KR20160113658A - 디스플레이 조명을 위한 레이저에 의해 특징이 생성된 유리 - Google Patents

디스플레이 조명을 위한 레이저에 의해 특징이 생성된 유리 Download PDF

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KR20160113658A
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커크 리처드 앨런
대니얼 랄프 하비
바수드하 라비찬드란
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코닝 인코포레이티드
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Abstract

본 개시물은 기판의 표면 상에 또는 기판 내에 위치하는 레이저에 의해 유발된 산란 특징부를 갖는 기판 및 그와 함께 그러한 산란 기판의 제조 방법에 관한 것이다. 개시된 산란 기판은 개선된 광 추출 특성을 제공하고, 다양한 응용, 예컨대 조명 및 전자 디스플레이에서 유용할 수 있다.

Description

디스플레이 조명을 위한 레이저에 의해 특징이 생성된 유리 {LASER FEATURED GLASS FOR DISPLAY ILLUMINATION}
본 출원은 2014년 1월 29일에 출원된 미국 가출원 번호 61/933,064의 35 U.S.C. §하의 우선권을 주장하고, 이 가출원의 내용은 그의 전문이 본원에 참고로 포함된다.
분야
본 개시물은 유리 시트 내에 레이저에 의해 유발된 특징부를 갖는 유리 시트의 제조 방법과 함께 그러한 유리 시트에 관한 것이다. 개시된 유리 시트는 개선된 광 추출 특성을 제공하고, 다양한 응용, 예컨대 조명 및 전자 디스플레이에서 유용할 수 있다.
배경 기술
새로운 유형의 전자 디스플레이, 예컨대 LCD-기반 디스플레이의 요구로 인해서, 이 장치에 포함되는 기술의 개선이 계속 필요하다. 예를 들어, 통상적인 LCD 후면광 유닛 (BLU)에서는, 높은 각도로 광 가이드로부터 광이 추출되고, 디스플레이에 요구되는 요망되는 각 방출(angular emission)을 달성하기 위해 다수의 확산체 및 터닝(turning) (밝기 증진) 필름이 이용된다. 이 필름은 비용, 광 손실 및 시스템 복잡성을 추가할 뿐만 아니라 많은 물질 부족으로 어려움을 겪고, 이는 이 필름을 전자장치에 이상적이지 못하게 한다. 현재의 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 광 가이드는 높은 투명성을 갖지만, 빈약한 성형성으로 어려움을 겪어서 소형 장치에서의 이용을 제한하고, 높은 수분 흡수를 가져서 큰 크기에서 바람직하지 않은 기계적 성능 (예를 들어, 뒤틀림 및 물질 팽윤)을 초래한다. 다른 중합체, 폴리카르보네이트 (PC) 및 시클릭 올레핀 공중합체 (COP)가 전형적으로 더 좋은 성형성 및 더 적은 수분 흡수 때문에 휴대용 장치에 이용되지만, 높은 광 감쇠로 어려움을 겪는다.
게다가, 비록 후면광 추출을 위한 현재의 설계의 물질, 기술 및 엔지니어링 어려움이 극복되더라도, 이 중합체 물질은 불투명하기 때문에 차세대 투명 디스플레이에 이상적이지 않다. 높은 투명성을 가지고 또한 광 가이드에 거의 수직으로 광을 방출하는 개선된 후면광이 투명 디스플레이를 가능하게 할 뿐만 아니라 통상적인 디스플레이에서 BLU 스택을 단순화할 수 있을 것이기 때문에, 그러한 후면광은 분명히 필요하다. 개시된 유리 시트는 이러한 이점을 제공하고, PC 및 COP보다 더 좋은 감쇠를 가지고, 그와 동시에 좋은 기계적 성능 속성, 예컨대 낮은 CTE, 물 저-흡수 내지 무-흡수, 및 더 높은 치수 안정성을 유지한다.
요약
본 개시물은 약 0.2 mm 내지 약 3 mm의 두께를 가지며, 임의로 100 ppm 미만의 철 화합물을 포함하는 기판; 기판 내에 위치하며, 약 5 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 직경을 갖는 기판의 개질된 영역을 포함하고, 기판의 개질된 영역의 가장자리부터 가장자리까지 측정할 때 적어도 약 5 ㎛ 이격되어 위치하는 산란 특징부를 포함하고, 임의로, 하나 이상의 표면 특징부, 하나 이상의 중합체 필름, 하나 이상의 무기 필름, 또는 하나 이상의 마스크 또는 필터 중 하나 이상을 추가로 포함하는 산란 기판에 관한 것이다. 일부 실시양태에서, 기판은 임의로 화학적으로 또는 열적으로 템퍼링될 수 있는 유리 또는 유리 세라믹 기판, 예컨대 이온 교환된 유리 기판을 포함한다. 기판이 화학적으로 또는 열적으로 템퍼링된 유리 또는 유리 세라믹인 경우, 산란 특징부는 유리 기판의 중앙 인장 영역에 제약될 수 있다.
일부 실시양태에서, 산란 특징부는 약 10 ㎛ 내지 약 50 ㎛의 직경을 갖는다. 일부 실시양태에서, 산란 특징부는 유리 기판의 개질된 영역의 가장자리부터 가장자리까지 측정할 때 적어도 약 10 ㎛ 이격되어 위치한다. 일부 실시양태에서, 산란 기판은 영상화 구(imaging sphere)/시야각 기기로 측정할 때 약 40°내지 약 60°의 피크 시야각을 나타낸다. 일부 실시양태에서, 기판은 산란 기판은 CIE 1931 표준으로 측정할 때 x에 대해 약 0.015 및 y에 대해 약 0.02의 각 색 변이(angular color shift)를 갖는다.
일부 실시양태에서, 산란 특징부는 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛ 직경의 용융된 영역 및 용융된 영역 부근의 하나 이상의 균열을 포함하는 유리 기판의 개질된 영역을 포함한다. 일부 실시양태에서, 임의의 하나 이상의 표면 특징부는 마이크로미터, 서브마이크로미터, 피코-스케일, 또는 나노스케일 특징부를 포함한다. 일부 실시양태에서, 하나 이상의 표면 특징부는 유리의 표면 내에 또는 유리의 표면 상에 있다. 그러한 표면 특징부는 유리 표면의 개질에 의해 또는 유리를 코팅함으로써 생성될 수 있다.
