액정표시장치용 어레이 기판 및 그 제조 방법 document_id A220623019029

본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 유기 반도체 물질을 이용한 액정표시장치용 어레이 기판 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 근래에 들어 사회가 본격적인 정보화 시대로 접어듦에 따라 대량의 정보를 처리 및 표시하는 디스플레이(display) 분야가 급속도로 발전해 왔고, 최근에는 특히 박형화, 경량화, 저소비전력화의 우수한 성능을 지닌 박막트랜지스터(Thin Film Transistor : TFT)형 액정표시장치(TFT-LCD)가 개발되어 기존의 브라운관(Cathode Ray Tube : CRT)을 대체하고 있다. 액정표시장치의 화상구현원리는 액정의 광학적 이방성과 분극성질을 이용하는 것으로, 주지된 바와 같이 액정은 분자구조가 가늘고 길며 배열에 방향성을 갖는 광학적 이방성과 전기장 내에 놓일 경우에 그 크기에 따라 분자배열 방향이 변화되는 분극성질을 띤다. 이에 액정표시장치는 액정층을 사이에 두고 서로 마주보는 면으로 각각 화소전극과 공통전극이 형성된 어레이 기판(array substrate)과 컬러필터 기판(color filter substrate)을 합착시켜 구성된 액정패널을 필수적인 구성요소로 하며, 이들 전극 사이의 전기장 변화를 통해서 액정분자의 배열방향을 인위적으로 조절하고 이때 변화되는 빛의 투과율을 이용하여 여러 가지 화상을 표시하는 비발광 소자이다. 최근에는 특히 화상표현의 기본단위인 화소(pixel)를 행렬 방식으로 배열하고 스위칭 소자를 각 화소에 배치시켜 독립적으로 제어하는 능동행렬방식(active matrix type)이 해상도 및 동영상 구현능력에서 뛰어나 주목받고 있는데, 이 같은 스위칭 소자로 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor : TFT)를 사용한 것이 잘 알려진 TFT-LCD(Thin Firm Transistor Liquid Crystal Display device) 이다. 좀 더 자세히, 일반적인 액정표시장치의 분해사시도인 도 1에 나타낸 바와 같이 액정층(30)을 사이에 두고 어레이 기판(10)과 컬러필터 기판(20)이 대면 합착된 구성을 갖는데, 이중 하부의 어레이 기판(10)은 제 1 투명기판(12) 및 이의 상면으로 종횡 교차 배열되어 다수의 화소영역(P)을 정의하는 복수개의 게이트 배선(14)과 데이터 배선(16)을 포함하며, 이들 두 배선(14, 16)의 교차지점에는 박막 트랜지스터(T)가 구비되어 각 화소영역(P)에 마련된 화소전극(18)과 일대일 대응 접속되어 있다. 또한 이와 마주보는 상부의 컬러필터 기판(20)은 제 2 투명기판(22) 및 이의 배면으로 상기 게이트 배선(14)과 데이터 배선(16) 그리고 박막 트랜지스터(T) 등의 비표시영역을 가리도록 각 화소영역(P)을 테두리하는 격자 형상의 블랙매트릭스(25)가 형성되어 있으며, 이들 격자 내부에서 각 화소영역(P)에 대응되게 순차적으로 반복 배열된 적, 녹, 청색 컬러필터층(26)이 형성되어 있으며, 상기 블랙매트릭스(25)와 적, 녹 ,청색 컬러필터층(26)의 전면에 걸쳐 투명한 공통전극(28)이 마련되어 있다. 