KR20140091728A - 간섭형 필터층 부착 기판 및 그것을 사용한 표시 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 적은 공정수로 형성하는 것이 가능하여 광 이용 효율이 높은 간섭형 필터층 부착 기판 및 그것을 사용한 표시 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
간섭형 필터층 부착 기판은, 평판 형상의 기판과, 기판 위에 형성된 광 반투과성의 제1 반사층과, 상기 제1 반사층 위에 형성된 광 투과성의 제1 스페이서층과 제1 반사층 위의 일부에 형성된 광 투과성의 제2 스페이서층 및 제3 스페이서층으로부터 형성되고, 제1 스페이서층을 공통으로 가지며 제2 스페이서층과 제3 스페이서층에 의해 광학 막 두께가 각각 상이한 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역을 갖는 투과층과, 상기 투과층 위에 형성된 광 반투과성의 제2 반사층을 구비하고, 제1 내지 제3 영역에서 상이한 파장의 광을 투과시키는 필터층을 구비한다.

Description

간섭형 필터층 부착 기판 및 그것을 사용한 표시 장치{SUBSTRATE WITH INTERFERENCE FILTER LAYER AND DISPLAY DEVICE USING SAME}

본 발명은 간섭형 필터층 부착 기판 및 그것을 사용한 표시 장치에 관한 것이다.

액정 디스플레이, 플라즈마 디스플레이를 비롯한 표시 장치는, 지상 디지털 방송 개시나 인터넷, 휴대 전화의 보급에 따라 점점 수요가 높아지고 있다. 이들 디스플레이의 일부는 소형 디스플레이로서 모바일 기기에 탑재되고 있지만, 한편 대화면 텔레비전의 수요도 늘어나고 있다.

종래의 디스플레이는 유리 기판 위에 매트릭스 배선을 설치하고, 특히 액정 디스플레이의 경우에는 매트릭스 배선의 교점에 박막 트랜지스터를 설치한다. 이 어레이 기판에 미소한 간극을 이격해서 대향 기판이 배치된다. 어레이 기판과 대향 기판의 간극에는 액정이 주입되어, 액정 표시 장치가 구성된다.

액정 표시 장치의 컬러 표시는, 일반적으로 대향 기판에 컬러 필터가 배치되고, 적색, 녹색, 청색의 광이 각각의 광을 투과시키는 컬러 필터로부터 출사됨으로써, 색을 제어한다. 컬러 필터는 안료나 염료를 사용한 흡수형인 것이 사용된다. 그로 인해, 액정 표시 장치의 배면에 설치된 백라이트로부터 액정 표시 장치에 입사한 백색광이 예를 들어 청색 필터를 투과하는 경우, 녹색, 적색의 광은 청색 필터에서 흡수되기 때문에 손실이 된다. 녹색, 적색 필터도 마찬가지이며, 그로 인해, 결국 컬러 필터에 있어서의 광의 이용 효율은 3분의 1이 되어버린다.

이 문제를 해결하기 위해, 특허문헌 1에 개시된 바와 같이 간섭 필터를 사용한 방식이 제안되어 있다. 이것은 각 화소의 색에 대응해서 설치된 간섭 필터가 적색, 녹색 또는 청색의 광을 선택적으로 투과시키고, 간섭 필터를 통과할 수 없었던 광은 백라이트측으로 복귀시킴으로써 광을 재이용하는 방법이다.

[특허문헌 1] 일본 특허 공표 평8-508114호 공보

그러나, 상기와 같은 표시 장치에서는, 적색, 녹색, 청색의 색을 투과하는 컬러 필터층을 각 화소마다 형성할 필요가 있기 때문에 제조 프로세스가 매우 복잡해진다는 문제가 있다. 박막을 다층 겹쳐서 간섭 필터를 형성하는 경우, 각 박막을 고정밀도로 다수 겹치는 공정, 겹친 다층막을 화소마다 분리하는 공정을 적색, 녹색, 청색의 각 필터를 형성하기 위해 3회 반복할 필요가 있다. 특허문헌 1에서는, 리프트 오프 공정을 이용함으로써 공정수의 삭감을 시도하고 있지만, 리프트 오프 공정은 레지스트 제거와 함께 박리하는 막이 기판에 재부착되어, 수율이 저하되는 경우가 있다. 그로 인해, 액정 디스플레이 제조 공정에 새롭게 리프트 오프 공정을 넣는 것은 곤란한 경우가 있다.

