KR20120033893A - 감광성 수지 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 막 형성시 적정한 광학밀도를 나타내면서 특정 금속(구리, 아연) 함유량을 최소화하여 액정 표시 장치의 구동 불량을 유발하지 않는 하부 기판 상에 형성되는 차광막이면서 셀갭 유지용 지지 스페이서로도 기능할 수 있는 경화막 형성에 유용한 감광성 수지 조성물을 제공한다.

Description

감광성 수지 조성물{Photopolymerizable resin composition}
본 발명은 액정 표시 장치 (Liguid Crystal Display; 이하 "LCD"라고 함)의 차광막 형성에 적합한 감광성 수지 조성물에 관한 것이다.
액정 표시장치는 액정분자의 광학적 이방성과 복굴절 특성을 이용하여 화상을 표현하는 것으로, 전계가 인가되면 액정의 배열이 달라지고 달라진 액정의 배열 방향에 따라 빛이 투과되는 특성 또한 달라진다.
일반적으로 액정표시장치는 전계 생성 전극이 각각 형성되어 있는 두 기판을 두 전극이 형성되어 있는 면이 마주 대하도록 배치하고, 두 기판 사이에 액정 물질을 주입한 다음, 두 전극에 전압을 인가하여 생성되는 전기장에 의해 액정 분자를 움직이게 함으로써 이에 따라 달라지는 빛의 투과율에 의해 화상을 표현하는 장치이다.
널리 쓰이고 있는 박막트랜지스터 액정디스플레이(TFT-LCD)의 구조의 일예를 보면, 박막 트랜지스터와 화소 전극이 배열되어 있는 하부 기판, 일명 어레이 기판과; 플라스틱 또는 유리로 된 기판 상부에, 블랙매트릭스와 적, 녹, 청의 삼색의 착색층이 반복되며, 그 위에 칼라필터의 보호와 표면평활성을 유지하기 위해 폴리이미드, 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄 등과 같은 재료의 두께 1 내지 3um의 오버코트층(OVERCOAT)과 이 오버코트층 상부에 액정 구동을 위한 전압이 인가되는 ITO(Indium Tin Oxide) 투명전도막층이 형성된 상부 기판, 일명 칼라필터 기판; 그리고 상, 하부 기판 사이에 채워져 있는 액정으로 구성되어 있으며, 두 기판의 양쪽 면에는 가시광선(자연광)을 선편광하여 주는 편광판이 각각 부착되어 있는 구조를 갖는다. 외부의 주변회로에 의해 화소를 이루고 있는 TFT의 게이트에 전압을 인가하여 트랜지스터를 turn-on 상태로 하여 액정에 영상전압이 입력될 수 있는 상태가 되도록 한 후 영상전압을 인가하여 액정에 영상정보를 저장한 뒤 트랜지스터를 turn-off하여 액정 충전기 및 보조 충전기에 저장된 전하가 보존되도록 하여 일정한 시간 동안 영상 이미지를 표시하도록 한다. 액정에 전압을 인가하면 액정의 배열이 변화하게 되는데 이 상태의 액정을 빛이 투과하게 되면 회절이 일어나게 된다. 이 빛을 편광판에 투과시켜 원하는 영상을 얻게 된다.
상기 컬러필터는 통상적으로 플라스틱 또는 유리로 된 투명기판 상부 면에 블랙 매트릭스를 형성하고, 레드, 그린, 블루 등의 다른 색상이 포토리소그래피(photolithography)법이나 인쇄법, 잉크젯방법 등으로 순차, 스트라이프상 또는 모자이크상 등의 색패턴으로 형성된다.
칼라필터 기판에 있어서 블랙매트릭스는 기판의 투명 화소 전극 이외로 투과되어 제어되지 않는 광을 차단하여 콘트라스트를 향상시키는 역할을 하며, 적, 녹, 청의 착색층은 백색광 중 특정 파장의 빛을 투과시켜 색을 표현할 수 있도록 하며, 투명전도막층은 액정에 전계를 인가하기 위한 공통전극의 역할을 한다.
그런데, 상부 컬러필터 기판과 하부 어레이기판을 합착하여 액정패널을 제작하는 경우에는, 컬러필터 기판과 어레이기판의 합착 오차에 의한 빛샘 불량 등이 발생할 확률이 매우 높다.
따라서, 이러한 빛샘 불량을 방지하기 위해 블랙매트릭스를 설계할 때 마진(margin)을 두고 설계하게 되며 이러한 마진은 개구율을 잠식하는 주요 원인이 된다.
이러한 문제를 개선하기 위하여, 최근에는 액정 표시 장치의 컬러필터를 상부 기판 즉, 컬러필터 기판이 아닌 하부 기판 즉, 어레이 기판 위에 형성하여 개구율을 높이고 또한 제조 공정을 줄이면서 제조 비용을 감소시키기 위한 노력이 활발히 진행 중이다.
