TFT-LCD의 Color 화면은 백라이트에서 나온 백색광이 액정셀을 통과하면서 투과율이 조절되고 Red, Green, Blue의 컬러 필터를 투과해 나오는 3원색이 혼합되면서 이루어 집니다. 컬러 필터 기판은 Black 매트릭스(BM), 색상을 구현하는 RGB 패턴, 그리고 액정 셀에 전압을 인가하기 위한 공통 전극(ITO)으로 구성되어 집니다. BM은 RGB 패턴 사이에 위치하여 R.G.B 셀 사이의 빛을 구분하고 차단하며, LCD의 콘트라스트를 향상시키는 역할을 합니다. 또한, TFT의 직접적인 광 조사를 차단하여 TFT의 누설 전류 증가를 방지하는 역할도 합니다.
저반사 특성을 가지는 컬러필터 기판의 제조공정은 일반적으로 Cr/CrOx를 이용한 BM의 형성과 컬러필터의 형성, 공통 전극의 형성으로 이루어 집니다. BM의 재질로는 Cr 등의 금속 박막이나 Carbon 계통의 유기 재료가 주로 쓰이며, Cr/Cr Ox의 이층막 구조의 BM은 LCD Screen의 저 반사화를 목적으로 사용되기도 합니다. 유기 재료를 사용하는 경우 BM-on-TFT 어레이 구조가 가능하여 고개구율 화소 설계가 가능합니다.
컬러 필터는 RGB 컬러 필터 형성에 사용되는 재료에 따라 안료(pigment) 방식과 염료(dye) 방식이 있으며, 제작 방법에 따라 염색법, 분산법, 전착법, 인쇄법 등으로 분류할 수 있습니다. 현재 TFT-LCD 의 컬러 필터제조에 가장 많이 사용되는 방법은 안료분산법으로, 여기서는 안료분산법에 의한 컬러필터 제조 공정에 대해서만 설명하도록 하겠습니다.
BM 증착
유리기판 기판을 세정한 후, BM 재료로 사용되는 Cr/CrOx를 스퍼터링 방법으로 증착합니다. 패턴 형성은 TFT-어레이 공정과 유사하게 진행하는데, PR 대신 감광성 재료인 R, G, B 컬러 필터를 사용하는 것이 다른 점입니다. 즉 따로 PR을 사용하여 패턴을 형성하는 것이 아니라, 마스크를 이용하여 노광 후 현상만을 하고 열경화 공정을 거쳐 PR 특성이 있는 컬러층을 만들어 내는 것입니다.
하부의 TFT 기판에 형성된 픽셀 전극와 함께 액정 셀을 동작시키기 위한 공통 전극의 형성은 RGB 패턴 형성 후에 이루어집니다. 투과성과 도전성이 좋으며 화학적, 열적 안정성이 우수한 투명 전극 재료인 ITO를 스퍼터링에 의하여 증착하며, 공통 전극으로서의 ITO는 별도의 패턴 형성을 하지 않습니다. 공통 전극 형성 전에 RGB 패턴의 보호와 평탄화를 위하여 Acryl 계나 폴리이미드 계 Resin을 사용하여 평탄화막(Over coat)을 형성하는 경우도 있습니다.
RGB 패턴 형성
BM 패턴을 형성한 후 색상을 구현하는 RGB 패턴은 안료(pigment)가 함유된 PR을 사용하여 photo-lithography기술을 이용하여 형성하며, 다른점은 Photo Resist로 Color Resist를 사용하는 점입니다. 컬러필터의 형성은 통상적으로 R, G, B순서입니다. 이때 컬러필터의 패턴 정밀도가 상대적으로 높지 않기 때문에 동일 마스크를 사용하여 화소 pitch만큼 이동시키면서 RGB 패턴을 노광하여 형성하는 것이 일반적입니다. 안료입자는 일반적으로 빛을 산란시켜 불투명하지만 입자 크기가 빛의 파장보다 작으면 빛을 투과시켜 투명하게 되므로 입자 크기가 작을수록 투명도가 높고 우수한 분산 특성을 나타냅니다.
