KR100989262B1 - 액정 표시 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 평탄도가 개선된 컬러 필터 기판을 가지는 액정 표시 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 액정 표시 장치의 컬러 필터 기판에서 블랙 매트릭스를 형성시에 발생하는 단차를 배면 노광을 이용하여 오버코트층을 형성함으로써 평탄도를 향상시켜 안정한 배향을 형성할 수 있으며 액정 패널의 블랙 상태에서 빛샘이 발생하지 않고 양호한 화질을 구현한다.
또한, 본 발명은 수지 블랙 매트릭스를 포토 마스크로 사용하므로 정확하게 오버코트층을 패터닝할 수 있으며, 패턴 형성을 위한 배면 노광기는 고가의 마스크 얼라인(align) 기능이 필요하지 않아 비용을 저감하는 장점이 있다.
블랙 매트릭스, 배면 노광, 오버코트층

Description

액정 표시 장치 및 그 제조 방법{Liquid Crystal Display Device and the fabrication method thereof}
도 1은 일반적인 액정 표시 장치의 일부영역에 대한 입체도.
도 2는 종래 액정 표시 장치의 컬러 필터 기판의 일부를 개략적으로 보여주는 도면.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 액정 표시 장치용 컬러 필터 기판을 보여주는 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
300 : 기판 310 : 블랙 매트릭스
320 : 오버코트층 330 : 공통 전극
340 : 배향막 350 : 러빙 포
본 발명은 액정 표시 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 평탄도가 개선된 컬러 필터 기판을 가지는 액정 표시 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 전자산업의 발달과 함께 TV 브라운관 등에 제한적으로 사용되었던 디 스플레이 장치가 개인용 컴퓨터, 노트북, 무선 단말기, 자동차 계기판, 전광판 등에 까지 확대 사용되고, 정보통신 기술의 발달과 함께 대용량의 화상정보를 전송할 수 있게 됨에 따라 이를 처리하여 구현할 수 있는 차세대 디스플레이 장치의 중요성이 커지고 있다.
이와 같은 차세대 디스플레이 장치는 경박단소, 고휘도, 대화면, 저소비전력 및 저가격화를 실현할 수 있어야 하는데, 이에 부응하여 근래에는 LCD(Liquid Crystal Display Device), PDP(Plasma Display Panel), ELD(Electro Luminescent Display), VFD(Vacuum Fluorescent Display)등 여러 가지 평판 표시 장치가 연구되어 왔고, 그 중 하나로 최근에 액정 표시 장치(LCD)가 주목을 받고 있다.
상기 액정 표시 장치는 해상도가 다른 평판 표시 장치보다 뛰어나고, 동화상을 구현할 때 그 품질이 브라운관에 비할 만큼 응답 속도가 빠른 특성을 나타내고 있다.
또한, 상기 액정 표시 장치는 고휘도, 고콘트라스트, 저소비전력성 등이 우수한 특성을 가지므로 데스크탑 컴퓨터 모니터, 노트북 컴퓨터 모니터, TV 수상기, 차량 탑재용 TV 수상기, 네비게이션 등 광범위한 분야에서 활용되고 있다.
일반적으로 액정 표시 장치는 일측에 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.
이와 같은 액정 표시 장치는, 화상을 표시하는 액정 패널과 상기 액정 패널에 구동신호를 인가하기 위한 구동부로 크게 구분될 수 있으며, 상기 액정 패널은 일정 공간을 가지고 합착된 제 1, 제 2 기판과, 상기 두 기판 사이에 주입된 액정층으로 구성된다.
통상 상기 액정 패널은 두 개의 유리 기판 또는 투명한 플라스틱 기판 사이에 액정을 채운 구조로 되어 있다. 이 액정에 전압을 인가할 수 있도록 기판에는 투명 전극(공통 전극, 화소 전극)이 형성되어 있다. 이 투명 전극은 상기 액정에 전압을 가하여 온/오프(on/off)를 제어하는 역할을 한다.
즉, 액정 표시 장치의 광 투과량은 상기 투명 전극에 인가되는 전압에 의해 제어되고, 광 셔터(shutter) 효과에 의해 문자/화상을 표시하게 된다.
이러한 액정 표시 장치 중에서도, 각 화소(pixel)별로 전압의 온/오프를 조절할 수 있는 스위칭 소자가 구비된 액티브 매트릭스형 액정표시장치가 해상도 및 동영상 구현능력이 뛰어나 가장 주목받고 있다.