본 발명은 경화막 형성시에 적정한 광학밀도를 나타내면서 특정 금속의 함유량를 낮추어 액정 표시 장치의 구동불량 내지 화질 또는 광학적 성능 저하를 감소시키는 감광성 수지 조성물을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 액정 디스플레이 장치 제작시 어레이 기판 상에 컬러필터가 형성되는 구조에서, 어레이 기판 상에 블랙매트릭스 및 셀갭 유지용 스페이서를 형성하는 데 유용한 감광성 수지 조성물을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 어레이 기판 상에 블랙매트릭스의 기능 및 셀갭 유지용 스페이서의 기능을 함께 요구하는 패턴을 형성하는 데 있어서 유용한 감광성 수지 조성물을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 어레이 기판 상에 컬러필터가 형성되더라도 인가된 전압의 유지를 방해하지 않는 감광성 수지 조성물을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 특히 어레이 기판 상에 형성되는 셀갭 유지용 스페이서로 적용시 액정층 내에 노출되어 인가된 전압의 유지를 방해하지 않는 감광성 수지 조성물을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 충분한 차광성 및 특정 화학약품에 대한 내성을 가져 블랙매트릭스 및 셀갭 유지용 스페이서로 기능하기에 충분하며 인가된 전압에 대한 유지를 방해하지 않아 화소불량을 줄일 수 있는 감광성 수지 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예는 (A) 바인더 수지; (B) 다관능성 모노머; (C) 광중합 개시제 또는 광증감제; (D) 블랙 안료; 및 (E) 용매를 포함하고, 상기 블랙 안료는 아닐린블랙, 퍼릴렌 블랙, 금속 산화물 중에서 선택되는1종 이상인 감광성 수지 조성물인 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 (A) 바인더 수지 100중량부에 대하여 (B) 다관능성 모노머 0.1 내지 99중량부, (C) 광중합 개시제 또는 광증감제 0.01 내지 20중량부, (D) 블랙 안료 1 내지 300중량부 및 (E) 용매 1 내지 400중량부를 포함하는 감광성 수지 조성물인 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 금속 산화물은 크롬, 세륨, 망간 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속을 포함하는 금속 산화물인 감광성 수지 조성물인 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 블랙 안료는 입자크기가 50 내지 150㎛인 감광성 수지 조성물인 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 블랙 안료는 안료 혼합성분을 더 포함하는 감광성 수지 조성물인 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 안료 혼합성분은 레드 안료 및 블루 안료를 필수 성분으로 하고, 옐로우 안료, 그린 안료 및 바이올렛 안료 중에서 선택된 단독 또는 이들의 혼합물을 포함하는 감광성 수지 조성물인 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 안료 혼합성분은 안료 혼합성분 총 중량 중 고형분 함량을 기준으로 레드 안료 10 내지 50중량%, 블루 안료 10 내지 50중량%, 옐로우 안료 1 내지 20중량%, 그린 안료 1 내지 20중량% 및 바이올렛 안료 1 내지 20중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 감광성 수지 조성물인 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 블랙 안료는 안료 혼합성분 총 중량 중 고형분 함량 기준으로 10중량% 이하로 포함하는 감광성 수지 조성물인 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 안료 혼합성분은 감광성 수지 조성물 총 중량에 대하여 20 내지 80 중량%로 포함되는 감광성 수지 조성물인 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 안료 혼합성분은 각각의 안료가 용매 중에 분산된 안료 분산액 형태인 감광성 수지 조성물인 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 안료 분산액은 아크릴레이트계 안료분산제 중에서 선택되는 적어도 1종의 안료 분산제를 포함하는 감광성 수지 조성물인 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 안료 분산제는 안료 혼합성분 총 중량 중 3 내지 20중량%을 포함하는 것을 특징으로 하는 감광성 수지 조성물인 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 감광성 수지 조성물을 분산제조하여 얻어지는 수지 블랙매트릭스를 코팅한 후 노광 및 현상을 거쳐 얻어진 패턴은 단위 두께 3.0㎛ 당 광학밀도(OD)가 3.0 이상인 감광성 수지 조성물인 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 감광성 수지 조성물을 이용하여 포토리소그래피법에 의해 형성된 블랙매트릭스를 포함하는 박막트랜지스터 기판인 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 감광성 수지 조성물을 이용하여 포토리소그래피법에 의해 형성된 셀갭 유지용 스페이서를 포함하는 박막트랜지스터 기판인 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 감광성 수지 조성물을 이용하여 포토리소그래피법에 의해 형성된 블랙매트릭스 일체형 셀갭 유지용 스페이서를 포함하는 박막트랜지스터 기판인 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 박막트랜지스터 기판을 하부 기판으로 포함하는 액정 디스플레이 장치인 것이다.
본 발명에 따른 감광성 수지 조성물은 경화막 형성시에 적정한 광학밀도를 나타내면서 특정 금속함유량을 최소화하여 이를 이용하는 경우 특히 액정 디스플레이 장치 제작시 어레이 기판 상에 블랙매트릭스 및 셀갭 유지용 스페이서를 형성할 경우, 또는 어레이 기판 상에 블랙매트릭스의 기능 및 셀갭 유지용 스페이서의 기능을 함께 요구하는 패턴을 형성하는 데 있어서 유용할 수 있다.
또한, 본 발명은 어레이 기판 상에 컬러필터가 형성되더라도 인가된 전압의 유지를 방해하지 않는 장점이 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, (A) 바인더 수지; (B) 다관능성 모노머; (C) 광중합 개시제 또는 광증감제; (D) 블랙 안료; 및 (E) 용매를 포함하고, 상기 블랙 안료는 아닐린블랙, 퍼릴렌 블랙, 금속 산화물 중에서 선택되는1종 이상인 감광성 수지 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
(A) 바인더 수지
본 발명에 따른 바인더 수지의 일례로 하기 화학식 1로 표시되는, 주쇄에 아크릴레이트기를 갖는 다관능기 구조를 가지는 수지 화합물을 들 수 있다.
<화학식 1>
Figure pat00001
(상기 식에서, R1 및 R3는 수소원자 또는 메틸기이고, Y는 제1 산무수물의 잔기이고, Z는 제2 산무수물의 잔기이고, m:n의 몰비는 100:0 내지 0:100이다.)
