KR100632935B1 - 액정표시장치의 블랙 매트릭스 형성방법 - Google Patents

Abstract

액정표시장치 블랙 매트릭스 형성방법에 관한 것이다.

본 발명의 블랙 매트릭스 형성방법은, 콘택창을 가진 보호막 및 TFT가 형성되어 있는 액정표시장치 하판에 반사판을 겸하는 화소전극을 형성한 상태에서 글래스 기판에 음성 감광막의 성질을 가지는 블랙 매트릭스층을 도포하는 단계, 상기 화소전극을 마스크 대용으로 뒷면에서 빛을 비추는 뒷면 노광을 실시하는 단계, 상기 블랙 매트릭스층에서 가교화되지 못한 부분을 현상을 통해 제거하는 단계를 순차적으로 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

따라서 개구율 높일 수 있고, 반사판의 아래쪽에서 반사판 사이로 빛이 새어나와 액정표시장치의 화질이 떨어지는 현상과 외부광에 의해 트랜지스터 소자에 전류가 흐르는 현상을 방지할 수 있게 된다.

뒷면 노광, 블랙 매트릭스

Description

액정표시장치의 블랙 매트릭스 형성방법{Method of forming black matrix pattern for LCD pannel}

도1은 기존의 반사형 TFT LCD의 구조를 나타내는 화소부 단면도이다.

도2는 본 발명에서 액정표시장치 판넬의 하판에 TFT와 보호막을 형성하고 보호막에 콘택창을 형성한 다음 반사판을 겸하는 화소전극을 형성한 상태에서 글래스 기판 전면에 블랙 매트릭스층을 도포한 단계를 나타내는 도면이다.

도3은 도2의 단계에서 글래스 기판 아래쪽에서 빛을 비추는 뒷면 노광을 실시하는 상태를 나타내는 도면이다.

도4는 도3의 상태에서 현상을 통해 반사판 위쪽의 블랙 매트릭스층을 제거하고 후공정을 거쳐 액정표시장치의 판넬을 완성한 상태의 화소부 측단면도를 나타내는 도면이다.

도5는 LCD 판넬의 하판에 TFT 부분과 배선 및 블랙 매트릭스 패턴을 완성한 상태의 평면도를 나타낸 것이다.

※ 도면 주요부분의 부호의 설명

11: 하판 12: 게이트 절연막

13: 보호막 14: 화소전극(반사판)

15: 액정층 16: ITO

17: 컬러필터층 18,18': 블랙 매트릭스

19: 상판 20: 디퓨져(Diffuser)

21: 위상차판 22: 편광판

23: 게이트 24: 드레인

25: 소오스 31: 블랙 매트릭스층

41: 게이트 라인 42: 데이터 라인

43: 콘택 44: 아몰퍼스 실리콘

본 발명은 액정표시장치의 블랙 매트릭스 형성방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 반사형 컬러 박막트랜지스터 액정표시장치에서 블랙 매트릭스를 형성하는 방법에 관한 것이다.

일반적인 TN형 TFT LCD는 상판과 하판 사이에 액정을 주입하고 화소별로 판면에 형성된 공통전극과 화소전극 사이에 전계를 인가하여 액정의 배열을 변화시켜 빛을 통과시키거나 차단시킴으로써 화면을 구성하는 장치이다.

