KR20110053016A - 컬러필터 기판 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 기판 상에 다수의 개구를 갖는 블랙매트릭스를 형성하는 단계와;
상기 다수의 개구에 순차적으로 반복되는 적, 녹, 청색의 컬러필터 패턴을 갖는 컬러필터층을 형성하는 단계와; 상기 컬러필터층 위로 제 1 산가(Acid value)함량을 가지며 감광성 특성을 갖는 유기물질을 도포하여 제 1 두께를 갖는 유기물질층을 형성하는 단계와; 상기 유기물질층에 투과영역과 차단영역을 갖는 노광 마스크를 이용하여 노광하는 단계와; 상기 노광된 유기물질층을 현상액에 제 1 시간동안 노출시킴으로서 상기 유기물질층이 상기 제 1 시간동안 상기 현상액에 반응하여 상기 제 1 두께보다 얇은 제 2 두께를 갖는 오버코트층과 상기 오버코트층 상부로 제 1 높이를 가지며 기둥형태를 갖는 다수의 패턴드 스페이서를 형성하는 단계를 포함하는 컬러필터 기판의 제조 방법과 이에 의해 제조된 컬러필터 기판을 제공한다.
패턴드스페이서, 컬러필터기판, 액정표시장치, 오버코트층, 일체형

Description

컬러필터 기판 및 이의 제조 방법{Color filter substrate and method of fabricating the same}
본 발명은 액정표시장치에 관한 것이며, 특히 오버코트층과 일체형을 이루는 패턴드 스페이서(patterned spacer)를 구비한 액정표시장치용 컬러필터 기판 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근에 액정표시장치는 소비전력이 낮고, 휴대성이 양호한 기술 집약적이며, 부가가치가 높은 차세대 첨단 디스플레이(display)소자로 각광받고 있다.
이러한 액정표시장치 중에서도 각 화소(pixel)별로 전압의 온(on),오프(off)를 조절할 수 있는 스위칭 소자인 박막트랜지스터가 구비된 액티브 매트릭스형 액정표시장치가 해상도 및 동영상 구현능력이 뛰어나 가장 주목받고 있다.
일반적으로, 액정표시장치는 박막트랜지스터 및 화소전극을 형성하는 어레이 기판 제조 공정과 컬러필터 및 공통 전극을 형성하는 컬러필터 기판 제조 공정을 통해 각각 어레이 기판 및 컬러필터 기판을 형성하고, 이들 두 기판 사이에 액정을 개재하는 셀 공정을 거쳐 완성된다.
좀 더 자세히, 일반적인 액정표시장치의 분해사시도인 도 1을 참조하여 설명하면, 도시한 바와 같이, 일반적인 액정표시장치는 액정층(30)을 사이에 두고 어레이 기판(10)과 컬러필터 기판(20)이 대면 합착된 구성을 갖는데, 이중 하부의 어레이 기판(10)은 투명한 기판(12)의 상면으로 종횡 교차 배열되어 다수의 화소영역(P)을 정의하는 복수개의 게이트 배선(14)과 데이터 배선(16)을 포함하며, 이들 두 배선(14, 16)의 교차지점에는 박막트랜지스터(Tr)가 구비되어 각 화소영역(P)에 마련된 화소전극(18)과 일대일 대응 접속되어 있다.
또한, 상기 어레이 기판(10)과 마주보는 상부의 컬러필터 기판(20)은 투명기판(22)의 배면으로 상기 게이트 배선(14)과 데이터 배선(16) 그리고 박막트랜지스터(Tr) 등의 비표시영역을 가리도록 각 화소영역(P)을 테두리하는 격자 형상의 블랙매트릭스(25)가 형성되어 있으며, 이들 격자 내부에서 각 화소영역(P)에 대응되게 순차적으로 반복 배열된 적(R), 녹(G), 청(B)색의 컬러필터 패턴(26a, 26b, 26c)을 포함하는 컬러필터층(26)이 형성되어 있으며, 상기 블랙매트릭스(25)와 컬러필터층(26)의 전면에 걸쳐 투명한 공통전극(28)이 구비되어 있다.
그리고, 도면상에 도시되지는 않았지만, 이들 두 기판(10, 20)은 그 사이로 개재된 액정층(30)의 누설을 방지하기 위하여 가장자리 따라 실링제(sealant) 등으로 봉함된 상태에서 각 기판(10, 20)과 액정층(30)의 경계부분에는 액정의 분자배열 방향에 신뢰성을 부여하는 상, 하부 배향막이 개재되며, 각 기판(10, 20)의 적어도 하나의 외측면에는 편광판이 구비되어 있다.
또한, 어레이 기판의 외측면으로는 백라이트(back-light)가 구비되어 빛을 공급하는 바, 게이트 배선(14)으로 박막트랜지스터(Tr)의 온(on)/오프(off) 신호가 순차적으로 스캔 인가되어 선택된 화소영역(P)의 화소전극(18)에 데이터배선(16)의 화상신호가 전달되면 이들 화소전극(18)과 공통전극(28) 사이의 수직전계에 의해 그 사이의 액정분자가 구동되고, 이에 따른 빛의 투과율 변화로 여러 가지 화상을 표시할 수 있다.
최근에는 어레이 기판에 공통전극과 화소전극이 모두 형성되어 횡전계에 의해 액정분자들이 구동됨으로서 시야각 특성을 향상시킨 횡전계형 액정표시장치가 제품화되어 시판되고 있다.
도 2는 종래의 패턴드 스페이서를 포함하는 종래의 횡전계형 액정표시장치에 있어 박막트랜지스터와 패턴드 스페이서가 형성된 게이트 배선의 중앙부를 따라 절단한 부분에 대한 단면도이다.
도시한 바와 같이, 어레이 기판(30)에는 일방향으로 게이트 배선(35)이 형성되어 있으며, 상기 게이트 배선(35)과 교차하여 화소영역(P)을 정의하며 데이터 배선(40)이 형성되어 있다. 또한, 상기 게이트 배선(35)과 나란하게 이격하며 공통배선(미도시)이 형성되어 있다.