상기 화학식 1로 표시되는 화합물에서 Y는 말레인산 무수물(Maleic anhydride), 숙신산 무수물(Succinic anhydride), 시스-1,2,3,6-테트라하이드로프탈산 무수물(cis-1,2,3,6-Tetrahydrophthalic Anhydride), 3,4,5,6-테트라하이드로프탈산 무수물(3,4,5,6-Tetrahydrophthalic Anhydride), 프탈산 무수물(Phthalic Anhydride), 이타콘산 무수물(Itaconic anhydride), 1,2,4-벤젠트리카복실산 무수물(1,2,4-Benzenetricarboxylic Anhydride), 메틸-테트라하이드로프탈산 무수물(Methyl-Tetrahydrophthalic Anhydride), 시트라콘산 무수물(Citraconic Anhydride), 2,3-디메틸말레인산 무수물(2,3-Dimethylmaleic Anhydride), 1-사이클로펜텐-1,2,-디카복실산 무수물(1-Cyclopentene-1,2-Dicarboxylic anhydride), 시스(5-노보넨-엔도-2,3-디카복실산 무수물(cis-5-Norbonene-endo-2,3-Dicarboxylic Anhydride) 및 1,8-나프탄산 무수물(1,8-Naphthalic Anhydride) 중에서 선택된 제1 산무수물의 잔기인 것이다.
또한 상기 화학식 1로 표시되는 화합물에서 Z는 1,2,4,5-벤젠테트라카복실산 이무수물(1,2,4,5-Bezenetetracarboxylic Dianhydride), 4,4'-바이프탈산 이무수물(4,4'-Biphthalic Dianhydride), 3,3',4,4'-벤조페논테트라카복실산 이무수물(3,3',4,4'-Benzophenonetetracarboxylic Dianhydride), 피로멜리트산 이무수물(Pyromelitic Dianhydride), 1,4,5,8-나프탈렌테트라카복실산 이무수물(1,4,5,8-Naphthalenetetracarboxylic Dianhydride), 1,2,4,5-테트라카복실산 무수물(1,2,4,5-Tetracarboxylic Anhydide), 메틸노보넨-2,3-디카복실산 무수물(Methylnorbonene-2,3-Dicarboxylic Anhydride), 4,4'-[2,2,2-트리플로로-1-(트리플로로메틸)에틸리덴]디프탈산 무수물(4,4'-[2,2,2-Trifluoro-1-(Trifluoromethyl)Ethylidene]Diphthalic Anhydride), 4,4'-옥시디프탈산 무수물(4,4`-Oxydiphthalic Anhydride) 및 에틸렌글리콜 비스(안하이드로 트리멜리테이트)(Ethylene Glycol Bis (Anhydro Trimelitate)) 중에서 선택된 제2 산무수물의 잔기인 것이다.
또한, 화학식 1로 표시되는 화합물은 제1 산무수물과 제2 산무수물의 몰비인 m:n의 비율이 100:0 내지 0:100, 바람직하게는 100:0 내지 50:50, 더 바람직하게는 100:0 내지 70:30, 보다 더 바람직하게는 0:100 내지 50:50의 범위에 있는 것이 패턴형성 시 패턴현상 안정성, 경화밀도, 밀착력 개선에 있어 바람직하다.
또한, 상기 바인더 수지는 전체 수지 조성물 중 5 내지 80중량%로 포함되는 것이 형성된 패턴의 내열성, rakeh, 코팅성 개선에 있어서 바람직하다.
본 발명에 따른 감광성 수지 조성물은 상기 바인더 수지의 일례로 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있는데, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 구체적으로 다음과 같은 방법에 의해 얻어질 수 있다: 하기 화학식 2의 비스페놀 플로오렌형 에폭시 화합물과 화학식 3의 (메타)아크릴산을 반응시켜 화학식 4로 표시되는 화합물을 합성하고, 양말단에 현상성을 부여할 수 있도록 제1 산무수물 또는 제2 산무수물로 처리한 후 다관능기를 부여하기 위해 화학식 5로 표시되는 에폭시 아크릴레이트를 반응시켜 화학식 1 화합물을 합성한다.
<화학식 2>
Figure pat00002
<화학식 3>
Figure pat00003
(R 는 수소원자 또는 메틸기)
<화학식 4>
Figure pat00004
(R1 는 수소원자 또는 메틸기)
<화학식 5>
Figure pat00005
(R는 수소원자 또는 메틸기)
(B) 다관능성 모노머
광에 의해 포토레지스트상을 형성하는 역할을 하는 다관능성 모노머는 구체적으로는, 프로필렌글리콜 메타크릴레이트, 디펜타에리쓰리톨 헥사아크릴레이트, 디펜타에리쓰리톨 아크릴레이트, 네오펜틸글리콜 디아크릴레이트, 1,6-헥산디올 디아크릴레이트, 1,6-헥산디올 아크릴레이트 테트라에틸렌글리콜 메타크릴레이트, 비스페녹시 에틸알콜 디아크릴레이트, 트리스히드록시에틸이소시아누레이트 트리메타크릴레이트, 트리메틸프로판 트리메타크릴레이트, 펜타에리 쓰리톨 트리메타 크릴레이트, 펜타에리쓰리톨 테트라메타크릴레이트 및 디펜타에리쓰리톨 헥사메타 크릴레이트로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
그 함량은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 100중량부에 대해 0.1 내지 99중량부인 것이 UV에 의한 광개시제의 라디칼 반응으로 인한 가교결합으로 패턴형성 및 안료 및 입자 성분과의 결합력이 높아져서 광학밀도가 증가하는 점에 있어서 바람직하다.