따라서, 본 발명에서는, 적은 공정수로 형성하는 것이 가능하여 광 이용 효율이 높은 간섭형 필터층 부착 기판 및 그것을 사용한 표시 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 간섭형 필터층 부착 기판은 평판 형상의 기판과, 기판 위에 형성된 광 반투과성의 제1 반사층과, 상기 제1 반사층 위에 형성된 광 투과성의 제1 스페이서층과 제1 반사층 위의 일부에 형성된 광 투과성의 제2 스페이서층 및 제3 스페이서층으로부터 형성되고, 제1 스페이서층을 공통으로 가지며 제2 스페이서층과 제3 스페이서층에 의해 광학 막 두께가 각각 상이한 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역을 갖는 투과층과, 상기 투과층 위에 형성된 광 반투과성의 제2 반사층을 구비하고, 제1 내지 제3 영역에서 상이한 파장의 광을 투과시키는 필터층을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 표시 장치는 평판 형상의 제1 기판과, 기판 위에 형성된 광 반투과성의 제1 반사층과, 상기 제1 반사층 위에 형성된 광 투과성의 제1 스페이서층과 제1 반사층 위의 일부에 형성된 광 투과성의 제2 스페이서층 및 제3 스페이서층으로부터 형성되고, 제1 스페이서층을 공통으로 가지며 제2 스페이서층과 제3 스페이서층에 의해 광학 막 두께가 각각 상이한 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역을 갖는 투과층과, 상기 투과층 위에 형성되어 광을 반사하는 제2 반사층을 구비하고, 제1 내지 제3 영역에서 상이한 파장의 광을 투과시키는 필터층을 구비하는 것을 특징으로 하는 필터층 부착 기판과, 상기 제1 기판의 필터층이 형성된 주면과 대향하는 평판 형상의 제2 기판과, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판과의 사이에 유지된 광변조층을 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 적은 공정수로 형성하는 것이 가능하여 광 이용 효율이 높은 간섭형 필터층 부착 기판 및 그것을 사용한 표시 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 간섭형 필터층 부착 기판의 구조를 도시하는 단면도.
도 2는 본 발명에 관한 간섭형 필터층 부착 기판의 광학 특성을 도시하는 도면.
도 3은 본 발명에 관한 표시 장치의 구성을 도시하는 단면도.
도 4는 컬러 필터의 광학 특성을 도시하는 도면.
도 5는 본 발명에 관한 간섭형 필터층의 특성과 효율의 관계를 도시하는 도면.
도 6은 간섭형 필터층 부착 기판의 광학 특성의 비교예를 도시하는 도면.
도 7의 (a)는 도 1의 간섭형 필터층 부착 기판의 제조 공정을 도시하는 도면.
도 7의 (b)는 도 1의 간섭형 필터층 부착 기판의 제조 공정을 도시하는 도면.
도 7의 (c)는 도 1의 간섭형 필터층 부착 기판의 제조 공정을 도시하는 도면.
도 8의 (a)는 본 발명에 관한 간섭형 필터층 부착 기판의 정렬 마크의 구조를 도시하는 도면.
도 8의 (b)는 본 발명에 관한 간섭형 필터층 부착 기판의 정렬 마크의 구조를 도시하는 단면도.
도 9의 (a)는 본 발명에 관한 간섭형 필터층의 구조의 제조 공정을 도시하는 도면.
도 9의 (b)는 본 발명에 관한 간섭형 필터층의 구조의 제조 공정을 도시하는 도면.
도 9의 (c)는 본 발명에 관한 간섭형 필터층의 구조의 제조 공정을 도시하는 도면.
도 10은 본 발명에 관한 다른 간섭형 필터층 부착 기판의 구성을 도시하는 도면.
도 11은 본 발명에 관한 다른 표시 장치의 구성을 도시하는 도면.
도 12는 본 발명에 관한 다른 간섭형 필터층 부착 기판의 구성을 도시하는 도면.

이하, 본 발명의 한 실시 형태를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 관한 필터층 부착 기판(22)의 일주면에 수직인 방향의 단면도이다. 도 3은, 이 필터층 부착 기판(22)을 액정 패널(29)의 일부에 사용한 액정 표시 장치의 단면도이다. 이 필터층 부착 기판(22)은, 도 3에 도시한 바와 같이 액정층(13)을 개재해서 대향 기판(17)과 대향시켜 액정 표시 장치의 표시 패널(29)로서 사용하는 어레이 기판이다. 대향 기판(17)에는 흡수형의 컬러 필터(26)가 설치되어 있다. 우선, 도 1을 사용해서 필터층 부착 기판(22)에 대해서 설명한다.

도 1의 필터층 부착 기판(22)은, 여기에서는 필터층(25)으로서 간섭형의 패브리 페로형 필터를 채용하고 있다.

구체적으로는, 필터층(25)은 제1 반사층(2)과 제1 스페이서층(4)과 제2 스페이서층(5)과 제3 스페이서층(6)과 제2 반사층(3)으로부터 형성된다. 필터층(25)은, 광학 막 두께가 상이한 3종류의 영역을 갖고 있다. 필터층(25)은, 2매의 평행한 면(제1 반사층(2)과 제2 반사층(3)) 사이의 광의 다중 반사에 의한 간섭을 이용하여, 반사율이나 투과율에 파장 의존성을 갖게 한 간섭형의 필터이다. 즉, 필터층(25)은, 3종류의 영역 각각에서 상이한 파장의 광을 투과한다.

필터층 부착 기판(22)의 구체적인 구성은 도 1에 도시한 바와 같이, 기판(1)과, 기판(1)의 일주면 위에 형성된 필터층(25)과, 필터층(25) 위에 형성된 오버 코트층(8)과, 오버 코트층(8) 위에 형성된 게이트 절연막(28)과, 게이트 절연막(28) 위에 설치된 화소 전극(9)과, 오버 코트층(8) 위의 일부에 설치된 박막 트랜지스터(11)로부터 구성된다.

투명한 유리 기판(1) 위에 실리콘 산화막에 의해 언더 코트층(7)이 형성되어 있다. 언더 코트층(7) 위에 필터층(25)이 형성되어 있다. 즉, 언더 코트층(7) 위에 가시광 영역에 대하여 반투과, 반사하는 제1 반사층(2)이 형성되어 있다. 또한, 제1 스페이서층(4)으로서 실리콘 산화막이 제1 반사층(2) 위에 형성되어 있다. 제2 스페이서층(5)으로서 실리콘 질화막이 선택적으로 형성되어 있다.

제3 스페이서층(6)이 제2 스페이서층(5), 제1 스페이서층(4) 위에 성막되어 있다. 제3 스페이서층(6)에는 제2 스페이서층(5)과 동일한 실리콘 질화막을 사용한다. 제3 스페이서층(6)은, 제2 스페이서층(5)과 마찬가지의 공정으로 일부가 제2 스페이서층(5)을 덮도록 선택적으로 형성되어 있다. 제1 스페이서층(4) 위에 형성된 제3 스페이서층(6)은, 제2 스페이서층(5)과 광학 막 두께가 상이하다.

제2 반사층(3)은 제3 스페이서층(6)과, 제2 스페이서층(5)과, 제1 스페이서층(4) 위의 전체면에 형성되어 있고, 제2 반사층(3) 위에 오버 코트층(8)이 성막되어 있다. 이와 같이 하여 필터층 부착 기판(22)은 구성된다. 제1 스페이서층(4), 제2 스페이서층(5), 제3 스페이서층(6)을 합쳐서 투과층이라 칭한다.

