컬러 필터(color filter)는 액정을 통과하여 상부 기판 쪽으로 올라오는 흰색의 빛에서 부화소 단위로 빛의 3원색, 빨강(R)과 초록(G), 그리고 파랑(B)을 추출하여 컬러를 구현할 수 있도록 하는 얇은 층입니다. 빛이 셀로판지를 통과하면서 색이 변하는 현상과 같은 원리입니다. 그리고, 컬러 필터 기판은 컬러 필터가 형성되어 있는 상부 기판입니다.
컬러 필터 기판 위에는 RGB 컬러들간의 색을 구분해주기 위한 블랙 매트릭스(Black Matrix, BM)가 있으며, 이를 사이에 두고 컬러 필터 역할을 하는 RGB 패턴이 배열됩니다. 즉, 블랙 매트릭스는 RGB 부화소들을 각각 격리시킴으로써, 경계면에서 불필요한 간섭(crosstalk)이 일어나는 것을 방지하고, 내부로부터의 빛이 새는 것을 막아 명암비를 증가시키며, 또한 외부로부터 TFT로 빛이 입사되는 것을 막아주는 역할도 합니다. 주로 스퍼터링 공정을 이용한 다공성 크롬으로 만들어지며, 이 외에도 카본 블랙이나 다른 금속 산화물을 사용하기도 하죠. 부화소들의 배열은 델타(delta) 배열, 모자이크(mosaic) 배열, 그리고 스트라이프(stripe) 배열 등으로 구분되며, 각각 어래이 설계, 컬러 필터 제작, 구동 회로 등의 측면에서의 난이도와 색 혼합 성능에서의 장단점들이 있습니다.
그리고, 컬러 필터는 먼저 원하는 파장 대역의 빛을 정확히 통과시켜서 색 순도를 높여야 하며, 투과율이 높아 소비 전력 절감에 기여하여야 합니다. 색 재현성은 NTSC 규격을 충분히 만족시켜야 하며, 이 외에도 외부의 빛에 의해 변색이나 퇴색이 일어나지 않아야 하고, 화학적으로 안정하며 액정에 영향을 주지 않아야 합니다. 이울러, 컬러 필터를 형성한 후에 진행되는 공정인 투명 전극 공정에 친화성이 있어야 하며, 가격과 생산성도 고려되어야 하죠.
컬러 필터 재료에 따라 안료(pigment)형과 염료(dye)형이 있는데, 현재 많이 사용되는 제조 방법은 ‘안료 분산법’, 공정 중심으로는 사진 식각 공정(photolithography)입니다. 즉, 감광성 컬러 레지스트를 도포하고 포토 마스크를 이용하여 노광 후 현상 과정으로 이어지는 공정으로, RGB 각각의 컬러 레지스트에 대해 동일 과정을 반복합니다. 컬러 레지스트를 도포하는 방식으로는 액상을 뿌린 후 판을 회전시키는 스핀 코팅, 프린터처럼 노즐을 이용해 전체 면에 고르게 도포하는 슬릿(slit) 코팅, 그리고 스프레이 코팅 등이 있습니다. 전착(electrodeposition) 공정의 경우, 고분자 수지와 착색 안료 등을 전해질 용매에 분산 혹은 용해시키고 전류를 흘려 양극에 해당하는 투명 전극의 표면에 석출, 건조시키는 방식입니다. 인쇄 공정의 경우, RGB 잉크를 유리 기판 위에 인쇄하는데, 그라비아 인쇄, 스크린 인쇄, 오프 셋 인쇄, 잉크 젯 인쇄 등을 사용합니다. 제조 공정이 간단하여 생산성이 높으며 소재 선택이 비교적 자유로운 이점들이 있으나, 기포에 의한 버블이나 핀 홀, 잉크의 번짐, 변색, 패턴 정밀도의 한계 등이 문제입니다.
컬러 필터 위에는 OC(Over Coat) 막이 있는데, 이는 액정과의 상호 화학적 오염을 방지하고, 후속 스퍼터링 공정 등으로부터 컬러 필터를 보호하는 역할을 하며, 이에 더하여 표면을 평탄화(planarization)하는 작용도 합니다. 주로 투명 아크릴 레진, 폴리이미드 레진 혹은 폴리우레탄 레진 등의 소재가 이용됩니다. OC 막 위에는 투명 전극인 ITO 박막이 코팅되어 있으며, TFT 기판과 합착할 경우에 두 기판간의 간격을 일정하게 유지해주는 CS(Column Spacer)가 설치되어 있습니다. LCD 셀, 혹은 패널은 상판인 컬러 필터 기판과 하판인 TFT 기판이 접착제(sealant)에 의해 서로 합착이 된 구조입니다. 물론 두 기판 사이에는 액정이 채워져 있죠. 다음으로 LCD 패널에 BLU와 구동회로부가 연결된 구조, 즉, LCD 모듈로 넘어갑니다.
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# 더! 생각해보기
a. 컬러 필터, RGB의 배열에 대해, 위치, 부화소별 크기의 다름, 백색을 넣은 경우 등, 더 다양하게 알아보자
b. 안료(pigment)와 염료(die)는 어떻게 구별될까
c. 안료와 염료를 사용하지 않고 컬러 필터를 구현할 수 있는 방법들이 있다. 그 원리는 어떻게 설명될까
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