제2 측면은 위에서 서술한 산란 기판 중 어느 것을 포함하는 전자 장치를 포함한다. 일부 실시양태에서, 전자 장치는 디스플레이를 포함한다. 일부 실시양태에서, 디스플레이는 대각선 길이가 60" 초과이다.
제3 측면은 위에서 서술한 산란 기판 중 어느 것을 제조하는 방법을 포함한다. 일부 실시양태에서, 방법은 a) 약 0.2 mm 내지 약 3 mm의 두께를 가지며, 임의로 100 ppm 미만의 철 화합물을 포함하는 기판을 제공하고, b) 펄스화된 레이저를 기판에 집속시킴으로써 기판을 조사하여 기판 내에 하나 이상의 산란 특징부를 형성하고, 여기서 i) 레이저의 피크 출력은 하나 이상의 산란 특징부를 형성하기에 충분해야 하고, ii) 산란 특징부는 기판의 개질된 영역의 가장자리부터 가장자리까지 측정할 때 적어도 약 10 ㎛ 이격되어 위치하고, c) 임의로, i) 하나 이상의 표면 특징부; ii) 하나 이상의 중합체 필름; iii) 하나 이상의 무기 필름; 또는 iv) 하나 이상의 마스크 또는 필터 중 하나 이상을 추가로 포함시키는 것을 포함한다. 기판은 유리 또는 유리 세라믹을 포함할 수 있고, 추가로, 유리 또는 유리 세라믹 기판은 열적으로 또는 화학적으로 템퍼링될 수 있다. 본 개시물의 추가의 특징 및 이점은 다음 상세한 설명에서 제시되고, 부분적으로는 그 설명으로부터 관련 분야 기술자에게 쉽게 명백하거나 또는 다음 상세한 설명, 청구범위 및 첨부 도면을 포함하는 본원에 서술된 개시물을 실시함으로써 인식될 것이다.
청구범위 뿐만 아니라 요약서는 다음에 제시되는 상세한 설명에 포함되고 그의 일부를 구성한다.
미국 특허 출원 공개 및 미국 특허 가출원을 포함해서 본원에 인용된 모든 간행물, 논문, 특허, 공개된 특허 출원 등은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.
도 1은 기판의 벌크에서 레이저의 의해 유발된 산란 특징부로 인한 광 추출의 개략도이다.
도 2는 LCD 패널의 픽셀 구조의 예이다. 블랙 매트릭스 영역이 후면광으로부터 입사하는 광의 70% 이하를 차단한다.
도 3은 특징부의 깊이 및 펄스 에너지의 비교 연구이다. 영상은 LED로 가장자리 조명 구성으로 조명되어 광 추출을 보여준다. 상이한 펄스 에너지를 이용해서 세 영역을 생성한다. 각 영역에는 상이한 깊이에서의 집속에 의해 생성된 5개 밴드가 있다: 후면 표면 (맨 위), 유리 안으로 ¾ 깊이, 유리 안으로 ½ 깊이, 유리 안으로 ¼ 깊이, 전면 표면 (맨 아래);
도 4는 헤이즈 및 투과율이 레이저에 의해 유발된 산란 특징부의 간격과 어떻게 상관있는지를 그래프로 나타낸다.
도 5는 산란 특징부의 위치 및 간격에 대하여 90°에서의 광 추출을 비교한다.
도 6은 4 개의 상이한 산란 특징부 간격 (50, 60, 70, 및 80 ㎛)에서 시야각에 대하여 발광을 비교한다. 피크 세기는 모든 경우에서 약 55°에서 발생한다. 발광은 특징부 밀도로 인한 간격 및 가장자리로부터의 거리에 의해 변한다.
도 7은 시야각의 함수로서 적색, 녹색 및 청색의 발광을 보여준다. 측정은 10 ㎛ x 70 ㎛ 특징부 간격에서 행한다. 그래프는 색 간의 시야각이 일관됨을 보여준다.
도 8a 및 8b는 산란 중심을 함유하는 유리 시트로부터 추출된 광에 관한 색 공간의 플롯이다. 10 ㎛ x 60 ㎛ 간격 (도 8a) 및 10 ㎛ x 70 ㎛ 간격 (도 8b) 샘플을 도시한다. 시야각 다이어그램 둘레의 다수의 무작위 점을 샘플링하여 색 공간 색도 다이어그램에 작은 범위를 생성한다. 차트에서 x의 배치는 백색 광 추출 값을 나타낸다.
도 9는 유리 샘플 전체에서의 광 추출을 보여주는 플롯이고, 특징부가 생성된 영역 전체에서 거의 고른 추출률을 묘사하고, 여기서 샘플의 일부는 레이저에 의해 생성된 특징부를 구배 간격으로 갖는 영역을 포함한다.
도 10은 산란 특징부의 광학 현미경 사진이다. 각 특징부는 방사상 마이크로 "균열"에 의해 둘러싸인 2 - 3 ㎛ 직경으로 이루어진다.
도 11은 특징부를 갖지 않는 대조 유리와 비교해서 산란 특징부 (20 ㎛ x 20 ㎛ 및 40 ㎛ x 40 ㎛)를 갖는 유리의 링-온-링(ring on ring; ROR) 강도 시험을 나타낸다. 2" x 2" 유리 기판 상에 각각의 30개 샘플을 생성한다. 시험 결과에서 증가된 형상 값은 강한 단일 파괴 모드를 보여주고, 대략 50%의 강도 감소를 나타낸다.
상세한 설명
본 개시물은 다음 상세한 설명, 도면, 실시예 및 청구범위, 및 그의 이전 및 이후 설명을 참고함으로써 더 쉽게 이해될 수 있다. 그러나, 본 조성물, 물품, 장치 및 방법을 개시하고 서술하기에 앞서, 이 개시물이 달리 명시되지 않으면 개시된 특정 조성물, 물품, 장치 및 방법에 제한되지 않고 물론 달라질 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 본원에서 이용되는 용어는 특별한 측면을 서술하는 것만을 목적으로 한 것이며 제한하는 것을 의도하지 않음을 이해해야 한다.
