-$%용 컬러필터 제조기술 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI_200411_KJS_LCD_display.pdf · 51 lcd용 컬러필터 제조기술 i. 서 론 컬러액정디스플레이

LCD용 컬러필터 제조기술

2004. 11

목 차

Ⅰ. 서 론 ·························································································51

Ⅱ. 본 론 ························································································52

1. 컬러필터의 구조 ····································································· 52

2. 컬러필터의 필요조건 ······························································ 54

(가) 저전력 소모 ·························································································54

(나) 높은 컬러 순도와 높은 투과율 ···························································54

(다) 높은 명암비 ·························································································54

(라) 낮은 반사 ·····························································································55

3. 열, 빛 그리고 화학물질에 대한 높은 안정성 ······················· 55

4. 제조 방법 ················································································ 56

(가) 염색법 ··································································································56

(나) 색소 산포 방법 ····················································································58

(다) 프린팅 방법 ·························································································63

(라) 전착법(Electrodeposition method) ··················································66

5. 블랙매트릭스 ··········································································· 68

6. 재료와 공정 ············································································ 69

(가) 착색제 ··································································································69

(나) 폴리머 ··································································································70

(다) Initiator ································································································72

(라) 용 매 ····································································································73

(마) 공 정 ····································································································74

7. CF의 특징 ··············································································· 75

Ⅲ. 결 론 ························································································76

∙참고문헌 ······················································································77

51

LCD용 컬러필터 제조기술

I. 서 론

컬러액정디스플레이(LCD) 시장의 급격한 성장은 노트북 PC에

사용되는 평면 액정의 수요에 힘입은 바 크다. 작은 크기에 얇고

가벼우면서도 좋은 해상력과 저전력 소모 특성 등은 노트북 PC에

사용하기 위해서는 필수적인 것이다. TFT-LCD는 멀티미디어 시

대의 LCD시장의 대부분을 차지할 것으로 기대된다. 컬러필터는 컬

러화상을 만드는 데 있어 필수적인 요소이다. 컬러필터의 주요 사

용대상은 다음 세 가지를 들 수 있다. 첫째, CCD와 같은 이미지 센

서 둘째, 크리스털 센서(CS)와 같은 라인 센서 셋째, TN, STN,

TFT와 같은 디스플레이들이다. 컬러필터는 컬러 그래픽이나 문서

를 디지털화된 정보로 변환시키는 스캐닝 기구의 센서로도 사용되

며 이를 통해 잉크젯 프린터나 열승화 프린터와 같이 풀컬러의 하

드카피 프린트가 가능하게 된다. 컬러필터를 이용하여 액정과 함께

사용되어 컴퓨터나 TV에 사용되는 풀컬러의 평면화상디스플레이

를 생산하게 된다[1].

52 디스플레이 소재기술동향(Ⅱ)

Ⅱ. 본 론

1. 컬러필터의 구조

컬러필터는 액정디스플레이 패널의 주요 구성요소이다. LCD 패

널은 서로 일정하게 정렬된 두개의 유리 기판으로 이루어진다. 하

나는 컬러필터 기판이며 다른 하나는 동력(Driving) 기판이다. 컬

러필터의 픽셀은 R, G, B 색상요소를 가지고 있으며 블랙매트릭스

는 빛의 유출과 TFT에서의 광전자적 전환을 방지하기 위해 컬러

들 사이에 위치해 있다. 액정은 수 마이크론 사이로 채워져 있다.

Polarizer는 각 기판의 외측에 위치해 있다. 컬러필터 배열의 생산

은 기술에 크게 좌우되는 공정이다. 필터표면은 컬러순도를 최대화

하고 색번짐을 최소화하기 위해 가능한 한 매끈해야한다. 또 픽셀

표면에 강하게 고정되어 있어야 하며 과도하게 빛에 민감해서도 안

된다. 필터는 디스플레이셀에 있는 액정물질을 오염시키지 않도록

안정화 되어야 한다.

