컬러 능동 매트릭스 디스플레이 document_id A220623068429

능동 매트릭스 디스플레이의 가장 일반적인 형태는 능동 매트릭스 액정 디스플레이(AMLCD)이다. AMLCD 디바이스는 0.7mm 두께의 큰 유리 기판 위에 보통 제조된다. 한 셀에 대해 두 개의 판이 필요하므로, 완성된 디스플레이는 두께 1.4mm를 겨우 넘는다. 이동 전화 제조업체 및 일부 랩톱 컴퓨터 제조업체는 더 얇고 더 가벼운 디스플레이를 요구하여, 완성된 셀은 HF(불화수소산) 용매에서 통상적으로 대략 0.8mm 두께로 얇아질 수 있다. 이동 전화 제조업체는 이상적으로는 훨씬 더 얇은 디스플레이를 원하지만, 이러한 방식으로 만들어진 0.8mm 두께 미만의 셀은 매우 깨지기 쉽다는(fragile) 점이 발견되었다. HF 씨닝(thinning)이 매력적이지는 않은데, 왜냐하면, 안전하고 경제적으로 처리하기 어려운 위험한 화학물질을 사용하는 것은 소모적인 프로세스이기 때문이다. 또한 유리의 피팅(pitting)으로 인해 에칭 공정 동안 얼마간의 수율 손실이 있다. 일 대안으로서 가볍고, 튼튼하며, 얇은 플라스틱 AMLCD의 매력이 오랫동안 인지되어 왔다. 최근, 플라스틱 디스플레이에의 관심이 훨씬 더 증가했는데, 이는 이동 전화 및 PDA에서 컬러 AMLCD의 증가한 사용에 일부 기인한다. 플라스틱 기판 상 AMLCD 및 유기 발광 다이오드(OLED)에 대해 최근 많은 연구가 있었다. 이러한 관심에도 불구하고, 플라스틱 디스플레이의 양산을 위해 실현 가능한 제조 루트가 여전히 필요하다. 플라스틱 기판 상에서 박막 트랜지스터(TFTs) 또는 디스플레이의 제조를 위해, 세 가지 주요 다른 방법이 보고되었다. 이 방법들은 독립적인(freestanding) 플라스틱 기판상에 디바이스를 직접 형성하는 법, 전달 공정 및 희생 에칭(sacrificial etching)이다. 이들 기술의 몇 가지 예 및 이와 관련한 어려움이 아래에서 논의된다. (i) 독립적인 플라스틱 기판상에 디바이스를 직접 형성하는 법 이 방법은 플라스틱에 AMLCD의 제조에 대한 첫번째 접근이었으며, 통상적으로는 저온 폴리크리스탈 실리콘low temperature polycrystalline silicon(LTPS) TFT 또는 비정질 실리콘amorphous silicon(a-Si) TFT가 사용되었다. 이러한 접근법에는 많은 문제점이 있어서, 아직도 제조 단계에 도달하지 못했다. 플라스틱 기판은 가열되면 수축하기 때문에 TFT 제조 및 셀을 만들기 위한 공정 온도가 제한되어야 하는데, 이러한 점은 광리소그래피(photolithography) 정렬과 판 결합(coupling)을 어렵게 한다. 오랜 시간동안 기판을 선가열(preheating)하는 것은 공정 동안 수축량을 감소하지만, 이를 완전히 제거하지는 않는다. 감소한 공정 온도는 TFT에 문제점( 전기적으로 덜 안정적인 a-Si TFT, LTPS TFT에 대해 저품질의 게이트 유전체 SiO2)을 야기한다. 독립적인 플라스틱 기판 상에 디스플레이를 제조하기 위해 다른 파티(parties)에 의해 몇 가지 상이한 시도가 이루어졌지만, 자동화된 팩토리(factories) 내에서 기판 처리의 문제점은 역시 해결되지 않았다. 처리를 위해 유리 기판의 기계적인 강도에 의존하여 카세트로 운반하고 스핀에 광저항을 갖는(photoresist), 표준 AMLCD 팩토리를 사용하는 것은 불가능하다. 완전히 새로운 기계 세트가 모든 단계마다 개발될 필요가 있다. 또한, 많은 다른 기계 제조업체로부터의 조정된 접근법이 필요하며, 만약 임의의 한 타입의 장비 제조 업체가 포함되지 않았다거나, 이들이 성공적으로 모듈을 개발하지 않았다면, 다른 기계상에서의 모든 동작이 허비될 것이다. 몇몇 그룹은 역할별(roll-to-roll) 제조를 제안하였으나, 이것은 진공 장비 에서의 사용 및 정렬층(aligning layer)에 대해 여전히 심각한 문제점을 가진다. 