KR20080072197A - 휘도 특성이 개선된 편광 도광판 및 이의 제작 방법 - Google Patents

휘도 특성이 개선된 편광 도광판 및 이의 제작 방법 Download PDF

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KR20080072197A
KR20080072197A KR1020070010613A KR20070010613A KR20080072197A KR 20080072197 A KR20080072197 A KR 20080072197A KR 1020070010613 A KR1020070010613 A KR 1020070010613A KR 20070010613 A KR20070010613 A KR 20070010613A KR 20080072197 A KR20080072197 A KR 20080072197A
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김영찬
남승호
황성모
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삼성전자주식회사
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Abstract

편광 도광판 및 이의 제작 방법이 개시된다. 개시된 편광 도광판은 광원; 상기 광원으로부터의 광을 가이드하는 제1층; 상기 제1층 위에 형성된 것으로, 상기 광원으로부터 멀어지는 제1방향을 따라 반복 배열된 제1출사유닛을 구비하는 제2층; 상기 제2층 위에 광학적 이방성 물질로 형성된 것으로, 광이 출사되는 출사면을 가지며, 상기 출사면에는 상기 제1방향과 수직인 제2방향을 따라 반복 배열된 제2출사유닛이 형성된 제3층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

휘도 특성이 개선된 편광 도광판 및 이의 제작 방법{Polarized light guide plate with improved brightness and method of manufacturing the same}
도 1은 종래의 편광된 광을 제공하는 편광 도광판의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 편광 도광판으로부터 출사되는 광의 분포를 보이는 시뮬레이션 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 편광 도광판의 개략적인 구성을 보이는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3을 각각 다른 단면에서 도시한 단면도이다.
도 5a 내지 도 5e는 도 3의 실시예에서 각각 θ=160°, θ=140°, θ=120°, θ=100°, θ=80°인 경우 출사광 분포를 보이는 시뮬레이션 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 종래의 편광 도광판과 본 발명의 실시예에서 θ=114°인 경우의 출사광의 분포를 측정한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 편광 도광판의 개략적인 구성을 보이는 도면이다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 실시예에 의한 편광 도광판 제작 방법을 설명하는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110,210...광원 130,230...제1층
150,250...제2층 153,253...제1출사유닛
170,270...제3층 173,273...제2출사유닛
280...반사부재 190,290...편광전환부재
330...제2플레이트 350...접착물질층
370...제1플레이트
본 발명은 편광된 광을 제공하는 편광 도광판에 관한 것으로, 특히, 출사면에서의 광분포 특성을 개선하여 출사광의 휘도 특성이 개선된 편광 도광판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
평판 디스플레이 장치에는 그 자체가 발광하여 화상을 형성하는 발광형 장치와 외부로부터 빛을 받아 화상을 형성하는 수광형 장치가 있다. 예컨대, 액정표시장치(liquid crystal display;LCD)는 수광형 평판 디스플레이 장치이다. 따라서, 액정표시장치는 별도의 광원, 예컨대, 백라이트 유닛과 같은 조명장치를 필요로 한다.
이러한 조명장치는 광원의 배치 형태에 따라서 직하형(direct light type)과 측광형(edge light type)으로 분류된다. 직하형은 액정 패널의 바로 아래에 설치된 광원이 광을 액정 패널에 직접 조사하는 방식이며, 측광형은 도광판의 측면에 광원이 배치되는 방식이다. 직하형은 광원을 넓은 면적에 자유롭고 효과적으로 배치할 수 있기 때문에 대형 디스플레이에, 측광형은 광원이 도광판의 측면에 배치되어 박형화, 소형화에 유리한 구조이므로 모니터나 휴대폰에 채용되는 중소형 디스플레이에 주로 이용된다.
현재의 액정표시장치는 광원에서 방출되는 총 광량의 약 5% 정도만을 화상을 형성하는 데 이용하고 있다. 이렇게 낮은 광이용효율은 도광판과 도광판의 상부에 배치되는 여러 광학필름들을 거치면서 발생하는 광손실과 특히 액정표시장치 내의 편광판 및 컬러 필터에서의 광흡수에 기인한다. 액정표시장치는 전기장 여하에 따라 달라지는 액정 분자의 배열상태와 이에 입사하는 광의 편광방향에 따라 광이 통과되거나 차단되는 것을 이용하여 화상을 표현하는 장치이다. 즉, 액정표시장치는 일 방향으로 직선 편광된 광만을 사용하게 되며, 이를 위하여 액정표시장치의 양면에 편광판이 구비된다. 이렇게 액정표시장치의 양면에 배치되는 편광판은 일 방향으로 편광된 광은 투과시키고 다른 방향으로 편광된 광은 흡수하는 흡수형 편광판으로서, 입사광의 약 50%를 흡수하기 때문에, 액정표시장치의 낮은 광 이용 효율의 최대 원인이 된다.