LCD 컬러필터의 기본적인 구조[3～9]를 <그림 1>에 나타내었

다. 컬러필터는 Clear substrate, 블랙매트릭스, 컬러필터 레이어

(RGB 컬러), Overcoat 레이어, ITO 필름으로 구성되어 있다. Clear

substrate는 대개 얇은 유리나 플라스틱이다. 블랙매트릭스물질은

Clear substrate의 광학적으로 불활성화된 지역에 위치시켜 빛 유

출을 방지하고 비결정 실리콘 트랜지스터에 광쉴드(light shied)를

제공해준다. 블랙마스크물질은 최적의 명암비를 위해 반사율이 낮

LCD용 컬러필터 제조기술 53

아야 한다. 블랙매트릭스물질은 유기물일수도 무기물일수도 있으

나 크롬이 가장 인기 있는 무기물이다. R, G, B를 포함하는 컬러필

터 레이어는 염료나 색소로부터 제조된다. 컬러 레이어를 제작한

후에는 Protection Overcoat 레이어를 위치시킨다. Overcoat물질로

는 투명 아크릴 레진, 폴리이미드(Polyimide) 레진 혹은 폴리우레

탄 레진이 사용된다. Overcoat 레이어의 목적은 컬러패턴의 두께

변이 감소, Sputtering에 대한 내구성, 화학적 저항성 등이다.

Overcoat 레이어는 염색 CF와 프린팅 CF에서 중요하다. Overcoat

레이어는 컬러필터 레이어에서 불순물로부터 액정을 보호해주고

화학적 안정성을 향상시키는데 필수적이다. 프린팅 CF에서

Overcoat 레이어는 컬러필터 표면을 평면화시켜준다. 색소산포방

법(Pigment dispersion method)은 충분히 견고하기 때문에

Overcoat 레이어의 경우 공정과정이 추가되고 생산비가 증가하므

로 필수적이지는 않다. 마지막으로 Indium tioxide(ITO)를 낮은 온

도(200℃)에서 위치시킨다[1～3,6].

<그림 1> LCD 컬러필터의 기본적 구조


2. 컬러필터의 필요조건[2]

(가) 저전력 소모

컬러필터의 전력소모는 LCD에 사용하기 위해서는 극히 중요한

필요조건이다. 이 요소는 LCD 장치의 저가격화에 중요하다.

(나) 높은 컬러 순도와 높은 투과율

이 특성은 좋은 컬러 표현을 위해 필수적이다. 노트북 PC와 모니

터에서 높은 화질과 휴대성을 위해서 TFT-LCD 패널은 높은 컬러

순도와 높은 투과율을 필요로 한다. 색소의 선택은 필요 없는 파장

은 제거하고 오로지 필요한 광만을 유지하는 엄격한 분광범위에 기

초해서 이루어져야 한다. 그러한 색소를 사용함으로써 컬러필터의

컬러순도와 투과율을 향상시킬 수 있다[8].

(다) 높은 명암비

CF 명암비는 두개의 Polarizer를 평행으로 세팅했을 때의 투과광

세기와, 두개의 Polarizer를 엇갈려서 세팅했을 때 즉 두 Polarizer

sheet 사이에 컬러필터를 세팅했을 때의 세기에 대한 비율로 정의

된다. LC 패널 명암비는 백색 TN-LC 구성에 대한 ON/OFF 동력

전압의 투과율 비로 정의된다. 높은 명암비는 높은 컬러 순도와 좋

은 가독성에 있어 필수적이다[6,8].


(라) 낮은 반사

TFT-LCD 모듈의 반사성[8]은 주로 CF의 블랙매트릭스 물질에

의해 결정된다. 크롬, 크롬산화물(Chrome oxide) 혹은 블랙 레진이

STN-LCD와 TFT-LCD에 광범위하게 사용된다. 이는 광방어능력

(Light sheilding ability)과 낮은 반사도 때문이다. LCD에 사용하기

위해서는 높은 저항성, 높은 광학 밀도, 높은 광방어, 높은 해상력,

낮은 반사도와 저가격이 요구된다. 낮은 반사도는 또한 높은 가독

성에 있어서도 필요한 요소이다.

3. 열, 빛 그리고 화학물질에 대한 높은 안정성

CF는 레이어 형성과정에서 Thermal flow와 색채변화(Chromatic

change)없이 높은 열저항성을 가져야 한다. 색채변화(△Eab)는 250

℃에서 1시간동안 가열한 후에 3보다 작아야 한다. 픽셀의 광안정

성은 LCD의 흑색광으로 조사되기 때문에 중요하다. CF를 2백만

럭스 시간 이상 UV필터를 갖춘 수은-제논 램프에 노출시킨다. 노

출후 색채변화(△Eab)는 3보다 작아야 한다. CF는 LCD제조과정에

서 용매, 산, 염기 등에 노출되므로 화학적 안정성은 가장 중요한

요소이다. Cured film은 NMP와 γ-butyrolactone과 같은 Align-

ment layer solvent에 저항성이 있어야 하며 ITO의 에칭과정에서

는 산에 대해, 발달시스템에서 사용되는 염기에 대해 저항성을 가

져야 한다[6,8].