또한, 오버 코트층(8)의 위에는 게이트선(10)이 형성되고, 게이트선(10)과 오버 코트층(8) 위에 게이트 절연막(28)이 형성된다. 게이트 절연막(28) 위에는 투명 도전막으로 화소 전극(9)이 설치되어 있다. 게이트선(10)이 설치된 위치상의 게이트 절연막(28) 위에는 반도체층(101)과, 그의 양단부에 위치하는 신호선(12)이 설치되어 있다. 신호선(12)의 일부는 반도체층(101)을 덮고 있다. 게이트선(10)과 반도체층(101)과 신호선(12)은 박막 트랜지스터(11)를 구성한다. 즉, 인접하는 화소 전극(9) 각각의 아래에는 광학 막 두께가 상이한 필터층(25)이 형성되어 있다.

제1 스페이서층(4) 위의 일부에는, 필터층(25)과 화소 전극(9), 박막 트랜지스터(11) 등을 정확하게 위치 정렬하기 위해 위치 정렬 마크(18)가 형성되어 있다.

기판(1)측의 필터층(25)이 형성된 주면과 반대인 주면에는, 유리 기판(1)과 대향하도록 백라이트(도시하지 않음)가 설치되어 있다.

필터층(25)은, 주로 굴절률과 막 두께의 곱으로 부여되는 광학 막 두께와, 제1 반사층(2) 또는 제2 반사층(3)에서 반사하는 광의 위상 어긋남으로 정해지며, 특정한 파장 영역의 광을 투과하고, 그 이외의 파장 영역을 반사하는 특성을 갖는다.

필터층(25)은, 광학 막 두께가 상이한 복수의 영역을 갖는 구성(광학 박막군 구성)이다. 제1 스페이서층(4)이 복수의 영역 모두에 공통으로 형성되어 있고, 제2 스페이서층(5)과 제3 스페이서층(6)이 부분적으로 형성되어 있음으로써, 필터층(25)은 각각 광학 막 두께가 상이한 적어도 3종류의 영역(I, II, III)을 갖는다. 즉, 필터층(25)은, 제1 스페이서층(4)과 제2 스페이서층(5)과 제3 스페이서층(6) 중 제1 스페이서층(4)만을 갖는 영역 (I), 제1 스페이서층(4)과 제3 스페이서층(6)을 갖는 영역 (II), 제1 스페이서층(4)과 제2 스페이서층(5)과 제3 스페이서층(6)을 갖는 영역 (III)의 3종류의 영역을 갖는다. 3종류의 영역은, 광학 막 두께가 상이하다. 기판(1)의 필터층(25)이 형성되어 있지 않은 측의 주면으로부터 광이 조사되면, 3종류의 영역은 각각 상이한 파장의 광을 투과시키고, 투과시키는 파장 이외의 파장은 주로 반사한다.

영역 I을 통과하는 광(27a), 영역 II를 통과하는 광(27b), 영역 III을 통과하는 광(27c)은, 각각의 광로에서 필터층(25)의 광학 막 두께가 상이하기 때문에, 상기 광로를 통과하는 광의 투과 파장 영역 및 반사 파장 영역은 상이하다. 3종류의 광로(27a, 27b, 27c) 각각의 투과광이 적색, 녹색, 청색이 되도록 필터층(25)은 설계되어 있다. 그로 인해, 필터층(25)은 컬러 화상 표시에 적합한 적색, 녹색, 청색의 광을 투과한다.

도 2는, 상술한 필터층(25)에 있어서, 3종류의 투과광(27a, 27b, 27c)이 청색, 녹색, 적색에 상당하도록 형성한 경우의 파장과 투과율 T의 관계를 도시하는 도면이다. 제1 반사층(2), 제2 반사층(3)으로서 두께 25nm의 은(Ag)을 사용하고, 제1 스페이서층(4)으로서 두께 100nm의 실리콘 산화막, 제2 스페이서층(5)으로서 두께 25nm의 실리콘 질화막, 제3 스페이서층(6)으로서 두께 15nm의 실리콘 질화막을 사용했다.

광학 막 두께가 가장 두꺼운, 제1 스페이서층(4)과 제2 스페이서층(5)과 제3 스페이서층(6)이 형성된 영역(투과광(27c)이 통과하는 영역)은 적색의 광을 투과시켰다. 광학 막 두께가 2번째로 두꺼운, 제1 스페이서층(4)과 제3 스페이서층(6)이 형성된 영역(투과광(27b)이 통과하는 영역)은 녹색의 광을 투과시켰다. 광학 막 두께가 가장 얇은, 제1 스페이서층(4)만이 형성된 영역(투과광(27a)이 통과하는 영역)은 청색의 광을 투과시켰다.

본 실시 형태에 있어서는, 3종류의 광학 막 두께를 갖는 필터층(25)을 2회의 패터닝 공정으로 형성하고 있기 때문에, 매우 저비용이다. 제1 스페이서층(4)을 모든 필터에서 공통으로 하고 있고, 또한 제1 스페이서층(4)의 에칭 레이트를 다른 스페이서층에 비교해서 늦은 것으로 선정하고 있기 때문에, 제조가 용이하다. 또한, 패브리 페로형 필터에서 반사층에 금속을 사용한 경우에는, 종래의 광학 막 두께가 파장의 4분의 1이 되도록 설계되어, 굴절률이 상이한 다수의 막을 적층한 다층막형 필터에 비교해서 막 두께를 제어하기 쉽고, 공정수를 삭감할 수 있다.

또한, 필터층(25)에서 투과하지 않은 광은 거의 모두 반사되고, 백라이트측으로 복귀되어 재이용된다. 이 기구를 도 3을 사용해서 설명한다.

도 3에 도시하는 액정 표시 장치는, 액정 패널(29)과, 프리즘 시트(30)와, 백라이트 유닛(20)을 갖는다.