(C) 광중합개시제 또는 광증감제
광중합개시제 혹은 광증감제는 옥심에스테르계의 화합물인 1-[9-에틸-6-(2-메틸벤조일)-9H-카바졸-3-일]-1-(O-아세틸옥심)(1-[9-ethyl-6-(2-methybenzoyl)-9H-carbazol-3-yl]-1-(O-acetyloxime)), 1,2-옥탄디온-1[(4-페닐티오)페닐]-2-벤조일-옥심( 1,2-octanedione-1[(4-phenylthio)phenyl]-2-benzoyl-oxime)과 티옥산톤, 2,4-디에틸 티옥산톤, 티옥산톤-4-술폰산, 벤조페논, 4,4'-비스(디에틸아미노)벤조페논, 아세토페논, p-디메틸아미노아세토페논, 디메톡시아세톡시벤조페논, 2,2'-디메톡시-2-페틸아세토페논, p-메톡시아세토페논, 2-메틸[4-(메틸티오)페닐]-2-모르폴리노-1-프로파논, 2-벤질-2-디에틸아미노-1-(4-모르폴리노페닐)-부탄-1-온, 2-히드록시-2-메틸-1-페닐프로판-1-온, 4-(2-히드록시에톡시)페닐-(2-히드록시-2-프로필)케톤, 1-히드록시시클로헥실페닐케톤 등의 케톤류; 안트라퀴논, 1,4-나프토퀴논 등의 퀴논류; 1,3,5-트리스(트리클로로메틸)-s-트리아진, 1,3-비스(트리클로로메틸)-5-(2-클로로페닐)-s-트리아진, 1,3-비스(트리클로로페닐)-s-트리아진, 페나실 클로라이드, 트리브로모메틸 페닐술폰, 트리스(트리클로로메틸)-s-트리아진 등의 할로겐 화합물; 디-t-부틸 퍼옥사이드 등의 과산화물; 2,4,6-트리메틸 벤조일 디페닐 포스핀 옥사이드 등의 아실 포스핀 옥사이드류 중에서 선택된 것일 수 있다.
이와 같은 광중합개시제 또는 광증감제는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 100중량부에 대해 0.01 내지 20중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
(D) 블랙 안료
상기 블랙 안료로는 아닐린블랙, 퍼릴렌 블랙, 금속 산화물 중에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 상기 금속 산화물은 크롬, 세륨, 망간 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속을 포함하는 것이 바람직하다. 바람직하게는 패턴의 현상이 용이하다는 점에서 아닐린블랙, 망간산화물을 사용하는 것이 좋다.
상기 블랙안료의 입자크기는 50 내지 150㎚로 조절하는 것이 좋으며, 보다 바람직하게는 80 내지 100㎚로 조절하는 것이 좋은데, 스핀타입 및 스핀리스(spinless) 타입 코팅시 유동성을 부여하고, 프리베이크 후의 표면잔사 및 돌기방지에 효과적이며, 광학밀도 및 기판 접착력에 효과적이기 때문이다.
상기 블랙안료의 함량은 화학식 1로 표시되는 화합물 100중량부에 대하여 1 내지 300중량부인 것이 수지조성물의 광학밀도를 조절함에 있어서 바람직하다.
상기 블랙 안료는 안료 혼합성분을 더 포함할 수 있다.
상기 안료 혼합성분은 레드 안료 및 블루 안료를 필수 성분으로 하고, 옐로우 안료, 그린 안료 및 바이올렛 안료 중에서 선택된 단독 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 구체적으로 안료의 혼합에 있어서 광투과율 및 유전율을 고려하여 유기 안료를 혼합하여 사용하는 것이 좋은데, 바람직하게는 레드 안료 및 블루 안료를 필수적으로 혼합할 수 있고, 여기에 옐로우 안료 또는 그린 안료를 더 혼합할 수 있다. 이외에 바이올렛 안료를 더 혼합할 수 있다.
안료의 비제한적인 예로 하기의 안료들이 있다.
이러한 안료로서 컬러인덱스(C.I.) 넘버로 레드 안료 : C.I. 3, 23, 97, 108, 122, 139, 149, 166, 168, 175, 177, 180, 185, 190, 202, 214, 215, 220, 224, 230, 235, 242, 254, 255, 260, 262, 264, 272, 옐로우 안료 : C.I. 13, 35, 53, 83, 93, 110, 120, 138, 139, 150, 154, 175, 180, 181, 185, 194, 213, 블루 안료 : C.I. 15, 15:1, 15:3, 15:6, 36, 71, 75, 그린안료 : C.I. 7, 36 , 바이올렛 안료 : C.I. 15, 19, 23, 29, 32, 37 등이 있다.
상기 안료 혼합성분은 안료 혼합성분 총 중량 중 고형분 함량을 기준으로 레드 안료 10 내지 50중량%, 블루 안료 10 내지 50중량%, 옐로우 안료 1 내지 20중량%, 그린 안료 1 내지 20중량% 및 바이올렛 안료 1 내지 20중량%를 포함할 수 있다.
상기 안료 혼합성분은 감광성 수지 조성물 총 중량에 대하여 20 내지 80 중량%로 포함될 수 있다.
상기 안료 혼합성분은 각각의 안료가 용매 중에 분산된 안료 분산액 형태인 것이 바람직하다.