4. 제조 방법

컬러필터 제조방법에는 네 가지가 있는데 이는 염색법, 색소산포

법( pigment-dispersed), 프린팅, 전착법(Electrodeposition) 등이다

(<그림 2>).

<그림 2> 제조방법

(가) 염색법

○ 공 정

염색법[4-26]은 영상을 위한 CF 제조에 사용되어 왔다. 염색법

제조 CF에 가장 흔하게 사용되는 수용성 고분자 물질은 젤라

틴, 카제인과 같은 천연물질 그리고 폴리비닐 알코올(PVA), 폴

리비닐 피로리돈(Pyrrolidone)과 같은 합성물질이다. 광저항성

을 만들기 위해 디아조나 중크롬 화합물이 폴리머에 첨가된다.

합성 Copolymer를 사용하는 염색제조 CF를 위한 광폴리머가

개발되었다. 수산화기를 가진 Hydroxyethyl methacrylate


(HEMA)가 고착을 위해 사용되었으며 물에서 발달시킬 수가

있다. Dimethylamino propylacrylamide(DMPAA)와 같은 3차

아민이나 4차 암모니아 화합물이 염색특성을 위해 사용되었다.

<그림 3>은 염색법을 나타내고 있다. 젤라틴과 같은 염색가능

한 폴리머를 유리기판에 코팅하며 포토마스크를 통해 노출시

키고 물에서 발달시켜 투명패턴을 형성하고 이 기판을 산이나

반응성 염료로 염색한다. 염색패턴은 각각의 색상이동을 방지

하는 고착제를 처리하여 한 가지 색이 형성된다. 이러한 전체

과정이 빨강, 초록, 파랑 세 번 반복된다. 에칭방법으로 폴리이

미드가 바인더로 사용되며 염료는 이 위에 산포된다.

<그림 3> 염색 컬러필터 공정


○ 장 점

이 방법으로 제조된 컬러필터는 높은 투과율과 좋은 색상 순도

를 나타낸다. 염색법은 훌륭한 크기상의 정확도와 필름 두께

정확성을 확보할 수 있다. 또한 이 공정은 다른 공정에 비해 높

은 컬러 명암비를 나타낸다. 이 공정으로 제조된 컬러필터는

좋은 해상도, 좋은 색상표현 그리고 뛰어난 염색 특성을 가지

게 된다.

○ 개 량

염색법은 색상요소로 염료를 사용하는데 대개 열저항성은

250℃에서 좋지 않다. 이 방법은 일부 염료가 광에 노출되면

색이 바라기 때문에 광저항성도 좋은 편이 아니다. 염색법으로

제조한 컬러필터는 화학물질에도 저항성을 나타내지 못한다.

염료는 Cured film에서 N-methyl pyrrolidone(NMP)와 γ

-butyrolactone과 같은 Alignment layer solvent나 ITO 에칭과

정의 산, 혹은 Na2CO3, TMAH, KOH와 같은 발달시스템의 염

기속으로 흘러나온다. 이 방법은 공정과정이 길어지게 되며 이

로 인해 생산수율은 낮아지며 제조단가도 상승하게 된다.

(나) 색소 산포 방법

○ 공 정

색소산포방법[3,27-42]은 염색 CF보다 광범위하게 사용된다.


<그림 4> 색소산포 컬러필터 공정(에칭 타입)

색소산포방법은 두 그룹으로 분류된다. (i) 에칭 방법 (ii) 사진

평판 방법(Photolithographic method)

(i) 에칭방법(Etching method)

이 방법에서는 폴리이미드가 CF를 위한 물질로 사용되며 색

소는 여기에 산포된다. 이 방법은 제조공정상 그리고 단가에

서 단점이 있다. 에칭방법은 <그림 4>에 나타나 있다.

(ii) 사진평판 방법(Photolithographic method)

사진평판 방법은 <그림 5>에 나타나 있다. 이 방법은 두 가


지 하위그룹으로 나뉜다. (i) 라디칼 폴리머화 타입 (ii) cross-

linked 타입

<그림 5> 색소산포 컬러필터 공정(Photolithographic 타입)

[라디칼 폴리머화 타입]