도 1은 일반적인 액정 표시 장치의 일부영역에 대한 입체도로서, 액정이 구동되는 영역으로 정의되는 액티브 영역을 중심으로 도시하였다.
도시한 바와 같이, 서로 일정간격 이격되어 상부 및 하부 기판(110, 130)이 대향하고 있고, 이 상부 및 하부 기판(110, 130) 사이에는 액정층(150)이 개재되어 있다.
상기 하부 기판(130) 상부에는 다수 개의 게이트 및 데이터 배선(132, 134)이 서로 교차되어 있고, 이 게이트 및 데이터 배선(132, 134)이 교차되는 지점에 박막트랜지스터(T)가 형성되어 있으며, 게이트 및 데이터 배선(132, 134)이 교차되는 영역으로 정의되는 화소 영역(P)에는 박막트랜지스터(T)와 연결된 화소 전극(146)이 형성되어 있다.
도면으로 제시하지는 않았지만, 박막트랜지스터(T)는 게이트 전압을 인가받는 게이트 전극과, 데이터 전압을 인가받는 소스 및 드레인 전극과, 게이트 전압과 데이터 전압 차에 의해 전압의 온/오프를 조절하는 채널(ch ; channel)로 구성된다.
그리고, 상부 기판(110) 하부에는 컬러필터층(112), 공통 전극(116)이 차례대로 형성되어 있다.
도면으로 상세히 도시하지 않았지만, 컬러필터층(112)은 특정한 파장대의 빛만을 투과시키는 컬러필터와, 컬러필터의 경계부에 위치하여 액정의 배열이 제어되지 않는 영역상의 빛을 차단하는 블랙매트릭스로 구성된다.
그리고, 상부 및 하부 기판(110, 130)의 각 외부면에는 편광축과 평행한 빛만을 투과시키는 상부 및 하부 편광판(152, 154)이 위치하고, 하부 편광판(154) 하부에는 별도의 광원인 백라이트(back light)가 배치되어 있다.
이러한 액정표시장치는 스위칭 소자 및 화소 전극을 형성하는 어레이 기판 제조 공정과 컬러필터 및 공통 전극을 형성하는 컬러필터 기판 제조 공정을 거친 기판을 이용하여, 이 두 기판 사이에 액정을 개재하는 액정셀 공정을 거쳐 완성된다.
상기 액정셀 공정은 어레이 공정이나 컬러필터 공정에 비해 상대적으로 반복 되는 공정이 거의 없는 것이 특징이라고 할 수 있다. 전체 공정은 액정 분자의 배향을 위한 배향막 형성공정과 셀 갭(cell gap) 형성공정, 셀 절단(cutting) 공정, 액정주입 공정으로 크게 나눌 수 있고, 이러한 공정을 거친 액정셀은 품질검사를 통해 선별된 액정패널의 외측에 각각 편광판을 부착한 후, 구동회로를 연결하면 액정 표시 장치가 완성된다.
한편, 액정 표시 장치용 컬러 필터 기판에 컬러 필터 안료를 사용하지 않고 컬러를 구현하는 FSC(Field Sequential Mode : 이하 FSC라 함) 모드의 액정 표시 장치가 있다.
FSC 모드의 액정 표시 장치는 컬러 필터 기판에 컬러 필터 안료 없이 백라이트 유닛(backlight unit)에 광원 프레임을 형성시켜 화상을 표현하는 구동 방식이다.
상기 FSC 모드의 액정 표시 장치에서는 상기 컬러 필터 기판에 블랙 매트릭스(black matrix)와 공통 전극만이 형성되는 단순한 구조를 가진다.
이때, 사용되는 블랙 매트릭스는 금속 재질인 중금속인 크롬(Cr)과 크롬 산화막을 이중으로 증착하여 형성하는 방법과, 감광성 수지에 카본 블랙(carbon black)과 같은 흑색의 안료를 분산시킨 재료를 사용하여 형성하는 방법이 있으며, 현재의 일반적인 블랙 매트릭스 재료로는 중금속인 크롬을 이용하여 형성하는 방법 등이 사용되고 있다.
그러나, 중금속인 크롬은 환경에 악영향을 끼치므로 이에 대한 사용 규제가 구체화되고 있어 보다 친환경적인 물질인 수지 블랙 매트릭스에 대한 요구가 제시 되고 있다.