하판에 형성되는 TFT의 일반적 형성방법을 살펴보면, 우선 글래스 기판에 알미늄이나 크롬 등으로 게이트층을 적층하고 첫번째 마스크를 이용하여 일반화된 마 스크 기법 즉, 포토레지스트 도포, 패턴 마스크를 이용한 노광, 현상, 패턴 식각, 스트립핑의 연쇄 공정을 통해 게이트 및 게이트 라인을 형성한다. 그리고 그 위에 게이트 절연막, 아몰퍼스 실리콘, 불순물을 첨가한 실리콘, 소오스 드레인 전극 형성용 금속층을 적층하고 두번째 마스크를 이용하여 일반적 마스크 기법을 통해 소오스 드레인 전극을 형성한다. 이때 금속층과 불순물을 첨가한 실리콘층을 식각하여 소오스 드레인 전극의 패턴을 형성할 수 있다. 다음으로는 아몰퍼스 실리콘층으로 액티브(active) 영역을 형성하기 위해 세번째 마스크를 이용한 마스크 기법을 사용한다. 경우에 따라 이상의 공정은 게이트 및 게이트 라인 형성 후 액티브 영역을 먼저 형성한 상태에서 그 위로 금속층을 적층하고 패턴작업을 하여 소오스 드레인 전극을 형성할 수도 있다. 이상의 과정을 통해 게이트, 소오스, 드레인 전극과 게이트 절연막, 아몰퍼스 실리콘층의 채널을 구비하는 TFT부가 형성된다.

그리고 그 위에 절연성 보호막을 적층한 후 다시 마스크를 이용하여 소오스 부분의 콘택창과 게이트 라인 및 데이터 라인의 패드부를 드러나게 하여 TFT층을 완성한다. 보호막 위로는 TFT의 소오스와 콘택을 통해 연결되는 화소전극이 형성되고 그 위로 배향막을 형성하게 된다. 반사형 LCD의 경우 화소전극이 반사판의 역할도 할 수 있다.

한편, 상판의 형성방법을 보면 글래스 기판에 공통전극을 형성하고 배향막을 덮게 된다. 컬러 타입 LCD의 경우 대개 상판에 컬러필터를 형성하게 된다. 컬러필터는 RGB 컬러별로 감광성을 가지는 재질에 안료를 섞어 막을 적층하고 마스크 기법을 이용하는 방법으로 형성하는데 각 화소의 컬러층 주변에는 콘트라스트를 높이 고 컬러의 겹침에 의한 부정적 효과를 막기 위해 블랙 매트릭스(Black Matrix)를 먼저 형성하게 된다. 블랙 매트릭스는 감광성을 가지는 재질의 블랙 매트릭스층을 적층한 후 마스크 기법으로 각 화소의 주변을 연결하는 패턴을 남김으로써 이루어진다.

따라서 컬러필터를 형성한 LCD 상판은 4회의 마스크 기법을 사용하고 형성된 컬러필터층 위로 투명한 공통전극층과 배향막을 형성하는 단계를 거쳐서 이루어진다.

상판과 하판의 내면은 배향을 한 후 양 판의 간격을 유지시키기 위해 스페이서를 산포하고 글래스 주변에 실링을 위한 페이스트를 형성하고 상판과 하판을 겹쳐서 속이 빈 LCD 판넬을 조립한 후 판넬 내부에 액정을 주입시킨다. 상판 혹은 상하판에는 액정과 닿지 않는 외측으로 편광판이 부착되며 글래스에 형성된 패드는 구동회로와 연결된다. 또한 필요에 따라 위상차판이나 디퓨져, 백라이트 등이 부착되어 LCD를 완성하게 된다.

한편, 백라이트가 부착되지 않고 전면 혹은 측면에서 LCD 판넬로 비춰지는 외부광을 이용하는 반사형 LCD도 있다. 도1은 이러한 종래의 반사형 컬러 TFT LCD의 구조를 나타내는 화소부 단면도이다. 반사형 LCD의 경우에는 외부광을 이용하여 이용자가 화면을 볼 수 있도록 하판에 반사막을 설치되는 데 특징이 있다. 반사막은 별도로 형성할 수도 있을 것이나 금속재질로 화소전극을 형성하면서 금속으로된 화소전극 자체가 불투명하고 빛을 반사하여 금속광택을 가지는 속성을 이용하여 도1에서도 볼 수 있듯이 반사판의 역할을 하도록 하는 것이 공정상 간편하고 바람 직하다.