Acrylic 혹은 Epoxyacrylate photopolymerizable 물질이 CF 물질

로 사용된다. 라디칼 폴리머화의 포토레지스트는 바인더 폴리머

(대개 acrylic), 다기능성 모노머, Photoinitiator, 색소 그리고 용

매로 구성된다. 모노머와 올리고머의 많은 다양한 종류의 조합이

가능하다. 이 타입에서는 연쇄반응에 의하여 색을 띈 포토레지스


트가 높은 민감성의 물질을 만들어 낸다. 바인더 폴리머는 기판

에의 고착, 경도, 열, 광저항성에서 중요한 역할을 한다. Clear

binder를 선택하는 것이 중요하다. 다기능성 모노머와 Initiator를

고정(fixing)함으로써 더 높은 광민감성을 가진 물질이 만들어 질

수 있다. Acrylic binder polymer는 Photopolymer를 염기에 녹을

수 있게 만들어 주며 이는 발달과정에서 아주 중요하다. 색소를

띈 CF는 염색시스템에 의해 제조된 것에 비해 높은 열, 광, 화학

물질 저항성을 가진다.

[Cross-linked polymerization 타입]

Cross-linked 포토레지스트는 감광성 Copolymer, 색소 그리고

용매로 이루어진다. 이 타입에서는 높은 민감성의 포토레지스트

를 만드는 것이 어려운데 이는 색소가 노출 에너지를 흡수하는

포토레지스트에 산포되기 때문이다.

넓은 색 재현성과 높은 투과성을 가진 컬러필터가 색소가 산포된

광민감성 폴리머를 이용하여 10.4인치 4096컬러 TFT-LCD를 위

해 개발되었다[39]. 컬러 모자이크 방법은 색조 재현성, 제품 안

정성, 열, 광, 습도에 대한 뛰어난 저항성 등에서 다른 방법에 비

해 장점을 가진다. 이 기술은 초미세 색소의 안정적인 산포가 가

능하며 이로 인해 저장 안정성을 향상시킨다. 이 방법은 간단하

며 안전하고 그리고 안정적인 생산방법이다[35].

○ 장 점


색소 시스템은 주로 250℃에서 행해지는 Alignment layer 형

성과정에서 높은 열저항성을 나타낸다. 픽셀의 광저항성은

LCD의 흑색광으로 조사되기 때문에 중요하다. 색소산포법은

우수한 광저항성을 나타낸다. 컬러필터는 LCD제조과정에서

용매, 산, 염기에 노출되기 때문에 화학적 안정성은 가장 중요

한 요소이다. Cured film은 NMP와 γ-butyrolactone과 같은

Alignment layer solvent에 저항성이 있어야 하며 ITO의 에칭

과정에서는 산에 대해, 발달시스템에서 사용되는 염기에 대해

저항성을 가져야 한다. 이 방법은 아주 좋은 화학적 저항성을

나타낸다. 또한 습기와 마찰에도 좋은 저항성을 보인다. 색소

산포 CF는 높은 휘도, 투명성 그리고 좋은 색 재현성을 나타낸

다. 이 방법으로 제조한 CF는 뛰어난 광민감성과 좋은 해상도

를 보여준다.

○ 개 량

산포의 주요목적은 색소응집과 덩어리를 깨뜨려 최적 크기의

색소입자로 만들어 균질하게 퍼뜨리는 것이다. 색소는 응집과

덩어리로 다시 뭉치려는 경향이 있으며 이로 인해 산포 안정성

이 떨어지며 컬러필터의 저장 수명도 단축된다. 따라서 색소

산포 안정성은 컬러필터의 저장 수명을 결정하는 가장 중요한

요소이다. 색소에 의해 야기된 컬러패턴의 표면 거침정도는 필

터의 색상 특징에 영향을 미친다. 거침은 컬러 레이어의 표면

에 입혀진 색소입자에 의해 야기된다. 컬러패턴의 표면은 흐릿


해지며 따라서 투과성이 감소된다. 이 단점은 바인더 폴리머의

표면을 고르게 하거나 컬러 레이어에 투명한 Overcoat를 입혀

줌으로써 극복할 수 있다. Depolarization effect는 컬러필터의

가장 중요한 광학적 특성이다. 이는 Polarizer plate를 통과함으

로써 Linearly polarized된 빛이 색소입자에 의해 산란되고 복

굴절됨으로써 필름에 분산될 때 발생한다. 이는 명암비의 감소

를 초래한다. 필름의 낮은 명암비는 Active matrix liquid

crystal display(AMLCD)에서는 심각한 문제를 초래할 수 있

다. 이 문제는 입자크기를 줄이거나 산포의 안정성을 향상시킴

으로써 극복할 수 있다.

(다) 프린팅 방법

○ 공 정

컬러필터 제조에 사용되는 프린팅 방법에는 네가지 타입[6,9]

이 있다. 즉 (i) screen printing, (ii) flexographic printing, (iii)

offset printing, (iv) intaglio printing이다. 각각의 프린팅 방법

의 개념은 <그림 6>에 나타나 있다.