본 개시물의 다음 설명은 현재 알려진 실시양태에서 본 개시물의 실용화가능한 가르침으로서 제공된다. 이 목적으로, 관련 분야 기술자는 본원에 서술된 개시물의 다양한 측면에 많은 변화를 가할 수 있고, 그와 동시에 본 개시물의 유익한 결과를 여전히 얻을 수 있음을 인식하고 인정할 것이다. 또한, 본 개시물의 요망되는 이익 중 일부는 다른 특징들을 이용하지 않고 본 개시물의 특징 중 일부를 선택함으로써 얻을 수 있다는 것이 명백할 것이다. 따라서, 관련 분야 종사자는 본 개시물의 많은 변경 및 적응이 가능하고 심지어 일부 상황에서는 바람직할 수 있고 본 개시물의 일부임을 인식할 것이다. 이러해서, 다음 설명은 본 개시물의 제한이 아니라 본 개시물의 원리의 예시로서 제공된다.
개시된 방법 및 조성물에 이용될 수 있거나, 개시된 방법 및 조성물과 함께 이용될 수 있거나, 개시된 방법 및 조성물의 준비에 이용될 수 있거나, 또는 개시된 방법 및 조성물의 실시양태인 물질, 화합물, 조성물 및 성분이 개시된다. 이 물질 및 다른 물질이 본원에 개시되고, 이 물질의 조합, 부분집합, 상호작용, 그룹 등이 개시될 때, 이 화합물들의 각 다양한 개별적인 및 집합적인 조합 및 순열의 구체적인 언급이 명료하게 개시되지 않을 수 있지만, 각각이 본원에서 구체적으로 고찰되고 서술된다고 이해한다.
이러해서, 치환체 A, B, 및 C의 부류 뿐만 아니라 치환체 D, E, 및 F의 부류가 개시되고 조합 실시양태의 한 예 A-D가 개시되면, 각각은 개별적으로 및 집합적으로 고찰된다. 이러해서, 이 예에서는, 조합 A-E, A-F, B-D, B-E, B-F, C-D, C-E, 및 C-F 각각이 구체적으로 고찰되고, A, B, 및/또는 C; D, E, 및/또는 F; 및 조합의 예 A-D의 개시로부터 개시된 것으로 여겨야 한다. 마찬가지로, 이들의 임의의 부분집합 또는 조합도 또한 구체적으로 고찰되고 개시된다. 이러해서, 예를 들어, 하위집단 A-E, B-F, 및 C-E가 구체적으로 고찰되고, A, B, 및/또는 C; D, E, 및/또는 F; 및 조합의 예 A-D의 개시로부터 개시된 것으로 여겨야 한다. 이 개념은 개시된 조성물을 제조하는 방법 및 이용하는 방법에서 조성물 및 단계의 임의의 성분을 포함하지만 이에 제한되지 않는 본 개시물의 모든 측면에 적용된다. 이러해서, 수행될 수 있는 다양한 추가의 단계가 있으면, 이 추가의 단계 각각이 개시된 방법의 임의의 구체적인 실시양태 또는 실시양태들의 조합으로 수행될 수 있고, 각각의 그러한 조합이 구체적으로 고찰되고 개시된 것으로 여겨야 한다는 것을 이해한다.
제1 측면은 기판 내에 존재하는 하나 이상의 레이저에 의해 유발된 산란 특징부에 의해 특성화된 기판을 포함한다. 기판은 서술된 조건 하에서 필요한 레이저 개질을 겪는 임의의 물질로 형성될 수 있다. 기판으로서 유용하다고 구상되는 물질은 유리 및 유리 세라믹 기판, 뿐만 아니라 중합체, 예컨대 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA), 폴리카르보네이트 (PC) 및 시클릭 올레핀 공중합체 (COP)를 포함한다. 일부 경우에서, 유리 또는 유리 세라믹의 구조 및 특성, 예컨대 높은 용융점 및 경도는 그것을 본원에 서술된 과정에 대해서 다른 물질보다 더 좋은 기판이 되게 한다.
일반적으로, 특정 이론에 속하는 것을 원하지 않지만, 산란 특징부는 기판 내에서 다광자 흡수 과정에 의해 형성된다. 다광자 흡수는 매우 높은 레이저 광 세기에서 발생하는 비선형 현상이다. 관련 분야에 잘 알려진 바와 같이, 광자의 에너지 hν가 물질의 흡수의 밴드 갭 EG보다 낮을 때, 물질은 광학적으로 투명하다. 따라서, 물질이 흡수성이 되는 조건은 hν > EG로 서술할 수 있다. 그러나, 심지어 광학적으로 투명한 조건 하에서도, nhν > EG (n=2, 3, 4, ...)로 서술되는 바와 같이 더 높은 차수의 모드에 의해 광의 세기가 충분히 높게 되면, 물질에서 흡수가 발생할 수 있다. 이 비선형 현상은 다광자 흡수라고 알려져 있고, 펄스화 레이저의 경우, 레이저 광의 세기는 레이저 광의 피크 출력 밀도 (W/cm2) ((펄스당 레이저 광의 에너지)/(레이저 광의 빔 반점 단면적 x 펄스 폭)으로 결정됨)와 상관관계가 있다. 별법으로, 연속파의 경우, 레이저 광의 세기는 레이저 광의 전기장 세기 (W/cm2)에 의해 결정된다. 본원에서 서술되는 바와 같은 산란 특징부를 포함하는 기판은 다광자 흡수 공정에 의해 형성될 수 있고, 여기서는 하나 이상의 레이저가 기판 안으로 집속되어 기판 내에 광학적 손상을 발생시킨다. 이 광학적 손상이 기판 내에 왜곡을 유발하고, 이렇게 해서 산란 특징부를 형성한다.