새로운 프린팅 기술이 개발될 필요가 있으며, 이것이 고수율 공정 및 세부 정렬(fine alignment)에 대해 정말 이루어질 수 있는지의 여부는 확실치 않다. 대부분의 독립적인 플라스틱 막은 나쁜 표면 품질을 가지고 있는데, 구체적으로는 이 막들이 매끈하지 않은 경향이 있으며, 표면상에 다수의 균열(crack)을 가진다. 유리 기판은 기계적으로 단단하여, 부드러운 접촉에 의해서는 긁히지 않고, 카세트로 운반될 수 있다. 이들 카세트에 있어서, 단지 유리의 모서리만이 카세트에 접촉하므로, 상기 유리의 대부분의 면적은 절대 접촉되지 않는다. 반면, 플라스틱 기판은 부드러우며, 카세트로 운반될만큼 충분히 단단하지 않다. 이것은 이 플라스틱 기판들이 다른 층과 닿도록 평평하게 패킹되거나, 또는 롤로 감겨야 함을 의미하는데, 어느 경우에서든, 기계적인 압력이 있으면 윗면과 아래면 둘 다 다른 층과 닿을 것이다. 이들 공정은 플라스틱의 부드러운 표면을 손상시키는 경향이 있다. 표준 AMLCD 제조에 있어서, 가능한 거의 완벽한 유리 표면을 가지기 위해 엄청난 주의가 주어지므로, 긁혀서 거친 플라스틱 표면은 고수율 양산을 위해 실제적인 옵션이 아닐 가능성이 크다. 표면은 평탄해져서 추가적인 보호 코팅이 주어지지만, 이는 공정 단계를 추가시켜 비용을 부가한다. (ⅱ) 전달 공정에 의한 플라스틱 디스플레이 이러한 공정의 알려진 예는 세이코 엡손사(Seiko Epson Coporation)에 의해 개발된 소위 SUFTLA 공정이다. 이것은 이중 전달(double transfer) 공정이다. 우선, 저온 폴리크리스탈 실리콘(Low Temperature Polycrystalline Silicon(LTPS) TFT 어레이는 유리 상에 비정질 실리콘 및 실리콘 디옥사이드 층에서 만들어진다. 이 때 상기 TFT 어레이의 윗부분(top)은 수용성 글루(glue)를 사용하여 플라스틱 기판에 부착되며, TFT층은 상기 유리를 통해 아래 a-Si층을 조사(irradiate)하기 위해 XeCl 레이저를 사용함으로써, 아래 기판으로부터 분리된다. 상기 레이저 빔은 수소 외확산(exodiffusion)을 야기하고, 이러한 방출된 수소는 원래 유리 기판으로부터 TFT 어레이를 들어올린다. 실제적인 이유로 인해, 상기 TFT 어레이는 표준인 기하학적 형상(geometry)을 가지며, LTPS TFT 어레이의 상부가 AMLCD의 LC 물질 쪽으로 향한다. 제 2 플라스틱 막은 영구접착제를 사용하여 TFT 어레이의 바닥에 적층된다(laminated). 이때 상기 어레이는 수용성 접착제를 용해함으로써 제 1 플라스틱막으로부터 분리된다. 이것은 두 개의 전달 공정의 사용으로 인해 비싼 공정이며, 또한 수율 문제점을 가질 것으로 예상된다. 또한 TFT층을 플라스틱 층으로 씌움으로써 양호한 평판 디스플레이를 얻는데 있어서 문제점을 가질 수 있다. TFT 어레이가 최종 플라스틱 기판으로 전달된 이후 셀 제조가 이슈가 되었다. 이것은 두 개의 얇고 유연한 플라스틱지(plastic sheet)가 정확하게 함께 정렬되어 셀 결합과 셀 채움(filling)이 후속될 것을 요한다. 기판 처리 및 정렬에서의 어려움으로 인해 양산시 문제점이 발생한다. 제안되었던 또 하나의 전달 공정은 유리 기판에서 SiO2층 상에 LTPS 어레이를 형성하는 단계를 포함한다. 다시, 제 2 기판이 수용성 글루를 사용하여 TFT 어레이에 부착되지만, 이번에는 유리 기판이 HF에서 에칭되어 없어진다. 이후 상기 어레이는 영구 플라스틱 기판으로 전달되고, 임시 기판은 수용성 글루를 용해함으로써 제거된다. 이것은 레이저 전달 공정을 사용하는 것 대신 유리 기판을 에칭시킴으로써 TFT 어레이가 임시 기판으로 전달된다는 점에 있어서, 위에서 기술된 전달 공정과는 상이하다. 이 공정은 더 나은 수율을 가질 수는 있지만, 전체 유리 기판의 완전한 에칭으로 인해 비싸며 환경적으로 낭비이다. 