Spin 방식 도포는 인쇄법에 비하여 color PR의 소모량은 많지만 두께 균일성이 우수하기 때문에 가장 많이 사용됩니다. 노광에 의한 광중합 반응은 일정 수준에 도달하면 정지하므로 열에 의한 중합 반응 지속을 위하여 Post Exposure Bake를 별도로 실시하며, 현상은 Dipping, Puddle, Shower, Spray 법등이 사용됩니다. 일반적으로 컬러 PR은 negative PR을 이용하므로 노광되지 않는 부분이 제거됩니다.
공통전극 ITO의 형성
액정 셀의 동작을 위한 픽셀 전극 형성은 투명 전극 재료인 ITO(Indium Tin Oxide)를 이용합니다. 하부의 TFT 기판에 형성된 화소 전극 ITO와 함께 액정 셀을 동작시키기 위한 공통 전극의 형성은 RGB 패턴 형성 후에 ITO를 스퍼터링 방법으로 증착합니다. 이때 사용되는 ITO는 대면적 LCD화면 전체의 공통전극으로 사용되기 때문에 전압이 전 화면에 동일하게 인가될 수 있도록 판저항이 충분히 작고, 투과율, 화학적, 열적 안정성이 극대화가 되도록 해야 합니다. 통상적으로 약 150nm 두께의 ITO를 사용하며 공통 전극으로서의 ITO는 별도의 STN-LCD와 달리 패턴 형성을 하지 않습니다. 공통 전극 형성전에 RGB 패턴의 보호와 평탄화를 위하여 Acryl 계나 폴리이미드 계 Resin 사용하여 평탄화막(Over coat)을 형성하는 경우도 있습니다. 현상(develop)은 dipping, puddle, shower spray법 등이 사용되며 현상 후에는 post bake를 형성과 같이 컬러 PR을 바꾸어 동일한 mask를 shift시켜 노광하고 상기와 같은 공정을 진행하여 green과 blue 패턴을 완성합니다. 이때 형성된 픽셀 전극(ITO)와 컬러 필터 기판에 설치된 공통 전극(ITO)사이에 신호 전압을 인가하여 두 전극 사이의 액정 분자 배열 방향을 제어함으로써 액정 셀의 동작이 이루어집니다.
컬러기판 검사
컬러 필터는 화상의 질, 후공정과의 적합성 그리고 신뢰성이 중요합니다. 화상은 투과율, 콘트라스트가 높아야 하며, 균일성과 평탄화를 유지하며 화면 전체에 어떠한 결점도 없어야 하며 패널 전체 규격에 정확히 맞아야 합니다. 후 공정시 열적, 화학적 저항성이 좋아야 하고, 빛과 열에 대한 환경에서도 안정적으로 작동해야 합니다. 이와 같이 만들어진 컬러 필터기판은 검사 과정을 거쳐 TFT-array 기판과 같이 액정 셀공정으로 투입됩니다. 컬러 필터는 TFT-Array와 동일한 양산 line에서 제작되기도 하지만 전문 제조업체에서 제작되어 TFT-LCD의 하나의 부품 형태로 투입되는 것이 일반적입니다.
편광 필름 부착 공정
유리기판의 TFT측과 컬러 필터측에 편광판을 부착하는 공정입니다. 기판 표면을 깨끗이 세정하고 편광판 보호 필름을 제거하여 접착제를 노출시키고 원통형 고무롤로 눌러서 기판에 접착시킵니다. 편광판 부착 후 편광판과 유리기판과의 접착력을 견고히 해주고 편광판 부착 후 발생한 기포를 제거하기 위하여 고온 고압을 가하여 견고하게 접착하도록 합니다.
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