각 화소영역(P))에는 상기 게이트 배선(35)과 연결된 게이트 전극(33)과, 게이트 절연막(37)과, 반도체층(39)과, 상기 데이터 배선(40)과 연결된 소스 전극(43)과 이와 이격하는 드레인 전극(45)으로 이루어진 박막트랜지스터(Tr)가 형성되어 있다. 또한, 상기 각 화소영역(P)에는 상기 박막트랜지스터(Tr)의 드레인 전 극(45)과 연결되며 다수의 바(bar) 형태의 화소전극(55)이 일정간격 이격하며 형성되고 있으며, 상기 다수의 화소전극(55)과 교대하며 다수의 바(bar) 형태의 공통전극(57)이 형성되고 있다.
전술한 구성을 갖는 어레이 기판(30)에 대향하여 위치한 컬러필터 기판(60)에는 각 화소영역에 대응하여 개구(63)를 갖는 블랙매트릭스(62)가 형성되어 있으며, 상기 다수의 개구(63)에는 적, 녹, 청색의 컬러필터 패턴(65a, 65b, 65c)이 순차 반복적으로 형성되어 있다. 또한, 상기 컬러필터 패턴(65a, 65b, 65c) 하부에는 상기 컬러필터 패턴(65a, 65b, 65c)을 보호하기 위한 오버코트층(70)이 형성되어 있다.
또한, 상기 오버코트층(70) 하부에는 액정층(80)이 일정한 두께를 유지할 수 있도록 상기 어레이 기판(30)의 최상부에 위치하는 구성요소와 접촉하며 화소영역(P)의 경계에 기둥형태의 패턴드 스페이서(85)가 일정간격 이격하며 다수 형성되어 있다.
도 3a 내지 도 3e는 종래의 패턴드 스페이서를 포함하는 컬러필터 기판의 제조 단계별 공정 단면도이다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 투명한 기판(60)상에 크롬(Cr) 등을 포함하는 금속물질을 증착하거나 또는 블랙레진을 전면에 도포한 후, 이를 마스크 공정을 진행하여 패터닝함으로써 다수의 개구(63a, 63b, 63c)를 갖는 블랙매트릭스(62)를 형성한다.
다음, 도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 다수의 개구(63a, 63b, 63c)를 갖는 블랙매트릭스(62)가 형성된 기판(60)에 적색 포토레지스트(resist)를 전면에 도포하여 적색 컬러필터층(64)을 형성한 후, 이에 대해 소정의 열처리를 실시하여 건조시킨 후, 이를 마스크 공정을 통해 패터닝함으로써 적색 컬러필터 패턴(65a)을 형성한다. 이후, 상기 적색 컬러필터 패턴(65a)이 형성된 기판(60)에 대해 패턴 검사기(미도시)를 통해 패턴 불량 발생 유무를 검사하고, 양품 판정을 받은 기판(60)에 대해 경화장치(미도시)를 이용하여 230℃의 온도 분위기에서 25분정도 열처리함으로써 상기 적색 컬러필터 패턴(65a)을 완전히 경화시킨다.
다음, 도 3c에 도시한 바와 같이, 상기 적색 컬러필터 패턴(65a)을 형성한 방법과 동일하게 진행하여 녹색 및 청색 컬러필터 패턴(65b, 65c)을 기판(60) 상의 블랙매트릭스(62) 개구부(63b, 63c)내에 순차적으로 형성한다.
다음, 도 3d에 도시한 바와 같이, 상기 적, 녹, 청색의 컬러필터 패턴(65a, 65b, 65c) 위로 상기 기판(60) 전면에 투명한 유기절연물질 벤조사이클로부텐(BCB) 또는 폴리이미드를 도포함으로써 유기절연층(미도시)을 형성한다. 이후, 상기 유기절연층(미도시)이 형성된 기판(60)에 대해 프리베이크를 진행시켜 상기 유기절연층(미도시)을 건조시키고, 패턴 검사 장치를 이용하여 패턴검사를 실시한 후, 패턴 검사에서 양품 판정을 받은 기판(60)에 대해 상기 유기절연층(미도시)을 완전히 경화시키는 경화공정을 실시함으로써 오버코트층(70)을 형성한다.
다음, 도 3e에 도시한 바와 같이, 상기 오버코트층(70) 위로 감광성 특성을 갖는 유기절연물질 예를들면 포토아크릴 또는 무색 투명한 포토레지스트를 도포하여 유기 감광성 물질층(미도시)을 형성하고, 이에 대해 프리베이크를 진행시켜 상 기 유기 감광성 물질층(미도시)을 건조시킨다. 이후, 상기 건조가 완료된 유기 감광성 물질층(미도시)에 대해 노광 마스크를 이용한 노광 및 현상 공정을 진행함으로써 각 화소영역(P)의 경계 즉, 블랙매트리스(62)와 중첩하며, 일정간격 이격하는 기둥형태의 패턴드 스페이서(85)를 형성하고, 패턴 검사를 실시한다. 상기 패턴드 스페이서(85)를 완전히 경화시키는 경화공정을 실시함으로써 패턴드 스페이서(85)를 포함하는 컬러필터 기판(60)을 완성한다.
전술한 바와 같은 방법에 의한 패턴드 스페이스를 구비한 액정표시장치용 컬러필터 기판의 제조에는 블랙매트릭스와 적, 녹, 청색 컬러필터 패턴과 오버코트층과 패턴드 스페이서를 형성하기 위해 총 6스텝을 거치게 됨을 알 수 있다.
컬러필터 기판 제조 특성상 각 스텝을 완료후에는 패턴 검사를 실시하고 있으며, 또한 구성요소 대부분이 유기물질로 이루어지고 있으므로 각 스텝에 있어 프리베이크 공정과 경화공정을 진행하게 됨을 알 수 있다. 프리베이크의 경우 통상 30초 내지 100초 정도의 시간이 걸리지만, 경화공정의 경우 수 십분 정도의 시간이 걸린다.