이들 전달 기술의 한 가지 주요한 이점은 TFT가 최종 플라스틱 기판상에서 만들어지지 않으므로 고온의 공정이 사용될 수 있다는 점이다. 또한, 기판 수축에 대한 문제점도 없는데, 이 기판 수축은, 위에서 설명된 바와 같이, 독립적인 플라스틱 기판 상에서의 TFT 제조의 주요 문제점들 중 하나이다. (ⅲ) 희생 에칭에 의한 플라스틱 디스플레이 또다른 제안은 단단한 기판 위에 a-Si 층을 사용하는 것으로, 그 위에 플라스틱층의 스핀이 후속된다. 폴리실리콘 TFT는 플라스틱층의 상부에 만들어지고, 에칭 홀(etch holes)은 상기 플라스틱 층과 상기 어레이를 통과해서 만들어진다. 이 때 상기 기판은, 에칭 홀을 통과해서 상기 a-Si 희생층을 용해시키는 에칭 액체에 잠겨서, 상기 플라스틱층과 TFT가 분리되어 나가도록(float off) 한다. 이 공정은 상기 어레이에 흩뿌려진(pepper) 에칭 홀로 인해, 디스플레이를 만드는데 적합하지 않다. 본 출원인은 대안적인 접근법을 제안했는데(단, 아직 발행되지 않음), 이 접근법에 있어서, 기판 배열이 단단한 캐리어 기판과 그 위에 있는 플라스틱 기판을 포함하여 제조된다. 상기 단단한 캐리어 기판은 상기 플라스틱 기판 위에 픽셀 회로와 디스플레이 셀을 형성한 후 플라스틱 기판으로부터 분리된다(released). 이것은 실질적으로 종래의 기판 처리, 공정, 및 셀 제조에 사용되는 것을 가능하게 한다. 레이저 리프트-오프(lift-off) 공정을 포함하는 분리 공정은 상기 플라스틱 기판으로부터 단단한 캐리어 기판을 분리하기 위해 제안되었다. 본 발명은 구체적으로는 컬러 필터를 액정 디스플레이의 능동 판에 통합하는 방법에 관한 것이며, 이러한 통합을 위해 제안된 플라스틱 기판 기술의 사용 방법을 포함한다. 컬러 필터의, AMLCD의 능동판으로의 통합은 관심을 끌만한 진전으로써 인지되었는데, 왜냐하면, 상기 판에서의 정렬이 표준 컬러필터에 비해 훨씬 더 양호하기 때문에 광학 어퍼쳐(aperture)를 증가시킬 수 있기 때문이다. AMLCD 제조시 사용된 패턴 정렬의 두 가지 상이한 형태가 존재한다. 제 1 정렬은 광리소그래픽 정렬인데, 이 정렬은 기판 상에서 상이한 금속, 유전체 및 반도체 층의 패턴을 형성하기 위해 사용된다. 이 기술은 매우 정확하며, AMLCD 제조를 위해 현재 2x2 m 크기에 가까워진 기판 상에서 대략 2㎛의 정렬 정확도를 가지는 것으로 보통 인용된다. 실제, 상기 정렬 정확도는 보통 1㎛보다 더 양호하다. 제 2 종류의 정렬은 판-대-판 결합이다. 이것은 LC 셀의 양면을 함께 정렬한다. AMLCD에 대해, 통상적으로 한쪽 판에 능동 매트릭스 어레이가 존재하고, 다른 쪽 판에 컬러 필터, 블랙 마스크 및 ITO가 존재한다. 도 1은 전형적인 능동 매트릭스 액정 디스플레이의 픽셀의 중앙을 통과하는 단면을 도시한다. 상기 디스플레이는 능동 판(1)과 수동 판(2)을 포함한다. 상기 능동 판(1)은 유리 기판(3)위에 형성되고, 통상적으로 0.7mm 두께이고, 박막 픽셀 회로를 운반하며, SiN 패시베이션 층(5) 위에 놓이는 최상위 표면 상에 ITO 픽셀 전극(4)을 가진다. 단지 이들 층의 일부만이 도 1에 도시되며, SiN 게이트 절연체 층(6)과 컬럼 전도체(column conductors) 층(7)을 포함한다. 상기 수동 판(2)은 컬러 필터 (8a,8b)와 블랙 마스크 층(9)을 운반하는데, 이 블랙 마스크 층은 픽셀 전극이 존재하지 않는 픽셀 부분을 감싼다. 도시된 바와 같이, 상기 픽셀 전극 위에 블랙 마스크 층(9)의 오버랩(L2)이 요구되고, 또한 상기 컬럼 전도체(7)와 상기 픽셀 전극(4) 사이에 간격(L1)이 존재한다. 상기 간격(L1)은 용량성 교차-결합(cross-coupling)을 방지하기 위해 약 1㎛보다 더 커야한다. L1은 최대 광리소그래픽 정렬 에러를 고려하고, L2는 최대 판 오정렬을 고려한다. 