이러한 문제를 개선하기 위해, 흡수형 편광판을 대체하거나 혹은 편광판에 입사하는 대부분의 광을 액정표시장치의 배면에 배치된 배면 편광판의 편광방향과 동일한 편광방향만을 갖도록 변환시켜 광 이용 효율을 증가시키려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 예컨대, 도광판의 상면에 DBEF(dual brightness enhancement film) 와 같은 다층 구조의 반사형 편광필름을 부착하여 액정표시장치의 광이용 효율을 증가시킬 수 있다. 그러나, 상기 별도의 반사형 편광필름은 고가일 뿐만 아니라, 구체적인 편광 변환 수단의 부재로 광이용 효율 증가에 한계가 있다. 따라서, 자체적으로 편광 분리 및 변환 기능을 하는 편광 도광판에 대한 집중적인 연구가 요구되고 있다.
도 1은 종래의 편광된 광을 제공하는 편광 도광판의 개략적인 구성을 보이는 것으로, 광원(10)과, 등방성 물질로 형성된 제1층(15), 제1층(15)의 상부에 형성된 제2층(18) 및 이방성 물질로 형성된 제3층(25)을 포함한다.
제2층(18)은 프리즘 어레이(20)를 가지는 접착제층으로 되어 있고, 제3층(25)은 입사광의 편광 방향에 따라 다른 굴절률을 가지는 이방층이다. 제3층(25)은 예를 들어, 제1편광의 광(I1)에 대해서는 상기 제1층(15)과 제2층(18)의 굴절률보다 상대적으로 큰 제1굴절률을 가지고, 제2편광의 광(I2)에 대해서는 제1층(15)과 제2층(18)의 굴절률과 거의 같은 제2굴절률을 가진다. 이로 인해 제2편광의 광(I2)은 각 층의 경계에서 굴절률의 차이를 느끼지 못하고 제1층(15)과 제2층(18)의 경계 및 제2층(18)과 제3층(25)의 경계를 굴절 없이 직진 투과하며 제3층(25)의 상면에서 전반사되므로 출사되지 못한다. 한편, 제1편광의 광(I1)은 제2층(18)과 제3층(25)의 경계인 제1면(20a)에서 굴절되며 이 때 출사각이 입사각보다 작아지므로 제2면(20b)을 향하게 된다. 그리고, 제2면(20b)에서 전반사되어 제3층(25)의 상면을 향하며, 이 때 제3층(25)의 상면에 전반사가 일어나는 임계각보다 작은 각으로 입사되므로 상부로 출사된다.
도 2는 도 1의 편광 도광판에서 출사되는 광의 분포를 보이는 도면이다. 도면을 참조하면, 출사광은 Y 방향, 즉, 제2층(18)의 프리즘 어레이(20)의 길이 방향을 따라 상대적으로 넓은 분포를 가지며, 대략 ±80°에 근접하는 반치폭을 갖는다. 반치폭을 줄이는 경우 휘도는 그만큼 증가하게 되고, 이를 위해서는 추가의 광학 필름이 필요하다.