상기 안료 분산액은 아크릴레이트계 안료분산제 중에서 선택되는 적어도 1종의 안료 분산제를 포함한다.
상기 안료 분산제는 안료 혼합성분 총 중량 중 3 내지 20중량%으로 포함한다.
(E) 용매
상기 용매는 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트(PGMEA), 프로필렌글리콜에틸에테르아세테이트, 프로필렌글리콜메틸에테르, 프로필렌글리콜프로필에테르, 메틸셀로솔브아세테이트, 에틸셀로솔브아세테이트, 디에틸글리콜메틸아세테이트, 에틸에톡시프로피오네이트, 메틸에톡시프로피오네이트, 뷰틸아세테이트, 에틸아세테이트, 시클로헥사논, 아세톤, 메틸이소부틸케톤, 디메틸포름아미드, N,N`-디메틸아세트아미드, N-메틸피롤리디논, 디프로필렌글리콜메틸에테르, 톨루엔, 메틸셀로솔브 및 에틸셀로솔브 중에서 선택하여 사용할 수 있다.
그 함량은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 100중량부에 대해 1 내지 400중량부인 것이 수지조성물의 용해성, 코팅특성, 표면특성을 조절함에 있어서 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 감광성 수지 조성물은 에폭시기를 함유하는 실리콘계 화합물을 임의의 목적에 따라 선택적으로 포함할 수 있다.
상기 에폭시기를 함유하는 실리콘계 화합물은 수지 블랙 매트릭스에 있어서 물, 알칼리, 산, 유기용매 등의 화학물질에 대한 내화학성과 내열성, 접착성 등을 개선하기 위해 포함되는 것으로, 구체적으로는 페놀 노볼락형 에폭시 아크릴레이트, 비스페놀A형 아크릴레이트, 비스페놀 S형 아크릴레이트, 크레졸 노볼락형 에폭시 아크릴레이트 등의 에폭시기를 가지는 1종이상의 화합물일 수 있다.
그 함량은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 100중량부에 대해 0.1 내지 80중량부인 것이 패턴형성 후 내열성, 내화학성, 접착성 개선에 있어서 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 수지 블랙 매트릭스용 감광성 수지 조성물은 필요에 따라 첨가제를 더 포함할 수 있는데, 첨가제의 일예로는 블랙 매트릭스와 코팅기판과의 밀착력을 향상시켜주는 실란계 커플링제, 코팅된 표면의 접촉각의 개선, 잔사개선등의 특성을 향상시키기 위한 계면활성제 등을 들 수 있다.
이와 같은 조성을 갖는 감광성 수지 조성물을 분산 제조하여 얻어지는 수지 블랙 매트릭스는 점도가 1 내지 5cps인 것이 효과적이다. 이는 스핀타입 또는 스핀리스(spinless) 타입의 코팅에 대하여 다양한 제품 그레이드를 제공하고, 코팅 후의 박막 내의 잔사 및 돌기를 방지할 뿐 아니라 박막의 두께를 다양하게 조절하는 데 보다 유리하기 때문이다.
또한, 이와 같은 감광성 수지 조성물을 분산제조하여 얻어지는 수지 블랙매트릭스를 코팅한 후 노광 및 현상을 거쳐 얻어진 패턴은 광학밀도(OD)가 단위 두께(㎛)당 3.0 이상, 바람직하게는 3.0 내지 6.0을 만족한다.
이를 구체적으로 설명하면, 액정 디스플레이 장치에 있어서 개구율 향상 등을 위한 일환으로 하부 기판 상 즉, 어레이 기판 상에 컬러필터층을 형성하고 있으며, 컬러필터층에는 R, G, B 화소 간에 블랙매트릭스가 형성된다. 이 경우 블랙매트릭스의 마진을 최소화할 수 있으므로 궁극적으로 개구율을 향상시켜 휘도를 증진시킬 수 있다.
특히 어레이 기판 상에 블랙매트릭스가 형성됨에 따라 통상 컬럼 스페이서라 불리우는 셀갭 유지용 스페이서 또한 어레이 기판 상에 형성될 수 있다. 어레이 기판 상에 블랙매트리스와 셀갭 유지용 스페이서를 형성하는 것은 별도의 패턴 형성 공정을 거쳐 이루어지며 개별적으로 형성될 수 있다. 통상 블랙매트릭스로 알려진 차광막 형성용 감광성 수지 조성물과 셀갭 유지용 스페이서를 형성하는 감광성 수지 조성물은 서로 다른 조성을 가지며 요구되는 특성 또한 다르다.
그러나 어레이 기판 상에 컬러필터를 형성하는 LCD 구조의 기술 발전을 고려할 때 블랙매트릭스와 셀갭 유지용 스페이서를 단일의 포토리소그래피 공정을 통해 단차를 갖도록 형성하거나, 블랙매트릭스 상에 셀갭 유지용 스페이서를 형성하거나, 또는 더 나아가 하나의 패턴으로 블랙매트릭스와 셀갭 유지용 스페이서의 기능을 수행할 수 있도록 하는 등의 요구가 있다.
이러한 용도의 패턴을 형성하고자 하는 데 있어서 요구되는 특성 중 하나는, 패턴 형성 이후로 다른 목적에 의한 포토리소그라피 공정이 더 수행될 수 있다는 점이다. 이러한 측면에서 본 발명에 따른 감광성 수지 조성물은 차광막으로 기능하기 위해서 최소한의 차광성을 만족하면서 특정 금속(구리, 아연) 함유량을 최소화하도록 단위 두께 3㎛ 당 광학밀도(OD)가 3 이상을 발현할 수 있으며, 액정 표시 장치의 구동 불량을 최소화하기 위해 다음과 같이 수지 조성물에 대한 금속 성분 용출 실험을 통해 금속 함유량이 구리의 경우 10ppb 이하, 아연의 경우 30ppb 이하인 것일 수 있다. 금속 성분 용출 실험방법은 다음과 정의될 수 있다.
