JP2006003789A - Liquid crystal display element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は液晶表示素子に係り、特に単安定性の強誘電性液晶を用いた液晶表示素子に関する。 The present invention relates to a liquid crystal display element, and more particularly to a liquid crystal display element using monostable ferroelectric liquid crystal.
従来より、表示装置として液晶表示素子が広く使用されており、この液晶表示素子としては、画素毎にスイッチング素子を有するTFT(薄膜トランジスタ)基板を用いたアクティブマトリクス駆動方式であるTFT−TN(Twisted Nematic)方式が主流となっている。また、近年は、液晶表示素子の欠点であった視野角の狭さを改善するため、IPSモード、MVAモード等が開発されるとともに、携帯電話やPDA等のモバイル機器の表示や、パソコンのモニタから、液晶TVモニタへ市場が拡大している。しかし、例えば、TVモニタとして用いられる場合の問題点として、動画を表示する際に、液晶の応答速度が遅いため、動きの速い映像の表示において尾を引いてしまう場合があり、高速化が大きな課題となっていた。 Conventionally, a liquid crystal display element has been widely used as a display device. As this liquid crystal display element, a TFT-TN (Twisted Nematic) which is an active matrix driving method using a TFT (thin film transistor) substrate having a switching element for each pixel. ) Method has become mainstream. In recent years, IPS mode, MVA mode, etc. have been developed in order to improve the narrow viewing angle, which has been a drawback of liquid crystal display elements, as well as mobile device displays such as mobile phones and PDAs, and personal computer monitors. To the LCD TV monitor. However, as a problem when used as a TV monitor, for example, when displaying a moving image, the response speed of the liquid crystal is slow, which may cause a tail to be drawn when displaying a fast-moving image. It was an issue.
一方、強誘電性液晶は、自発分極を有し高速度応答が可能である。強誘電性液晶は、クラークとラガーウォルらによって提唱された非電界印加時に2つの安定状態をもち、メモリー性を有する双安定性のものが広く知られており、これを利用して単純マトリックス駆動による動画表示を行なう液晶表示素子が開発された。このような双安定性の強誘電性液晶を用いたものとして、一対の基板をストライプ状の隔壁構造物を介して接合し、一軸配向処理の方向と隔壁の方向を略平行とした上下基板により形成された微小空間に液晶を封じ込めた液晶ディスプレイ等が報告されている(特許文献1、2)。また、隔壁の方向と層法線方向とがなす角を50±20°とすることにより、双安定性の強誘電性液晶に生じる層法線方向の液晶割れを防止した液晶パネル体が報告されている(特許文献3)。しかし、双安定性の強誘電性液晶は階調表示が難しく、高品位の画像表示が困難なことから、上述のTFT基板の実用化に伴い、注目されなくなった。 On the other hand, the ferroelectric liquid crystal has spontaneous polarization and can respond at high speed. Ferroelectric liquid crystals have two stable states proposed by Clark and Lagerwol when no electric field is applied, and bistable ones with memory properties are widely known. By using this, a simple matrix drive is used. Liquid crystal display elements that display moving images have been developed. By using such a bistable ferroelectric liquid crystal, a pair of substrates are joined via a stripe-shaped partition structure, and the upper and lower substrates have a uniaxial alignment treatment direction and a partition direction substantially parallel to each other. A liquid crystal display or the like in which liquid crystal is confined in the formed minute space has been reported (Patent Documents 1 and 2). In addition, a liquid crystal panel body has been reported that prevents the liquid crystal cracking in the layer normal direction generated in the bistable ferroelectric liquid crystal by setting the angle formed by the partition wall direction and the layer normal direction to 50 ± 20 °. (Patent Document 3). However, since the bistable ferroelectric liquid crystal is difficult to display gradation and difficult to display a high-quality image, it has not attracted attention with the practical application of the TFT substrate described above.