본원에서 서술되는 산란 특징부를 형성하는 데 유용한 레이저는 기판 내에서 다광자 공정을 개시하기에 충분한 피크 출력을 제공하는 펄스화 레이저 시스템을 포함한다. 전형적으로, 본원에 서술된 과정의 경우에는, 펄스화 나노초 레이저가 이용되지만, 그러나 일부 경우에서는 피코초 또는 펨토초 펄스화 레이저의 이용이 유리하다는 것을 입증할 수 있다. 일부 실시양태에서는, 레이저 펄스 에너지가 약 0.1 μJ/펄스 내지 약 1 mJ/펄스, 또는 약 1 μJ/펄스 내지 약 1 mJ/펄스일 수 있다. 초점 크기는 전형적으로 약 ~1 ㎛ 내지 약 10 ㎛의 직경 및 10 - 500 ㎛의 길이이지만, 필요한 대로 변경될 수 있다. 광의 파장은 약 300 nm 내지 약 3000 nm에서 어느 것도 될 수 있다. 일부 실시양태에서, 레이저 파장은 착색된 반점 또는 특징부를 야기하는 것을 피하도록 또는 특히 기판, 특히 유리 기판의 착색을 야기하도록 선택된다. 그러한 색 형성은 일부 화합물, 예컨대 철 화합물을 함유하는 유리의 경우 UV 광 (전형적으로 350 nm 미만의 파장)으로 가능하다. 일부 경우에서, 착색은 색 산출을 변경하는 데 유리할 수 있다. 별법으로, 백색 광 산출을 최적화하는 것이 목표인 경우, 그 목표는 유리에 색 특징부의 도입을 피하는 것일 것이다.
도 1은 광 산란 특징부를 갖는 기판의 예를 그림으로 묘사한다. 발광 다이오드 (LED)로 기판의 측면에 비추고, 이것은 높은 입사각 때문에 내부 전반사에 의해 주로 기판을 통해 보내는 광을 제공한다. 그러나, 나타낸 바와 같이, LED로부터의 광이 산란 특징부와 상호작용할 때, 광이 다양한 각도로 산란되어, 기판 위에 나타낸 액정 디스플레이의 후면광으로서 작용할 수 있다.
산란 특징부는 마이크로 균열을 포함할 수 있는 기판, 용융되어 재고화된 기판, 상 변화를 겪은 기판, 조성 변화를 겪은 기판, 비정질 또는 결정질 구조를 변화시킨 기판, 또는 그의 조합의 개질된 영역을 포함한다. 일부 실시양태에서, 산란 특징부는 방사상 마이크로 균열에 의해 둘러싸인 용융된 튜브상 영역 (기판이 있는 평면 또는 기판에 평행한 평면, 도 10에서 평면 XZ 또는 YZ에서 볼 때)을 포함한다 (도 10). 산란 특징부는 직경을 갖는 것으로 서술될 수 있고, 여기서 직경은 기판을 위에서 아래로 (즉, 가장 큰 치수, 도 10에서 평면 XY에 직교하게) 볼 때 레이저에 의해 개질되는 기판의 거의 원형인 영역을 서술한다. 산란 특징부는 약 5 ㎛ 내지 약 150 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 120 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 또는 약 20 ㎛ 내지 약 80 ㎛의 직경을 가질 수 있다. 산란 특징부가 방사상 마이크로 균열에 의해 둘러싸인 용융된 튜브상 영역을 포함하는 경우, 튜브상 영역은 약 1 ㎛ 내지 약 20 ㎛ 또는 약 3 ㎛ 내지 약 10 ㎛의 직경을 가질 수 있고, 산란 특징부 (튜브상 영역 및 마이크로 균열)는 약 10 ㎛ 내지 약 120 ㎛의 직경을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 산란 특징부는 약 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 또는 100 ㎛의 직경을 갖는다.
위에서 언급한 바와 같이, 산란 특징부를 형성하는 방법은 비선형 광학적 방법, 예컨대 기판에 의한 다광자 흡수에 의존할 수 있다. 기판이 레이저의 1차 모드에 투명하기 때문에, 빔을 기판 자체 내에 집속시켜 기판 내에 산란 특징부를 형성하는 것이 가능하다. 산란 특징부를 기판의 한 표면 또는 두 표면 모두 상에 배치하는 것이 가능하지만, 일부 실시양태는 산란 특징부를 기판 자체 내에 포함한다. 레이저가 기판 내부에 집속되는 일부 실시양태에서는, 개질된 영역이 기판 내에만 형성되고 기판의 표면에 도달하지 않거나 또는 기판의 표면에 손상을 야기하지 않도록 레이저 에너지, 출력, 펄스 폭 또는 피크 출력을 선택할 수 있다. 그러한 실시양태에서는, 레이저가 허리 부분을 통해 아래로 집속되기 때문에, 기판이 있는 평면에서 볼 때 산란 특징부가 튜브상 또는 더 정사각형 또는 직사각형인 단면을 가질 수 있다. 도 10의 XZ 또는 YZ 평면에서 볼 때 영향을 받은 기판의 영역의 길이는 약 5 ㎛ 내지 약 150 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 120 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 또는 약 20 ㎛ 내지 약 80 ㎛이다. 일부 실시양태에서, 산란 특징부는 약 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 또는 100 ㎛의 직경을 갖는다.
기판은 일반적으로 제3 치수(Z)보다 훨씬 큰 두 치수 (예를 들어, X 및 Y)를 갖는 시트이다. 그러한 기판은 임의의 유용한 값의 두께 Z를 가질 수 있다. 많은 응용을 위해, 미감, 중량 감소 및 비용 때문에 기판을 가능한 한 얇게 하는 것이 바람직하다. 그러나, 기판이 얇아짐에 따라, 일반적으로 그것은 파손에 더 민감하다. 따라서, 얇지만, 사용시 파손을 겪는 것을 피하기에 충분한 강도를 여전히 보유하는 기판이 강력히 요구된다. 이 점에서, 유리 및 중합체는 상이한 구조적 이점을 가질 수 있고 - 종종, 중합체는 덜 파손되겠지만 더 적은 구조적 강직성 및 강도를 갖는다. 일부 실시양태에서, 기판은 약 3 mm 내지 약 0.2 mm, 약 2 mm 내지 약 0.5 mm, 또는 약 1 mm 내지 약 0.7 mm의 두께를 갖는다. 일부 실시양태에서, 기판은 약 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 2, 또는 3 mm의 두께를 갖는다.