그리고 백라이트형에서는 데이터 라인이나 게이트 라인이 화소전극 사이에 배치되는 것이 개구율을 높이는 방법이지만 반사형에서는 블랙 매트릭스 형성시 오류가 발생할 경우에 반사율이 높은 금속으로 이루어지는 데이터 라인이나 게이트 라인이 화소전극 즉, 반사판의 사이에 있으면 빛을 반사시켜 화면의 콘트라스트 (contrast)를 떨어뜨리게 되므로 금속재질의 각 라인들을 반사판 밑으로 배치하게 된다.

위에서 언급한 기본적인 박막트랜지스터 액정표시장치에서 공정을 간편화하고 여러 가지 특성을 개선하여 제품의 질을 높이기 위한 많은 제조방법에 관한 응용기술들이 개발되고 있는데, 새롭게 개발되는 제조기술들 가운데 한 부분이 컬러필터의 제조방법에 관한 것이다. 일반형에서는 상판에 블랙 매트릭스와 컬러층을 형성하게 되는데 개구율을 높여 화면을 밝게 하는 시도로서 혹은 공정의 단계를 줄이기 위한 시도로서 상판에는 블랙 매트릭스만 형성한다든지 반대로 하판에 블랙 매트릭스를 형성하고 상판에는 컬러층을 형성하는 방법, 하판에 컬러필터와 블랙 매트릭스 모두를 형성하는 방법 등이 다양하게 연구되고 있다.

기존의 반사형 LCD의 경우와 같이 블랙 매트릭스를 상판에 형성하게 되면 개구율은 최대 85% 수준이 된다. 그런데 반사형 LCD의 경우는 백라이트가 없으므로 화면의 밝기에 보다 주의를 기울여야 하며 따라서 개구율을 높이는데 많은 노력을 기울여야 하고, 블랙 매트릭스를 하판 TFT 상에 유기막으로 형성하면서 LCD 판넬에서의 개구율을 많이 향상시켜 개구율이 95%에 이르게 할 수 있는 방법이 최근에 개 발되고 있다.

블랙 매트릭스를 하판에 형성하는 기존의 방법은 마스크를 사용하여 이루어진다. 블랙 매트릭스를 하판에 형성하는 방법을 좀 더 살펴보면, 우선 하판에 TFT를 형성한다. 그리고 그 위에 보호막을 형성한 다음 보호막에 콘택창을 형성하고 이 상태에서 금속재질의 반사판 겸용 화소전극층을 적층하고 마스크 기법을 통해 화소전극 패턴을 형성하게 된다. 다음으로 화소전극 패턴이 형성된 글래스 기판 위에 블랙 매트릭스층을 형성하고 마스크를 통해 노광하고 현상하여 필요없는 부분을 제거함으로써 블랙 매트릭스 패턴이 얻어진다.

그런데 반사형 TFT LCD에서 블랙 매트릭스를 하판에 형성할 경우 이상의 블랙 매트릭스를 패터닝하는 공정이 문제가 될 수 있다. 즉, 블랙 매트릭스 층을 노광할 때 오정렬(miss align)이 발생하면 반사판 사이에 형성되어야 할 블랙 매트릭스가 오정렬 정도에 따라 반사판 위로 넓게 형성되므로 개구율 즉, 화면의 밝기를 떨어뜨리는 직접적인 원인이 되고 표면의 평탄화에 악영향을 끼치게 된다. 또 원래 블랙 매트릭스로 채워져야 할 부분은 일부 비게 되어 후면광의 통로가 되고 콘트라스트를 떨어뜨리는 등 부작용을 일으킬 수 있다.