따라서, 전술한 제조 스텝에 따른 패턴드 스페이서를 포함하는 컬러필터 기판의 제조는 단위 시간당 생산성 향상 및 제조 비용 절감을 위해 제조 스텝 수를 줄이거나 또는 공정 최적화가 필요한 실정이다.
상기 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명에서는 제조 공정 스텝을 줄여 단위 시간당 제조 시간을 단축하여 생산성을 향상시키고, 나아가 재료비 절감 및 제조 비용을 절감할 수 있는 패턴드 스페이서를 갖는 액정표시장치용 컬러필터 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 의한 컬러필터 기판의 제조 방법은, 기판 상에 다수의 개구를 갖는 블랙매트릭스를 형성하는 단계와; 상기 다수의 개구에 순차적으로 반복되는 적, 녹, 청색의 컬러필터 패턴을 갖는 컬러필터층을 형성하는 단계와; 상기 컬러필터층 위로 제 1 산가(Acid value)함량을 가지며 감광성 특성을 갖는 유기물질을 도포하여 제 1 두께를 갖는 유기물질층을 형성하는 단계와; 상기 유기물질층에 투과영역과 차단영역을 갖는 노광 마스크를 이용하여 노광하는 단계와; 상기 노광된 유기물질층을 현상액에 제 1 시간동안 노출시킴으로서 상기 유기물질층이 상기 제 1 시간동안 상기 현상액에 반응하여 상기 제 1 두께보다 얇은 제 2 두께를 갖는 오버코트층과 상기 오버코트층 상부로 제 1 높이를 가지며 기둥형태를 갖는 다수의 패턴드 스페이서를 형성하는 단계를 포함한다.
이때, 산가(Acid value)는 유기물질 내에 포함된 아크릴 바인더를 1그램(1g)녹이는데 필요한 KOH의 미리그램(mg)수로 정의되며, 상기 제 1 산가(Acid value)는 40 내지 80mgKOH/g인 것이 특징이다.
또한, 상기 유기물질은 노광시 빛을 받은 부분이 상기 현상공정 진행 후 기판 상에 남게되는 네가티브 타입의 감광성 특성을 갖는 것이 특징이다.
또한, 상기 제 1 시간은 50초 내지 70초인 것이 특징이다.
또한, 상기 현상액은 KOH 수용액이며, 상기 현상액은 상기 노광 마스크를 통한 노광 시 상기 투과영역에 대응하여 빛에 노출된 부분과는 반응하지 않고, 상기 차단영역에 대응하여 빛에 노출되지 않은 부분에 대해서만 상기 제 1 시간동안 시간에 비례하게 반응하여 상기 유기물질층의 두께를 점진적으로 줄어들도록 하는 것이 특징이다.
또한, 상기 현상 공정을 진행한 이후에는 200℃ 내지 250℃의 분위기에서 20분 내지 30분간 경화공정을 진행하는 것이 특징인 컬러필터 기판의 제조 방법.
또한, 상기 노광하는 단계 이후 상기 현상공정을 진행하기 전에 상기 노광된 기판 표면에 순수를 분사하는 단계와; 상기 기판 상에 남아있는 순수를 에어 분사를 통해 제거하는 단계와; 상기 에어 분사 실시 후 남아있는 순수를 제거하기 위해 상기 기판을 열처리하여 건조하는 단계를 포함하는 세정 공정을 진행하며, 상기 기판을 건조하는 단계 진행 후 상기 기판이 상온이 되도록 냉각시키는 단계를 진행하며, 상기 기판을 냉각시키는 단계를 진행하는 동안 UV광을 상기 기판 전면에 조사하는 것이 특징이다.
또한, 상기 제 1 두께는 5㎛ 내지 6㎛이며, 상기 제 2 두께는 2㎛ 내지 3㎛이며, 상기 제 1 높이는 2㎛ 내지 3㎛인 것이 특징이다.
본 발명의 실시예에 따른 컬러필터 기판은, 기판 상에 다수의 개구를 갖는 블랙매트릭스와; 상기 다수의 개구에 순차적으로 반복되는 적, 녹, 청색의 컬러필터 패턴을 갖는 컬러필터층과; 상기 컬러필터층 위로 감광성 특성을 갖는 유기물질로서 전면에 형성된 오버코트층 및 상기 오버코트층과 일체형으로 상기 오버코트층의 표면에서 분기하여 기둥형태로 이격하며 형성된 다수의 패턴드 스페이서를 포함한다.
이때, 상기 오버코트층과 패턴드 스페이서는 유기물질 내에 포함된 아크릴 바인더를 1그램(1g)녹이는데 필요한 KOH의 미리그램(mg)수로 정의되는 산가의 함량이 40 내지 80mgKOH/g인 것이 특징이다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 액정표시장치용 컬러필터 기판의 제조에 있어, 산가(Acid value) 함유량을 늘린 네가티브 타입의 감광성 유기물질을 이용하여 일반적인 노광마스크를 이용하여 노광을 실시하고, 현상하여 동시에 오버코트층과 패턴드 스페이서를 형성함으로써 공정을 단순화하는 장점이 있다.
또한, 오버코트층과 패턴드 스페이서를 동시에 형성함으로써 오버코트층과 패턴드 스페이서를 각각 서로 다른 스텝에서 형성하는 종래의 제조 공정 대비 1회의 스텝을 줄임으로써 각 스텝 내에서 상대적으로 특히 큰 시간 비중을 갖는 경화 공정 및 패턴 검사공정을 각각 1회 생략하게 되어 컬러필터 기판의 단위 시간당 생산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 실시예에 따른 패턴드 스페이서를 구비한 액정표시장치용 컬러필터 기판의 제조 공정 단면도이다.
