KR20130015271A - 집광을 위한 광학 시트 및 이를 포함하는 백라이트 유닛 - Google Patents

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KR20130015271A
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이경준
김성국
위동호
최승만
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제일모직주식회사
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Abstract

광학 시트(sheet) 몸체의 상면 상에 형성되어 출사되는 광을 집광하는 집광 패턴층, 및 광학 시트 몸체의 하면 상에 형성되어 입사되는 광의 입사각에 의존하여 입사광을 반사 및 투과시키는 반사 필터(filter)층을 포함하는 백라이트 유닛(back light unit)의 광학 시트를 제시한다. 반사 필터층은 폴리카보네이트층 및 폴리메틸메타아크릴레이트층의 적층 구조로 구성될 수 있다.

Description

집광을 위한 광학 시트 및 이를 포함하는 백라이트 유닛{Optical sheet for condensing light and back light unit comprising the same}
본 발명은 액정표시장치(Liquid Crystal Display)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하부의 광원으로부터 나오는 빛을 중앙으로 집광시켜 고휘도를 제공하는 광학 시트를 포함하는 백라이트 유닛(back light unit)에 관한 것이다.
액정표시장치(LCD)는 무게가 가볍고, 전력소비가 적으며, 제품의 두께가 얇은 장점을 가지고 있다. 이러한 특징으로 인하여, 박형 TV, 모니터, 휴대용 표시장치(portable display) 등 그 응용범위가 점차 넓어지고 있는 추세이다. 또한, 대형화 되고 있는 TV 시장에서는 저전력 소비와 고휘도를 달성하는 것이 중요한 문제가 되고 있다.
LCD에서 전력 소비 및 고휘도와 밀접하게 관련되는 부분은 백라이트 유닛이다. 백라이트 유닛은 액정 패널의 하면에 램프(lamp)를 배열하여 빛을 조사하는 직하형 방식과, 액정 패널의 하부에 도광판을 설치하고 도광판의 한 쪽 끝의 램프에서 빛을 조사하는 에지(edge)형 방식이 있다.
직하형 백라이트는 광이용 효율이 높고 구성이 간단하며, 표시면의 크기에 제한이 없기 때문에 통상 대형 액정표시장치에 널리 사용되어진다. 직하형 백라이트 유닛은 광원 역할을 하는 램프, 반사판, 확산판 및 광학 시트 등으로 구성되어 진다. 램프는 다수개가 구비되어 빛을 방출하는 것으로, 그 구체적인 구성은 수은 냉음극형광 램프(CCFL :Cold Cathode Florescent Lamp)나, LED(Light Emitting Diode)를 사용한다.
반사판은 램프 하면에 배치되어 램프로부터 방출된 빛을 반사시키는 역할을 수행하며, 광학 시트나 편광판으로부터 반사되어진 빛을 재반사시켜 광효율을 향상시키는 역할을 수행한다. 확산판은 램프 상면에 배치되어, 램프로부터 방출된 빛을 확산시켜서 램프의 휘선이 보이지 않도록 하는 역할을 한다. 빛을 확산시키기 위해 확산판 내에 수 마이크로의 크기를 가지는 비드(Bead)가 사용되어진다. 확산판을 통과한 빛은 모든 방향에서 거의 균일한 휘도를 가지는 램버시안(Lambertian) 형태가 되며, 이렇게 넓게 퍼진 빛을 원하는 방향으로 집광시키기 위해서 광학 시트가 구비된다.