본 발명은 기존의 반사형 컬러 TFT LCD에서 블랙 매트릭스를 하판에 형성하는 과정에서 정렬 불량 등의 원인으로 개구율이 떨어지고 콘트라스트가 감소하는 문제를 개선하기 위한 것으로 블랙 매트릭스를 하판의 정확한 위치에 편리하게 형성할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 액정표시장치 블랙 매트릭스 형성방법은, 액정표시장치 판넬의 제조과정에 있어서, 액정표시장치 판넬 하판을 이루게 되는 글래스 기판상에 TFT, 보호막, 콘택창 및 반사판형 화소전극을 형성하고 음성 감광막의 성질을 가지는 블랙 매트릭스층을 도포하는 단계, 상기 화소전극을 마스크 대용으로 뒷면에서 빛을 비추는 뒷면 노광을 실시하는 단계, 상기 블랙 매트릭스층에서 가교화되지 못한 부분을 현상을 통해 제거하는 단계를 순차적으로 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 일반 노광과는 달리 뒷면에서 빛을 비추는 뒷면 노광을 하게 되므로 이미 글래스 기판에 형성되어 있던, 반사판을 겸하는 화소전극 패턴이 마스크의 역할을 하게 된다. 따라서 본 발명에서 사용되는 음성 감광성의 블랙 매트릭스층에서 반사판 위쪽 부분은 뒷면 노광시 반사판에 의해 빛을 받지 못하므로 가교화반응이 이루어질 수 없어 현상단계에서 떨어져 나가게 되고 반사판 사이에 있는 블랙 매트릭스층은 빛을 받아 폴리머를 이루게 되므로 현상단계에서 남아 블랙 매트릭스 패턴을 이루게 된다.

이러한 패턴 형성방식은 일종의 셀프 어라인(self align) 방식이라고 할 수 있으며 별도의 마스크가 필요하지 않게 된다. 따라서 정렬을 위해 주의할 필요가 없으면서도 정확한 위치에 블랙 매트릭스 패턴을 형성하게 되고 그 결과 오정렬에 따른 개구율의 감소, 콘트라스트의 저하 등 문제를 해결할 수 있다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명의 블랙 매트릭스 형성방법의 구체적인 일 실시예를 단계별로 좀 더 살펴보기로 한다.

도2는 본 발명에서 액정표시장치 판넬의 글래스 기판 중 하판(11)에 TFT와 보호막(13)을 형성하고 보호막에 콘택창을 형성한 다음 반사판을 겸하는 화소전극(14)을 형성한 상태에서 글래스 기판 전면에 블랙 매트릭스층(31)을 도포한 단계를 나타내는 도면이다.

본 예에서 콘택창을 형성할 때 보호막(13)은 투명한 유기 감광막으로 형성되어 있으므로 노광과 현상만으로 콘택창을 형성할 수 있으며 동시에 보호막 중 화소전극 사이에 위치하게 될 부분도 제거하는 것이 블랙 매트릭스 형성에 유리하므로 제거한다. 화소전극(14)은 전기전도성이 좋으며 백색에 가까운 금속광택을 가지는 알미늄으로 형성되어 있다. 또한 TFT를 형성하는 단계에서 TFT부분과 게이트 라인, 데이터 라인 등의 금속, 불투명 부분은 가능한 한 반사판 아래에 위치하도록 형성한다.

블랙 매트릭스층(31)은 음성 감광성을 가지는 유기막을 사용하였다. 반사판 사이의 공간에 반사판층과 보호막층에 해당하는 깊이로 채워지면서 상면은 평탄한 표면을 이루도록 도포되는 것이 바람직하다.

도3은 도2의 단계에서 하판(11) 글래스 기판 아래쪽에서 빛을 비추는 뒷면 노광을 실시하는 상태를 나타내는 도면이다. 노광시 빛의 세기는 빛이 글래스 기판과 게이트 절연막(12)을 통과하여 감광현상을 일으키는 것을 감안하여 결정한다. 블랙 매트릭스층(31)은 음성 감광성을 가지므로 반사판 사이의 빛을 받은 부분은 빛에 의해 모노머가 폴리머로 결합되고 반사판 위쪽에 놓여진 부분은 뒷면 노광에 서는 반사판에 가려 빛을 받지 못하므로 모노머 상태를 유지하게 된다.