(i) Screen Printing

이 방법은 Electronics precision device patterning에 사용된

다. 다른 프린팅 방법에 비해 간단한 장치로 가능하다. 해상도

는 대량생산과정에서 100에서 200㎛ 사이이다.


<그림 6> 프린팅 방법

(ii) Flexographic printing

이 방법은 레진 Plate와 낮은 점도의 잉크를 사용한다. 이는

LCD의 Aligned layer를 프린트하는 데 사용된다. 해상도는

약 100㎛이며 이는 패턴주변의 Fringe때문이다.

(iii) Offset printing

이 방법은 약간 높은 점도의 잉크를 사용하며 Plate에서 블

랭킷(blanket)으로 다시 기판으로 전달된다. 다른 프린팅 방

법에 비해 우수한 재현성을 갖는 좋은 패턴을 프린트할 수

있다.

(iv) Intaglio printing

잉크는 Plate에 위치시키며 초과분은 Doctor로 짜낸다. 다음


단계에서 패턴은 Plate에서 기판으로 전달된다. 이 방법에서

는 Doctoring이 가장 중요한 기술이다.

○ 장 점

더 작은 제조공간과 장치로 충분하기 때문에 프린팅 방법은 대

량생산에 적당하다. 이 프린팅 방법에 의해 대형의 컬러필터가

생산된다. 착색제로 색소를 사용하기 때문에 높은 열저항성을

갖게 된다. 다양한 크기의 컬러필터를 짧은 시간에 쉽게 제조

할 수 있다. 저가격화와 높은 생산성 때문에 가장 선호되는 제

조방법중 하나이다.

○ 개 량

저가격, 대량생산이 가능하고 20㎛ 폭의 패턴이 생산 가능하

다 하더라도 Photolithographic 방법에 비하면 착색, 표면 평면

성, 균일성, 해상도 등에 있어서 더 열등하다 할 수 있다. 잉크

의 점도는 피턴 균일성, 패턴 정확성, 패턴 모서리(Pattern

edge)의 선명도, 패턴의 횡단면 모양(shape of the cross

section), 마이크로패턴에 영향을 주기 때문에 중요한 요인이

다. 필름의 두께와 컬러필터의 전체적인 균일성을 조절하는

것이 필수적이다.


(라) 전착법(Electrodeposition method)

○ 공 정

전착법(Electrodeposition; ED)[6,9,43-46]은 전기기계, 자동차,

일반 산업 코팅 과정에 있어서 전 세계적으로 사용되고 있다.

포토레지스트는 유리기판에 코팅되고 다음으로 ITO de-

position을 행하게 된다. 포토레지스트는 포토마스크를 통해 노

출되고 발달되고 전착되며 컬러패턴의 고정화가 이루어진다.

전체과정은 R, G, B 세가지 색에 대하여 반복된다. 마지막으로

ITO가 다시 한번 컬러 레이어에 피복된다. ED bath는 색소와

레진 교질입자로 이루어진다. 두 가지 타입의 ED 레진이 있다.

(i) 음이온 타입 ED 공정. 카르복실기를 포함한다. 이 공정에서

는 음극에서 유기질 코팅의 deposition이 일어난다. (ii) 양이온

타입 ED 공정. 아미노기를 포함하고 양극에 코팅이 deposition

된다. Acrylic 혹은 Polyester polymer 역시 ED 레진으로 사용

된다. 레진은 ED bath를 만들기 위해 물에서 분산되어야 하므

로 소량의 유기 용매만이 허용된다. ED 레이어의 표면은 저분

자량의 폴리머를 사용함으로써 더 매끄럽게 만들 수 있다. ED

공정은 <그림 7>에 나타나 있다.

○ 장 점

ED는 간단한 제조방법이다. 자가 Alignment 과정은 다른 정밀

기계가 필요치 않다. 전압을 선택적으로 적용함으로써 선택적


<그림 7> 전착 방법

ED가 가능해진다. 필름의 두께는 전류나 사용전압, 시간에 따

라 조절된다. 넓은 면적에 행한 코팅의 균일성은 자가 조절

deposition으로 얻어질 수 있다. 자동화공정에 의해 고속공정이

실현될 수 있다. 이 방법은 공정시간이 짧으며 복잡한 모양의

우묵 들어간 부분의 코팅도 가능하다. 코팅 두께의 균일성은

ED공정에 의해 달성된다. ED 공정에 의해 제조된 컬러필터는

색상조절이 쉬우며 좋은 패턴의 생산이 가능하다. 생산효율도

우수하며 가격도 저렴하다. LCD의 크기를 늘릴 수 있는 강력

한 방법이며 폴리머와 색소로 만들어진 저반사성의 블랙매트

릭스도 제조가능하다.