본 발명은 상술한 필요성에 의해 도출된 것으로 추가적인 광학필름을 구비하지 않으면서 광분포를 변화시켜 개선된 휘도 특성을 갖는 편광 도광판 및 이의 제작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 편광 도광판은 광원; 상기 광원으로부터의 광을 가이드하는 제1층; 상기 제1층 위에 형성된 것으로, 상기 광원으로부터 멀어지는 제1방향을 따라 반복 배열된 제1출사유닛을 구비하는 제2층; 상기 제2층 위에 광학적 이방성 물질로 형성된 것으로, 광이 출사되는 출사면을 가지며, 상기 출사면에는 상기 제1방향과 수직인 제2방향을 따라 반복 배열된 제2출사유닛이 형성된 제3층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 편광 도광판은 광원; 상기 광원으로부터의 광을 가이드하는 제1층; 상기 제1층의 하부에 형성된 것으로, 상기 광원으로부터 멀어지는 제1방향을 따라 반복 배열된 제1출사유닛을 구비하는 제2층; 상기 제2층 의 하부에 광학적 이방성 물질로 형성된 것으로, 광이 출사되는 출사면을 가지며, 상기 출사면에는 상기 제1방향과 수직인 제2방향을 따라 반복 배열된 제2출사유닛이 형성된 제3층; 상기 제3층의 하부에 마련된 반사부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 편광 도광판 제작 방법은 광학적 이방성 재질로 된 제1플레이트를 준비하는 단계; 제1방향을 따라 반복 배열된 제1프리즘패턴을 음각하여 제1스탬퍼를 형성하는 단계; 상기 제1방향과 수직인 제2방향을 따라 반복 배열된 제2프리즘패턴을 음각하여 제2스탬퍼를 형성하는 단계; 상기 제1플레이트의 상면 및 하면을 상기 제1스탬퍼와 제2스탬퍼를 이용하여 핫 엠보싱(hot embossing) 가공하는 단계; 광학적 등방성 재질로 된 제2플레이트 위에 접착물질과 상기 엠보싱 가공된 제1플레이트를 순차 배치하고 적외선을 조사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 편광 도광판 및 이의 제작 방법을 상세히 설명하기로 한다. 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 충분히 설명하기 위해 제공되는 것이다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 편광 도광판의 구성을 개략적으로 보이는 분리 사시도이고 도 4a 및 도 4b는 도 3을 각각 다른 단면에서 도시한 단면도이다. 도면들을 참조하면, 편광 도광판(100)은 광원(110)과 상기 광원(110)으로부터의 광을 가이드하는 제1층(130)과, 제1층(130) 위에 형성된 것으로 제1출사유닛(153)이 반복 배열된 제2층(150)과, 상기 제2층(150) 위에 형성된 것으로 광학적 이방성 물질로 이루어지고 제2출사유닛(173)이 반복 배열된 제3층(170)을 포함한다.
광원(110)으로는, 예를 들면, CCFL (cold cathode flurescent lamp)과 같은 선광원 또는 LED (light emitting diode)와 같은 점광원이 사용될 수 있다.
제1층(130)은 광원(110)으로부터의 광을 가이드하는 것으로 광학적 등방성 물질로 이루어진다.
제2층(150)은 광학적 등방성 물질로 이루어지며, 제2층(150)에는 제1출사유닛(153)이 상기 광원(110)으로부터 멀어지는 제1방향, 도면에서는 X축을 따라 반복 배열되어 있다. 제1출사유닛(153)의 길이는 상기 광원(110)과 나란한 방향, 도면에서는 Y축 방향으로 형성되어 있다. 제1출사유닛(153)은 예를 들어 제1면(153a)과 제2면(153b)을 가지는 프리즘 패턴으로 이루어질 수 있다. 제2층(150)의 굴절률은 제1층(130)과 굴절률이 같거나 유사한 정도로 이루어지는 것이 바람직하다.
제3층(170)은 제2층(150) 위에 형성된 것으로 광학적 이방성 물질로 이루어진다. 즉, 제1편광의 이상광선에 대해서는 ne의 굴절률을 가지며 제2편광의 정상광선에 대해서는 no의 굴절률을 갖는다. 예를 들어, 제3층(170)의 제2편광의 광에 대한 굴절률은 제1층(210) 및 제2층(230)의 굴절률과 같거나 유사하게 이루어지며, 제1편광의 광에 대한 굴절률은 제1층(210) 및 제2층(230)의 굴절률보다 큰 값을 갖 도록 구성된다. 제1편광은 S 편광, 제2편광은 P 편광일 수 있다. 또한, 제3층(170)의 상면은 광이 출사되는 출사면이 되며, 상기 출사면에는 제2출사유닛(173)이 제1출사유닛(153)이 배열된 방향과 수직인 방향으로 반복 배열되어 있다. 제2출사유닛(173)은 예를 들어 꼭지각이 θ인 프리즘 패턴일 수 있다. 상기 θ는 대략 100°에서 120°사이의 값을 가질 수 있다.
제1층(130)의 하부면에는 편광전환부재(190)가 더 마련될 수 있다. 편광전환부재(190)로는 예를 들어 1/4파장판과 반사판 등이 채용될 수 있다.
상기 구조의 편광 도광판(100)이 편광된 광을 출사하고 또한 광분포 특성이 개선된 광을 출사하는 과정은 다음과 같다.