유리 기판의 경우, 이용될 수 있는 유리 조성물은 일반적으로 플로트, 및 용융 또는 다른 인발 공정을 포함하는 관련 분야에 알려진 방법에 의해 시트로 형성될 수 있는 임의의 조성물을 포함한다. 알칼리 알루미노실리케이트 유리, 예컨대 코팅 인코포레이티드(Corning Incorporated)의 고릴라 글래스(GORILLA GLASS)®, 또는 디스플레이 유리, 예컨대 코닝 인코포레이티드의 이글(EAGLE) XG®이 특히 유용하다.
강도 요구 때문에, 유리 기판은 산란 중심의 포함을 겪기 전에 화학적으로 또는 열적으로 템퍼링될 수 있다. 코닝 인코포레이티드의 고릴라 글래스® 같은 유리는 관련 분야에 알려진 이온 교환 기술에 의해 화학적으로 템퍼링될 수 있다(예를 들어, 본원에 전문이 참고로 포함된 미국 특허 번호 5,674,790). 이온 교환된 유리 기판이 이용되는 경우, 산란 특징부를 유리의 중앙 인장 영역에 배치하는 것이 유리할 수 있다. 일부 실시양태에서, 산란 특징부는 유리 기판의 중앙 1/3 내에 위치한다. 일부 실시양태에서, 산란 특징부는 유리 기판의 중앙 1/5 내에 위치한다.
유리 기판 내에 산란 특징부의 포함은 유리의 전체 강도의 감소를 야기할 수 있다. 유리 유형을 선택할 때 및 템퍼링된 유리가 응용에 고려되어야 하든 아니든 간에 이 강도 감소를 감안할 수 있다. 유리 강도 감소의 한 예를 도 11에 나타내고, 도 11은 시험되는 이온 교환되지 않은 알칼리 알루미노실리케이트 유리 기판이 단일 파괴 모드 작용으로 대략 50% 강도 감소를 가짐을 보여준다. 실험의 추가의 세부사항은 아래 실시예 5에서 서술한다.
기판 내에 산란 특징부의 패터닝은 임의의 형성, 예컨대 어레이, 기하학적 구조, 랜덤 등일 수 있다. 패턴은 레이저 또는 레이저 빔, 기판, 또는 둘 모두를 수동으로 또는 더 효율적으로, 컴퓨터-지원 기술 - 관련 분야 기술자에게 잘 알려진 기술 전부에 의해 병진시킴으로써 형성될 수 있다. 기판 상에 산란 특징부의 배치 또는 패터닝은 한 산란 특징부에서 또 다른 산란 특징부로 균열 전파의 실질적 가능성을 야기하는 것을 피하도록 산란 특징부가 충분히 멀리 이격되어 있어야 한다는 필요에 의해서 실용적으로 제한될 뿐이다. 일부 실시양태에서, 산란 특징부는 (산란 특징부의 가장자리부터 가장자리까지) 약 5 ㎛ 내지 약 2 mm 이격되어 있다. 일부 실시양태에서, 산란 특징부는 (산란 특징부의 가장자리부터 가장자리까지) 약 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 100, 150, 200, 500, 1000, 2000 ㎛ 이격되어 있다. 표 1은 특징부의 간격의 함수로서 얻을 수 있는 산란 중심의 밀도를 나타낸다.
<표 1>
Figure pct00001
도 2는 LCD 색 어레이의 예를 보여준다. 어레이는 적색, 녹색 및 청색 픽셀 ("B")을 포함하는 화소 ("A")를 포함한다. 추가로, 픽셀은 전통적인 후면광 응용에서 입사광의 70% 정도로 많이 흡수할 수 있거나 또는 차단할 수 있는 흑색 격자에 의해 분리된다. 산란 특징부를 투명 RGB 하위-픽셀과 정렬하여 배치함으로써, 각 개별 추출 특징부에 의해 방출되는 광이 특이적 RGB 하위-픽셀을 직접 조명하기 때문에 더 많은 광이 투과된다. 산란 특징부의 이 정밀 배치는 경계 영역에 의해 차단되는 추출된 광을 최소화함으로써 조명 효율을 증가시키고, 이것은 직접적으로 디스플레이 장치에서 에너지 소비 및/또는 배터리 수명을 낮추는 결과로 나타난다.
기판 내에 산란 특징부의 포함에 의해 형성되는 산란 기판은 기판으로부터 광을 추출하는 대안적 방법에 비해 많은 이점을 보여준다. 첫째, 통상적인 패터닝된 후면광 유닛 (BLU) 광 가이드 및 전통적인 공정의 다른 에칭 공정보다 더 높은 각도로 광이 추출된다 (아래에서 서술되는 도 6 및 7). 추가로, 레이저에 의해 유발된 특징부는 직접적으로 기판 내에 생성되고, 반면, 다른 기술은 잉크 또는 중합체 층을 유리에 형성하는 것을 포함하고, 이것은 보통 패턴을 함유할 것이다. 따라서, 일부 실시양태에서, 기판은 기판에 형성되는 별도의 광 추출 물질 층 없이 생성될 수 있다. 기판이 유리 기판인 경우, 유리 기판 내의 패터닝은 전-유리 시스템(all-glass system)의 속성을 보존한다: (1) 용융-인발된 유리 표면의 낮은 조도; (2) 낮은 H20 흡수; (3) 낮은 CTE, 및 CTE 불일치 문제 없음; (4) 높은 치수 안정성; (5) 더 높은 강성; (6) 더 높은 Tg; 및 (7) 낮은 두께 변화.
또 다른 측면에서, 산란 기판은 전자 장치, 예컨대 태블릿, 스마트 폰, 또는 텔레비전 또는 컴퓨터 디스플레이 내에 후면광으로서 포함될 수 있다. 그러한 실시양태에서, 산란 기판은 그의 응용성을 개선하는 하나 이상의 추가의 개질을 포함할 수 있다.