○ 개 량

Indium tin oxide(ITO)가 유리기판을 코팅한 포토레지스트에

deposition되기 때문에 ITO 저항성의 변이는 색상변이로 전환

된다. 같은 색상의 픽셀이 연결되어야 하는 패턴상의 제한이

있기 때문에 전기적으로 패턴화 시킨다. 따라서 스트라이프 타

입의 패턴제조는 용이하나 모자이크나 삼각형 타입은 패턴화

하기 어렵다. ED의 성공여부는 ITO 균일성과 패턴화 기술에

달려있다.

5. 블랙매트릭스

TFT-LCD 제품에서 소비자가 원하는 것은 저전력 소모와 더 높

은 휘도이다. TFT array에 블랙매트릭스를 통합시키는 것은 주요

기술 중 하나이다[47-80]. 블랙매트릭스는 TFT로의 빛을 막아주고

非디스플레이 영역에서 새어나오는 빛을 감소시켜 명암비의 감소

를 방지한다. TFT-LCD array의 Aperture raio를 증가시키고 더

높은 투과성을 얻는 것은 백라이트 파워를 줄임으로써 TFT-LCD

의 전력소모를 감소시키기 위해서 중요하다. Sputtered 크롬은 블

랙매트릭스 물질로 가장 많이 사용된다. 그러나 크롬은 가격이 높

고 고착이 잘 안되며 제조과정 특히 Sputtering이 복잡하고 반사성

이 높으며 환경문제도 야기할 수 있다는 단점이 있다. 환경적으로

안전하고 반사성이 낮은[50-53], 저항성이 높은[54-64,80], 광학밀

도가 높은 이를테면 Carbon black[65-74], 혼합 금속산화물

[55-62,75,80], Planarized[76], 무기물[54-64,77-80]과 같은 사용가

능한 여러 블랙매트릭스 물질이 있다[3].


6. 재료와 공정

(가) 착색제

산, 직접적, 반응성, 용매 염료와 같은 여러 다른 종류의 염료들

이 컬러필터에 사용된다. 이 염료들은 대개 카르복시기, 아미노기,

술폰기를 가지고 있다[6]. Dianthraquinone red, copper phthalo-

cyanine blue 혹은 green 색소가 사용된다. 고급 색소가

Photopolymer에 분산된다[6]. 색소는 우수한 열, 광, 화학적 저항성

을 가져다 준다[7]. 색소를 더 잘 분산시키는 것은 더 높은 투과성

과 명암비를 얻기 위해 필수적이다[38]. 높은 휘도, 투명성, 넓은 공

정 margin을 갖춘 좋은 재현성의 LCD 컬러필터를 위한 색소산포

컬러 레진이 개발되었다[34]. 색소입자를 유기용매에 용해되게 만

들고 이어서 캐리어 medium에 사용한 독자적인 색소를 생산하는

새로운 기술이 발표되었다[81]. 이러한 잠재적 색소는 용해된 상태

에서 염료와 같이 처리될 수 있다. 아주 작은 입자(<0.1㎛)가 적용

된 필름에서 재생산될 수 있으며 이로 인해 최적의 광투과성과 높

은 열, 광안정성을 얻을 수 있다. 고가이면서 시간이 많이 걸리는

색소 산포 과정을 피할 수 있다[81]. 착색제의 주된 기능은 컬러순

도, 컬러 명암비, 색도, 열안정성, 광안정성, 화학적 안정성, 해상도

등이다. 컬러필터를 위한 이상적인 착색제의 광학적 특성은 <그림

8>에 나타나 있다.


<그림 8> 컬러필터의 투과율 광학 특성

(나) 폴리머

LCD 컬러필터를 위한 4가지 대표적인 Photopolymer의 구성과

반응기작이 정리되었다[82]. Photopolymer[38]는 생산성과 정확성

을 갖추고 연결된다. 높은 민감성, 높은 Cross-linking 밀도, 좋은

균일성에서 중요한 역할을 한다. 바인더는 열안정성, 광안정성, 코

팅의 편평도, 기판에의 고착, 경도 발달성, 내구성에 영향을 미친다.