우선, 도 4a와 4b에 도시한 바와 같이, 투명한 기판(110) 전면에 감광성 특성을 갖는 블렉레진을 도포하거나, 또는 크롬(Cr)을 포함하는 금속물질을 증착하고, 노광 마스크(170)를 이용한 노광, 현상 등의 단위 공정을 포함하는 마스크 공정을 진행하여 다수의 개구(113a, 113b, 113c)를 갖는 블랙매트릭스(115)를 형성한다.
이때, 상기 블랙매트릭스(115)를 이루는 물질이 블랙레진 등의 유기물질로 이루어진 경우, 상기 블랙레진은 감광특성을 갖고 있으므로, 상기 블랙레진을 상기 기판(110) 상에 도포하여 블랙레진층(112)을 형성한 후, 상기 블랙레진층(112)이 형성된 기판(110) 위로 차단영역(BA)과 투과영역(TA)을 구비한 노광 마스크(170)를 이용하여 상기 블랙레진층(112)에 대해 노광을 실시하고, 상기 노광된 블랙레진층(112)을 현상액을 이용해 선택적으로 제거하는 현상공정을 진행함으로서 다수의 개구(113a, 113b, 113c)(이하 적, 녹, 청색 컬러필터 패턴이 형성되어야 할 개구를 각각 제 1, 2, 3 개구라 칭한다)를 갖는 상기 블랙매트릭스(115)를 형성한다.
한편, 상기 블랙매트릭스(115)를 이루는 물질이 금속물질인 경우, 상기 기판(110)상에 금속물질을 증착하여 금속물질층(미도시)을 형성한 후, 상기 금속물질 층(미도시) 위로 감광성 물질인 포토레지스트를 도포하여 포토레지스트층(미도시)을 형성한다. 이후, 상기 포토레지스트층(미도시)에 대해 노광 및 현상 공정을 진행하여 패터닝하여 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성하고, 상기 포토레지스트 패턴(미도시) 외부로 노출된 금속물질층(미도시)에 대해 식각공정을 진행하여 제거하고, 제거되지 않고 남아있는 금속패턴(미도시) 상부에 남아있는 포토레지스트 패턴(미도시)을 애싱(ashing) 또는 스트립(strip) 공정을 진행하여 제거함으로써 최종적으로 기판 상에 남게되는 금속패턴(미도시)이 다수의 개구를 갖는 블랙매트릭스를 이루게 된다.
본 발명의 실시예에서는 일례로 블랙레진을 이용한 블랙매트릭스 형성을 도시하였다.
다음, 도 4c에 도시한 바와 같이, 상기 블랙매트릭스(115)가 형성된 기판(110) 전면에 적색 레지스트를 도포하여 적색 레지스트층(117)을 형성하고, 상기 적색 레지스트층(117) 위로 차단영역(BA)과 투과영역(TA)의 일정한 패턴을 갖는 노광 마스크(173)를 위치시킨 후, 상기 노광 마스크(173)를 이용한 노광 공정을 실시한다. 이때, 통상적으로 컬러필터층 형성에는 상기 적색 레지스트를 포함하여 추후 형성될 녹, 청색 레지스트는 네가티브 타입(negative type)이 주로 이용되고 있으므로 본 발명의 실시예에서도 네가티브 타입(negative type)의 적색(및 녹, 청색) 레지스트를 이용한 것을 예로 나타내었다.
따라서, 적색 컬러필터 패턴(도 4d의 120a)이 형성되어야 할 개구(113a)를 포함하며, 상기 개구(113a) 양측에 위치한 블랙매트릭스(115)와 일부 오버랩하는 영역에 상기 노광 마스크(173)의 투과영역(TA)이 대응되도록 상기 노광 마스크(173)를 위치시키고 노광을 실시한다.
다음, 4d에 도시한 바와 같이, 상기 노광된 적색 컬러 레지스트층(도 4c의 117)을 현상함으로써, 상기 블랙매트릭스(115) 내의 다수의 제 1 개구(113a)에 상기 블랙매트릭스(115)와 일부 중첩하는 적색 컬러필터 패턴(120a)을 형성한다.
다음, 4e에 도시한 바와 같이, 상기 적색 컬러필터 패턴(120a)을 형성한 방법과 동일하게 녹색 및 청색 레지스트를 순차적으로 도포하고, 노광 마스크(미도시)를 이용한 노광 및 현상 공정을 순차적으로 각각 진행하여 블랙매트릭스(115) 사이의 각각의 제 2 및 제 3 개구부(113b, 113c)에 녹색 및 청색 컬러필터 패턴(120b, 120c)을 형성함으로써, 최종적으로 적, 녹, 청색의 컬러필터 패턴(120a, 120b, 120c)이 블랙매트릭스(115) 내의 제 1, 2, 3 개구(113a, 113b, 113c)에 순차적으로 반복하며 상기 각 개구(113a, 113b, 113c)를 둘러싼 블랙매트릭스(115)와 일부 중첩하며 배열되는 적, 녹, 청색 컬러필터 패턴(120a, 120b, 120c)으로 구성된 컬러필터층(120)을 형성한다.
다음, 도 4f에 도시한 바와 같이, 상기 적, 녹, 청색의 컬러필터 패턴(120a, 120b, 120c)을 갖는 컬러필터층(120) 및 노출된 블랙매트릭스(115) 위로 무색 투명하며 네가티브 타입의 감광성 특성을 갖는 유기물질 예를들면 네가티브 타입의 포토아크릴 또는 포토레지스트를 상기 기판(110) 전면에 도포하여 제 1 두께를 갖는 유기물질층(125)을 형성한다. 이때, 본 발명의 특성 상 상기 제 1 두께는 5㎛ 내지 6㎛인 것이 바람직하다. 상기 제 1 두께를 갖도록 형성하는 상기 유기물질층(125) 을 형성하는 것은 상기 유기물질층(125)은 오버코트층(도 4h의 140)을 이루는 동시에 그 일부는 패턴드 스페이서(160)를 이루도록 해야 하기 때문이다.
