액정표시장치용 어레이 기판 및 그 제조 방법 document_id A220623019030

본 발명은 액정표시장치용 어레이 기판에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 유기 반도체 물질을 반도체층으로 하는 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 화상 구현원리는 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 1을 참조하여 설명하면, 도시한 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 투명한 기판(12)의 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 박막트랜지스터(T)가 구비되어 각 화소영역(P)에 마련된 화소전극(18)과 일대일 대응 접속되어 있다. 또한, 상기 어레이 기판(10)과 마주보는 상부의 컬러필터 기판(20)은 제 2 투명기판(22)의 배면으로 상기 게이트 배선(14)과 데이터 배선(16) 그리고 박막트랜지스터(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 구비되어 있다. 그리고, 도면상에 도시되지는 않았지만, 이들 두 기판(10, 20)은 그 사이로 개재된 액정층(30)의 누설을 방지하기 위하여 가장자리 따라 실란트(sealant)로써 씰패턴이 형성됨으로써 봉함(封函)된 상태를 이루고 있으며, 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 구비되어 있다. 또한, 상기 어레이 기판(10)의 외측면으로는 백라이트(back-light)가 구비되어 빛을 공급하는 바, 게이트 배선(14)으로 박막트랜지스터(T)의 온(on)/오프(off) 신호가 순차적으로 스캔 인가되어 선택된 화소영역(P)의 화소전극(18)에 데이터 배선(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 액정표시장치(1)에 있어 상기 어레이 기판(10)과 컬러필터 기판(20)의 모체가 되는 제 1 및 제 2 투명기판(12, 22)은 전통적으로 유리 기판이 사용되었지만, 최근 들어 노트북이나 PDA와 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 공정이 많아 내열성 및 내화학성이 유리 기판보다 떨어지는 플라스틱 기판으로 상기 어레이 기판을 제조하는 데에는 어려움이 있어, 상부의 컬러필터 기판만을 플라스틱 기판으로 제조하고 하부의 어레이 기판은 통상적인 유리 기판을 이용하여 액정표시장치를 제조하고 있는 실정이다. 특히, 반도체층의 형성에 있어 일반적으로 반도체층으로 이용되는 비정질실리콘(a-Si)이나 폴리실리콘(Poly-Si)을 이용하여 200℃이하의 저온 공정에 의해 형성하게 될 경우 그 반도체적 특성이 저하되고, 자체 결함이 많아 스위칭 소자로서의 역할을 제대로 실행하지 못하는 문제가 있다. 따라서, 이러한 문제를 해결하고자 최근에는 유기 반도체 물질을 반도체층으로 형성함으로써 200℃ 이하의 저온 공정을 진행하여 플라스틱 재질의 기판을 이용하여 플랙서블(flexible)한 특성을 갖는 박막트랜지스터 어레이 기판을 제조 하는 기술이 제안되었다. 이후에는 유기 반도체 물질을 이용하여 200℃이하의 저온 공정을 진행되는 유기 반도체층을 갖는 액정표시장치용 어레이 기판의 제조 방법에 대해 설명한다. 200℃ 이하의 저온 공정으로 박막 트랜지스터를 포함하는 어레이 기판을 형성함에 있어서, 전극과 배선을 이루는 금속물질과 절연막과 보호층 등의 형성은 저온 증착 또는 코팅의 방법 등을 통해 형성하여도 박막 트랜지스터의 특성에 별 영향을 주지 않지만, 채널을 형성하는 반도체층을 일반적인 반도체 물질인 비정질실리콘을 사용하여 저온 공정에 의해 형성하게 되면, 내구 구조가 치밀하지 못하여 전기 전도도 등의 중요 특성이 저하되는 문제가 발생한다. 