これに対して、電圧非印加時の状態が一つの状態で安定している単安定性の強誘電性液晶は、電圧変化によりアナログ的な階調表示が可能で、TFTによる駆動に適していることから、近年注目されている(非特許文献1)。この単安定性の強誘電性液晶は、通常、降温過程でコレステリック相から、スメクチックA相を経由せずに、直接カイラルスメクチックC相(SmC*)に相転移する液晶物質を使用する。
また、液晶表示素子は、一般的に、透明電極や配向膜を備えた透明基板を微小なセルギャップを介して対向させ、このセルギャップ内に液晶を封入した基本構造を有している。セルギャップは、使用する液晶に対応して所望の大きさで高い精度を確保する必要があり、強誘電性液晶を使用した液晶表示素子では、上記のセルギャップが2μm以下となっている。このような微小なセルギャップを高精度で確保するために、基板間にビーズ、柱状凸部等のスペーサを配設することが行なわれている。
On the other hand, monostable ferroelectric liquid crystal, which is stable in a single state when no voltage is applied, can display analog gradations by voltage change and is suitable for driving by TFT. Therefore, it has been attracting attention in recent years (Non-Patent Document 1). This monostable ferroelectric liquid crystal generally uses a liquid crystal substance that undergoes a phase transition directly from a cholesteric phase to a chiral smectic C phase (SmC *) without passing through a smectic A phase during a temperature drop process.
In general, a liquid crystal display element has a basic structure in which a transparent substrate provided with a transparent electrode and an alignment film is opposed to each other through a minute cell gap, and liquid crystal is sealed in the cell gap. The cell gap needs to have a desired size and high accuracy corresponding to the liquid crystal to be used. In the liquid crystal display element using the ferroelectric liquid crystal, the cell gap is 2 μm or less. In order to ensure such a small cell gap with high accuracy, spacers such as beads and columnar protrusions are provided between the substrates.
しかしながら、上記の単安定性の強誘電性液晶は、セルギャップに封入した状態での均一配向が難しく、層法線方向が異なる領域(ダブルドメイン)が発生し、駆動時に白黒反転した表示になるという問題がある。
このようなダブルドメインを無くしてモノドメインにする方法として、液晶をセルギャップ内に注入した後、コレステリック(Ch)相以上に温度を上げ、直流電圧を印加しながら降温する電界印加徐冷法(非特許文献2)が知られている。
また、モノドメインを得る他の方法として、上下の配向膜の一方にラビング処理を施した配向膜、他方に光配向処理を施した配向膜を配設する方法(特許文献4)が知られている。
However, the above monostable ferroelectric liquid crystal is difficult to be uniformly aligned in a state of being enclosed in a cell gap, and a region (double domain) having a different layer normal direction is generated, resulting in a black and white reversal display during driving. There is a problem.
As a method of eliminating such a double domain to form a monodomain, an electric field applied slow cooling method in which liquid crystal is injected into the cell gap and then raised to a temperature higher than that of the cholesteric (Ch) phase and then lowered while applying a DC voltage (non-patented) Document 2) is known.
Further, as another method for obtaining a monodomain, there is known a method (Patent Document 4) in which an alignment film subjected to rubbing treatment is disposed on one of upper and lower alignment films and an alignment film subjected to photo-alignment treatment is disposed on the other. Yes.
さらに、強誘電性液晶を単安定状態とする方法として、例えば、強誘電性液晶中に重合性のモノマーおよび/またはオリゴマーを少量添加し、直流電界または交流電界を印加しながら重合させる高分子安定化法(特許文献5)が知られている。
しかしながら、ダブルドメインを無くしてモノドメインにする上述の電界印加徐冷法は、製造プロセスが複雑であり、また、一度モノドメインが得られても、相転移点以上に温度が上がると配向が乱れ、再びダブルドメインが現れるため、安定性に欠け実用的ではないという問題があった。また、上述の高分子安定化法は、プロセスが複雑で、駆動電圧が高くなるという問題があった。さらに、上述のラビング/光配向膜を用いる方法では、表示素子の面積が大きくなると、全体に亘って均一にモノドメイン配向を得ることが困難であるという問題があった。 However, the above-described electric field applied slow cooling method that eliminates double domains and makes them monodomains is complicated in the manufacturing process, and even if monodomains are obtained once, the orientation is disturbed when the temperature rises above the phase transition point, and again Since double domains appeared, there was a problem of lack of stability and impracticality. Further, the above-described polymer stabilization method has a problem that the process is complicated and the driving voltage becomes high. Further, the above-described method using a rubbing / photo-alignment film has a problem that it is difficult to obtain monodomain alignment uniformly throughout the entire display element when the area of the display element is increased.
また、上述の双安定性の強誘電性液晶を用いた液晶パネル体を単に利用しても、単安定化された強誘電性液晶のモノドメイン配向を得ることは困難であった。
上記のような問題は表示面積が大きくなる程より顕著となる。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、微小で高精度のセルギャップ内に単安定性の強誘電性液晶を均一なモノドメイン配向で備えた液晶表示素子を提供することを目的とする。
In addition, it is difficult to obtain mono-domain alignment of a mono-stabilized ferroelectric liquid crystal simply by using the liquid crystal panel body using the above-described bistable ferroelectric liquid crystal.