도 4a를 참조하면, 광원(110)에서 조사된 광은 제1층(130)의 상부 또는 하부를 향하며, 제1층(130)의 하부를 향한 광은 제1층(130)의 하면에서 전반사되어 제1층(130)의 상부를 향하게 된다. 이렇게 제1층(130)의 상부를 향하는 광 중, 제1편광의 광(I1)은 제1출사유닛(153)의 제1면(153a)에서 제2면(153b)을 향하여 굴절되고, 제2면(153b)에서 전반사되어 제3층(170)의 상부를 향한다. 제2편광의 광(I2)은 각 층의 경계를 굴절없이 투과하고 제3층(170)의 상면에 임계각보다 큰 각으로 입사되어 전반사된다. 상부로 출사되지 못한 제2편광의 광(I2)은 제1층(130)의 내부를 진행하다가 편광전환부재(190)에 의해 제1편광으로 편광방향이 바뀌게 되면 상부로 출사된다.
도 4b를 참조하면, 제3층(170)을 향하는 제1편광의 광(I1)은 제2출사유 닛(173)의 제3면(173a)을 굴절 투과한다. 이 때, 출사각이 입사각보다 커지므로, 제3면(173a)을 굴절 투과한 광이 Y축 방향으로 분포된 범위는 좁아지게 된다.
도 5a 내지 도 5e는 각각 도 3의 실시예에서 각각 θ=160°, θ=140°, θ=120°, θ=100°, θ=80°인 경우 출사광 분포를 보이는 시뮬레이션 도면이다. 이 때, 이방성 물질로 이루어진 제3층(170)의 이상광선에 대한 굴절률 ne는 1.7 이고 정상광선에 대한 굴절률 no는 1.51인 경우이다. 도면들을 참조하면, θ가 작아짐에 따라 출사광 분포의 Y 방향 폭은 줄어드는 것을 볼 수 있다. θ=120°일 때 반치폭은 대략 ±40°이다. 이는 도 2에서 설명한 바와 같이 반치폭이 대략 ±80°인 종래 구조에 비해 현저히 개선된 것임을 알 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 각각 종래의 편광 도광판과 본 발명의 실시예에서 θ=114°인 경우의 출사광의 분포를 측정한 도면이다. 본 실시예의 반치폭은 대략 ±50°로, 종래 구조에 비해 개선된 출사광 분포를 가지는 것을 볼 수 있다.
상기 시뮬레이션 및 실험결과로부터 θ의 최적 범위는 대략 100°에서 120°사이가 됨을 알 수 있다. 다만, θ의 최적 범위는 이방성 물질로 된 제3층(170)의 굴절률에 따라 달라지는 것이므로, θ의 크기는 이를 고려하여 적절히 결정될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 편광 도광판(200)을 보인다. 도면을 참조하면, 편광 도광판(200)은 광원(210)과, 상기 광원(210)으로부터의 광을 가이드하는 제1층(230)과, 제1층(230)의 하부에 마련된 것으로 반복 배열된 제1출사유 닛(253)을 구비하는 제2층(250)과, 상기 제2층(250)의 하부에 이방성 물질로 형성되고 반복 배열된 제2출사유닛(273)을 가지는 제3층(270)과, 상기 제3층(370) 하부에 마련된 반사부재(280)를 포함한다. 제1출사유닛(253) 및 제2출사유닛(273)은 예를 들어 프리즘 패턴일 수 있고, 각각은 서로 수직인 방향을 따라 배열되어 있다. 본 실시예는 도 2의 실시예와 제2층(250) 및 제3층(270)의 배치에서 차이가 있다. 제2층(250) 및 제3층(270)은 제1층(230)의 하부에 마련되며, 제3층(230)의 하부에 반사부재(280)가 마련된다. 또한, 제1층(230)의 일측면에는 편광전환부재(290)가 마련될 수 있다. 광원(210)에서의 광 중 제1층(230)의 상면을 향한 광은 하부를 향해 전반사되고 제1층(230)이 하면을 향한 광이 제2층(230)과 제3층(250)을 경유하여 하부로 출사된다. 이 때 제2층(230)과 제3층(250)을 경유하며 소정 편광의 광이 분리되고 개선된 광분포 특성을 가지며 출사되는 과정은 전술한 바와 실질적으로 동일하다. 하부로 출사된 광은 반사부재(280)에 반사되어 제1층(230)의 상부를 향하게 된다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 실시예에 의한 편광 도광판 제작 방법을 설명하는 도면이다.
도 8a를 참조하면, 먼저, 광학적 이방성 재질로 이루어진 제1플레이트(370)와, 제1프리즘패턴을 음각한 제1스탬퍼(S1)와 제2프리즘패턴을 음각한 제2스탬퍼(S2)를 형성한다. 제1프리즘패턴과 제2프리즘패턴의 배열방향은 서로 수직이 되도록 한다. 다음, 제1플레이트(370)의 상면 및 하면을 제1스탬퍼(S1)와 제2스탬퍼(S2)를 이용하여 핫 엠보싱(hot embossing) 가공한다. 즉, 제1플레이트(370)의 상,하부에 제1스탬퍼(S1)와 제2스탬퍼(S2)를 배치하고, 프레스(P)를 이용하여 제1플레이트(370)의 상, 하면에 열과 압력을 가한다.