그리고 도면상에 명확하게 도시되지는 않았지만, 이들 두 기판(10, 20)은 그 사이로 개재된 액정층(30)의 누설을 방지하기 위하여 가장자리 따라 실링제 등으로 봉함(封函)된 상태에서 각 기판(10, 20)과 액정층(30)의 경계부분에는 액정의 분자배열 방향에 신뢰성을 부여하는 상, 하부 배향막이 개재되며, 각 기판(10, 20)의 적어도 하나의 외측면에는 편광판이 부착된다. 더불어 액정패널 배면으로는 백라이트(back-light)가 구비되어 빛을 공급하는 바, 게이트배선(14)으로 박막트랜지스터(T)의 온(on)/오프(off) 신호가 순차적으로 스캔 인가되어 선택된 화소영역(P)의 화소전극(18)에 데이터배선(16)의 화상신호가 전달되면 이들 사이의 수직전계에 의해 그 사이의 액정분자가 구동되고, 이에 따른 빛의 투과율 변화로 여러 가지 화상을 표시할 수 있다. 한편, 이 같은 액정표시장치에 있어 어레이 기판(10)과 컬러필터 기판(20)의 모체가 되는 제 1 및 제 2 절연기판(12, 22)은 전통적으로 유리 기판이 사용되었지만, 최근 들어 노트북이나 PDA(personal digital assistant)와 같은 소형의 휴대용 단말기가 널리 보급됨에 따라 이들에 적용 가능하도록 유리보다 가볍고 경량임과 동시에 유연한 특성을 지니고 있어 파손위험이 적은 플라스틱 기판을 이용한 액정패널이 소개된 바 있다. 하지만, 플라스틱 기판을 이용한 액정패널은 액정표시장치의 제조 특성상 특히 스위칭 소자인 박막 트랜지스터가 형성되는 어레이 기판의 제조에는 200℃ 이상의 고온을 필요로 하는 고온 공정이 많아 내열성 및 내화학성이 유리기판 보다 떨어지는 플라스틱 기판으로 상기 어레이 기판을 제조하는 데에는 어려움이 있어, 상부기판을 이루는 컬러필터 기판만을 플라스틱 기판으로 제조하고 하부기판인 어레이 기판은 통상적인 유리 기판을 이용하여 액정표시장치를 제조하고 있는 실정이다. 이러한 문제를 해결하고자 최근에는 유기 반도체 물질 등을 이용하여 200℃ 이하의 저온 공정을 진행하여 박막트랜지스터를 형성하는 것을 특징으로 하는 어레이 기판을 제조 하는 기술이 제안되었다. 이러한 저온 공정에 의한 어레이 기판의 제조는 값비싼 진공 증착 장비를 이용하여 제조하는 것보다 코팅 장치를 이용하게 됨으로 초기 설비 비용이 매우 저렴하여 결과적으로 제조 비용의 절감을 달성할 수 있는 바, 플라스틱 기판을 이용한 제조에만 한정되는 것이 아니라 유기 기판을 이용하여 제작할 수 있음은 당연하다. 이후에는 200℃이하의 저온 공정을 진행되는 유기 반도체 물질을 이용한 어레이 기판의 제조 방법에 대해 설명한다. 200℃ 이하의 저온 공정으로 박막트랜지스터를 포함하는 화소를 형성함에 있어서, 전극과 배선을 이루는 금속물질과 절연막과 보호층등의 형성은 저온 증착 또는 코팅의 방법 등을 통해 형성하여도 박막트랜지스터의 특성에 별 영향을 주지 않지만, 채널을 이루는 반도체층을 일반적으로 이용되는 반도체 물질인 비정질 실리콘을 사용하여 저온 공정에서 증착 형성하게 되면, 상기 반도체층 내부 구조가 치밀하지 못하여 전도도 등의 중요 특성이 저하되는 문제가 발생한다. 따라서, 이를 극복하고자 비정질 실리콘 등의 종래의 반도체 물질 대신 반도체 특성을 갖는 유기 물질을 이용하여 유기 반도체층을 형성하는 것이 제안되고 있다. 