따라서, 이를 극복하고자 실리콘 등의 종래의 비정질 실리콘 등의 반도체물질 대신 반도체 특성을 가진 유기 물질을 이용하여 반도체층을 형성하고 있다. 이하, 도면을 참조하여 일례로서 종래의 유기 반도체 물질을 이용한 유기 반도체층을 갖는 액정표시장치용 어레이 기판의 제조 방법에 대해 설명한다. 도 2는 종래의 유기 반도체 물질을 이용한 유기 반도체층을 갖는 액정표시장치용 어레이 기판을 제조하는 과정 중, 유기 반도체 물질을 이용하여 유기 반도체층 및 게이트 절연막을 형성한 단계까지를 도시한 단면도이다. 우선, 플라스틱 또는 유리 재질의 투명한 절연기판(51) 상에 일함수 값이 매우 높은 금(Au)을 증착하고 패터닝하여 서로 이격하는 소스 및 드레인 전극(55, 57)과 상기 소스 전극(57)과 연결되며 일방향으로 연장하는 데이터 배선(미도시)을 형성한다. 다음, 상기 금(Au)으로 이루어진 소스 및 드레인 전극(55, 57)과 데이터 배선(미도시) 위로 투명 도전성 물질을 증착하고 패터닝하여 상기 드레인 전극(57)과 접촉하는 화소전극(60)을 형성하고, 연속하여 쉐도우 마스크를 이용하여 유기 반도체 물질을 증착하거나 또는 액상의 유기 반도체 물질을 도포함으로써 상기 소스 및 드레인 전극(55, 57)과 동시에 접촉하며 이들 두 전극(55, 57)의 이격영역에 유기 반도체층(63)을 형성하고 그 위로 게이트 절연막(67)을 형성한다. 이때, 상기 소스 및 드레인 전극(55, 57)과 데이터 배선(미도시)을 금(Au)으로서 형성하는 것은, 금(Au)은 일반적인 여러 금속물질 중 일함수 값이 가장 높은 금속물질 중 하나이며, 전기 저항이 작기 때문이다. 조금 더 상세히 설명하면, 일반적으로 어레이 기판의 배선 형성에 이용되는 금속물질 예를들면, 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등은 그 일함수 값이 각각 4.26eV, 4.28eV, 4.5eV 정도의 값을 갖는 반면 금(Au)은 5.1eV의 일함수 값을 갖고 있다. 200℃이하의 저온 공정으로 진행되는 어레이 기판의 제조에 있어서, 반도체층을 형성하는 유기 반도체 물질로서는 펜타신(pentacene) 또는 폴리사이오펜(polythiophene)이 이용되고 있으며, 이러한 펜타신(pentacene) 또는 폴리사이오펜(polythiophene)과 접촉하는 소스 및 드레인 전극을 이루는 금속물질과의 계면에는 에너지 장벽(energy barrier)이 존재하게 되는데, 이러한 에너지 장벽은 상기 소스 및 드레인 전극을 이루는 금속물질이 일함수 값이 높으면 높을수록 상기 에너지 장벽의 크기가 줄어들게 됨을 실험적으로 알 수 있었다. 따라서, 금속물질 중 일함수 값이 가장 높은 금속 중 하나인 금(Au)으로서 상기 소스 및 드레인 전극을 형성함으로써 반도체층과 소스 및 드레인 전극과의 계면에서의 에너지 장벽을 낮추어 박막트랜지스터의 특성을 향상시키고 있는 것이다. 하지만, 이렇게 일함수 값이 높아 반도체층과의 계면에서 에너지 장벽의 크기를 최대한 낮추는 것이 가능한 상기 금(Au)은, 기판 상에 증착 시 확산이 쉽게 일어나 선폭을 맞추기 어려운 실정이며, 또한, 금(Au)의 기판에의 증착은 공정 챔버내에서 진행되고 있는데, 증착 공정 진행시는 상기 기판 이외에 상기 공정 챔버내의 내벽에도 증착되고 있으며, 공정 진행시 상기 공정 챔버의 내벽에 증착되었던 금(Au)이 떨어져 이물로 작용함으로써 이물 불량을 발생시키고 있는 실정이다. 또한, 금(Au)은 귀금속에 속하므로 비용적인 측면에 있어서도 다른 금속물질을 이용하는 것 보다 제조 비용이 상승됨으로써 생산성을 저하시키는 문제가 있다.