상기 수지 블랙 매트릭스는 중금속인 크롬을 사용하지 않아 환경 오염에는 유리하나 금속을 사용한 블랙 매트릭스에 비해 광 흡수도가 낮으므로, 금속 블랙 매트릭스보다 두꺼운 막을 형성하여야 한다.
따라서, 컬러 필터층에 형성된 수지 블랙 매트릭스에 의해서 기판의 평탄도가 나빠지게 되므로, 평탄화를 위하여 오버코트층을 형성하여도 개선에 어려움이 있다.
도 2는 종래 액정 표시 장치의 컬러 필터 기판의 일부를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 액정 표시 장치는 컬러 필터 기판(200)에 컬러 필터를 형성하지 않으므로 블랙 매트릭스(210) 형성 후에 오버코트층(220)이 형성된다.
이때, 상기 오버코트층(220) 상에 공통 전극(230), 배향막(240)을 형성하고, 배향 처리를 할 경우에 블랙 매트릭스(210)의 단차에 의해서 러빙(rubbing) 공정 시 러빙 포(250)가 닿지 않는 부분에 배향 음영부가 형성된다.
이러한 배향 음영부에서는 액정 배향이 되지 않으므로 액정 표시 패널의 블랙(black) 상태에서 빛샘이 발생하는 문제가 있다.
본 발명은 별도의 컬러 필터용 광원 어레이를 가지는 액정 표시 장치의 컬러 필터 기판에서 블랙 매트릭스를 형성시에 발생하는 단차를 배면 노광을 이용하여 오버코트층을 형성함으로써 평탄도를 향상시켜 안정한 배향을 형성할 수 있는 액정 표시 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 액정 표시 장치는, 다수의 화소 영역을 정의하며 박막 트랜지스터를 포함하는 제 1 기판과 이와 대향하는 제 2 기판과, 제 1, 2 기판 사이에 형성되는 액정층으로 이루어지는 액정 표시 장치의 제 2 기판에 있어서, 상기 기판 상에 형성되는 블랙 매트릭스 패턴과; 상기 블랙 매트릭스 패턴 사이에 패터닝되어 형성되는 오버코트층과; 상기 블랙 매트릭스와 오버코트층 상에 형성되는 공통 전극과; 상기 공통 전극 상에 형성되는 배향막과; 상기 기판에 조사되며 적색, 녹색 및 청색광을 각각 발광하는 제 1 내지 제 3 광원을 가지는 광원 어레이를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 광원 어레이는 한 프레임 구간을 적어도 3개의 서브 프레임 구간들로 분할하여 각 서브 프레임 구간들에서 제 1 내지 제 3 광원이 순차적으로 점등되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 블랙 매트릭스는 카본 블랙(carbon black) 계열인 것을 특징으로 한다.
상기 블랙 매트릭스의 단차는 0.3 ~ 0.8 ㎛ 인 것을 특징으로 한다.
상기 오버코트층은 감광성 수지로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 오버코트층은 배면 노광 방법에 의해서 패터닝되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 액정 표시 장치의 제 조 방법은, 다수의 화소 영역을 정의하며 박막 트랜지스터를 포함하는 제 1 기판과 이와 대향하는 제 2 기판과, 제 1, 2 기판 사이에 형성되는 액정층으로 이루어지는 액정 표시 장치의 제 2 기판을 제조하는 데 있어서, 기판 상에 수지 블랙 매트릭스 패턴을 형성하는 단계와; 상기 블랙 매트릭스 상에 감광성 절연 물질을 도포하는 단계와; 상기 기판의 배면에서 노광을 실시하는 단계와; 상기 감광성 절연 물질을 현상(develop)하여 패터닝된 오버코트층을 형성하는 단계와; 상기 오버코트층 상에 공통 전극을 형성하는 단계와; 상기 공통 전극 상에 배향막을 형성하는 단계와; 상기 기판에 조사되며 적색, 녹색 및 청색광을 각각 발광하는 제 1 내지 제 3 광원을 가지는 광원 어레이를 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 감광성 절연물질은 네가티브(negative) 특성을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 블랙 매트릭스는 카본 블랙(carbon black) 계열인 것을 특징으로 한다.
상기 감광성 절연 물질은 블랙 매트릭스의 두께만큼 도포하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 액정 표시 장치의 구체적인 실시예에 대해서 설명한다.