<금속성분 용출 실험 방법>
- 경화막 형성법
청정한 표면을 갖는 유리기판 상에 스핀 코터를 사용하여 500rpm으로 코팅하여 수지 도포층을 형성하였다. 도포 후, 핫플레이트로 100℃의 온도로 100초간 건조시켜 도포막 두께를 1~1.5㎛ 되도록 한다. 이어서 마스크(갭 100㎛)를 통하여 자외선 등의 활성선 에너지선을 조사에너지선량 30mJ/㎠ 의 범위로 노광하였다. 노광하여 얻은 막을 현상액(0.032% KOH수용액, 25℃)을 사용하여 현상(현상시간 60초)하여 경화막 패턴을 형성한다. 현상 후 220℃ 컨벡션 오븐에 넣은 후 30분 동안 포스트베이크를 수행한다.
- 분석 시료 준비 및 분석 방법
포스트베이크가 완료된 유리기판 상에 경화막 패턴을 일정한 면적(0.5cm x 0.5cm)으로 절단한 후 NMP(n-메틸 피롤리돈) 5g에 침지 후 100℃의 온도로 1hr동안 열처리한다. 열처리 후 NMP를 추출하여 ICP-MS 장비를 통해 용액의 금속 함유량을 측정한다.
만일 단위 두께 3㎛ 당 광학밀도(OD)가 3.0 미만이면 다소 두께가 두꺼워지더라도 적정 차광 효과를 발현하는 것이 어려울 수 있고, 차광막으로서 기능하는 경우 차광성을 충분히 발현하지 못해 투명화소 전극 이외로 투과되어 제어되지 않는 광을 차단하지 못하게 될 수 있다.
이와 같은 특성을 만족하는 감광성 수지 조성물을 이용하면 슬릿 마스크(slit mask) 또는 하프톤 마스크(half-tone mask)를 이용하여 패터닝하여 소정의 두께만큼 단차를 갖도록 블랙매트릭스와 셀갭 유지용 스페이서를 동시에 형성할 수도 있고, 또한 블랙매트릭스가 형성되는 위치에서 그대로 셀갭 유지용 스페이서를 더 형성하거나 블랙매트릭스 형성시 셀갭 유지용 스페이서로 기능하도록 형성할 수도 있다. 더욱이 이러한 패턴을 형성한 이후로 투명전극 형성 등을 위한 후속적인 포토리소그라피 공정시 레지스트 박리액에 의한 패턴 형성을 최소화할 수 있다.
한편 상술한 것과 같이 액정 표시장치의 화상은 두 전극(화소 전극, 공통 전극)이 대향된 두 기판 사이에 액정 물질을 주입하고 두 전극에 전압을 인가하여 전기장에 의해 액정 분자를 움직이게 함으로써 이에 따라 달라지는 빛의 투과율에 의해 표시되는바, 만일 하부 기판에 형성되는 화소 전극과 상부 기판에 형성되는 공통 전극 간에 도전성 이물(금속 산화물)이 혼입하게 되면 하부 기판에 형성된 화소 전극과 상부 기판에 형성된 공통 전극 간의 전위차가 인가 초기의 의도대로 유지되지 않아 액정 분자가 배향하지 않게 되거나 달리 배향될 수 있다.
이러한 문제는 액정 표시 장치의 구동시 휘점 또는 흑점 등의 spot을 발생시킬 수 있으며, 화소 불량을 유발한다.
감광성 수지 조성물을 이용하여 제작된 블랙 매트릭스 경화패턴에 대한 금속 함유량을 최소화하기 위한 방법의 일예로는 다양한 방법을 상도할 수 있으며 이에 한정이 있는 것은 아니나, 일예로 블랙안료의 종류 및 함량을 변형하는 등의 방법을 들 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 설명한다.　 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
< 제조예 1> 화학식 1로 표시되는 화합물의 제조
1L 사구 플라스크에, 용매인 프로필렌글리콜 메틸에테르아세테이트(PGMEA)에 비스페놀 플루오렌형 에폭시화합물 232g과 아크릴산 72g을 혼합하고, 트리에틸아민 4.56g과 하이드로퀴논 100mg을 넣은 후 100℃로 가열 용해하였다. 용액이 백탁한 상태에서 서서히 승온하다가 100℃에서 완전 용해시켰다. 완전히 용해 되면 90℃로 유지하며, 여기에 25ml/분의 속도로 질소를 주입하면서 산가가 목표에 이를 때까지 12시간을 요하였다. 산가를 측정하여 3.0mgKOH/g 미만이 될 때까지 가열 교반을 계속하였다. 그리고 실온까지 냉각하여 무색 투명의 비스페놀플루오렌형 에폭시아크릴레이트를 얻었다.
이렇게 하여 얻어진 비스페놀플루오렌형 에폭시아크릴레이트 300g에 1,2,3,6-테트라하이드로 무수 프탈산 32.57g, 혼합하고 서서히 승온하여 120℃로 20시간 반응시켜 카도계 화합물을 얻었다.