이때, 상기 유기물질층(125)을 이루는 유기물질은 이를 현상하기 위한 바인더와의 반응시간이 길어지도록 하기 위해 40 내지 80mgKOH/g의 산가(Acid value)를 갖는 것이 특징이다. 산가(Acid value)란 아크릴 바인더를 1그램(1g)녹이는데 필요한 KOH의 미리그램(mg)수로 정의된다. 아크릴 바이더를 구성하는 모노머의 종류 중 MAA(methacrylic Acid)에 의하여 바인더의 분자쇄 중에는 -COOH기를 갖는 부분이 존재하며 이러한 COOH기와 현상액인 KOH과의 반응에 의해 상기 아크릴 바인더는 알카리에 녹는 성질은 갖게된다. 따라서 반인더의 분자쇄 내에 MAA기가 많이 결합하게 되면 COOH의 농도가 증가하게 되며 이로 인해 현상액 내에서의 현상속도는 증가하게 된다. 이러한 과정에 입각하여 유기물질의 산가가 높으면 현상 속도가 빨라지고, 산가가 낮으면 현상 속도가 느려지게 된다.
종래의 패턴드 스페이서만을 형성하기 위한 유기물질의 산가(Acid value)는 100mgKOH/g 정도가 되고 있지만, 본 발명에 따른 컬러필터 기판의 제조에 이용되는 오버코트층과 패턴드 스페이서를 형성하기 위한 유기물질은 40 내지 80mgKOH/g 산가(Acid value)를 가짐으로써 현상액인 KOH와 반응하는 시간이 길어지도록 한 것이 특징이다. 이렇게 본 발명에 이용되는 오버코트층과 패턴드 스페이서를 형성하기 위한 유기물질의 산가(Acid value)를 낮추어 현상 시간이 길어지도록 한 이유는 추후 설명한다.
다음, 도 4g에 도시한 바와같이, 상기 유기물질층(125)이 형성된 기판(110) 에 대해 상기 유기물질층(125)이 액체 상태에서 더 이상 유동하지 않는 상태를 이루도록 하기위해 상기 유기물질층(125) 내부에 존재하는 수분을 제거하기 위해 90℃ 내지 120℃ 정도의 온도 분위기에서 30초 내지 100초간 프리베이크 공정을 진행한다. 이러한 프리베이킹 공정 진행 후에는 상기 유기물질층(125) 내부의 수분이 모두 제거됨으로서 건조된 상태를 이루게 된다.
이후, 프리베이킹 공정을 진행하여 수분이 제거된 유기물질층(125)에 대해 투과영역(TA)과 차단영역(BA)을 갖는 노광 마스크(190)를 이용하여 노광을 실시한다. 이때, 상기 유기물질층(125)은 네가티브 타입의 감광성 특징을 가지므로 패턴드 스페이서(도 4i의 130)가 형성되어야 할 부분에 대응해서는 상기 노광 마스크(190)의 투과영역(TA)이 대응되도록 하고, 그 외의 영역 즉, 오버코트층(도 4i의 127)을 이룰 부분에 대응해서는 차단영역(BA)이 대응되도록 한 상태에 서 노광을 진행하는 것이 특징이다.
다음, 도 4h에 도시한 바와 같이, 상기 유기물질층(125)에 대한 노광이 완료된 상태의 상기 기판(110)을 현상액인 묽은 KOH 용액에 노출시킴으로서 상기 유기물질층(125)의 현상을 진행한다. 이때, 상기 유기물질층(125)은 그 내부에 포함된 산가(Acid value)가 40 내지 80mgKOH/g이므로 상기 KOH용액과 반응하는 속도가 종래의 100mgKOH/g 정도의 산가(Acid value)를 갖는 패턴드 스페이서를 형성하기 위한 유기물질층의 현상 속도 대비 느리게 진행되는 것이 특징이다. 이렇게 본 발명에 있어서 유기물질층(125)의 현상액과의 반응을 종래보다 2배 내지 4배 정도 더디게 진행되도록 한 것은 현상 공정 진행 시 상기 유기물질층(125)이 완전히 제거되 기 전 즉, 적정한 두께정도로 현상이 진행된 시점에서 현상을 멈추도록 하여 기판(110) 전면에 유기물질층(125)이 비교적 일정한 두께를 가지며 남아있도록 하기 위함이다. 현상의 속도가 빠른 경우, 현상 시간을 제어한다 하더라도 상대적으로 현상 후 남아있게 되는 유기물질층(125)의 두께 오차가 심하게 발생할 수 있으며 이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에 사용되는 유기물질은 KOH에 반응하는 산가(Acid value)를 낮춘 것이다.
또한, 상기 유기물질층(125)은 프리베이크 온도 및 시간을 조절함으로써 현상공정 진행시의 현상의 빠르기를 어느 정도 조절할 수 있는 것을 실험을 통해서 알 수 있었다. 따라서, 종래의 패턴스 스페이서 형성을 위한 유기물질의 경우 통상 100℃에서 70초 정도 프리베이크를 진행하였지만, 본 발명의 경우, 100℃ 내지 150℃의 온도 분위기에서 70초 내지 180초간 프리베이크를 진행함으로써 현상 시간을 조금 빠르게 할 수 있었다.
도 5는 유기물질을 현상액을 이용한 현상시간에 따른 유기물질층의 두께 변화를 나타낸 그래프로서 종래의 패턴드 스페이서만을 형성하기 위한 유기물질과 본 발명에 따른 오버코트층과 패턴드 스페이서를 동시에 형성하기 위한 유기물질의 두께 변화를 함께 도시하였으며, 본 발명에 따른 유기물질의 경우 프리베이크 공정 조건 변경을 실시한 경우도 함께 나타내었다.
도시한 바와 같이, 종래 및 본 발명에 이용되는 유기물질은 모두 현상액을 이용한 현상시간에 비례하여 유기물질층의 그 표면으로부터 제거시키고 있음을 알 수 있다.
이때, 종래의 유기물질의 경우, 그 기울기가 매우 급하게 형성되고 있으며, 따라서 현상액과의 반응이 매우 빠른 속도로 진행됨을 알 수 있다.