액정 패널(29)은 필터층(25)을 갖는 어레이 기판(22)(제1 기판)과, 어레이 기판(22)과 대향하는 대향 기판(17)(제2 기판)과, 어레이 기판(22)과 대향 기판(17) 사이에 유지되는 액정층(13)으로부터 구성된다. 어레이 기판(22)은 도 1의 필터층 부착 기판과 동일한 구성이다. 대향 기판(17)에는 컬러 필터(26)와, 컬러 필터(26) 위에 배치된 대향 전극(15)이 설치되어 있다. 컬러 필터(26)는 3종류의 주기적으로 배열되는 착색층(16)과 착색층(16) 각각의 경계에 설치된 블랙 매트릭스(14)로 구성되어 있다.

3종류의 착색층(16)은, 대향하는 필터층(25)이 투과시키는 파장과 동일한 정도의 파장의 광을 투과시키지만, 그 밖의 파장의 광은 흡수한다. 즉, 필터층(25)의 투과광(27c)이 투과하는 영역 III과 대향하는 착색층(16)은 적색의 광을 투과시킨다. 필터층(25)의 투과광(27b)이 투과하는 영역 II와 대향하는 착색층(16)은, 녹색의 광을 투과시킨다. 필터층(25)의 투과광(27a)이 투과하는 영역 I과 대향하는 착색층(16)은, 청색의 광을 투과시킨다.

어레이 기판(22)과 대향 기판(17) 각각의 외면에는 편광판(도시하지 않음)이 설치되어 있다.

프리즘 시트(30)나, 백라이트 유닛(20)과 유리 기판(1) 사이에는 광 제어 필름(도시하지 않음)이 설치되어 있다.

백라이트 유닛(20)은, 냉음극관, LED 등의 광원(도시하지 않음)과 광원을 덮는 고반사율 내면으로 이루어지고, 광원으로부터의 광을 액정 패널(29)에 출사한다. 도중 광 제어 필름, 편광판 등의 광학 필름을 통과한 후, 어레이 기판(22)에 입사하고, 필터층(25)에서 각각의 위치에 있어서의 광학 막 두께에 따라 선택된 파장 영역의 광이 액정층(13)을 투과한다.

여기서 필터층(25)에서 선택되지 않은 광의 대부분은 반사되어, 백라이트 유닛(20)측으로 복귀된다. 백라이트 유닛(20)에 도달한 이 리사이클 광(24)은, 고반사율 내면에 있어서 거의 광의 손실 없이 다시 액정 패널(29)측으로 반사된다. 백라이트 유닛(20)에 복귀된 광 중, 90％ 이상은 리사이클 되어 다시 액정 패널(29)에 입사한다.

액정층(13)을 투과한 광은 착색층(16)을 투과한다. 착색층(16)의 적색, 녹색, 청색의 투과 특성을 도 4에 도시한다. 종축 T는 투과율을 나타낸다. 각 색의 스펙트럼은 저투과율의 영역에서 겹쳐 있어, 본래는 색 재현성에 있어서 바람직하지 않다.

그러나, 도 3에 있어서의 액정 표시 장치는 착색층(16)의 광의 입사면측에 필터층(25)을 갖고 있다. 각 착색층(16)을 투과하는 광은, 미리 필터층(25)에서 선택되어 있다. 착색층의 저투과율 영역의 광은, 필터층(25)에서 상당히 차단되기 때문에 착색층(16)의 색 재현성은 종래에 비교해서 개선된다. 따라서, 도 4에 도시한 착색층(16)보다도 색 순도가 낮은 착색층을 사용해도 필터층(25)과의 조합으로 충분한 색 순도를 얻을 수 있으며, 표시 장치 전체로서의 광 이용 효율은 향상된다.

착색층(16)을 투과한 광은, 대향 기판(17)의 외면에 설치된 편광판과 광학 제어 필름을 거쳐서 관찰자에게 도달한다.

여기서, 입사광이 어레이 기판(22)에 경사 방향으로부터 입사하는 경우에는, 필터층(25)에 있어서의 광로 길이가 막 두께보다 길어지기 때문에, 막을 투과ㆍ반사하는 광의 상호의 위상차는, 어레이 기판(22)에 수직인 입사광의 경우와 상이하다. 즉, 입사광이 어레이 기판에 대하여 경사 방향인 경우, 필터층(25)을 투과하는 광은 원리적으로 단파장, 즉 청색측으로 투과 파장 영역이 시프트된다. 이것은 액정 패널(29)을 경사 방향으로부터 관찰했을 때, 액정 패널(29)을 기판(1)에 대하여 수직인 방향으로부터 관찰했을 때에 비해 색이 크게 변화되는 것에 상당한다. 이것을 해결하기 위해서는, 상술한 바와 같이 대향 기판(17)측에 컬러 필터(26)를 설치하는 것이 유효하다. 어레이 기판으로부터 출사한 경사광이 청색측으로 시프트되어 있어도, 컬러 필터(26)에서 원하는 파장 영역만 투과시키면 최종적인 색의 변화는 충분히 억제된다.

또한, 백라이트 유닛(20)으로부터 출사되는 광의 지향성을 높이고, 어레이 기판(22)의 필터층(25)으로의 경사 입사광 성분을 억제함으로써 상기 문제는 해결된다. 이 경우, 액정 패널(29)의 시야각이 좁아진다는 문제가 발생하지만, 예를 들어 액정 표시 장치 전방면에 확산판을 붙이는 등, 대향 기판의 착색층(16) 통과 후에 충분한 시야각이 되도록 광 산란재를 설치하면 좋다.

필터층(25)은, 각 색에 대응하는 파장 영역을 재현할 뿐만 아니라, 대응하는 파장 영역의 광을 효율적으로 투과할 것, 또한 투과 파장 영역 이외의 광을 효율적으로 반사할 것이 요구된다. 상술한 바와 같이, 종래의 필터층(25)을 투명막으로만 구성하는 경우에는, 필터층(25)에서의 광 손실은 거의 발생하지 않는다. 그러나, 투명막으로만 반사층을 형성하는 경우에는, 일반적으로 굴절률이 상이한 박막을 다수 적층해서 반사율을 높이기 때문에 공정수가 많다.