< 제조예 2> : 알칼리 가용성 아크릴계 바인더 수지 합성의 예
1000ml 4구 플라스크 속에 다음 표 1에 나타낸 것과 같은 조성 성분을 넣고 여기에 질소를 불어넣으면서 30분 동안 교반하였다. 다음으로, 온도를 서서히 올려 65℃에서 4시간 반응시킨 후 80℃로 승온시켜 2시간 더 반응시켜 알칼리 가용성 아크릴계 바인더 수지를 합성하였다. 하기 표 1에 있어 단위는 g이다.
제조예 2
MAA 38.13
MMA 108.82
Sty 32.45
KBM503 11.45
개시제 19.09
PGMEA 490.00
(주)MAA: 메타아크릴산, MMA: 메틸 메타아크릴레이트, Sty: 스티렌
KBM503: 3-(메타아크릴옥시프로필)트리메톡시실란, Shin-Etsu Chemical제품
개시제: 아조비스이소부티로나이트릴
PGMEA: 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트
<실시예 1 내지 8>
상기 제조예 1로부터 얻어지는 카도계 화합물과 상기 제조예 2로부터 얻어지는 알칼리 가용성 아크릴계 바인더 수지에, 블랙안료를 하기 표 2에 명시된 것과 같이 넣고, 다관능성 모노머(디펜타에리쓰리톨 헥사아크릴레이트), 광중합 개시제를 넣고 용매(프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트(PGMEA))와 기타 첨가제(불소계 계면활성제 및 커플링제)를 넣어 3시간 동안 교반하여 감광성 수지 조성물을 제조하였다.
여기서 중량부는 전체 바인더 수지 (카도계 화합물과 아크릴계 바인더 수지) 고형분 함량 100중량부에 대한 함량으로 표기한 것이다.
제조예1
(카도계화합물)		 제조예2
(아크릴계
바인더)		 블랙안료 광개시제 용매
(PGMEA)		 다관능성 모노머
(DPHA)		 첨가제
(GPTMS)
안료명 중량부
비
교
예 		1 80 20 KLBK-103 100 10 215 30 2.5
2 80 20 KLBK-103 150 10
3 80 20 KLBK-90 100 10
4 80 20 KLBK-90 150 10
실
시
예 		1 80 20 AM-092 100 10
2 80 20 AM-092 150 10
3 80 20 AM-113 100 10
4 80 20 AM-113 150 10
(주)
수지성분: 전체 조성 중 15중량%
DPHA:디펜타에리쓰리톨 헥사아크릴레이트
PGMEA: 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트
GPTMS: 글리시독시 프로필트리 메톡시 실란 (실리콘계 화합물)
KLBK-103 : Mikuni社 카본블랙 안료 분산액
KLBK-90 : Mikuni社 유기안료(RGB) 분산액
AM-092 : KCC社 망간 산화물 블랙 안료
AM-113 : KCC社 아닐린 블랙 안료
상기 비교예 1 내지 4 및 실시예 1 내지 4에 의하여 제조된 감광성 수지 조성물에 대하여 현상시작시간, 현상패턴 안정성, 광학밀도, 금속 성분 용출량, 잔사 등을 다음과 같은 방법으로 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 3과 같다.
(1) 경화막 형성법
이와 같이 얻어진 감광성 수지 조성물을 이용하여 다음과 같은 방법으로 경화막 패턴을 형성하였다; 청정한 표면을 갖는 유리기판 상에 스핀 코터를 사용하여 500rpm으로 코팅하여 수지 도포층을 형성하였다. 도포 후, 핫플레이트로 100℃의 온도로 100초간 건조시켜 도포막 두께를 1.5㎛ 되도록 하였다. 이어서 마스크(갭 100㎛)를 통하여 자외선 등의 활성선 에너지선을 조사에너지선량 30mJ/㎠ 의 범위로 노광하였다. 노광하여 얻은 막을 현상액(0.032% KOH수용액, 25℃)을 사용하여 현상(현상시간 60초)하여 경화막 패턴을 형성하였다. 현상 후 230℃ 컨벡션 오븐에 넣은 후 30분 동안 포스트베이크를 수행하였다.
(2) 현상 시작 시간
현상 시작 시간은 수지 블랙 매트릭스를 유리기판에 코팅-프리베이크-노광공정을 수행한 후 현상공정에서 수지 블랙 매트릭스가 현상되어 패턴이 형성되기 시작하는 시간을 육안으로 확인하였다.
(3) 현상패턴 안정성
현상패턴 안정성은 수지 블랙 매트릭스를 유리기판에 코팅-프리베이크-노광공정을 수행한 후 현상공정에서 수지 블랙 매트릭스가 현상되어 패턴이 형성되기 시작한 후(현상시작 시간) 일정 시간별로 현상을 진행하여 광학 현미경을 통해 패턴의 선폭 및 패턴의 직진성 등을 확인하였다. 현상시간을 5s 단위로 하여 패턴의 선폭이 감소되는 정도가 1㎛ 이하인 구간을 확인하였다.
(4) 광학밀도
상기와 같이 수득한 경화막을 (주)오츠카 전자의 PMT 장비를 사용하여 광학밀도가 2.4인 reference를 사용하여 광학밀도를 측정하여 하기 표 3에 기재하였다.
(5) 금속 성분 용출량
포스트베이크가 완료된 유리기판 상에 경화막 패턴을 일정한 면적(0.5cm × 0.5cm)으로 절단한 후 NMP(n-메틸 피롤리돈) 5g에 침지 후 100℃의 온도로 1hr동안 열처리한다. 열처리 후 NMP를 추출하여 ICP-MS 장비(제품명 : ELAN DRC-II, 제조사 : Perkin Elmer)를 통해 용액의 금속 함유량을 측정한다.