Clear binder를 선택하는 것이 중요하다. 다양한 광화학적 변환 시

스템이 포토레지스트에 적용하기 위해 제안되었다. 색소는 i-, h-,


g-line 지역에서 강한 흡광성을 나타내야 하기 때문에 민감성이 높

은 시스템이 채택되어야 한다. LCD 컬러필터를 위한 4가지 대표적

인 Photopolymer는 실제 사용에서 실증된 바 있다[82].

○ Acrylic radical polymerization type

이는 연쇄반응 성질에 의해 높은 민감성을 갖는 negative 포토

레지스트이다. 색소산포 컬러레지스트에 가장 인기 있는 시스

템이다.

○ Aqueous-solvent type

PVA-stryl pyridinium 혹은 quinolinium 시스템은 레지스트

필름에 광민감성기를 결합시켜 높은 민감성을 나타낸다. 다른

acrylic 혹은 acetal ,azide 감광제 역시 보고되었다[82].

○ Naphthoquinone diazide(NQD) type

이 시스템은 반도체 제조를 위한 고해상도 positive 레지스트

로서 널리 사용된다. 적당한 내구성을 얻기 위해 Thermal

cross-linker를 첨가한다[82].

○ Chemical amplification type

이 시스템에서 레지스트 패턴은 산 촉매 폴리머화, Corss-

linking 혹은 Photoacid generator를 이용하는 분해과정에 의해

형성된다. 생성된 산은 Cross-linking 반응에서 소모되지 않기


때문에 이 시스템은 높은 민감성을 보인다. 이 방법의 가장 큰

단점은 촉매 반응을 증진시키기 위해서는 추가 노출과정이 필

요하다는 것이다[82].

Cardo-type 레진으로부터 만든 컬러필터 포토레지스트는 높은

해상도를 나타낸다[37,83]. 실리콘 폴리이미드로부터 만든 CF

는 더 나은 유리 고착능을 가지며 더 낮은 온도에서 imidize한

다[84]. 컬러포토 생산을 위한 색소가 가해진 포토레지스트의

Lithographic 성능은 사용한 폴리머 구조의 영향을 받는다[85].

바인더 폴리머의 주요 기능은 고착, 필름 균일성, 필름 견고성,

색소 산포 능력, 열안정성 등이다. 다기능성 모노머는 화학적

저항성, 필름 견고성, 민감도에 있어서 중요한 역할을 한다.

(다) Initiator

UV curing은 완성된 제품의 품질을 향상시키기 위해 사용된다. 동

시에 에너지, 공간, 시간, 노동력을 줄임으로써 생산성을 향상시킬 수

도 있다. UV curing 기술은 환경안전성, 독특한 물리적 특성과 같은

여러 이점이 있으며 생산효율도 높여준다. Photoinitiator는 UV

curing에서 가장 중요한 요소이다. 이것은 중합반응을 개시시켜 재빨

리 최종 Crosslinked된 생산물에 이르도록 하는 첨가물이다. UV 광

에너지가 발산되면 액체속에 있는 Photoinitiator에 의해 흡수되어 반

응성이 강한 물질로 분해되게 된다. 이러한 반응성이 강한 물질로는

자유 라디칼이나 양이온이 있다. 자유 라디칼 Initiator는 acrylate/


methacrylate 혹은 불포화 폴리에스테르 레진과 주로 사용되며 양이

온성 initiator는 에폭시 혹은 비닐 에테르 레진과 사용된다. 다양한

포토시스템이 사용되는데 여기에는 benzoin 유도체, benzoin ether,

benzilketal, α-hydroxyalkylphenone, α-aminoalkylphenone, 할로겐

화 화합물, benzophenone, thioxanthone, coumarin, triazine,

oxadiazole, thiadiazole, bisimidazole 등이 포함된다. Initiator는 민감

성과 저장 수명에 있어서 중요한 역할을 한다. Photoinitiator의 주요

공급처로는 Akzo, BASF, Biddle Sawyer, Ciba, First Chemicals,

Merck, Nippon Kayaku, Sandoz, Sartomer, UCB 등이 있다.