빛을 중앙방향으로 집광시켜 휘도를 향상시키기 위해서, 프리즘 시트(prism sheet)나 렌티큘러 렌즈, 마이크로 렌즈 어레이(micro lens array) 형태의 광학 시트가 사용될 수 있다. 마이크로 렌즈 어레이 광학 시트의 상면에는 반구 형태의 마이크로 렌즈가 성형되어져 빛을 집광시지만, 마이크로 렌즈 형태의 패턴으로는 빛을 집광시키는데 한계가 있다. 프리즘 시트 형태의 광학 시트는 표면에 삼각형 형태의 프리즘(prism)이 일정하게 주기적으로 배열된 형태를 가지며, 고각도로 출사되는 빛의 경로를 저각도로 변화시켜 광학시트 중 가장 효율적으로 빛을 집광시키는 것으로 평가된다. 그럼에도 불구하고, 프리즘 형상의 특성상 고각도로 강하게 출사되어지는 빛, 예컨대 사이드 로브(side lobe)가 생기며, 이는 디스플레이 장치의 시야각 특성을 저해하며 중앙 휘도를 감소시키는 원인이 되어질 수 있다.
본 발명은 하부의 광원으로부터 나오는 빛을 중앙으로 집광시켜 고휘도를 제공할 수 있는 집광을 위한 광학 시트 및 이를 포함하는 백라이트 유닛을 제시하고자 한다.
본 발명의 일관점은, 광학 시트(sheet) 몸체; 상기 광학 시트 몸체의 상면 상에 형성되어 출사되는 광을 집광하는 집광 패턴층; 및 상기 광학 시트 몸체의 하면 상에 형성되어 입사되는 광의 입사각에 의존하여 입사광을 반사 및 투과시키는 반사 필터(filter)층을 포함하는 백라이트 유닛(back light unit)의 광학 시트를 제시한다.
본 발명의 다른 일 관점은, 액정 패널; 상기 액정 패널에 광을 제공하는 램프; 상기 램프 하측에서 상기 광을 반사시키는 반사판; 상기 램프 상측에서 상기 광을 확산시키는 확산판; 및 상기 확산판 상측에서 상면 상에 형성되어 상기 광을 집광하는 집광 패턴층, 및 하면 상에 형성되어 입사되는 상기 광의 입사각에 의존하여 입사광을 반사 및 투과시키는 반사 필터(filter)층을 포함하는 광학 시트를 포함하는 백라이트 유닛(back light unit)을 제시한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 하부의 광원으로부터 나오는 빛을 중앙으로 집광시켜 고휘도를 제공할 수 있는 집광을 위한 광학 시트 및 이를 포함하는 백라이트 유닛을 제시할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광학 시트를 포함하는 백라이트 유닛(back light unit)을 보여주는 도면이다.
도 2 내지 도 5는 시야각 분포 시뮬레이션 결과들을 보여준다.
본 발명의 실시예는 광학 시트의 하면에 입사각에 따른 반사율을 조절할 수 있는 광학 구조, 예컨대 반사 필터(filter)층을 형성하여 고각도로 입사하는 빛은 반사시키고 저각도로 입사하는 빛을 투과시킨다. 광학 시트의 상면에는 빛을 집광하기 위한 집광 패턴층, 예컨대, 프리즘, 렌티큘러 렌즈, 타원, 마이크로 렌즈 어레이 등의 패턴을 형성한다.
광학 시트의 상면에 형성된 기하학적 패턴의 집광 패턴층은 빛을 집광시키고, 광학 시트의 하면에 형성된 반사 필터층은 입사각에 따른 반사율을 조절하는 광학 구조로서, 전체 광확 시트는 빛을 효율적으로 집광시키게 된다. 광학 시트의 하면에 수직한 기준 광진행축에 대해 고각도로 입사하는 빛은, 광학 시트를 투과하여 광학 시트의 상면에 형성되어진 프리즘, 마이크로 렌즈, 렌티큘러 렌즈 등의 패턴에 의해 중앙 방향으로 집광되지 않고, 여전히 고각도를 가지며 출사된다. 이러한 고각도로 출사되어지는 빛은 패널의 중앙 휘도에 기여하지 못하고 낭비되어지게 된다. 광학 시트의 하면에 형성되어진 반사 필터층의 광학 구조는, 고각도로 입사하는 빛의 반사율을 크게 하고, 저각도로 입사하는 빛의 반사율은 적게 하는 구조이다. 