일부 상황 또는 어레이 구조에서, 광 산란 특징부는 디스플레이에 "라이닝" 또는 더 밝은 영역 및 더 어두운 영역의 라인(line)을 생성할 수 있다. 이 라이닝을 교정하기 위해, 산란 기판의 표면 중 하나 또는 둘 모두가 개질될 수 있다. 이 개질은 예를 들어 하나 이상의 중합체 또는 무기 필름, 중합체 또는 무기 마스크, 또는 기판 표면 텍스처링, 개질 또는 조면화를 포함할 수 있다. 산란 기판 표면 개질의 경우, 일부 실시양태는 나노미터 또는 피코미터 스케일의 특징부를 갖는 서브마이크로미터로 구조화된 표면의 형성을 포함한다. 일부 실시양태에서, 산란 기판은 추가의 광 산란 특성을 제공하는 나노구조화된 표면을 추가로 포함한다. 이 특징부는 네가티브 또는 제거 공정, 예컨대 에칭, 및 포지티브 또는 첨가 공정, 예컨대 코팅을 포함해서 관련 분야에서 알려진 임의의 공정에 의해 형성될 수 있다. 추가로, 이 특징부는 표면 상에 랜덤하게 배치될 수 있거나, 또는 유리 내의 산란 특징부를 보충하기 위해 조직화된 또는 정렬된 방식으로 배치될 수 있다.
일부 실시양태에서, 유리 조성물은 산란된 광의 색 조성에서 역할을 할 수 있다. 이것은 균등하지 않은 색 산란이 투입 LED로부터의 거리의 함수로서 산출 광의 색의 변화를 야기할 수 있는 대형 디스플레이에서 특히 중요하다. 색 조성이 결정적으로 중요한 실시양태에서는, 유리 기판이 그 안에 근가시 영역에서 흡수하는 화합물을 최소화하도록 선택될 수 있다. 그러한 화합물은 철 화합물, 황 화합물, 망간 화합물, 구리 화합물, 니켈 화합물, 크롬 화합물 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
디스플레이 응용에서 후면광으로서 이용될 때, 기판 안에 주입되는 광은 상당한 양의 물질을 통해 이동한 후에 산란 기판의 면 밖으로 산란될 수 있다. 일부 경우에서는, 광 흡수를 최소화하는 유리 조성을 선택하는 것이 유리하다. 그러한 경우, 매우 낮은 농도의 전이 금속, 예컨대 철 및 크롬을 갖는 유리 기판이 우월한 투과를 제공할 수 있다. 일부 실시양태에서, 유리 기판은 저-철 유리를 포함하고, 일부 실시양태에서, 기판은 50 ppm 미만의 철 산화물, 또는 20 ppm 미만의 철 산화물, 예컨대 FeO 및 Fe2O3를 포함한다.
실시예
실시예 1 - 본원에 서술된 레이저에 의해 유발된 광 산란 특징부를 355 nm의 나노초 펄스화 Nd:YAG 레이저를 이용해서 생성하였다. 레이저를 30 mm의 유효 초점 거리를 이용해서 이온 교환되지 않은 알칼리 알루미노실리케이트 유리 내부에 2 - 3 ㎛ 반점 크기로 집속시켜 광을 산란하는 손상 반점을 유리 내에 생성하였다. 이 실험에서는 이온 교환되지 않은 알칼리 알루미노실리케이트 유리를 이용하였지만, 유리의 흡수는 이 과정과 무관하기 때문에 내부 집속을 허용하는 임의의 유리를 이용하는 것을 허용한다. 초점에서, 레이저의 각 펄스의 출력의 거의 전부가 유리에 의해 흡수되어 대략 2 - 3 ㎛ 직경의 튜브상 용융된 영역으로 보이는 것을 형성하였다. 일부 예에서, 레이저의 세기는 용융된 영역의 형성 외에 추가로, 주변의 유리 구조 내에 고응력 및 전위된 유리의 영역이 형성되도록 하는 것이다. 이 응력은 튜브 둘레에서 모든 방향으로 방사상 "마이크로균열"의 형성을 야기할 수 있다 (도 10 참조, 여기서 마이크로균열은 대략 20 ㎛임).
흥미롭게도, 산란 특징부는 조명될 때는 고도로 산란성이지만, 조명되지 않을 때는 거의 투명하고, 추가로, 조명되지 않을 때는 최소량의 헤이즈를 생성한다. 이것을 헤이즈 (Y-축) 및 투과율 (Y-축)과 산란 특징부 간격 (X-축)을 비교하는 도 4 및 하기 표 2에 나타내었다.
<표 2>
Figure pct00002
실시예 2 - 표면 근접도가 광 추출에 미치는 영향을 보여주기 위해서 기판의 후면 상에, 유리 안으로 ¾ 깊이에, 유리 안으로 ½ 깊이에, 유리 안으로 ¼ 깊이에 및 전면 표면 상에 10 ㎛ x 100 ㎛ 이격되어 산란 특징부를 배치하였다 (도 3). 상이한 펄스 에너지 (도 3에서 위에서 아래로 150 mW, 200 mW, 및 400 mW), 및 언급한 바와 같이, 5개의 상이한 깊이 (후면 표면 (도 3에 나타낸 기판 중 맨 위), 525 ㎛ 깊이, 350 ㎛, 175 ㎛, 전면 표면 (도 3에 나타낸 기판 중 맨 아래)로 3 개의 0.7 mm 산란 기판을 제조하였다.
실시예 3 - 유리의 가장자리 안으로 광을 주입한 후 광 주입 지점으로부터의 거리에 대해서 90°에서 나오는 복사선의 양을 측정함으로써 감쇠를 측정하였다. 가장 높은 특징부 밀도(10 ㎛ x 10 ㎛, 1,000,000/cm2)에서는, 유리 안으로 ~50 mm까지에서 모든 광이 추출되었다. 그 다음 조밀한 샘플 (20 ㎛ x 10 ㎛, 500,000/cm2)은 유리 안으로 ~80 mm까지에서 모든 광을 추출하였다. 밀도가 강하함에 따라서, 유리의 광 주입 가장자리 가까이에서 추출되는 광의 양은 감소하였지만, 유리의 가장자리로부터 멀리에서 입수가능한 광의 양은 증가하였다 (도 5 참조, 도 5는 광 주입 가장자리로부터의 위치 (밀리미터 (mm))에 대한 광 세기 (W)로서 플롯된 10, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 및 100 ㎛ x 10 ㎛의 산란 특징부 밀도를 나타냄). 그러한 추출률을 이용해서 단측 또는 양측 광 주입 또는 다른 요망되는 패터닝을 위한 균일한 조명에 요구되는 정확한 밀도 구배를 결정할 수 있다.