한편, 제1 반사층(2), 제2 반사층(3)을 얇은 금속으로 형성하는 경우에는, 용이하게 높은 반사율이 얻어진다. 특히 가시광 영역에서의 광학 특성이 우수한, 즉 반사율이 높고 광의 손실이 적은 은으로 제1 반사층(2), 제2 반사층(3)을 형성하는 것이 바람직하다. 단, 금속층은 광을 흡수하기 때문에, 약간의 광 손실이 발생한다. 즉, 필터층(25)의 투과 성능, 반사 성능을 양립할 수 없으며, 그 결과 충분한 광 리사이클을 달성할 수 없게 될 우려가 있다.

따라서, 백라이트 유닛(20)을 사용한 광의 리사이클 메커니즘을 상세하게 검토한 결과, 상기한 문제를 해결할 수 있는 지침을 얻었다. 도 5는, 광 이용 효율이 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 각각일 때의 투과 파장 영역의 투과율 T와 투과 파장 영역 이외의 투과율 T0의 관계를 나타낸다. 예를 들어 광 이용 효율 0.8을 목표로 하는 경우, 필터층(25)의 투과 파장 영역의 투과율의 허용 범위는 0.5 내지 1이고, 한편 투과 파장 영역 이외의 투과율의 허용 범위는 0 내지 0.1이다. 필터층(25)의 투과 파장 영역의 투과율을 높게 하면, 투과 파장 영역의 광에 대해서는 손실이 저감되는 만큼 효율이 높아지지만, 투과 파장 영역 이외의 광의 투과율도 높아지는 결과, 필터층(25)을 투과한 후, 컬러 필터(26)에서 흡수되는 광 성분이 증가되어 버린다. 반대로 필터층(25)의 투과 파장 영역의 투과율을 낮게 하면, 투과 파장 영역의 광의 투과율은 저하되지만, 투과 파장 영역 이외의 광에 대해서는 필터층(25)에서 백라이트측으로 반사되는 비율이 증가하고, 리사이클의 효율이 높아지는 결과, 전체로서의 광 이용 효율이 높아진다. 즉, 높은 광 이용 효율을 목표로 하기 위해서는, 필터층(25)의 투과율 향상보다 투과 파장 영역 이외의 투과율을 낮추는 것, 즉 반사율 향상을 목표로 하는 것이 좋다.

이것은 필터층(25)에서 투과하는 광은 전체의 약 3분의 1에 지나지 않고, 나머지는 리사이클 되어, 리사이클의 효율이 현저해지기 때문인 것으로 생각된다. 도 5에서, 최종적으로 광 이용 효율을 높이는, 예를 들어 60％ 정도의 광 이용 효율을 목표로 하기 위해서는, 필터층(25)의 투과 파장 영역 이외에서의 반사율을 80％, 즉 투과 파장 영역 이외에서의 투과율을 20％ 이하로 하면 좋다.

도 2에서 도시한 특성을 갖는 필터층(25)의 최종적인 광 이용 효율을 구한 결과, 투과 파장 영역 이외에서의 광 투과율은 20％ 미만이며, 필터층(25)을 사용하지 않는 경우에 비교해서 1.9배의 광 이용 효율 향상이 얻어졌다.

비교로서, 도 6에 투과 파장 영역 이외에서의 광 투과율을 20％보다 크게 한 특성의 일례를 나타낸다. 도면의 종축 T는 투과율을 나타낸다. 필터층(25)에 사용하는 Ag의 반사층 두께를 15nm로 얇게 했기 때문에 투과 파장 영역에서의 투과율은 도 2에 비교해서 높게 되어 있지만, 투과 파장 영역 이외의 투과율도 높아져, 리사이클 효율이 저하되어 버린다. 이것을 필터층(25)에 사용한 액정 표시 장치의 최종적인 광 이용 효율을 구한 결과, 필터층(25)을 사용하지 않는 경우에 비교해서 1.3배의 광 이용 효율 향상에 그쳤다.

이로부터, 투과 파장 영역 이외에서의 광 투과율을 낮춤으로써, 바람직하게는 20％ 이하로 저하시킴으로써, 광 흡수를 갖는 필터층(25)을 사용한 경우에도 충분한 광 리사이클을 실현할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

또한, 본 실시 형태에서는 언더 코트층(7)을 형성하는 것으로 했지만, 언더 코트층(7)은 형성하지 않는 구조로 하는 것도 허용한다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는 프리즘 시트(30)를 1층 형성했지만 2층 이상의 복수 설치하는 것도 허용한다.

이하, 구체적인 실시 형태를 나타낸다.

(제1 실시예)

도 7은 제1 실시예에 관한 간섭형 필터층 부착 기판의 제조 방법을 나타내고 있다.

도 7의 (a)에 도시한 바와 같이, 유리 기판(1) 위에 언더 코트층(7)으로서 실리콘 산화막을 CVD로 100nm 성막했다. 이어서, 제1 반사층(2)으로서 Ag를 진공 증착으로 25nm 전체면에 성막했다. 이어서, 제1 스페이서층(4)으로서 실리콘 산화막을 CVD로 100nm 성막하고, 또한 제2 스페이서층(5)으로서 실리콘 질화막을 CVD로 25nm 성막했다. 이어서 제2 스페이서층(5) 위에 감광성 레지스트층(23)을 패터닝하고, 케미컬 건식 에칭을 이용하여 제2 스페이서층(5)을 에칭하여 레지스트층(23)을 제거했다.

에칭시, 케미컬 건식 에칭의 에칭 조건이, 실리콘 질화막과 실리콘 산화막의 선택비가 충분히 높으면, 즉 실리콘 산화막의 에칭 속도가 실리콘 질화막과 비교해서 충분히 느리면, 상기 건식 에칭에 있어서 실리콘 질화막만을 선택적으로 에칭하고, 하지인 실리콘 산화막의 에칭 데미지를 억제하는 것이 가능하다. 제2 스페이서층(5)의 에칭 레이트는, 제1 스페이서층(4)의 에칭 레이트에 비교해서 20배 정도 빠른 조건을 얻을 수 있었기 때문에, 제1 스페이서층(4)으로의 에칭 데미지는 무시할 수 있는 정도였다.