따라서 고각도로 입사하는 빛은 고각도로 출광되어 낭비되지 않고, 광학 시트의 하면에서 하부로 반사되어 하부의 반사판에 의해 다시 광학 시트로 입사되게 재활용 되어진다. 다시 입사되는 광은 광학 시트로 입사되어지는 각도가 달라질 수 있으며, 이에 따라, 광학 시트 하면의 광학 구조에 의해 광학 시트로 입사되어지는 각도를 좁힐 수 있다. 이는 광학 시트로부터 출광되어지는 각도를 좁게하여, 즉, 집광 효율을 높게 하여 패널의 중앙 휘도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 집광을 위한 광학 시트 및 이를 포함하는 백라이트 유닛을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 백라이트 유닛은, 액정 패널(100)의 하부에 도입되는 램프(200)를 포함할 수 있다. 램프(200)는 냉음극형광 램프나 LED 램프일 수 있다. 램프(200)의 하측에는 반사판(300)이 도입되어, 액정 패널(100)로 광을 반사시킨다. 램프(200)의 상측에는 확산판(400)이 도입되며, 확산판(400)으로부터 출사되는 광은 실질적으로 램버시안 형태로, 액정 패널(100) 또는 상측의 광학 시트(600)에 수직하게 입사되는 수직한 광(501), 수직한 광(501)과 좁은 각도 A를 가지는 저각도 입사광(502), 수직한 광(501)과 넓은 각도 B를 가지는 고각도 입사광(503)을 포함할 수 있다. 저각도 입사광(502)은 집광되어 액정 패널(100)의 휘도 개선에 기여할 수 있는 광을 의미하고, 고각도 입사광(503)은 액정 패널(100)의 휘도 개선에 기여하지 못하는 입사 각도를 가지는 가지는 광을 의미한다.
확산판(400) 상에 도입되는 광학 시트(600)의 상면에는 집광을 위한 집광 패턴층(601)이 마련된다. 집광 패턴층(601)은 광학 시트(600)의 상면 표면에 프리즘 패턴, 렌티큘러 패턴 또는 마이크로 렌즈 어레이와 같이 출사광이 액정 패널(100)에 보다 유효하게 입사되게 집광시키는 패턴으로 형성된다. 그런데, 고각도 입사광(503)은 이러한 집광 패턴층(601)에 의해서도 유효하게 집광되지 못하여, 액정 패널(100)의 휘도 개선, 특히 중앙 휘도 개선에 기여하기 어렵다. 광학 시트(600)의 하면에는 반사 필터층(610)이 도입되어, 고각도 입사광(503)이 필터링되어 선택적으로 다시 반사판(300) 방향으로 반사시키게 한다. 수직한 광(501)이나 저각도 입사광(502)는 이러한 반사 필터층(610)을 투과하여 광학 시트(600)로 입사된다.
반사 필터층(610)이 이와 같이 입사 각도에 따라 선택적으로 반사 및 투과하도록 유도하기 위해서, 반사 필터층(610)은 서로 다른 굴절율을 가지는 세부층(611, 612)들의 적층으로 형성될 수 있다. 굴절율이 다른 층들의 경계에서 입사되는 광은 프레넬 반사(Fresnel Reflection)을 따르게 되고, 이에 따라, 입사되는 각도에 따라 반사되거나 투과된다. 본 발명의 실시예에서는 세부층(611, 612)은 굴절율이 상이한 PMMA(PolyMethylmethaAcrylate) 및 PC(PolyCarbonate)의 적층으로 형성될 수 있다. PC의 제1세부층(611) 상에 PMMA의 제2세부층(612)이 적층되고, 이러한 적층이 반복될 수 있다. 개개의 층 두께는 대략 0.1 내지 5㎛ 일 수 있으나, 바람직하게는 1㎛ 내지 3㎛ 정도일 수 있다. 이러한 적층된 층수는 대략 2 내지 30에 이를 수 있으나, 바람직하게는 10 내지 20층일 수 있다. 30층 이상의 경우 투과율의 급격한 감소가 유발될 수 있다.