소위 "고 어퍼쳐(high aperture)" 설계에서, 픽셀 전극(4)은 컬럼 전극(7)과 오버랩될 수 있으므로, 블랙 마스크 사이즈는 크기 L2에 의해서만 지시된다. 그러나, (L2에 포함된) 판 대 판 정렬 오차한계(tolerance)는 상기 광리소그래픽 정렬보다 훨씬 크다. 예를 들어, 접촉 동안 및 밀봉 라인(seal line)이 경화되는 동안 일부 움직임이 있을 수 있으므로, 판 대 판 결합 정확도는 10㎛에 가깝다. 고품질 디스플레이를 위해, 광이 픽셀 ITO를 단지 통과만 할 수 있다는 점이 중요한데, 이 픽셀 ITO에서 광은 원하는 광 투과 레벨을 주도록 변조된다. 픽셀 주위를 통과하여 뷰어에게 도달할 수 있는 임의의 광은 콘트라스트 비(contrast ratio)를 더 낮출 것인데, 이는 블랙 상태가 가능한 최대의 블랙이 아님을 의미한다. 이것은 디스플레이 성능을 저하시킨다. 블랙 마스크 층은 디스플레이의 광학 어퍼쳐를 감소시킨다. 광학 어퍼쳐를 최대화하는 것은 디스플레이의 밝기(brightness)를 최대화하고, 전력 소비를 감소하는데 중요하며, 이러한 판 대 판 결합 정확도는 이들 파라미터를 제한하는 효과적인 인자가 될 수 있다. 상기 광학 어퍼쳐를 개선시키는 한 방법은 컬러 필터를 능동 판으로 옮기는 것으로 인지되어 왔다. 이것은 유리 기판을 위한 두 가지 방법 중 하나에서 이루어질 수 있다. 두 방법 다 연구에서 보여졌지만(demonstrated), 양산에 이용되지는 않는다. 제 1 방법은 컬러 필터를 TFT 어레이 밑에 두는 것이다. 이 방법은 15" XGA 모니터의 광학 어퍼쳐를 약 60%에서 80%까지 증가시킬 수 있는 것으로 보고되었다. 컬러 필터는, 1 내지 2 ㎛ 두께이며 매우 평평하지 않은(uneven) 프로파일을 제공하는, 염색된 폴리머(dyed polymer)로 보통 이루어진다. 이들 평평하지 않은 표면상에서 TFT를 처리하는 데 있어 실제 매우 큰 어려움이 존재하지만, 이러한 공정에 대한 주요 문제점은 공정 온도이다. 컬러 필터는 약 150°C 이상에서 가열되지 않아야 하며, 그렇지 않으면 이 필터들은 저하되기 시작하여 컬러 포화를 상실한다. 상기 TFT는 보통 300°C 이상에서 증착된다. 이 온도는 200°C에 가깝게 낮아질 수 있지만, 만약 200°C보다 낮아지면, TFT는 수용가능한 디스플레이 수명 동안 전기적으로 너무 불안정해진다. 나쁜 컬러 포화나 불안정한 TFT를 가지는 것은 수용될 수 없다. 제 2 기술은 TFT 어레이 위에 컬러 필터를 가지는 것이다. 이를 수행하기 위한 가장 간단한 방법은 표준 TFT 어레이의 가장 위에(top) 컬러 필터를 단순히 놓는 것이다. 이것은 실용적이지 않은데 왜냐하면 상기 픽셀 전극 위에 두꺼운 폴리머 층을 놓는 것은 구동 전압을 상당히 증가시키고 폴리머 내 전하의 움직임으로 인한 잔상(image retention)을 유도하기 때문이다. TFT 어레이를 만들고, 컬러 필터를 증착시킨 후 상기 컬러 필터 위에 상기 컬러 필터층을 통해 전기적 연결을 가지는 ITO를 두는 것이 가능하다. 이것은 모든 컬러 필터층에 잘 감긴(tapered) 경사도, 증착을 위해 제한된 온도를 가지는 고품질 ITO 및 울퉁불퉁한 폴리머 층의 위에서 정확하고 신뢰성 있는 ITO 패터닝을 요구하는 것을 제어하기에 어려운 공정이다. 이 공정은 나타나지 않고 제조 단계로 만들어진다. 컬러 필터를 능동 판으로 통합시키는 것의 제 2 주요 이점은 이때 수동 판이 능동 판으로 정확하게 정렬될 필요가 없다는 점이다. 이것은 셀 제조 공정을 훨씬더 간단하게 하고, 그러한 고가의 판 결합 장비가 필요하지 않게 된다. 컬러 필터를 LCD의 능동 판으로 통합시키는 것의 인지된 이점에도 불구하고, 그러한 디스플레이 아키텍쳐에 저비용이며 신뢰성 있는 구현을 제공하는 어떠한 해법도 발견되지 않았다.