이다.3 is an apparatus diagram of the present invention to which the capacitive method is applied.
도 4는 기판부의 전극이 플로팅되는 정전용량법을 적용한 본 발명의 장치도이다.4 is an apparatus diagram of the present invention to which the capacitance method in which the electrode of the substrate portion is floated is applied.
도 5는 도4의 등가회로도이다.5 is an equivalent circuit diagram of FIG. 4.
도 6은 나란한 평면에서의 다중반사를 나타내는 설명도이다.6 is an explanatory diagram showing multiple reflections in parallel planes.
도 7은 분광법을 적용한 본 발명의 장치도이다.7 is an apparatus diagram of the present invention to which spectroscopy is applied.
도 8은 분광특성의 한 예이다.8 is an example of spectral characteristics.
<도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명><Brief description of the major symbols in the drawings>
100 : 기판부 101 : 간극제 102 : 블랙매트릭스(Black Matrix)100: substrate portion 101: gap agent 102: Black Matrix
103 : 칼라필터층 104 : 유리기판 105 : 칼라필터전극103: color filter layer 104: glass substrate 105: color filter electrode
200 : 간섭체 201 : 렌즈 202 : 기준면200: interferer 201: lens 202: reference plane
203 : 빔분할기 300 : 가압부 301 : 가압기 302 : 원기203: beam splitter 300: pressurizing unit 301: pressurizer 302: primitive
303 : 원기전극 304, 305 : 복수 원기전극 40 : 광원303:
41 : CCD 42 : 렌즈 43 : 렌즈 44 : 광파이버다발41
45 : 렌즈 46 : 반사판 50 : 엘씨알메터(LCR Meter)45
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Cited By (2)
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