The above problems become more prominent as the display area increases.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a liquid crystal display element including monostable ferroelectric liquid crystal with uniform monodomain alignment in a minute and highly accurate cell gap. For the purpose.
このような目的を達成するために、本発明は、少なくとも一方の基板に配向膜を備えた一対の基板と、該基板間に注入されカイラルスメクチックC相を有する単安定状態を示す液晶物質からなる液晶層と、該液晶層に電界を印加するための電極とを備えた液晶表示素子において、基板間に障壁を同一の方向に延設して複数備えるとともに、スペーサを備え、前記液晶物質は単安定状態における分子方向が前記障壁の延設方向と略同一であるような構成とした。
本発明の他の態様として、隣り合う前記障壁のピッチは0.5〜3mmの範囲であるような構成とした。
In order to achieve such an object, the present invention includes a pair of substrates provided with an alignment film on at least one substrate, and a liquid crystal substance exhibiting a monostable state having a chiral smectic C phase injected between the substrates. In a liquid crystal display device including a liquid crystal layer and an electrode for applying an electric field to the liquid crystal layer, a plurality of barriers extending in the same direction are provided between the substrates, and a spacer is provided. The molecular direction in the stable state was set to be substantially the same as the extending direction of the barrier.
As another aspect of the present invention, the pitch between the adjacent barriers is in the range of 0.5 to 3 mm.
本発明の他の態様として、前記スペーサは柱状凸部であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記障壁と前記柱状凸部は同一材質であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記障壁と前記柱状凸部が一体化されているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記障壁と前記柱状凸部は同時形成されたものであるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記障壁は、基板間距離の50〜100%を占めるような構成とした。
また、前記液晶物質の単安定状態における分子方向と、前記障壁の延設方向の差は0〜5°の範囲内であるような構成とした。
As another aspect of the present invention, the spacer is a columnar convex portion.
As another aspect of the present invention, the barrier and the columnar protrusion are made of the same material.
As another aspect of the present invention, the barrier and the columnar protrusion are integrated.
As another aspect of the present invention, the barrier and the columnar protrusion are formed at the same time.
As another aspect of the present invention, the barrier is configured to occupy 50 to 100% of the distance between the substrates.
In addition, the difference between the molecular direction in the monostable state of the liquid crystal substance and the extending direction of the barrier is in the range of 0 to 5 °.
本発明によれば、液晶層内に延設された複数の障壁が存在することと、この障壁の延設方向が単安定状態における液晶物質の分子方向と略同一であることにより、基板間に注入された液晶物質は配向欠陥の少ないモノドメイン配向の単安定性の強誘電性液晶層となり、高品質な画像表示が可能であるとともに、製造段階での障壁と画素電極との位置合せを行なう必要がなく、工程管理が簡便である。 According to the present invention, there are a plurality of barriers extending in the liquid crystal layer, and the extension direction of the barriers is substantially the same as the molecular direction of the liquid crystal substance in the monostable state, so that The injected liquid crystal material becomes a mono-domain oriented monostable ferroelectric liquid crystal layer with few alignment defects, which enables high-quality image display and aligns the barrier with the pixel electrode in the manufacturing stage. There is no need and process management is simple.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は本発明の液晶表示素子の一実施形態であるフィールドシーケンシャル方式の液晶表示素子を示す概略断面図であり、図2は図1に示される本発明の液晶表示素子を説明するための平面図である。