이어서, 도 7의 (b)에 도시한 바와 같이, 제3 스페이서층(6)으로서 실리콘 질화막을 CVD로 15nm 성막했다. 또한, 감광성 레지스트층(23)을 제2 스페이서층(5)과 제3 스페이서층(6)이 중첩된 영역과, 제3 스페이서층(6)만의 영역을 선택적으로 덮도록 형성했다. 레지스트층(23)은, 미리 제2 스페이서층(5)을 형성할 때에, 표시 영역 이외에 설치한 위치 정렬용 마크를 기준으로 해서 정확하게 위치를 정렬하였다. 그 후 상술한 케미컬 건식 에칭으로 제2 스페이서층(5)과 제3 스페이서층(6)을 에칭 제거한 후, 레지스트층(23)을 제거했다.

이어서, 도 7의 (c)에 도시한 바와 같이, 전체면에 제2 반사층(3)으로서 Ag를 진공 증착으로 25nm, 제3 스페이서층(6) 및 제1 스페이서층(4) 위의 전체면에 성막하고, 또한 오버 코트층(8)으로서 실리콘 산화막을 제2 반사층(3) 위에 CVD로 100nm 성막했다.

이상의 2회의 스페이서층 패터닝 공정에 의해 3종류의 광학 막 두께를 갖는 패브리 페로형의 필터층(25)이 형성되었다.

이어서, 박막 트랜지스터(11), 화소 전극(9), 신호선(12)을 포함하는 배선군을 필터층(25) 위에 형성했다. 구조는 도 1에 도시한 바와 같으며, 구체적인 제조 방법은 일반적으로 알려져 있기 때문에 상세한 것은 생략한다. 오버 코트층(8) 위에 게이트선(10)을 형성한 후, 게이트 절연막(28)을 형성하고, 또한 박막 트랜지스터(11)를 형성하여 패터닝했다. 투명 도전막에 의해 화소 전극(9)을 형성한 후, 신호선(12)을 형성해서 박막 트랜지스터(11)를 완성시켜, 박막 트랜지스터(11)와 화소 전극(9)도 전기적으로 접속했다.

필터층(25)과 화소 전극(9), 박막 트랜지스터(11) 등은 정확하게 위치 정렬할 필요가 있으며, 이것은 필터층(25) 형성시에 미리 설치한 정렬 마크(18)에 의해 용이하게 달성 가능하다.

도 8의 (a)는 위치 정렬 마크의 평면도이다. 도 8의 (b)는 도 8의 (a)의 A-A'선 단면을 나타내는 확대도이다.

즉, 노광 장치로 정렬 마크를 검출할 때, 높은 반사율이 얻어지는 구조를 미리 필터층(25)에 형성해 두면 정렬 마크로서 충분해진다. 노광 장치에서는 정렬 마크의 검출용으로 녹색의 광을 사용하는 경우가 많지만, 본 실시예에 있어서도 녹색을 강하게 반사하는 녹색 이외의 필터 구성을 도 8의 (b)에 도시하는 정렬 마크(18)측에, 또한 정렬 마크의 배경(19)에는 녹색을 투과하는 필터 구성으로 했다. 이와 같이 하여, 콘트라스트가 높은 정렬 마크를 용이하게 형성할 수 있었다.

완성된 어레이 기판(22)에 컬러 필터(26)를 대향시킨다. 컬러 필터(26)는 대향 기판(17)에 설치되어 있다. 컬러 필터(26)는, 화소에 대응해서 배치된 착색층(16)과 블랙 매트릭스(14)를 갖고 있다. 컬러 필터(26) 위에는 대향 전극(15)이 설치되어 있다. 어레이 기판(22)과 컬러 필터(26)의 사이에는 액정층(13)이 있고, 여기서 액정의 편광 상태를 제어한다.

백라이트(20)와 액정 패널(29)과의 사이에 프리즘 시트(30)를 삽입하고, 백라이트 유닛(20)으로부터 나온 광의 지향성을 높였다. 이에 의해 1층의 지향성이 얻어진다. 지향성을 높인 결과, 액정 패널(29) 내에 내장된 필터층(25)에 경사 방향으로부터 입사한 광에 대한 색 시프트는 대폭 억제되었다. 단, 관찰자로부터 본 경우, 화면 휘도의 시야각 의존성이 높아져 버리는 경우가 있기 때문에, 대향 기판(17)의 관찰자측에 저산란의 산란 필름을 배치한 결과, 시야각 의존성의 문제는 개선되었다.

이와 같이 하여 3종류의 광학 막 두께를 갖는 패브리 페로형 필터를 적은 공정수로 제조할 수 있으며, 광 이용 효율이 높은 액정 디스플레이를 얻을 수 있다.

(제2 실시예)

제2 실시예가 제1 실시예와 상이한 점은, 필터층을 구성하는 제1 스페이서층, 제2 스페이서층, 제3 스페이서층의 패턴이 상이한 점이다. 제1 실시예와 동일한 구조에 대해서는 동일한 부호를 부여하여, 동일한 구조에 대한 설명은 생략한다.

도 9는 제2 실시예에 관한 필터층 부착 기판 및 그의 제조 방법의 다른 예를 나타내고 있다.

제조된 제2 실시예에 의한 필터층 부착 기판은, 도 9의 (c)에 도시한 바와 같이 필터층(25)의 구조가 제1 실시예와 상이하다. 즉, 제2 실시예에 의한 필터층(25)은, 제1 스페이서층(4) 위의 일부에 제2 스페이서층(5)이 형성되어 있다. 또한, 제1 스페이서층(4) 위의 제2 스페이서층(5)이 형성되어 있지 않은 영역의 일부에 제3 스페이서층(6)이 형성되어 있다. 따라서, 필터층(25)은, 제1 스페이서층(4)만의 영역 I과, 제1 스페이서층(4)과 제3 스페이서층(6)을 갖는 영역 II과, 제1 스페이서층(4)과 제2 스페이서층(5)을 갖는 영역 III의 3종류의 영역을 갖는다.