TFT 형성부나 게이트 라인, 데이터 라인도 반사판 아래쪽에 형성되어 있으므로 반사판 사이에는 상기 게이트 라인이나 데이터 라인이 엇갈려 지나가는 극히 일부분을 제외하면 빛의 진로를 막을 것이 없으므로 패턴 형성의 오류는 거의 일어나지 않게 된다.

도4는 도3의 상태에서 현상을 통해 반사판 위쪽의 블랙 매트릭스층을 현상을 통해 제거하고 후공정을 거쳐 액정표시장치의 판넬을 완성한 상태의 화소부 측단면도를 나타내는 도면이다. 현상시 빛을 받지 못하여 모노머로 남아 있는 부분은 현상액에 용해되어 제거되고 반사판 사이의 폴리머로 변화된 부분만 남아 블랙 매트릭스(18') 패턴을 이루게 된다.

도5는 LCD 판넬의 하판에 TFT 부분과 배선 및 블랙 매트릭스 패턴을 완성한 상태의 평면도를 나타낸 것이다. 소오스(25), 드레인(24), 게이트(23), 아몰퍼스 실리콘층(44) 및 게이트 라인(41), 데이터 라인(42) 등 불투명층이 거의 모두 반사판(14) 아래에 형성되어 있고 블랙 매트릭스(18') 형성부는 따라서 데이터 라인이나 게이트 라인과 겹치지 않게 된다. 달리 표현하면 반사판은 게이트 라인, 데이터 라인이 없는 영역에서 분리되어 형성될 수 있으며 이때의 블랙 매트릭스는 데이터 라인 또는 게이트 라인 하부의 불투명막이 없는 영역에서 형성되어 진다. 반사판 틈새를 데이터 라인이나 게이트 라인이 가로지르는 일부 부분에서는 블랙 매트릭스층이 제거된 상태로 있는 것을 볼 수 있으며 데이터 라인과 게이트 라인이 겹치는 지점에는 두 층 사이에 형성되는 게이트 절연막(12)이 식각되지 않고 남아서 두 라 인을 절연시키고 있다.

본 발명의 블랙 매트릭스 형성방법에 따르면 결과로 얻어지는 액정표시장치의 판넬에서 반사판 위쪽에는 블랙 매트릭스 물질이 존재하지 않으므로 빛의 반사를 막아 화면을 어둡게 하는 현상이 없고, 반사판의 아래쪽에서 반사판 사이로 빛이 새어나와 액정표시장치의 화질이 떨어지는 현상과 외부광에 의해 트랜지스터 소자에 전류가 흐르는 현상을 방지할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (3)

1. 액정표시장치 판넬 제조에 있어서,

   액정표시장치 판넬의 하판을 형성하게 되는 글래스 기판상에 TFT, 보호막, 콘택창 및 반사판형 화소전극을 형성하고 음성 감광막의 성질을 가지는 블랙 매트릭스층을 도포하는 단계;

   마스크 대신 상기 반사판형 화소전극을 이용하여 상기 반사판형 화소전극이 형성된 영역에서 뒷면으로부터 제공된 광이 상기 블랙 매트릭스층으로 제공되지 못하도록 차단하고, 상기 반사판형 화소전극이 형성되지 않은 영역에서 상기 광을 통과시켜 상기 블랙 매트릭스층을 노광하는 단계; 및

   상기 반사판형 화소전극에 의해서 상기 광이 차단되어 상기 블랙 매트릭스층에서 가교화되지 못한 부분을 현상을 통해 제거하여, 상기 반사판형 화소전극이 제거된 영역에 상기 블랙 매트릭스 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 블랙 매트릭스 형성방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 보호막과 상기 블랙 매트릭스층은 감광성 유기막으로 형성하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 블랙 매트릭스 형성방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 보호막 가운데 상기 반사판형 화소전극 사이에 위치하는 부분은 상기 콘택창의 형성단계에서 제거하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 블랙 매트릭스 형성방법.

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