図1および図2において、液晶表示素子1は、画素電極基板2と共通電極基板3とが対向して配設され、両基板間に形成されたセルギャップに注入された液晶物質からなる液晶層4を備え、画素電極基板2の外側にはバックライト6が配設されている。そして、画素電極基板2と共通電極基板3の間には、幅が1〜3μmの範囲である複数の障壁5と、スペーサである複数の柱状凸部7を備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a field sequential type liquid crystal display element as an embodiment of the liquid crystal display element of the present invention, and FIG. 2 is a plan view for explaining the liquid crystal display element of the present invention shown in FIG. FIG. 1 and 2, a liquid crystal display element 1 includes a liquid crystal layer made of a liquid crystal material in which a
尚、図2は、共通電極基板3側からの平面図であり、障壁5と柱状凸部7のみを残して共通電極基板3を取り去った状態を示している。また、図2では、画素電極基板2の後述する配向膜17は示していない。
画素電極基板2は、基材11の一方の面に偏光フィルム12を備え、他方の面に画素電極13、この画素電極13に接続されたスイッチング素子であるTFT(薄膜トランジスタ)14、TFT14に接続された走査線15、信号線16を備え、これらを覆うように配向膜17を備えている。
FIG. 2 is a plan view from the
The
また、共通電極基板3は、基材21の一方の面に偏光フィルム22を備え、他方の面に共通電極23を備え、この共通電極23上にピッチPで延設した複数の障壁5と、スペーサである複数の柱状凸部7と、配向膜24とを備えている。図示例では、複数の障壁5は信号線16と平行(図2の矢印a方向)に延設されており、この延設方向は、単安定状態における液晶物質の分子方向と略同一である。
The
上記の基材11、21としては、石英ガラス、パイレックスガラス、合成石英板等の可撓性のない透明なリジッド材、あるいは、透明樹脂フィルム、光学用樹脂板等の可撓性を有する透明なフレキシブル材、こられの複合材を使用することができる。基材11,21の厚みは、材料、液晶表示素子の使用状況等を考慮して設定することができ、例えば、0.1〜1.0mm程度とすることができる。
また、画素電極13、共通電極23は、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO)等、および、その合金等を用いて、スパッタリング法、真空蒸着法、CVD法等の一般的な成膜方法により形成することができる。このような電極の厚みは、0.05〜0.2μmの範囲で適宜設定することができる。
As the above-mentioned
The
また、上記の配向膜17、24は、一軸配向処理が施されており、画素電極基板2と共通電極基板3は、各配向膜17、24の配向方向が互いに略平行となるように対向している。配向膜17、24の一軸配向処理は、光配向処理が好ましく、ラビング処理では、障壁5の近傍における配向処理が十分に行なえず、配向不良を生じ易くなる。このような配向不良は、黒表示の際の光漏れの原因となり、画像コントラストの低下を来たし好ましくない。尚、本発明の液晶表示素子では、上記の配向膜17、24が同じ配向膜、例えば、光配向処理を施した配向膜であってもよく、また、配向膜17、24が異なる配向膜(使用する材料および/または配向処理方法が異なる配向膜)であってもよい。さらに、配向膜を画素電極基板2と共通電極基板3のいずれか一方に備えるものであってもよい。
光配向処理を施す配向膜としては、例えば、下記一般式(1)に示す光二量化型配向膜を使用することができる。
The
As the alignment film subjected to the photo-alignment treatment, for example, a photodimerized alignment film represented by the following general formula (1) can be used.
上記一般式(1)において、R1は−A−(Z1−B)z−Z2−で表される基であり、R2は−A−(Z1−B)z−Z3−で表される基である。ここで、AおよびBは、それぞれ独立して、共有単結合、ピリジン−2,5−ジイル、ピリミジン−2,5−ジイル、1,4−シクロヘキシレン、1,3−ジオキサン−2,5−ジイル、または置換基を有していてもよい1,4−フェニレンを表す。また、Z1およびZ2は、それぞれ独立して、共有単結合、−CH2−CH2−、−CH2O−、−OCH2−、−CONR−、−RNCO−、−COO−または−OOC−を表す。Rは、水素原子または低級アルキル基であり、Z3は、水素原子、置換基を有していてもよい炭素数1〜12のアルキルまたはアルコキシ、シアノ、ニトロ、ハロゲンである。zは、0〜4の整数である。Cは、光二量化反応部位を表し、例えば、ケイ皮酸エステル、クマリン、キノリン、カルコン基、シンナモイル基等が挙げられる。jおよびkは、それぞれ独立して、0または1である。 In the general formula (1), R 1 is a group represented by -A- (Z 1 -B) z -Z 2- , and R 2 is -A- (Z 1 -B) z -Z 3-. It is group represented by these. Here, A and B are each independently a covalent single bond, pyridine-2,5-diyl, pyrimidine-2,5-diyl, 1,4-cyclohexylene, 1,3-dioxane-2,5- Diyl or 1,4-phenylene which may have a substituent is represented. Z 1 and Z 2 are each independently a covalent single bond, —CH 2 —CH 2 —, —CH 2 O—, —OCH 2 —, —CONR—, —RNCO—, —COO— or — Represents OOC-. R is a hydrogen atom or a lower alkyl group, and Z 3 is a hydrogen atom, an optionally substituted alkyl having 1 to 12 carbon atoms, alkoxy, cyano, nitro, or halogen. z is an integer of 0-4. C represents a photodimerization reaction site, and examples thereof include cinnamic acid ester, coumarin, quinoline, chalcone group, cinnamoyl group and the like. j and k are each independently 0 or 1.