반사 필터층(610)에 의해 필터링되어 하부로 반사되는 광(504)은 반사판(300)에 의해 재반사되어 다시 반사 필터층(610)로 입사될 수 있다. 이때, 재입사되는 광(505)는 입사 각도가 바뀔 수 있으며, 저입사각을 가질 경우 반사 필터층(610)을 투과하여 액정 패널(100)로 유입될 수 있다. 이러한 반사 및 재반사 과정이 반복되므로, 반사 필터층(610)의 도입에 따른 액정 패널(100)로 입사되는 광의 광량 감소는 실질적으로 억제할 수 있다.
구체적인 실시예를 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세하게 설명할 것이나, 이들 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 것으로 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
표 1은 실시예들 및 비교예에 대한 정보를 나타낸다.
광학시트 상면의 집광 패턴 광학시트 하면의 반사 필터층 구조
층두께 재질 층수
실시예1 프리즘 패턴(빗변각도 45도) 1um PC-PMMA 10
실시예2 프리즘 패턴(빗변각도 45도) 3um PC-PMMA 20
실시예3 프리즘 패턴(빗변각도 45도) 2um 공기-PC 10
비교예1 프리즘 패턴(빗변각도 45도) - - (없음)
실시예 1:
실시예 1의 광학 시트 구조는 확산판 위에 본 발명에 의한 광학 시트가 위치된 구조이다. 광학 시트의 상면에는 빗변 각도 45도의 프리즘 패턴이 집광 패턴(도 1의 (601)으로 구비한다. 광학 시트의 하면에는 고각도로 입사하는 빛의 반사율을 크게 하기 위한 광학 박막 구조, 즉, 반사 필터층(도 1의 610)이 위치한다. 광학 박막 구조은 박막 층수, 굴절률과 박막 두께에 따라 다른 광학적 성능이 달라지므로, 이를 변수로 이들을 조절하여 원하는 광학적 성능을 만들 수 있다. 실시예 1의 경우, PC와 PMMA가 번갈아 적층되어지는 구조이며, 층 두께는 1um, 적층수는 10이다.
실시예 2:
실시예 2의 경우는 실시예 1과 마찬가지로 PC와 PMMA가 번갈아 적층되어지는 구조이며, 층두께는 3um, 적층수는 20 이다.
실시예 3:
실시예 3의 경우는, 공기층과 PC가 번갈아 적층되어지는 구조이며 층두께는 2um, 적층수는 10 이다.
비교예 1:
비교예 1은 기존에 사용되어지는 프리즘 시트이다. 실시예 1과 마찬가지로 직하형 백라이트 유닛에서 확산판 위에 프리즘 시트가 광학 시트로 위치된 구조를 적용한다. 프리즘 시트의 상면에는 프리즘 패턴이 규칙적으로 배열되어져 있으며 프리즘의 빗변각도는 45도이다. 램프로부터 출광된 빛은 확산판을 통과하여 렘버시안(Lambertian) 형태로 퍼지게 되며, 프리즘 패턴에 의해 중앙 방향으로 집광되어진다. 확산판 위에 프리즘 시트를 위치시킬 경우, 확산판의 중앙 휘도 대비 60%의 중앙 휘도가 향상되어질 수 있다.
비교예1의 경우, 프리즘 시트의 하면은 광학 박막 구조가 없으므로, 프리즘 시트의 하면으로 입사하는 빛은 일반적인 프레넬 반사(Fresnel Reflection)에 의해 반사되어지거나 투과되어진다. 프레넬 반사는 굴절률이 다른 매질의 경계면에서의 입사각도에 따른 반사율을 나타내는 것으로, 낮은 굴절률에서 높은 굴절률로 빛이 입사할 경우 입사각도가 커질수록 반사율이 커지게 되어진다. 공기(굴절률 1.0)에서 필름(굴절률 1.52)으로 빛이 입사할 경우, 표면에 수직한 축방향을 기준으로 입사각 0 ~ 50 도(°)에서의 반사율은 대략 4% ~ 6% 이며, 입사각 60도(°)에서는 대략 10%, 70도(°)에서는 대략 20%, 80도(°)에서는 대략 40%, 90도(°)에서는 100%의 반사율을 갖는다. 광학 시트로 입사되어진 빛은 프리즘 패턴에 의하여 집광되어진다.