감쇠 데이터에 기초하여, 0.7 이온 교환되지 않은 알칼리 알루미노실리케이트 유리의 2”x 2”면적 전체에서 균등한 양의 광을 추출하도록 특징부의 구배를 설정할 수 있다. 거의 균등한 구배의 광 추출을 나타내는 샘플로부터 감쇠 데이터를 수집하였다. 특징부 밀도는 광 주입 가장자리에서의 207,000/cm2에서 시작하고, 먼 가장자리에서의 73,000/cm2에서 끝난다. 거의 균등한 구배의 광 추출을 나타내는 샘플로부터 감쇠 데이터를 수집하였다 (도 9). 위에서 언급한 바와 같이 광 추출의 구배는 점 밀도 또는 레이저 출력에 의해 영향받을 수 있다.
실시예 4 - 래디언드 제맥스 (Radiant ZEmax) IS/VA™ (영상화 구/시야각) 기기를 이용해서 시야각 및 휘도 (도 6 및 7) 및 색 변이 (도 8a 및 8b)를 측정하였다. 영상화 구는 코팅된 확산성 저반사성 반구이고, 반구 상에 CCD-기반 광도계 또는 측색계를 가지고, 조명원 (예를 들어, LED, 산란 기판 등) 옆에서 구의 기부 상의 볼록한 거울에 대면한다. 조명원은 반구의 내부 표면을 조명하고, 거울은 검출기가 2π 스테라디안 산출을 본질적으로 전부 보는 것을 허용한다.
라디안 제맥스 IS/VA™ 기기를 이용해서, 예시 산란 기판들은 최대 0.7 Cd/cm2 (7000 Nits)로 대략 57°의 최대 시야각을 나타내었다 (도 6). 휘도 측정은 적색, 녹색 및 청색에 대해 개별적으로 수행하였다 (도 7). 색 변이는 CIE 삼색자극 계산을 이용해서 수동으로 계산하였고, 60 및 70 ㎛ 산란 특징부 간격에 대해 삼색자극값을 이용해서 그래프로 도시하였다 (각각 도 8a 및 8b). CIE 1931 x-값은 0.310 내지 0.314의 범위이고, 이 범위는 0.313 +/- 0.005의 산업 지침 내에 만족하게 속한다. CIE 1931 y-값은 0.306 내지 0.309의 범위이고, 이 범위는 0.329 +/- 0.005의 산업 지침보다 약간 아래이다. 그러나, 디스플레이로부터 방출되는 적색, 녹색 및 청색 광의 실제 양은 전형적으로 색 마스크에 의해 교정된다.
실시예 5 - 특징부가 생성된 0.7 mm 이온 교환되지 않은 알칼리 알루미노실리케이트 유리의 링-온-링 강도 시험에서 나타낸 바와 같이 레이저에 의한 특징부 생성 공정에 의해 유리 기판 강도에 영향을 주었다 (도 11). 형상 값이 대조 샘플의 경우 1.591에서 20 ㎛ x 20 ㎛ 이격된 특징부의 경우 7.118 및 40 ㎛ x 40㎛ 이격된 특징부의 경우 5.061로 증가하였고, 단일 균열 생성 모드를 나타내었다. 스케일 값은 대조 샘플의 경우 188.5에서 20 ㎛ x 20 ㎛ 이격된 특징부의 경우 84.91 및 40 ㎛ x 40 ㎛ 이격된 특징부의 경우 70.16으로 증가하였고, 50% 초과의 강도 강하를 나타내었다. 이 값들은 유의미한 강도 강하를 나타내는 것 같지만, 디스플레이 장치에서 내부적으로 후면광 유닛으로서 이용되고 기계적 구조 내에 함유되는 유리는 커버 유리에 비해 감소된 강도 요건을 가질 것으로 예상된다. 산란 부위를 생성한 후 샘플의 강도를 증가시키기 위해 추가의 노력, 예컨대 템퍼링이 이용될 수 있을 것이고, 이러해서 이 강도 감소는 후가공으로 개선될지도 모른다.
실시예 6 - 저-손실 고투명 유리 (예를 들어, 초 저-철 유리 - 예를 들어, 50 ppm 미만 또는 20 ppm 미만 철 산화물)이 그의 더 적은 색 변이와 함께 높은 투과율 때문에 산란 기판 응용에 이상적이다. 그러나, 그러한 유리에서 손실을 측정하는 것은 특히 기판이 레이저에 의해 유발된 특징부로 개질된 경우에는 난제일 수 있다. 두 면 및 적어도, 서로 반대편에 있는 두 가장자리를 갖는 시트를 포함하는 산란 기판의 경우, 다음 과정에 의해 손실을 측정하는 것이 가능하다:
1) 시준 초연속 레이저원을 구하고, 빔을 기준 빔 및 실험 빔으로 분할한다. 기준 빔을 분광사진기에 커플링된 적분구에 보내서 레이저원 분광 형상에 관한 기준으로 이용한다. 실험 빔 (여전히 시준됨)은 산란 기판의 얇은 가장자리를 통해서 산란 특징부가 존재하지 않는 기판의 부위를 통해서 보내고, 기판의 반대편 가장자리로부터 나온다. 경로 길이는 전체 기판일 수 있거나 또는 유리의 "쿠폰" 또는 부분구역, 예컨대 기판 중 500 mm일 수 있다. 나오는 빔은 제2 분광사진기에 커플링된 제2 적분구 안으로 커플링된다.
2) 기준 빔 및 실험 빔으로부터 얻은 파장의 함수로서 세기의 비는 유리내 신호 측정을 제공한다. 파장 범위는 레이저의 전체 범위일 수 있거나, 또는 부분-영역, 예를 들어 450-800 nm일 수 있다.