도 9의 (a)에 도시한 바와 같이, 유리 기판(1) 위에 언더 코트층(7)으로서 실리콘 산화막을 CVD로 100nm 성막했다. 이어서, 제1 반사층(2)으로서 Ag를 진공 증착으로 25nm 전체면에 성막했다. 이어서, 제1 스페이서층(4)으로서 실리콘 산화막을 CVD로 100nm 성막하고, 또한 제2 스페이서층(5)으로서 실리콘 질화막을 CVD로 15nm 성막했다. 이어서, 감광성 레지스트층(23)을 패터닝하고, 케미컬 건식 에칭을 이용하여 제2 스페이서층(5)을 에칭하여 레지스트층(23)을 제거했다. 제2 스페이서층(5)의 에칭 레이트는, 제1 스페이서층(4)의 에칭 레이트에 비교해서 20배 정도 빠른 조건을 얻을 수 있기 때문에, 제1 스페이서층(4)으로의 에칭 데미지는 무시할 수 있는 정도였다.

이어서, 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이, 제3 스페이서층(6)으로서 실리콘 질화막을 CVD로 40nm 성막했다. 단, 제3 스페이서층(6)은, 제2 스페이서층에 비교해서 성막 온도를 낮게 했다. 구체적으로는, 제2 스페이서층(5)은 230℃, 제3 스페이서층은 170℃로 했다. 또한, 감광성 레지스트층(23)을 제3 스페이서층(6)만의 영역을 선택적으로 덮도록 형성했다. 레지스트층(23)은, 미리 제2 스페이서층(5)을 형성할 때에, 표시 영역 이외에 설치한 위치 정렬용 마크를 기준으로 해서 정확하게 위치를 정렬하였다. 그 후, 상술한 버퍼드 불산(BHF)으로 제3 스페이서층(6)을 에칭 제거한 후, 레지스트층(23)을 제거했다. 제2 스페이서층(5)과 제3 스페이서층(6)의 에칭 선택비를 확보할 수 있으면, 이와 같이 제2 스페이서층, 제3 스페이서층을 별도로 형성하는 것도 가능하다.

이어서, 도 9의 (c)에 도시한 바와 같이, 제2 반사층(3)으로서 Ag를 진공 증착으로 25nm 전체면에 성막하고, 또한 오버 코트층(8)으로서 실리콘 산화막을 CVD로 100nm 성막했다.

이상의 2회의 스페이서층 패터닝 공정에 의해 3종류의 광학 막 두께를 갖는 패브리 페로형의 필터층(25)을 형성할 수 있었다.

이와 같이 하여 제2 실시예에 있어서도, 3종류의 광학 막 두께를 갖는 필터층 부착 기판(25)을 적은 공정수로 제조할 수 있으며, 이 필터층 부착 기판(25)을 사용하면 광 이용 효율이 높은 액정 디스플레이를 얻을 수 있다.

(제3 실시예)

또한, 도 10과 같은 구성으로 하는 것도 가능하다. 즉, 제2 스페이서층(5)이 제1 반사층(2) 위에 적어도 2군데 형성되어 있다. 제2 스페이서층(5)과 제1 반사층(2) 위에 제1 스페이서층(4)이 형성되어 있다. 그리고, 2개의 제2 스페이서층(5)의 한쪽 위에 형성된 제1 스페이서층(4) 위에는 제3 스페이서층(6)이 형성되어 있다.

또한, 제3 스페이서층(6)은, 제1 스페이서층(4) 위의 제2 스페이서층(5)이 형성되어 있지 않은 부분의 일부에도 형성되어 있다.

따라서, 필터층(25)은 이하의 4개의 영역을 갖고 있다. 즉, 필터층(25)은, 투과층으로서 제1 스페이서층(4)만의 영역 I, 제2 스페이서층(5) 위에 제1 스페이서층(4)이 형성된 영역 II, 제1 스페이서층(4) 위에 제3 스페이서층(6)이 형성된 영역 III, 제2 스페이서층(5), 제1 스페이서층(4), 제3 스페이서층(6)이 형성된 영역 IV를 갖는다. 도 10의 구성의 경우, 각각의 영역에 광로(27a, 27b, 27c, 27d)의 4종류의 광학 막 두께가 형성되어 있어, 2회의 패터닝으로 4색의 광을 투과시키는 필터 부착 기판을 형성하는 것이 가능하다.

(제4 실시예)

제4 실시예가 제1 실시예와 상이한 점은, 필터층(25)을 대향 기판(17)의 컬러 필터(26)의 전방면(광이 입사하는 측)에 배치한 점이다. 제1 실시예와 동일한 구조에 대해서는 동일한 부호를 부여하여, 동일한 구조에 대한 설명은 생략한다.

도 11은 제4 실시예에 관한 컬러 필터의 구조에 관한 예를 나타내고 있다. 대향 기판(17) 위에 블랙 매트릭스(14), 화소의 색에 대응하는 착색층(16)을 갖는 컬러 필터(26)가 형성되어 있다. 컬러 필터(26) 위에는 언더 코트층(7)으로서 아크릴 수지가 1㎛ 설치되어 있다. 이하, 제1 실시예와 마찬가지로 필터층(25)은, 언더 코트층(7) 위의 제1 반사층으로서 Ag가 25nm, 제1 스페이서층(4)으로서 CVD로 실리콘 산화막이 100nm 성막되어 있다. 또한, 제1 스페이서층(4) 위에 제2 스페이서층(5)으로서 25nm의 실리콘 질화막이 화소에 대응하는 위치에 선택적으로 형성되어 있다.

제3 스페이서층(6)으로서 15nm의 실리콘 질화막이 제1 스페이서층(4)과 제2 스페이서층(3)이 중첩된 영역과, 제1 스페이서층(4)만의 영역의 일부에 선택적으로 형성되어 있다. 제1 스페이서층(4), 제2 스페이서층(5), 제3 스페이서층(6) 위의 전체면에 제2 반사층(3)으로서 Ag가 25nm 성막되어 있다. 제2 반사층(3) 위에 오버 코트층(8)으로서 실리콘 산화막이 100nm 더 성막되어 있다. 오버 코트층(8) 위에 대향 전극으로서 투명 전극인 ITO(산화인듐 주석 합금)가 100nm 성막되어 있다.