광학 시트 하면에 입사한 빛은 광학 시트의 상면에 위치한 프리즘 패턴에 의해 집광되어진다. 고각도로 입사되어진 빛은 프리즘 패턴에 의해 집광되어질 확률이 낮으므로, 여전히 고각도로 출사되어져 휘도 증가에 기여하지 못할 확률이 높다. 따라서, 빛을 중앙방향으로 집광시키기 위해서는 저각도로 입사되어지는 빛의 반사율은 낮추고 고각도로 입사되어지는 빛의 반사율을 높이는 것이 유리하다.
평가:
표 2는 실시예들 및 비교예에 의한 중앙 휘도 및 휘도 이득을 보여주는 광학 시뮬레이션(simulation) 결과이다.
중앙 휘도
(cd/㎡)		 비교예1 대비 휘도이득(Gain)
비교예1 9664 1
실시예1 9950 1.030
실시예2 9999 1.035
실시예3 10416 1.078
도 2는 비교예 1의 경우의 시야각 분포 시뮬레이션 결과이고, 도 3의 실시예 1의 경우의 시야각 분포 시뮬레이션 결과이고, 도 4는 실시예 2의 경우의 시야각 분포 시뮬레이션 결과이고, 도 5는 실시예 3의 경우의 시야각 분포 시뮬레이션 결과이다.
표 2 및 도 2 내지 도 5를 참조하면, 실시예 1 내지 3의 경우에서 광학 시트의 하면에 서로 다른 굴절률의 층들을 적층함으로써, 액정 패널의 중앙 휘도가 향상되는 것을 확인할 수 있다. 실시예 1의 경우, 광학 시트의 하면에 PMMA와 PC가 번갈아 적층되어진 구조이다. PMMA의 굴절률은 약 1.49이며 PC의 굴절률은 약 1.59 이다. 두 물질의 굴절률 차이에 의해 두 물질의 경계면에서 프레넬 반사에 의해 빛이 반사되어지며 적층수 만큼의 반사가 일어나게 된다. 빛이 반사되어질 때, 고각도로 입사되어지는 빛의 반사율이 저각도로 입사되어지는 빛의 반사율 보다 크기 때문에, 적층 경계면에서 반사가 반복될 수록 고각도로 입사하는 빛의 반사율이 저각도로 입사되어지는 빛의 반사율 보다 커지게 된다. 따라서 적층된 광학 구조를 통과한 후 광학 시트로 입사되어지는 빛의 경우, 고각도로 입사되어지는 빛은 감소되고 저각도로 입사되어지는 빛은 상대적으로 증가한다. 광학 시트에 저각도로 입사되어진 빛은 광학 시트의 상면에 위치한 집광 패턴에 의해 집광되어 출사된다. 적층된 광학 구조로서의 반사 필터층에서 반사되어진 빛은 반사판에 의해 재반사되어 다시 광학 시트로 입사된다.
실시예 1 및 2의 경우에서 광학 시트의 하면의 적층수가 증가할 수록 집광이 상대적으로 증가하여 중앙 휘도가 향상되는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 적층수가 증가할수록 전체 광량이 감소하므로, 사용자의 용도에 맞게 시야각 및 중앙 휘도를 만족하도록 적층수를 최적화하여 적용할 수 있다.
실시예 3의 경우에서 적층되어지는 물질의 굴절률 차이가 커질수록 중앙 휘도가 높아지는 것을 확인할 수 있다. 사용자의 목적에 따라 물질의 굴절률 및 적층 두께, 적층수를 조절하여 시야각 및 중앙휘도를 조절할 수 있다. 또한, 광학 시트의 하면에 상이한 굴절률의 적층 이외에 반사율을 조절할 수 있는 수단, 예컨대, 광학적 격자(optical grating) 또는 홀로그램, 광학 박막 코팅을 도입하여 입사 각도에 따른 반사율을 조절함으로서 중앙 휘도를 향상시킬 수 있을 것이나, 실제 공정 적용 상 굴절률이 상이한 층들의 적층이 공정 단순화 측면에서 유리하다.