3) 샘플을 90°회전시키고, 실험 빔을 기판의 한 면을 통해서 및 제2 면 (마찬가지로 산란 특징부가 존재하지 않음) 밖으로 진행시켜 보내고 제2 분광사진기에 커플링된 제2 적분구 안으로 커플링시킨다. 단계 2)를 반복하여 유리 관통 신호 측정값을 제공한다.
4) 유리 관통 신호에 대한 유리내 신호의 비는 경로로 인한 손실의 측정값을 제공하고, 유리의 반사성 표면을 보상한다.
5) 4)에서 계산된 비로부터 dB 손실을 컴퓨팅할 수 있고, 그 손실로부터 투과를 결정할 수 있었다. 손실은 예를 들어 다음 방정식에 따라서 dB/m로 계산할 수 있다 (거리는 m로 측정한다고 가정함): -10Log(유리내 신호 세기/유리관통 신호 세기)/(유리내 신호의 전파 거리 - 유리 관통 신호의 전파 거리). 500 mm를 통과한 투과 계수 (%)는 예를 들어 방정식 100·10-(dB 손실/m)/20을 이용해서 계산할 수 있다.
상기 공정을 이용해서 측정할 때, 저-손실 유리 산란 기판은 90, 92, 94, 또는 96% 초과의 투과를 가질 수 있었다.
본원의 실시양태를 특별한 측면 및 특징과 관련해서 서술하였지만, 이 실시양태들이 요망되는 원리 및 응용을 예시하는 것에 지나지 않음을 이해해야 한다. 따라서, 예시 실시양태에 많은 변경을 가할 수 있고, 첨부된 청구범위의 정신 및 범위로부터 벗어남이 없이 다른 배열을 고안할 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims (20)

  1. a. 약 0.2 mm 내지 약 3 mm의 두께를 가지며, 임의로 100 ppm 미만의 철 함유 화합물을 포함하는 기판, 및
    b. 기판 내에 위치하며,
    i) 약 5 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 직경을 갖는 기판의 개질된 영역을 포함하고,
    ii) 기판의 개질된 영역의 가장자리부터 가장자리까지 측정할 때 적어도 약 5 ㎛ 이격되어 위치하는
    산란 특징부
    를 포함하고,
    c. 임의로,
    i) 하나 이상의 표면 특징부,
    ii) 하나 이상의 중합체 필름,
    iii) 하나 이상의 무기 필름, 또는
    iv) 하나 이상의 마스크 또는 필터
    중 하나 이상
    을 추가로 포함하는 산란 기판.
  2. 제1항에 있어서, 기판이 유리 기판 또는 유리 세라믹 기판을 포함하는 것인 산란 기판.
  3. 제2항에 있어서, 기판이 유리 기판을 포함하고, 유리 기판이 열적으로 또는 화학적으로 템퍼링된 유리 기판을 포함하는 것인 산란 기판.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 산란 특징부가 약 10 ㎛ 내지 약 50 ㎛의 직경을 갖는 것인 산란 기판.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 산란 특징부가 유리 기판의 개질된 영역의 가장자리부터 가장자리까지 측정할 때 적어도 약 10 ㎛ 이격되어 위치하는 것인 산란 기판.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 영상화 구 및/또는 시야각 기기로 측정할 때 약 40°내지 약 60°의 피크 시야각을 나타내는 산란 기판.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, CIE 1931 표준으로 측정할 때 x에 대해 약 0.015 및 y에 대해 약 0.02의 각 색 변이(angular color shift)를 갖는 산란 기판.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 산란 특징부가 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛ 직경의 용융된 영역 및 용융된 영역 부근의 하나 이상의 균열을 포함하는 기판의 개질된 영역을 포함하는 것인 산란 기판.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 산란 특징부가 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛ 직경의, 기판 내에 생성된 공극 영역, 및 공극 영역 부근의 하나 이상의 균열을 포함하는 기판의 개질된 영역을 포함하는 것인 산란 기판.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 기판이 이온 교환된 유리 기판을 포함하는 것인 산란 기판.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 표면 특징부가 마이크로미터, 서브마이크로미터 또는 나노스케일 특징부인 산란 기판.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 표면 특징부가 기판 내에 또는 기판의 표면 상에 있는 것인 산란 기판.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 기판이 50 ppm 미만의 철 함유 화합물을 포함하는 것인 산란 기판.
  14. 제13항에 있어서, 기판이 20 ppm 미만의 철 산화물을 포함하는 것인 산란 기판.
  15. 제13항에 있어서, 측정된 경로 길이가 500 mm일 때 기판이 450 nm 내지 800 nm에서 90% 초과의 투과를 갖는 것인 산란 기판.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 산란 기판을 포함하는 전자 장치.
  17. 제16항에 있어서, 약 4:3 내지 약 16:9의 폭 대 높이 비를 갖는 디스플레이를 포함하는 전자 장치.
  18. 제17항에 있어서, 디스플레이가 55" 이상의 대각선 길이를 갖는 것인 전자 장치.
  19. a) 약 0.2 mm 내지 약 3 mm의 두께를 가지며, 임의로 100 ppm 미만의 철 함유 화합물을 포함하는 기판을 제공하고,
    b) 펄스화된 레이저를 기판에 집속시킴으로써 유리 기판을 조사하여 기판 내에 하나 이상의 산란 특징부를 형성하고, 여기서
    i) 레이저의 피크 출력은 하나 이상의 산란 특징부를 형성하기에 충분하고,
    ii) 산란 특징부는 기판의 개질된 영역의 가장자리부터 가장자리까지 측정할 때 적어도 약 5 mm 이격되어 위치하고,
    c) 임의로,
    i) 하나 이상의 표면 특징부,
    ii) 하나 이상의 중합체 필름,
    iii) 하나 이상의 무기 필름, 또는
    iv) 하나 이상의 마스크 또는 필터
    중 하나 이상을 추가로 제공하는 것
    을 포함하는, 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 산란 기판의 형성 방법.
  20. 제19항에 있어서, 기판이 유리 기판 또는 유리 세라믹 기판을 포함하는 것인 방법.
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