이러한 유기물질의 현상공정은 실질적으로 70초 내지 80초간 진행되고 있는데, 이러한 현상 공정 시간 중 실질적으로 유기물질층의 두께(3㎛ 기준)를 줄이는 시간은 20 내지 30초 정도이며, 나머지 시간은 실질적으로 기판 상에 남아 있을지 모르는 유기물질을 완전히 제거하기 위한 버퍼시간이 되고 있다. 즉, 상기 유기물질을 기판 상에서 패턴드 스페이서가 형성된 부분을 제외하고는 확실하게 완전히 제거하고자 현상시간 자체에 실질 반응이 일어나는 시간보다 2-3배 정도 더 긴 버퍼시간을 포함시키고 있는 것이다.
본 발명에 따른 컬러필터 기판의 제조 방법에 있어서는 현상액과의 반응이 2-4배정도 더 더디게 반응하도록 산가를 종래대비 낮은 것을 특징으로 하는 유기물질을 이용함으로써 상기 현상 공정 시간 내에 포함되고 있는 버퍼시간이 없애고 이를 실질적으로 현상액과 반응하는 시간으로 활용하는 것이 특징이다.
따라서, 실질적으로 유기물질의 현상 시간 자체는 종래대비 증가하지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 컬러필터 기판의 제조 방법에 있어서는 기판 전면에 소정의 두께를 갖는 유기물질층이 남아있도록 현상이 완전히 진행되어 유기물질층이 완전히 제거되기 전에 현상 공정을 완료해야 하며, 현상 공정을 진행하는 시간 전부가 실질적으로 현상액과 반응하는 시간이 된다.
따라서, 현상이 종래대비 느리게 진행됨으로써 현상 시간 자체를 조절하여 기판 상에 남게 되는 유기물질층의 두께를 큰 오차없이 조절할 수 있다.
한편, 그래프를 살펴보면 유기물질층의 프리베이크 조건을 변경하는 경우, 완만한 기울기는 갖는 상태에서 조금 더 급한 기울기를 갖게 됨을 알 수 있다. 이러한 경우 종래의 유기물질의 현상 시간보다는 더 오래 걸리지만 프리베이크 조건을 변경하지 않은 것보다는 조금 더 빠르게 현상이 진행됨을 알 수 있다.
다음, 도 4i에 도시한 바와 같이, 현상 공정을 완료하게 되면, 상기 유기물질층(도 4h의 125) 중 노광 시 빛에 노출된 부분에 대응해서는 현상이 진행되지 않고, 빛에 노출 되지 않은 부분에 대응해서는 현상이 진행되어 그 두께가 낮아지게 된다. 이러한 상태에서 상기 기판(110)을 패턴 검사기로 이동시켜 패턴검사를 실시함으로써 상기 유기물질층(도 4h의 125)이 패터닝이 정상적으로 잘 이루어졌는지, 현상되지 않은 부분의 위치 및 높이와 일부 현상된 부분의 두께차이가 허용할 수 있는 오차 범위 이내인지 등을 고려하여 불량 및 양품 판정을 내린다.
이후, 패턴 검사를 실시하여 양품 판정을 받은 기판(110)을 경화장치(미도시) 예를들면 오븐 등에 투입시켜 200℃ 내지 250℃의 온도 분위기에서 20분 내지 30분 정도 열처리를 실시하여 상기 기판(110) 상에 현상 시 제거되지 않고 남아있는 유기물질층(도 4h의 125)을 완전히 경화시킴으로서 화소영역(P)의 경계 즉, 블랙매트릭스(115)가 형성된 부분 중 일부에 대응해서 기둥형태로 제 1 높이를 갖는 패턴드 스페이서(130)를 형성하고, 상기 기판(110) 전면에 대응해서는 상기 제 1 두께보다 낮은 제 2 두께를 갖는 오버코트층(127)을 형성함으로써 컬러필터 기판(110)을 완성한다.
이때, 상기 제 1 높이는 2㎛ 내지 3㎛이며, 상기 제 2 두께는 2㎛ 내지 3㎛가 되는 것이 특징이다. 제 1 두께가 5㎛ 내지 6㎛정도가 되지만, 이러한 유기물질층(도 4g의 125)의 제 1 두께는 프리베이크 공정 및 경화공정을 진행함으로서 그 두께 또는 높이가 0.5㎛ 내지 1㎛ 정도 줄어들게 된다.
한편, 비교예로서 일체형의 오버코트층과 패턴드 스페이서는 슬릿 노광 또는 하프톤 노광을 실시함으로써 형성할 수도 있다.
하지만, 본 발명의 실시예 따라 동시에 서로 다른 두께를 갖는 오버코트층과 패턴드 스페이서를 형성하는 방법이 슬릿 노광 또는 하프톤 노광을 실시하여 서로 다른 두께를 갖도록 형성하는 비교예에 따른 제조방법 대비 제조 비용 및 공정 안정성 측면에서 훨씬 효율적이라 할 것이다.
즉, 반투과영역을 갖는 노광 마스크를 이용하여 노광량을 달리하여 현상 시 부분적으로 현상액에 반응하는 속도를 달리하여 유기물질층이 서로 다른 두께를 갖도록 형성할 수도 있지만, 이러한 방법을 통해서는 현상 후 남게되는 상기 유기물질층의 두께 조절이 매우 힘들어 그 위치별로 두께차가 심하고, 제조 공정 조건을 잡기기 어려워 불량률이 높아지게 된다.