上記の一般式(1)で示される光二量化型配向膜の中で、より好ましいものとして、下記の構造式1〜4で示されるものを挙げることができる。 Among the photodimerized alignment films represented by the above general formula (1), more preferred are those represented by the following structural formulas 1 to 4.
上記の構造式1〜4において、R11は−A1−(Z11−B1)t−Z12−を表し、A1およびB1は、1,4−フェニレン、共有単結合、ピリジン−2,5−ジイル、ピリミジン−2,5−ジイル、1,4−シクロヘキシレン、または1,3−ジオキサン−2,5−ジイルを表す。また、Z11およびZ12は、それぞれ独立して、共有単結合、−CH2−CH2−、−CH2O−、−COO−、または−OOC−を表す。tは、0〜4の整数である。nは4〜30000の整数である。 In the above structural formulas 1 to 4, R 11 represents —A 1 — (Z 11 —B 1 ) t —Z 12 —, and A 1 and B 1 represent 1,4-phenylene, a covalent single bond, pyridine- It represents 2,5-diyl, pyrimidine-2,5-diyl, 1,4-cyclohexylene, or 1,3-dioxane-2,5-diyl. Z 11 and Z 12 each independently represent a covalent single bond, —CH 2 —CH 2 —, —CH 2 O—, —COO—, or —OOC—. t is an integer of 0-4. n is an integer of 4 to 30,000.
また、光配向処理を施す配向膜として、例えば、下記の構造式5〜7で示す光異性化型配向膜も使用することができる。
Moreover, as an alignment film which performs a photo-alignment treatment, for example, a photoisomerization type alignment film represented by the following
共通電極基板3の共通電極23上に延設された障壁5は、画素電極基板2と共通電極基板3との間に形成されたセルギャップに注入された液晶物質を、配向欠陥の少ないモノドメイン配向の単安定性の強誘電性液晶層とするための部材である。この障壁5の幅Wは1〜3μm、好ましくは1.5〜2.5μmの範囲とすることができ、障壁5の幅Wの幅が1μm未満であると、障壁5の強度が不充分となり、3μmを超えると、障壁5が原因となる表示画面におけるライン状の欠陥が顕著となり、画像品質の低下を来たす。障壁5の幅Wを上記の範囲に設定することにより、画素中に障壁5が存在しても欠陥として認識され難くなり、高品質な画像表示が可能である。
The
隣り合う障壁5のピッチPは0.5〜3mm、好ましくは0.8〜2.5mmの範囲とすることができ、障壁5のピッチPが0.5mm未満であると、障壁5が原因となる表示画面におけるライン状の欠陥が多くなり、画像品質の低下を来たし、また、3mmを超えると、注入された液晶物質の均一な配向が困難となる。
The pitch P of the
このような障壁5の高さは、画素電極基板2と共通電極基板3とのセルギャップ(基板間距離)の設定値に対応して設定することができ、セルギャップの50〜100%となるように設定することができる。障壁5の高さがセルギャップの50%未満であると、配向欠陥が生じ易く、液晶層4を均一なモノドメイン配向の強誘電性液晶層とすることができない。本発明の液晶表示素子1では、画素電極基板2と共通電極基板3とのセルギャップを高い精度で確保するために、基板間にビーズ、柱状凸部等のスペーサを配設することができ、また、障壁5の高さをセルギャップの100%に設定してスペーサの作用を兼ねさせることもできる。
The height of the
尚、図示例では、説明を容易とするために、画素電極13等と障壁5との位置や寸法の関係は便宜的に示してある。図示例では、画素電極13の配列4本毎に1本の障壁5が矢印a方向に延設されているが、例えば、画素電極13の配列ピッチが128μmで、障壁5のピッチPが1.5mmである場合には、画素電極13の配列約12本毎に1本の障壁5が存在することになる。
In the illustrated example, for ease of explanation, the relationship between the positions and dimensions of the