본 발명에 따른 액정 표시 장치는 컬러 필터 안료를 사용하지 않고 컬러를 구현할 수 있는 FSC(Field Sequential Mode : 이하 FSC라 함) 모드의 액정 표시 장치에 관한 것으로 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 FSC 모드의 액정 표시 장치는 컬러 필터 기판에 컬러 필터 안료 없이 백라이트 유닛(backlight unit)에 광원 프레임을 형성시켜 화상을 표현하는 구동 방식이다.
이와 같은 FSC 구동 방식은 패널 상의 전체 프레임(Frame)을 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 3개의 서브 프레임으로 분리한다. 이러한 각 서브 프레임은 데이터 기입 시간, 액정응답시간 및 백라이트 발광시간으로 구분되는데, 이로 인해 실제 각 색에 따른 백라이트를 켤 수 있는 시간은 데이터 기입 시간과 액정응답시간을 제외한 시간이 된다.
또 다른 FSC 구동 방식으로는 분할 구동을 이용한 방식으로서 화상을 표시하는 전체 패널의 면적을 가로 방향으로 N 등분하여 구동하는 방식이다.
이와 같은 FSC 액정 표시 장치의 백라이트 유닛은 점광원으로 적색광, 녹색광 및 청색광을 발생시키는 다수의 LED를 기본적으로 구비하고 있으며, 이들 백라이트 유닛 상면에 두 장의 기판 사이에 액정이 주입되어 화상이 표시되는 액정패널을 추가로 구비한다.
상기 FSC 모드의 액정 표시 장치에서는 상기 컬러 필터 기판에 블랙 매트릭스(black matrix)와 공통 전극만이 형성되는 단순한 구조를 가진다.
도 3은 본 발명에 따른 액정 표시 장치용 컬러 필터 기판을 보여주는 도면이다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 투명한 절연 기판(300) 상에 블랙 매트릭스(310)를 패터닝하여 형성한다.
상기 블랙 매트릭스(310)는 화소 전극 주변부에 형성되는 반전 도메인(reverse tilt domain)을 통과하는 빛을 차폐하기 위하여 소정의 패턴으로 형성되며, 상기 블랙 매트릭스의 재질로는 카본(carbon) 계통의 유기 재료가 사용된다.
이어서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 블랙 매트릭스(310)가 형성된 기판(300) 상에 기판(300)의 평탄도를 향상시키기 위해서 절연 특성을 가지는 감광성 수지를 이용하여 오버코트층(320)을 형성한다.
이때, 상기 블랙 매트릭스(310)에 의해 발생된 단차에 의해서 상기 오버코트층(320)도 단차가 발생하게 된다.
그리고, 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 블랙 매트릭스(310)가 형성된 기판 상에 도포된 감광성 수지인 오버코트층(320)을 평탄화하기 위하여 상기 블랙 매트릭스(310)를 포토 마스크(photo mask)로 이용하여 배면 노광을 실시한다.
상기와 같은 배면 노광은 고가의 마스크 얼라인(align) 장비가 필요하지 않으므로 장비의 가격이 저렴하고 공정이 간단한 장점이 있다.
상기 블랙 매트릭스(310)가 형성된 기판의 배면에서 노광을 하면, 상기 투명한 기판(300)을 통과한 광은 블랙 매트릭스(310)가 형성된 위치에서는 흡수가 되며 블랙 매트릭스(310)가 형성되지 않은 부분에서는 그대로 통과되어 감광성 수지를 통과하게 된다.
상기 감광성 수지는 조사되는 광에 의해서 경화되고, 이후 현상 공정과 열 경화 공정을 거쳐 기판을 평탄화 하게 된다.
여기서, 본 발명은 수지 블랙 매트릭스(310)를 마스크로 직접 사용하기 때문 에 마스크의 미스-정렬(miss-align)에 의한 오차가 발생하지 않는다.
바람직하게는, 상기 기판 상에 도포하는 오버코트층의 두께는 블랙 매트릭스의 두께와 비슷하게 형성하여, 배면 노광을 이용한 평탄화 공정 후에 상기 블랙 매트릭스(310)의 두께와 상기 블랙 매트릭스 패턴 사이에 남는 오버코트층(320)의 두께가 엇비슷하게 되는 것이다.
상기와 같이 배면 노광에 의해서 오버코트층(320)인 감광성 수지막이 블랙 매트릭스(310) 패턴 사이에서만 경화되어 도 3d에 도시된 바와 같이 기판이 평탄화된다.