도 8b는 상기 핫 엠보싱 가공에 의해 제1플레이트(370)의 양면에 프리즘패턴이 형성된 것을 보인다.
도 8c를 참조하면, 등방성 재질로 된 제2플레이트(330)를 준비하고, 제2플레이트(330) 위에 접착물질층(350)과 상기 핫 엠보싱 가공된 제1플레이트(370)를 순차 배치한 후 적외선(UV)을 조사한다.
도 8d는 상기 과정에 의해 제작된 편광 도광판의 주요 구조를 보인다. 도면을 참조하면, 제작된 편광 도광판은 편광을 분리하는 제1출사유닛(353)과, 제1출사유닛(353)과 수직 방향으로 배열되어 제1출사유닛(353)의 길이 방향으로 분포되는 출사광의 범위를 줄이는 제2출사유닛(373)을 구비하게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 편광 도광판은 편광을 분리하기 위한 제1출사유닛과 함께 이방성 물질층의 상면에 제1출사유닛과 수직 방향으로 배열되는 제2출사유닛을 구비함으로써 출사광의 반치폭을 줄이고 휘도를 높이는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따른 편광 도광판 제작 방법에 의해 상기한 구조의 편광 도광판을 용이하게 제작할 수 있다.
이러한 본원 발명인 편광 도광판 및 이의 제작 방법은 이해를 돕기 위하여도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 광원;
    상기 광원으로부터의 광을 가이드하는 제1층;
    상기 제1층 위에 형성된 것으로, 상기 광원으로부터 멀어지는 제1방향을 따라 반복 배열된 제1출사유닛을 구비하는 제2층;
    상기 제2층 위에 광학적 이방성 물질로 형성된 것으로, 광이 출사되는 출사면을 가지며, 상기 출사면에는 상기 제1방향과 수직인 제2방향을 따라 반복 배열된 제2출사유닛이 형성된 제3층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 도광판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1출사유닛 및 제2출사유닛은 프리즘 패턴으로 형성된 것을 특징으로 하는 편광 도광판.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2출사유닛의 프리즘 꼭지각 크기는 100°에서 120° 사이인 것을 특징으로 하는 편광 도광판.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1층의 하면에는 편광전환부재가 마련되는 것을 특징으로 하는 편광 도광판.
  5. 광원;
    상기 광원으로부터의 광을 가이드하는 제1층;
    상기 제1층의 하부에 형성된 것으로, 상기 광원으로부터 멀어지는 제1방향을 따라 반복 배열된 제1출사유닛을 구비하는 제2층;
    상기 제2층의 하부에 광학적 이방성 물질로 형성된 것으로, 광이 출사되는 출사면을 가지며, 상기 출사면에는 상기 제1방향과 수직인 제2방향을 따라 반복 배제2출사유닛이 형성된 제3층;
    상기 제3층의 하부에 마련된 반사부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1출사유닛 및 제2출사유닛은 프리즘 패턴으로 형성된 것을 특징으로 하는 편광 도광판.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제2출사유닛의 프리즘 꼭지각 크기는 100°에서 120° 사이인 것을 특징으로 하는 편광 도광판.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1층의 일측면에는 편광전환부재가 마련되는 것을 특징으로 하는 편광 도광판.
  9. 광학적 이방성 재질로 된 제1플레이트를 준비하는 단계;
    제1방향을 따라 반복 배열된 제1프리즘패턴을 음각하여 제1스탬퍼를 형성하는 단계;
    상기 제1방향과 수직인 제2방향을 따라 반복 배열된 제2프리즘패턴을 음각하여 제2스탬퍼를 형성하는 단계;
    상기 제1플레이트의 상면 및 하면을 상기 제1스탬퍼와 제2스탬퍼를 이용하여 핫 엠보싱(hot embossing) 가공하는 단계;
    광학적 등방성 재질로 된 제2플레이트 위에 접착물질과 상기 엠보싱 가공된 제1플레이트를 순차 배치하고 적외선을 조사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 도광판의 제작 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1프리즘패턴 또는 제2프리즘패턴의 프리즘 꼭지각 크기는 100°에서 120° 사이인 것을 특징으로 하는 편광 도광판의 제작 방법.
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