上記の障壁5は、例えば、2P(Photo Polymerization)法、フォトリソグラフィー法等の公知の方法により形成することができる。2P法では、例えば、エチレングリコール(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、プロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ヘキサングリコールジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、グリセリンジ(メタ)アクリレート、グリセリントリジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンジ(メタ)アクリレート、1,4−ブタンジオールジアクリレート、ペンタエリスリトール(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールペンタ(メタ)アクリレート等のモノマー、ウレタンアクリレート、エポキシアクリレート、ポリエステルアクリレート、エポキシ、ビニルエーテル、ポリエン・チオール系等のオリゴマー、光二量化反応を起こすポリビニル桂皮酸系樹脂等の光架橋型ポリマー等を基材21上に塗布し、障壁形成用の原版を塗布膜に圧着した状態で紫外線を照射して硬化させ、その後、原版を剥離することにより障壁5を形成する。また、フォトリソグラフィー法では、上述の2P法で例示したような材料を基材21上に塗布し、障壁形成用の所望のフォトマスクを介して塗布膜を露光し、その後、現像することにより障壁5を形成する。特に2P法は幅が2μm以下の極めて薄い障壁を形成するのに適している。尚、上記の(メタ)アクリレートとは、アクリレートあるいはメタクリレートを意味する。
Said
また、液晶表示素子1を構成する柱状凸部7は、画素電極基板2と共通電極基板3との間に高い精度で所定のセルギャップを形成するためのものであり、高さは1.2〜3μmの範囲で適宜設定することができる。この柱状凸部7の形状は、円柱形状、截頭円錐形状、角柱形状、截頭角柱形状等、特に制限はされず、配設密度は1mm平方に1〜20個程度とすることができる。この柱状凸部7も、2P法、フォトリソグラフィー法等の公知の方法により形成することができ、上述の障壁5と同一の材質であってもよい。障壁5と柱状凸部7を同一材質とすることにより、両者の熱挙動が同じものとなり、液晶表示素子内での応力集中が抑制され好ましい。また、上述の障壁5と柱状凸部7を同じ形成方法により同時に形成することにより、工程をより簡便なものとすることができる。
Further, the columnar
液晶表示素子1を構成する液晶層4の液晶物質は、液体相でセルギャップに注入され、コレステリック相から、スメクチックA相を経由せずに、直接カイラルスメクチックC相(SmC*)に相転移されたものである。この液晶物質の単安定状態における分子方向を、上述の障壁5の延設方向に対して略平行、好ましくは分子方向と障壁5の延設方向の差を0〜5°の範囲とすることにより、障壁5の作用によって、液晶物質は電界無印加状態で分子軸が均一にモノドメイン配向した単安定状態をとる。尚、本発明では、層法線方向が同じ領域の面積が全面積に占める割合が95%以上である場合を「均一にモノドメイン配向した単安定状態」とする。このように、単安定状態における液晶物質の分子方向を障壁5の延設方向に対して略平行とするには、使用する液晶物質に応じて配向膜17、24の一軸配向の方向を適宜設定すればよい。
The liquid crystal material of the
液晶表示素子1を構成するバックライト6は、例えば、画素電極基板2と対向するように赤(R)、緑(G)、青(B)の各色を発光するLEDを複数配設し、これらと画素電極基板2との間に光拡散板を配置したものとすることができる。また、画素電極基板2と対向するよう光拡散板のみを配置し、R、G、BのLEDを光拡散板の側端部に導光板を介して配設したものとしてもよい。
The backlight 6 constituting the liquid crystal display element 1 includes, for example, a plurality of LEDs that emit red (R), green (G), and blue (B) light so as to face the
本発明の液晶表示素子1では、基板間にスペーサとして柱状凸部を配設しているが、ビーズ等の他のスペーサを配設してもよく、2種以上のスペーサを組み合わせて配設してもよい。
また、本発明では、図3に示すように、障壁5の延設方向に沿って柱状凸部7が一体的に設けられたものとしてもよい。このように障壁5と柱状凸部7とを一体化することにより、障壁5の幅を極めて小さくしても、障壁5の強度を確保することができる。このような柱状凸部7と一体化された障壁5の材料、形成方法は、上述の障壁5の説明と同様である。尚、この場合も、障壁5と一体化されていない柱状凸部やビーズ等をスペーサとして基板間に配設してもよい。
In the liquid crystal display element 1 of the present invention, columnar convex portions are disposed as spacers between the substrates, but other spacers such as beads may be disposed, and two or more kinds of spacers are disposed in combination. May be.