(6) 잔사
SEM을 이용하여 현상 후 잔사 유무를 확인하였다.
비교예
및
실시예		 현상시작
시간
(s)		 현상패턴
안정성
(s)		 광학밀도
( / 1um)		 금속성분 용출량
(ppb)		 잔사
구리 아연
비교예1 35s 15s 2.8 22.3 78.2 없음
비교예2 38s 15s 3.5 28.7 90.5 없음
비교예3 28s 15s 0.9 317.7 36.2 없음
비교예4 33s 15s 1.2 498.6 51.2 없음
실시예1 35s 15s 1.3 8.5 21.7 없음
실시예2 75s 10s 1.6 8.7 29.1 발생
실시예3 35s 15s 1.4 검출안됨 15.9 없음
실시예4 38s 15s 1.8 3.1 18.1 없음
상기 표 3의 결과로부터, 비교예 1 내지 4의 금속성분 용출 실험결과를 통해 카본블랙 및 유기 RGB안료를 사용한 수지 조성물이 차광막을 형성한 후 구리, 아연 등의 금속성분이 상대적으로 많이 검출됨을 알 수 있다. 상대적으로 실시예 1 내지 4의 아닐린 블랙안료와 망간 산화물 블랙 안료를 사용한 수지 조성물의 경우 경화막 형성시에 적정한 광학밀도를 나타내면서 특정 금속함유량을 최소화하여 액정 표시 장치의 구동시 휘점 또는 흑점 등의 spot 등의 불량화소 문제를 일으키지 않을 것으로 미루어 짐작할 수 있다. 이로부터 실시예 1 내지 4는 다른 평가치들의 손상을 방지하거나 최소화하는 데 있어서 가장 최적한 조건을 가짐을 알 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (17)

  1. (A) 바인더 수지;
    (B) 다관능성 모노머;
    (C) 광중합 개시제 또는 광증감제;
    (D) 블랙 안료; 및
    (E) 용매를 포함하고,
    상기 블랙 안료는 아닐린블랙, 퍼릴렌 블랙, 금속 산화물 중에서 선택되는1종 이상인 감광성 수지 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (A) 바인더 수지 100중량부에 대하여 (B) 다관능성 모노머 0.1 내지 99중량부, (C) 광중합 개시제 또는 광증감제 0.01 내지 20중량부, (D) 블랙 안료 1 내지 300중량부 및 (E) 용매 1 내지 400중량부를 포함하는 감광성 수지 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속 산화물은 크롬, 세륨, 망간 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속을 포함하는 금속 산화물인 감광성 수지 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 블랙 안료는 입자크기가 50 내지 150㎛인 감광성 수지 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 블랙 안료는 안료 혼합성분을 더 포함하는 감광성 수지 조성물.
  6. 제5항에 있어서, 상기 안료 혼합성분은 레드 안료 및 블루 안료를 필수 성분으로 하고, 옐로우 안료, 그린 안료 및 바이올렛 안료 중에서 선택된 단독 또는 이들의 혼합물을 포함하는 감광성 수지 조성물.
  7. 제5항에 있어서, 상기 안료 혼합성분은 안료 혼합성분 총 중량 중 고형분 함량을 기준으로 레드 안료 10 내지 50중량%, 블루 안료 10 내지 50중량%, 옐로우 안료 1 내지 20중량%, 그린 안료 1 내지 20중량% 및 바이올렛 안료 1 내지 20중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 감광성 수지 조성물.
  8. 제5항에 있어서, 상기 블랙 안료는 안료 혼합성분 총 중량 중 고형분 함량 기준으로 10중량% 이하로 포함하는 감광성 수지 조성물.
  9. 제5항에 있어서, 상기 안료 혼합성분은 감광성 수지 조성물 총 중량에 대하여 20 내지 80 중량%로 포함되는 감광성 수지 조성물.
  10. 제5항에 있어서, 상기 안료 혼합성분은 각각의 안료가 용매 중에 분산된 안료 분산액 형태인 감광성 수지 조성물.
  11. 제10항에 있어서, 상기 안료 분산액은 아크릴레이트계 안료분산제 중에서 선택되는 적어도 1종의 안료 분산제를 포함하는 감광성 수지 조성물.
  12. 제11항에 있어서, 상기 안료 분산제는 안료 혼합성분 총 중량 중 3 내지 20중량%으로 포함하는 것을 특징으로 하는 감광성 수지 조성물.
  13. 제1항에 있어서, 상기 감광성 수지 조성물을 분산제조하여 얻어지는 수지 블랙매트릭스를 코팅한 후 노광 및 현상을 거쳐 얻어진 패턴은 단위 두께 3.0㎛ 당 광학밀도(OD)가 3.0 이상인 감광성 수지 조성물.
  14. 제1항에 따른 감광성 수지 조성물을 이용하여 포토리소그래피법에 의해 형성된 블랙매트릭스를 포함하는 박막트랜지스터 기판.
  15. 제1항에 따른 감광성 수지 조성물을 이용하여 포토리소그래피법에 의해 형성된 셀갭 유지용 스페이서를 포함하는 박막트랜지스터 기판.
  16. 제1항에 따른 감광성 수지 조성물을 이용하여 포토리소그래피법에 의해 형성된 블랙매트릭스 일체형 셀갭 유지용 스페이서를 포함하는 박막트랜지스터 기판.
  17. 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 박막트랜지스터 기판을 하부 기판으로 포함하는 액정 디스플레이 장치.
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