이어서, 도 3e에 도시된 바와 같이, 공통 전극(330)을 형성한다.
상기 공통 전극(330)은 투명한 도전성 전극으로 이루어지며, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), ITZO(indium tin zinc oxide)와 같은 물질로 형성된다.
그리고, 도 3f에 도시된 바와 같이, 컬러 필터 기판의 최종 공정으로 배향막(340)을 형성한다.
이때, 상기 배향막(340)은 배향막 인쇄 장치를 이용하여 기판 상면에 배향막 원료액인 폴리이미드(PolyImide : PI)를 인쇄하여 형성한다.
다음으로, 상기 배향막 원료액에 고온의 열을 가하여 용매를 건조시키고 경화시킨다.
이어서, 러빙 장치를 이용하여 소성 처리된 배향막(340) 표면을 러빙 포(350)로 일정한 방향으로 문질러 홈을 만들어주는 배향막 러빙 공정을 거친다.
이때, 상기 컬러 필터 기판은 배면 노광에 의해서 평탄화되어 있으므로, 상기와 같은 러빙 법에 의한 배향 처리시에 배향 음영부가 발생하지 않고 균일한 배향이 이루어진다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 액정 표시 장치 및 그 제조 방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명은 별도의 컬러 필터 역할을 하는 광원 어레이를 구비하는 액정 표시 장치에서 배면 노광을 이용하여 오버코트층을 패터닝함으로써 컬러 필터 기판을 평탄화시켜 안정되고 균일하게 배향 처리해서 액정 패널의 블랙 상태에서 빛샘이 발생하지 않고 양호한 화질을 구현하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 수지 블랙 매트릭스를 포토 마스크로 사용하므로 정확하게 오버코트층을 패터닝할 수 있으며, 패턴 형성을 위한 배면 노광기는 고가의 마스크 얼라인(align) 기능이 필요하지 않아 저렴하여 비용을 저감하는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 다수의 화소 영역을 정의하며 박막 트랜지스터를 포함하는 제 1 기판과 이와 대향하는 제 2 기판과, 제 1, 2 기판 사이에 형성되는 액정층을 포함하는 액정 표시 장치에 있어서,
    상기 제 2 기판에 조사되며 적색, 녹색 및 청색광을 각각 발광하는 제 1 내지 제 3 광원을 가지는 광원 어레이;
    상기 제 2 기판 상에 형성되는 블랙 매트릭스 패턴;
    상기 블랙 매트릭스 패턴 사이에 패터닝되어 형성되는 오버코트층;
    상기 블랙 매트릭스와 오버코트층 상에 형성되는 공통 전극; 및
    상기 공통 전극 상에 형성되는 배향막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광원 어레이는 한 프레임 구간을 적어도 3개의 서브 프레임 구간들로 분할하여 각 서브 프레임 구간들에서 제 1 내지 제 3 광원이 순차적으로 점등되도록 하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 블랙 매트릭스는 카본 블랙(carbon black) 계열인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 블랙 매트릭스의 단차는 0.3 ~ 0.8 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 오버코트층은 감광성 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 오버코트층은 배면 노광 방법에 의해서 패터닝되는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치.
  7. 다수의 화소 영역을 정의하며 박막 트랜지스터를 포함하는 제 1 기판과 이와 대향하는 제 2 기판과, 제 1, 2 기판 사이에 형성되는 액정층으로 이루어지는 액정 표시 장치를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 제 2 기판에 조사되며 적색, 녹색 및 청색광을 각각 발광하는 제 1 내지 제 3 광원을 가지는 광원 어레이를 형성하는 단계;
    상기 제 2 기판 상에 수지 블랙 매트릭스 패턴을 형성하는 단계;
    상기 블랙 매트릭스 상에 감광성 절연 물질을 도포하는 단계;
    상기 제 2 기판의 배면에서 노광을 실시하는 단계;
    상기 감광성 절연 물질을 현상(develop)하여 패터닝된 오버코트층을 형성하는 단계;
    상기 오버코트층 상에 공통 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 공통 전극 상에 배향막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 감광성 절연물질은 네가티브(negative) 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 블랙 매트릭스는 카본 블랙(carbon black) 계열인 것을 특징으로 하는 액정 표시 장치의 제조 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 감광성 절연 물질은 블랙 매트릭스의 두께만큼 도포하는 것을 특징으로 하는 액정 표시장치의 제조 방법.
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