집광 패턴으로 프리즘 시트를 적용할 경우, 빛이 대략 29 도(°)로 입사할 때 빛이 백라이트에 대하여 수직 방향(출사각 0도(°))로 출사되어질 수 있다. 따라서, 백라이트에 대하여 수직 방향으로 빛을 집광시키기 위해서는, 입사각 29도(°) 부근에서 반사율을 최소로 낮추고 입사각이 고각도일수록 반사율을 크게하는 것이 유리하다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 반사 필터층(도 1의 610)은 입사각이 0도(°) 내지 50도(°) 미만의 입사광은 투과시키고, 50도(°) 이상 90도(°)의 입사광은 반사시키게 구성될 수 있다. 보다 유효하게는 0도(°) 내지 30도(°)의 입사광은 투과시키고, 30도(°)보다 크고 90(°)도 이하의 입사광은 반사시키게, 층의 두께 또는 층수를 조절하여 구성될 수 있다.
표 2의 실시예들에서 광학 시트의 상면에 프리즘 패턴을 형성하는 경우를 고려하였으나, 렌티큘러 렌즈, 마이크로렌즈 어레이(MLA) 또는 프리즘 등과 같이 빛을 집광시키는 패턴들이 적용될 수 있다.
특정한 시야각 분포를 원할 경우, 본 발명에 의한 광학 하면의 광학 박막으로서의 반사 필터층을 사용하여 입사각에 따른 반사율을 조절함으로서, 특정한 시야각 분포를 실현시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 광학 시트에서 광학 시트의 하면의 입사각에 따른 반사율을 조절함으로서 휘도 및 시야각을 조절 및 개선할 수 있다.
본 발명은 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

Claims (8)

  1. 광학 시트(sheet) 몸체;
    상기 광학 시트 몸체의 상면 상에 형성되어 출사되는 광을 집광하는 집광 패턴층; 및
    상기 광학 시트 몸체의 하부에 형성되어 입사되는 광의 입사각에 의존하여 입사광을 반사 및 투과시키는 반사 필터(filter)층을 포함하는 백라이트 유닛(back light unit)의 광학 시트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 집광 패턴층은
    프리즘 패턴, 렌티큘러 렌즈 또는 마이크로 렌즈 어레이들을 포함하는 백라이트 유닛(back light unit)의 광학 시트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반사 필터층은
    굴절률이 상이한 층들이 반복 적층되어 형성된 백라이트 유닛(back light unit)의 광학 시트.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 적층되는 층들은
    0.1㎛ 내지 5㎛ 의 두께로 2층 내지 30층 적층되는 백라이트 유닛(back light unit)의 광학 시트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반사 필터층은
    폴리카보네이트(PC)층 및 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)층이 반복 적층된 백라이트 유닛(back light unit)의 광학 시트.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반사 필터층은
    공기층 및 폴리카보네이트(PC)층이 반복 적층된 백라이트 유닛(back light unit)의 광학 시트.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반사 필터층은
    광의 입사각에 반사율이 의존하는 광학 격자 또는 홀로그램을 포함하는 백라이트 유닛(back light unit)의 광학 시트.
  8. 액정 패널;
    상기 액정 패널에 광을 제공하는 램프;
    상기 램프 하측에서 상기 광을 반사시키는 반사판;
    상기 램프 상측에서 상기 광을 확산시키는 확산판; 및
    상기 확산판 상측에서 상면 상에 형성되어 상기 광을 집광하는 집광 패턴층, 및 하면 상에 형성되어 입사되는 상기 광의 입사각에 의존하여 입사광을 반사 및 투과시키는 반사 필터(filter)층을 포함하는 광학 시트를 포함하는 백라이트 유닛(back light unit).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US11829031B1 (en) * 2022-05-20 2023-11-28 Entire Technology Co. Ltd. Multilayer light diffuser plate and method for manufacturing the same

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