(라) 용 매

디스플레이 산업에서 유기용매는 아직도 Photolithography 공정

에서 필수적인 구성요소이다. 새로운 용매의 안정성을 당연한 것으

로 여겨서는 안된다. 각각의 용매는 그 사용용도, 물리적 특성, 독

성, 대사, 인간과 동물에 대한 생화학적/생리적 영향에 따라 평가되

어야 한다. 안전한 용매는 작업환경이나 환경에 노출되었을 때 인

간이나 환경에 악영향을 미치지 않는 용매로 정의할 수 있다.

blank MSDS를 ‘안전인증서’로 간주해서는 안된다. 각 용매는 구강,

피하, 흡입, 아급성, 만성, 발달과정, 생식에 미치는 독성, 발암성,

Genotoxicity에 대해 검토해 보아야 한다. 용매시스템을 선택하기

에 앞서 정부규제 역시 고려하여야 한다. 가장 흔히 사용되는 용매

로는 ethyl cellosolve acetate, methyl ethyl ketone, diethylene


glycol dimethyl ether, diethylene glycol monoethyl ehter, propy-

lene glycol monomethyl ether acetate, ethyl 3- ethoxypropionate,

ethylene glycol monoethyl ether acetate, N-methylpyrrolidone,

cyclohexanone, cyclopentanone 등이 있다. 용매는 코팅 균일성, 저

장 수명과 안전성에 있어서 중요하다.

(마) 공 정

sol-gel 방법에 의한 Polysilane 필름의 선택적 착색을 이용한 새

로운 CF 제조 공정이 개발되었다. CF는 UV 조사 과정을 반복하는

단순한 패턴화 공정으로 제조가능하다. soaking은 발달과정과 건조

가 필요 없는 색소산포된 silica sol이다. 단일 코팅된 Polysilane 레

이어로 만들어진 CF는 아주 매끈한 표면을 갖게 된다. 색소,

Polysilane, silica gel로 이루어진 컬러 레진은 높은 열 저항성을 나

타낸다[86]. 결정형 실리콘은 AMLCD 제조를 위한 대체방법으로

사용되었다. 실리콘 기반 AMLCD를 위한 CF-on chip이 개발되었

다. 이 기술로 뛰어나 순도와 높은 명암비가 달성되었다[87]. 실리

콘 고체상태 이미지 array 센서를 위한 CF array가 실증되었다. 다

른 색상을 갖게 하기 위해 유기 용매 염료가 선택되었다. CF array

는 먼저 제조된 선형 실리콘 Photodiode array를 포함하는 실리콘

와퍼에 제조되었다. 이 기술은 컬러 이미지 센서 array 개발에 적

용된다[88]. Light valve를 위한 고효율 컬러필터[89]가 개발되었다.

반사 홀로그래피에 의한 CF[90]와 Dow Envision cost model을 이


용한 CF[91]도 보고되었다. LCD 컬러 필터의 가장 단순한 제조 공

정[92]과 디자인 문제[93]도 연구되었다. 산소 배리어 레이어와 감

광성 컬러 필름을 사용, 충격흡수효과를 이용하는 Transfer 방법을

통해 간단하고 환경적으로도 깨끗한 새로운 CF 제조 방법이 제안

되었다[96]. 컬러 레지스트를 위한 Lithographic 성능, 저가격, 고수

율도 연구되었다[94,95].

7. CF의 특징

컬러필터의 특징[6,9,38]을 제조방법에 따라 <표 1>에 정리하였다.

<표 1> CF의 특징

염 색 색소산포 프린팅 전 착

바인더젤라틴카제인

acrylic polyimide

acrylicpolyimide

polyvinylalcohol

에폭시acrylic

멜라닌폴리에스테르

에폭시

착색제 염료 색소 색소 색소

두 께 0.7-2.5 0.8-2.5 1.5-3.5 1.5-2.5

열 안정성(℃) 180 220-300 250 250

광 안정성(℃) <100 >500 >500 >500

화학적 안정성 poor good good good

스펙트럼 best good good good

표 면 good good good best

해상도(㎛) 7-20 10-20 70-100 10-20


Ⅲ. 결 론

컬러필터(CD)는 컬러LCD에서 직접적으로 컬러 화상의 질을 결

정하기 때문에 컬러LCD의 가장 중요한 요소이다. 본 보고서에서는

LCD를 위한 컬러필터 기술의 다양한 결과들을 체계적으로 정리하

였다. 또한 컬러필터 기술의 개념, 구조, 요구사항, 제조방법, 재질,

블랙매트릭스 공정도 함께 설명하였고, LCD 산업에 있어서의 컬러

필터 기술의 우수성과 장점에 대해서 논하였다.

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참고문헌

1. J.A.Castellano, Handbook of Display Technology, Academic

Press, New York, 1992, pp.299～3032. P. Gregory, High technology applications of organic colo-

rants, Plenum Press, New York, 1991, pp.15～25

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-$%용 컬러필터 제조기술 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/data/IAC/files/KISTI_200411_KJS_LCD_display.pdf · 51 lcd용 컬러필터 제조기술 i. 서 론 컬러액정디스플레이