Moreover, in this invention, as shown in FIG. 3, it is good also as that in which the columnar
上述の実施形態では、障壁5および柱状凸部7は共通電極基板3の共通電極23上に設けられているが、共に画素電極基板2の画素電極13上等に設けてもよく、また、一方を画素電極基板2に設け、他方を共通電極基板3に設けてもよい。また、障壁5の延設方向(図2の矢印a方向)は信号線16と平行であるが、信号線16に対して所望の角度で交叉するように障壁5を延設してもよい。
また、液晶層4は、液晶物質を液体相でセルギャップに注入する方法の他に、障壁5を形成した共通電極基板3上に所定量の液晶物質を液体相で滴下し、その後、真空中で画素電極基板2を接合することにより形成してもよい。この場合、障壁5の高さを、セルギャップの100%未満、50%以上に設定することにより、滴下する液晶物質の総量を管理するのみでよく、各障壁で区画された個々の領域内に滴下する液晶物質量の制御が不要であり、工程管理が容易となる。
In the above-described embodiment, the
In addition to injecting the liquid crystal material into the cell gap in the liquid phase, the
上述の実施形態は、バックライトとしてR、G、Bを個別の光源(LED)として使用したものであるが、R、G、Bを連続的に切り換えて発光可能な光源をバックライトとして使用してもよい。また、本発明の液晶表示素子の方式は、フィールドシーケンシャル方式に限定されるものではなく、カラーフィルタを用いてカラー表示を行なう液晶表示素子であってもよい。 In the above-described embodiment, R, G, and B are used as individual light sources (LEDs) as a backlight. However, a light source that can emit light by continuously switching R, G, and B is used as a backlight. May be. The method of the liquid crystal display element of the present invention is not limited to the field sequential method, and may be a liquid crystal display element that performs color display using a color filter.
また、本発明の液晶表示素子では、液晶物質と接触する面の平坦性を得るために、TFT14、走査線15、信号線16上にオーバーコート層を設け、このオーバーコート層を介して配向膜を形成することが好ましい。オーバーコート層の材料としては、透明(可視光透過率50%以上)材料により形成することができる。具体的には、アクリレート系、メタクリレート系の反応性ビニル基を有する光硬化型樹脂、熱硬化型樹脂や、ポリシロキサン等の透明酸化物を使用することができる。また、透明樹脂として、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリレート、ポリカーボネート、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリ塩化ビニル樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、アルキド樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、マレイン酸樹脂、ポリアミド樹脂等を使用することができる。
Further, in the liquid crystal display element of the present invention, in order to obtain flatness of the surface in contact with the liquid crystal substance, an overcoat layer is provided on the
オーバーコートの形成は、上記の樹脂材料が液体の場合、スピンコート、ロールコート、キャストコート等の方法で塗布して成膜し、光硬化型樹脂は紫外線照射後に必要に応じて熱硬化させ、熱硬化型樹脂は成膜後そのまま硬化させる。また、使用材料がフィルム状に成形されている場合、直接、あるいは、粘着剤を介して貼着することができる。このようなオーバーコート層の厚みは、例えば、0.1μm以下で設定することが好ましい。 When the above resin material is liquid, the overcoat is formed by applying a film by spin coating, roll coating, cast coating, or the like, and the photocurable resin is thermally cured as necessary after ultraviolet irradiation. The thermosetting resin is cured as it is after film formation. Moreover, when the material used is shape | molded in the film form, it can stick directly or via an adhesive. The thickness of such an overcoat layer is preferably set to 0.1 μm or less, for example.
次に、より具体的な実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
[実施例1]
表面に酸化インジウムスズ(ITO)薄膜を形成した2枚のガラス基板を準備した。上記のガラス基板の1枚のITO薄膜上に、感光性樹脂材料(JSR(株)製 NN780)をスピンコート法(2000r.p.m.、10秒間)により塗布し、真空乾燥を行い、ホットプレートで90℃、3分間乾燥を行なった。その後、フォトリソグラフィー法により幅1.5μm、ピッチ1mmのストライプ状にパターニングした後、10μm角の柱状凸部を配設密度4(個/mm平方)でパターニングし、270℃で30分間焼成した。これにより高さ1.5μmの障壁と柱状凸部をガラス基板のITO薄膜上に形成した。次いで、障壁、柱状凸部が形成されたITO薄膜上に、感光性樹脂材料(JSR(株)製 NN780)を酢酸三メトキシブチル(溶媒)で10倍に希釈して調製した塗布液を、スピンコート法(2000r.p.m.、10秒間)により塗布し、真空乾燥を行い、ホットプレートで90℃、3分間乾燥を行ない、紫外線照射後、230℃、30分間焼成し、厚さ150nmのオーバーコート層を形成して、共通電極基板を得た。
Next, the present invention will be described in more detail by showing more specific examples.