노광시간은 통상 수초 이내로 진행되며, 최근에 감광성 물질은 고감도 특성을 가짐으로서 반투과 영역에서 노광량을 잘 조절하여 노광을 실시한다 하더라도 노광 특성 상 반투과영역의 위치별 노광량의 차이가 발생하고, 현상 공정 진행 시 현상액의 반응 정도가 틀려 유기물질층의 두께 편차가 심하게 발생한다. 더욱이, 이러한 슬릿 노광 및 하프톤 노광에 의한 유기물질층의 두께 차이는 잘 조절될 수 있는 최대치가 2㎛ 정도가 되고 있어, 오버코트층 표면으로부터 2㎛ 내지 3㎛ 정도의 높이를 갖는 패턴드 스페이서의 형성은 현 노광 기술로서는 무리가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 컬러필터 기판의 제조는 통상 70초 정도의 현상 시간을 이용하여 기판 상에 최종적으로 남게되는 유기물질층의 두께 조절이 이루어짐으로서 보다 정교하게 기판 상에 남게되는 유기물질층의 두께를 콘트롤 할 수 있으며, 제조 공정상에 오차가 발생한다 하더라도 그 오차 범위가 작아 불량률이 저감될 수 있다.
즉, 노광을 콘트롤하는 경우 전체 공정 시간이 수초(5초라 가정) 이내가 되므로 0.5초의 오차가 발생된다 하더라도 이는 전체 공정 시간의 1/10이 되므로 노광량의 변화도 1/10이 되며, 이는 현상 공정 시 현상액에 반응하는 시간을 늘리거나 줄이는 요소가 되므로 최초 도포되는 유기물질층의 제 1 두께가 5㎛라 가정할 경우, 이의 1/10의 두께인 1㎛의 오차가 발생된다.
하지만, 현상 속도를 조절하는 본 발명의 실시예의 경우, 현상공정 진행 시 시간이 0.5초의 오차가 발생한다 가정할 경우 이는 총 현상 공정 시간인 70초의 1/140이 되므로 유기물질층의 두께의 1/140인 350Å의 오차가 발생된다.
따라서, 본 발명에 따른 실시예의 경우가 비교예 대비 공정 마진적 측면과 공정 안정성 및 불량률 저감의 측면에서 훨씬 유리하다 할 것이다.
한편, 본 발명에 따른 컬러필터 기판의 제조는 블랙매트릭스 형성공정과, 적, 녹 ,청색 컬러필터 패턴 형성 공정, 오버코트층 및 패턴드 스페이서 형성공정의 총 5스텝에 의해 제조됨으로써 오버코트층과 패턴드 스페이서를 각각 서로 다른 스텝에서 형성함으로써 총 6 스텝에 의해 제조하는 종래의 컬러필터 기판 제조 방법 대비 1스텝을 줄여 공정 단순화를 이룰 수 있다.
또한, 컬러필터 기판 제조 특성 각 스텝에는 패턴 검사와 프리베이크 및 경화공정을 진행하고 있으므로, 본 발명의 실시예에 의해 종래대비 1회의 스텝을 줄임으로써 각 스텝 내에서 상대적으로 특히 큰 시간 비중을 갖는 경화 공정 및 검사 공정을 각각 1회 생략하게 되어 컬러필터 기판의 단위 시간당 생산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 컬러필터 기판의 제조 방법에 있어서 도 6(본 발명에 따른 컬러필터 기판의 제조에 있어 현상공정 후, 세정단계에서 UV램프를 통해 UV광을 조사하는 것을 도시한 도면)에 도시한 바와같이, 선택적으로 상기 현상공정이 완료된 시점에서 상기 컬러필터 기판(110) 전면에 UV램프(195)를 통한 UV광을 조사하는 단계를 더욱 실시할 수도 있다.
이러한 UV광을 조사하는 단계는 상기 현상공정을 완료한 후, 세정공정을 진행하는 단계에서 실시하게 됨으로써 별도의 추가적인 공정 시간을 필요로 하지 않는 것이 특징이다.
기판(110)을 세정하는 공정라인(미도시)에는 세정부(미도시)와 건조부(미도시) 및 버퍼단(미도시)이 구비되고 있다. 상기 세정부(미도시)에는 기판(110)상에 순수를 분사하여 세정을 실시하고, 상기 건조부(미도시)에서는 상기 세정부(미도시)를 지나며 상기 기판(110) 상에 남는 순수를 에어 나이프(미도시) 등으로 제거하고, 상기 순수 대부분이 제거한 상태에서 순수의 완전 제거를 위해 70℃ 내지 100℃의 분위기를 갖는 건조로(미도시)가 구비되어 상기 기판(110)이 이를 통과하게 됨으로써 수분을 완전히 건조시킨다. 이때, 상기 건조로(미도시)를 통과한 기판(110)은 70℃ 내지 100℃로 가열된 상태가 되므로 수분의 건조가 완료된 기판(110)을 상온으로 냉각시키기 위해 상기 건조부(미도시)의 끝단에 버퍼단(미도시)이 구비되고 있으며, 상기 버퍼단(미도시)에 UV램프(199)를 설치하여 상기 기판(110)이 냉각을 위해 버퍼단(미도시)에 위치하는 동안 UV광이 조사되도록 함으로서 별도의 공정 시간이 추가되지 않고 UV노광을 진행하도록 하는 것이 특징이다.
이렇게 현상이 완료된 상태에서 UV광을 이용하여 상기 기판(110) 전면에 노광을 실시하는 것은, 네가티브 타입 감광 특성을 갖는 유기물질층의 변형을 방지하고, 경도를 강화시키기 위함이다. 네가티브 타입은 빛(UV광)을 받은 부분은 상기 빛과 반응하여 빛을 받지 않은 부분 대비 상대적으로 강한 결합을 하게 되는데, 이러한 빛에 반응하여 강한결합이 이루어짐으로써 내부적으로 경도가 증가하고 열처리에 의한 온도 변화에 둔감해지는 것이 특징이다.
본 발명의 실시예의 경우, 패던드 스페이서가 형성된 부분에 대응해서만 노광 공정 진행시 빛(UV광)이 조사되고 있으며, 그 외의 오버코트층을 이루는 부분에 대해서는 빛이 조사되지 않았다. 따라서, 이러한 상태에서 200℃ 이상의 온도 분위기를 갖는 경화공정을 진행하게 되면, 빛을 받은 부분과 빛을 받지 않은 부분간의 특성이 달라 상기 패턴드 스페이서가 형성된 부분으로 부피 쏠림 현상이 발생하여 패턴드 스페이서의 하단부의 폭이 넓어지게 되는 현상이 발생한다. 따라서, 경화공정 진행 시 이러한 서로 다른 물성 차이에 의한 변형을 방지하고자 상기 UV광을 경 화공정 진행 전에 상기 두께를 달리하는 유기물질층이 형성된 기판 전면에 조사하는 것이다.