이상과 같은 컬러 필터(26) 및 필터층(25)을 구비하는 대향 기판(17)과, 별도 제조한(필터층(25)을 갖지 않는) 어레이 기판(22)을 접합하여 액정 패널(29)이 형성되어 있다. 어레이 기판(22)은, 기판(1) 위에 게이트 절연막(28)과, 화소 전극(9)과, 박막 트랜지스터(11)가 형성되어 있다.

어레이 기판(22)의 제조는 일반적으로 높은 프로세스 온도가 되기 때문에, 미리 제조한 필터층(25)이 고온에 견딜 필요가 있지만, 대향 기판(17)의 제조 프로세스는 프로세스 온도가 상대적으로 낮기 때문에, 대향 기판(17)에 필터층(25)을 사용하는 경우에는, 필터층(25)에 고온에 약한 재료를 사용할 수 있다. 또한, 필터층(25)은 컬러 필터(26)보다도 백라이트(20)측에 배치하면 다른 구성으로 하는 것도 가능하다.

제4 실시예에 있어서도, 3종류의 광학 막 두께를 갖는 패브리 페로형 필터를 적은 공정수로 제조할 수 있으며, 광 이용 효율이 높은 액정 디스플레이를 얻을 수 있다.

(제5 실시예)

제5 실시예가 제1 실시예와 상이한 점은, 제1 반사층(2)과 제1 스페이서층(4)과의 사이에 미소 요철을 형성한 점이다. 실시예 1과 동일 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여하여, 동일한 구조에 대한 설명은 생략한다.

도 12는 제5 실시예에 관한 간섭형 필터층 부착 기판의 다른 예를 나타내고 있다.

도 12에 도시한 바와 같이, 유리 기판(1) 위에 언더 코트층(7)으로서 100nm의 실리콘 산화막이 성막되어 있다. 기판(1) 위의 전체면에 제1 반사층(2)으로서 25nm의 Ag가 성막되어 있다.

제1 반사층(3) 위에 미소 요철(21)이 일정 간격으로 형성되어 있다. 요철(21)의 크기는 통상의 포토리소그래피 공정으로 형성할 수 있는 정도의 크기이지만, 화소 크기(착색층의 크기)보다는 작다. 요철(21) 및 제1 반사층(2) 위에 제1 스페이서층(4)으로서 100nm의 실리콘 산화막이 성막되어 있다.

제1 스페이서층(4) 위에 25nm의 실리콘 질화막으로 제2 스페이서층(5)이 선택적으로 형성되어 있다. 제2 스페이서층(5) 및 제1 스페이서층(4) 위에 제3 스페이서층(6)으로서 15nm의 실리콘 질화막이 제1 스페이서층(4)과 제2 스페이서층(5)이 중첩된 영역과, 제1 스페이서층(4)만의 영역의 일부에 선택적으로 형성되어 있다. 제1 스페이서층(4), 제2 스페이서층(5), 제3 스페이서층(6) 위의 전체면에, 제2 반사층(3)으로서 25nm의 Ag가 성막되어 있다. 또한, 제2 반사층(3) 위에 오버 코트층(8)으로서 100nm의 실리콘 산화막이 성막되어 있다.

이와 같은 구성의 필터층 부착 기판(25)은, 제1 실시예에 있어서 제1 반사층(4) 위에 요철(21)을 형성하는 공정을 가함으로써 형성할 수 있으며, 3회의 패터닝 공정에 의해 형성할 수 있다. 또한, 각 필터층(25)은 3종류의 광학 막 두께가 상이한 영역을 갖지만, 1개의 영역에 대해서 요철(21)이 있는 부분과 없는 부분의 2종류의 소영역이 형성된다. 각 소영역은 약간씩 투과 파장 영역이 상이하기 때문에, 필터층의 투과 특성을 광대역화할 수 있다. 또한, 미소 요철에 규칙성을 갖게 함으로써, 광의 회절 현상의 효과를 부여하는 것도 가능하다.

필터층(25)이 투과시키는 광을 광대역화함으로써, 필터에 비스듬히 입사한 광에 대하여 투과 파장 영역이 청색측으로 시프트해도 충분한 투과율을 유지할 수 있기 때문에, 액정 표시 장치의 시야각 특성상 유리해진다.

제5 실시예에 있어서도, 3종류의 광학 막 두께를 갖는 패브리 페로형 필터를 적은 공정수로 제조할 수 있으며, 광 이용 효율이 높은 액정 디스플레이를 얻을 수 있다.

1: 기판
2: 제1 반사층
3: 제2 반사층
4: 제1 스페이서층
5: 제2 스페이서층
6: 제3 스페이서층
7: 언더 코트층
8: 오버 코트층
9: 화소 전극
10: 게이트선
11: 박막 트랜지스터
12: 신호선
13: 액정층
14: 블랙 매트릭스
15: 대향 전극
16: 착색층
17: 대향 기판(제2 기판)
18: 정렬 마크
19: 정렬 마크 배경
20: 백라이트 유닛
21: 미소 요철
22: 필터층 부착 기판, 어레이 기판(제1 기판)
23: 레지스트층
24: 리사이클 광
25: 필터층
26: 컬러 필터
27: 광로
28: 게이트 절연막
29: 액정 패널
30: 프리즘 시트

Claims (1)

1. 평판 형상의 기판과,
   상기 평판 형상의 기판 위에 형성된 광 반투과성의 제1 반사층과, 상기 제1 반사층 위에 형성된 광 투과성의 제1 스페이서층과 상기 제1 반사층 위의 일부에 형성된 광 투과성의 제2 스페이서층 및 제3 스페이서층으로부터 형성되는 투과층과, 상기 투과층 위에 형성된 광 반투과성의 제2 반사층을 구비하는 필터층을 포함하는,
   간섭형 필터층 부착 기판.

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