이러한 유기 반도체 물질은 크게 분말 타입의 유기 반도체 물질(대부분이 저분자 유기 반도체 물질)과 액상 타입의 유기 반도체 물질(대부분 고분자 유기 반도체 물질)로 나뉘어지며, 통상적으로 분말 타입은 저분자형 유기 반도체 물질이며 이러한 분말 형태를 갖는 유기 반도체 물질은 상온에서 이베퍼레이션을 통해 기판 상에 유기 반도체층을 형성하고, 액상 타입은 통상적으로 고분자 유기 반도체 물질이며 상온에서 코팅을 통해 기판 상에 유기 반도체층을 형성하고 있다. 통상적으로 분말 타입의 저분자 유기 반도체 물질의 반도체 특성이 액상 타입의 고분자 유기 반도체 물질 대비 우수하므로 저분자 유기 반도체 물질을 유기 반도체층으로 하여 형성한 박막트랜지스터를 구비한 액정표시장치가 주를 이루고 있으며, 최근에는 저분자 유기 반도체물질 또한 고분자 유기 반도체 물질과 같이 코팅 등의 방법에 의해 기판 상에 형성될 수 있도록 액상 타입의 저분자 유기 반도체물질이 개발되었으며 이를 이용한 액정표시장치가 제안되고 있다. 하지만, 저온 공정에서 진행하는 것을 특징으로 하는 유기 반도체 물질을 이용한 유기 박막트랜지스터를 포함하는 액정표시장치용 어레이 기판의 경우, 상기 유기 박막트랜지스터의 특성이 고온의 분위기에서 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘을 이용하여 완성한 박막트랜지스터 대비 떨어지게 되므로 이를 극복하기 위해 채널비 즉 반도체층 내부에 형성되는 채널의 길이에 대한 너비의 값을 증가시키고, 동시에 내화학성이 약한 유기 반도체 물질 특히 저분자 유기 반도체 물질로 이루어진 유기 반도체층의 화학적 손상을 방지하기 위해 반도체층의 면적을 크게 형성하고 있는 실정이다. 도 2는 유기 반도체 물질 특히 액상 타입의 저분자 유기 반도체 물질을 이용하여 제조한 유기 박막트랜지스터를 포함하는 종래의 액정표시장치용 어레이 기판의 하나의 화소영역을 도시한 평면도이다. 도시한 바와 같이, 데이터 배선(52)과 게이트 배선(77)이 서로 교차하여 화소영역(P)을 정의하며 형성되어 있으며, 상기 두 배선(55, 77)의 교차지점 부근에는 상기 두 배선(55, 77)과 각각 연결되며 스위칭 소자로써 소스 및 드레인 전극(57, 59)과 유기 반도체층(미도시)과 게이트 절연막(미도시)과 게이트 전극(73)으로 이루어진 유기 박막트랜지스터(Tr)가 형성되어 있으며, 상기 유기 박막트랜지스터(Tr)와 연결되며 상기 화소영역(P) 내에는 화소전극(63)이 형성되어 있다. 이때, 상기 화소전극의 일부분(66)은 상기 게이트 배선 일부(80)과 중첩하며 형성됨으로써 스토리지 커패시터(StgC)를 형성하고 있으며, 상기 스토리지 커패시터(StgC)의 용량을 확보하기 위해 제 1 스토리지 전극(66)을 이루는 상기 화소전극 일부(66)와 중첩되어 제 2 스토리지 전극(80)을 이루는 게이트 배선 일부분(80)의 면적을 크게 형성하고 있다. 따라서 상기 게이트 배선(77)의 폭이 매우 두껍게 형성되고 있음을 알 수 있다. 하지만, 이러한 구조를 갖는 종래의 유기 박막트랜지스터(Tr)를 포함하는 액정표시장치용 어레이 기판의 경우, 화소영역(P)의 대부분을 스토리지 커패시터(StgC)와 스위칭 소자인 박막트랜지스터(Tr)가 차지하게 됨으로써 상기 화소영역(P) 내에서 빛이 통과하는 개구 영역(OA)이 매우 작게 됨을 알 수 있다. 따라서, 개구율이 매우 작아지게 되어 휘도 특성이 저하되는 문제가 있다.