하지만, 본 발명의 실시예에 따른 컬러필터 기판의 제조 방법에 있어서 UV광을 조사하는 단계는 반드시 진행할 필요는 없으며, 생략할 수도 있다.
도 1은 일반적인 액정표시장치의 분해사시도.
도 2는 종래의 패턴드 스페이서를 포함하는 종래의 횡전계형 액정표시장치에 있어 박막트랜지스터와 패턴드 스페이서가 형성된 게이트 배선의 중앙부를 따라 절단한 부분에 대한 단면도.
도 3a 내지 도 3e는 종래의 패턴드 스페이서를 포함하는 컬러필터 기판의 제조 단계별 공정 단면도.
도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 실시예에 따른 패턴드 스페이서를 구비한 컬러필터 기판의 제조 공정 단면도.
도 5는 유기물질을 현상액을 이용한 현상시간에 따른 유기물질층의 두께 변화를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 컬러필터 기판의 제조에 있어 현상공정 후, 세정단계에서 UV램프를 통해 UV광을 조사하는 것을 도시한 도면.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110 : 기판 113a, 113b, 113c : 개구부
115 : 블랙매트릭스 120 : 컬러필터층
120a, 120b, 120c : 적, 녹, 청색 컬러필터 패턴
127 : 오버코트층 130 : 패턴드 스페이서

Claims (11)

  1. 기판 상에 다수의 개구를 갖는 블랙매트릭스를 형성하는 단계와;
    상기 다수의 개구에 순차적으로 반복되는 적, 녹, 청색의 컬러필터 패턴을 갖는 컬러필터층을 형성하는 단계와;
    상기 컬러필터층 위로 제 1 산가(Acid value)함량을 가지며 감광성 특성을 갖는 유기물질을 도포하여 제 1 두께를 갖는 유기물질층을 형성하는 단계와;
    상기 유기물질층에 투과영역과 차단영역을 갖는 노광 마스크를 이용하여 노광하는 단계와;
    상기 노광된 유기물질층을 현상액에 제 1 시간동안 노출시킴으로서 상기 유기물질층이 상기 제 1 시간동안 상기 현상액에 반응하여 상기 제 1 두께보다 얇은 제 2 두께를 갖는 오버코트층과 상기 오버코트층 상부로 제 1 높이를 가지며 기둥형태를 갖는 다수의 패턴드 스페이서를 형성하는 단계
    를 포함하는 컬러필터 기판의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    산가(Acid value)는 유기물질 내에 포함된 아크릴 바인더를 1그램(1g)녹이는데 필요한 KOH의 미리그램(mg)수로 정의되며, 상기 제 1 산가(Acid value)는 40 내지 80mgKOH/g인 것이 특징인 컬러필터 기판의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기물질은 노광시 빛을 받은 부분이 상기 현상공정 진행 후 기판 상에 남게되는 네가티브 타입의 감광성 특성을 갖는 것이 특징인 컬러필터 기판의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 시간은 50초 내지 70초인 것이 특징인 컬러필터 기판의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 현상액은 KOH 수용액인 것이 특징인 컬러필터 기판의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 현상액은 상기 노광 마스크를 통한 노광 시 상기 투과영역에 대응하여 빛에 노출된 부분과는 반응하지 않고, 상기 차단영역에 대응하여 빛에 노출되지 않 은 부분에 대해서만 상기 제 1 시간동안 시간에 비례하게 반응하여 상기 유기물질층의 두께를 점진적으로 줄어들도록 하는 것이 특징인 컬러필터 기판의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 현상 공정을 진행한 이후에는 200℃ 내지 250℃의 분위기에서 20분 내지 30분간 경화공정을 진행하는 것이 특징인 컬러필터 기판의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 노광하는 단계 이후 상기 현상공정을 진행하기 전에 상기 노광된 기판 표면에 순수를 분사하는 단계와;
    상기 기판 상에 남아있는 순수를 에어 분사를 통해 제거하는 단계와;
    상기 에어 분사 실시 후 남아있는 순수를 제거하기 위해 상기 기판을 열처리하여 건조하는 단계를 포함하는 세정 공정을 진행하며, 상기 기판을 건조하는 단계 진행 후 상기 기판이 상온이 되도록 냉각시키는 단계를 진행하며, 상기 기판을 냉각시키는 단계를 진행하는 동안 UV광을 상기 기판 전면에 조사하는 것이 특징인 컬러필터 기판의 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 두께는 5㎛ 내지 6㎛이며,
    상기 제 2 두께는 2㎛ 내지 3㎛이며,
    상기 제 1 높이는 2㎛ 내지 3㎛인 것이 특징인 컬러필터 기판의 제조 방법.
  10. 기판 상에 다수의 개구를 갖는 블랙매트릭스와;
    상기 다수의 개구에 순차적으로 반복되는 적, 녹, 청색의 컬러필터 패턴을 갖는 컬러필터층과;
    상기 컬러필터층 위로 감광성 특성을 갖는 유기물질로서 전면에 형성된 오버코트층 및 상기 오버코트층과 일체형으로 상기 오버코트층의 표면에서 분기하여 기둥형태로 이격하며 형성된 다수의 패턴드 스페이서
    를 포함하는 컬러필터 기판.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 오버코트층과 패턴드 스페이서는 유기물질 내에 포함된 아크릴 바인더를 1그램(1g)녹이는데 필요한 KOH의 미리그램(mg)수로 정의되는 산가의 함량이 40 내지 80mgKOH/g인 것이 특징인 컬러필터 기판.
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