[Example 1]
Two glass substrates having an indium tin oxide (ITO) thin film formed on the surface were prepared. A photosensitive resin material (NN780 manufactured by JSR Co., Ltd.) was applied on one ITO thin film of the glass substrate by spin coating (2000 rpm, 10 seconds), vacuum-dried, and heated on a hot plate. Drying was performed at 3 ° C. for 3 minutes. Then, after patterning into a stripe shape having a width of 1.5 μm and a pitch of 1 mm by a photolithography method, columnar convex portions having a 10 μm square were patterned at an arrangement density of 4 (pieces / mm square) and baked at 270 ° C. for 30 minutes. As a result, a barrier having a height of 1.5 μm and columnar protrusions were formed on the ITO thin film of the glass substrate. Next, a coating solution prepared by diluting a photosensitive resin material (NN780 manufactured by JSR Corporation) 10 times with trimethoxybutyl acetate (solvent) on an ITO thin film on which barriers and columnar protrusions are formed is spin-coated. Apply by coating method (2000 rpm, 10 seconds), vacuum dry, dry on hot plate at 90 ° C. for 3 minutes, irradiate with ultraviolet light, baked at 230 ° C. for 30 minutes, 150 nm thick overcoat layer To obtain a common electrode substrate.
また、他のガラス基板上に、走査線としてのx電極(線幅8μm)、および、これに直交する方向に信号線としてのy電極(線幅8μm)を、それぞれピッチ102μmで形成した。また、x電極とy電極で囲まれた画素領域に、酸化インジウムスズ(ITO)薄膜からなる画素電極とTFTスイッチング素子を形成した。画素電極の幅は55μmとした。次いで、画素電極を覆うようにガラス基板全面に、感光性樹脂材料(JSR(株)製 NN780)を酢酸三メトキシブチル(溶媒)で10倍に希釈して調製した塗布液を、スピンコート法(2000r.p.m.、10秒間)により塗布し、真空乾燥を行い、ホットプレートで90℃、3分間乾燥を行ない、紫外線照射後、230℃、30分間焼成し、厚さ150nmのオーバーコート層を形成して、画素電極基板を得た。 Further, on another glass substrate, an x electrode (line width 8 μm) as a scanning line and a y electrode (line width 8 μm) as a signal line in a direction orthogonal to the scanning line were formed at a pitch of 102 μm. In addition, a pixel electrode made of an indium tin oxide (ITO) thin film and a TFT switching element were formed in a pixel region surrounded by the x electrode and the y electrode. The width of the pixel electrode was 55 μm. Next, a coating solution prepared by diluting a photosensitive resin material (NN780 manufactured by JSR Corporation) 10 times with trimethoxybutyl acetate (solvent) over the entire surface of the glass substrate so as to cover the pixel electrode is spin-coated ( 2000 rpm, 10 seconds), vacuum drying, drying at 90 ° C. for 3 minutes on a hot plate, irradiation with ultraviolet rays and baking at 230 ° C. for 30 minutes to form a 150 nm thick overcoat layer Thus, a pixel electrode substrate was obtained.
次いで、上述のように作製した両基板のオーバーコート層上に、下記の構造式Aで示される化合物Aをシクロペンタノンに溶解(2重量%)した配向膜用塗布液をスピンコート法(4000r.p.m.、30秒間)により塗布し、オーブンで180℃、10分間乾燥を行なった。 Next, on the overcoat layers of both substrates prepared as described above, an alignment film coating solution in which compound A represented by the following structural formula A is dissolved in cyclopentanone (2 wt%) is spin-coated (4000 r). .pm for 30 seconds) and dried in an oven at 180 ° C. for 10 minutes.
その後、偏光紫外線光で100mJ露光して光配向処理を施し、配向膜を形成した。尚、この光配向処理は、配向方向の異なる6種の処理(ガラス基板が偏光に対して−5°、0°、5°、15°、25°、40°となる方向から照射する6種の処理)を設定した。
次に、障壁を形成していないガラス基板の周縁部にシール材を塗布し、障壁を形成したガラス基板との関係が、上記の偏光紫外線照射方向と平行かつアンチパラレルの状態となるように両基板を対向させ、熱圧着した。その結果、共通電極の障壁と柱状凸部は画素電極上に存在するものとなった。
Then, 100 mJ exposure was carried out with polarized ultraviolet light, and the photo-alignment process was performed, and the alignment film was formed. This photo-alignment treatment includes six types of treatments with different orientation directions (six types of irradiation from directions where the glass substrate is −5 °, 0 °, 5 °, 15 °, 25 °, 40 ° with respect to polarized light). Was set.
Next, a sealing material is applied to the periphery of the glass substrate on which the barrier is not formed, and both are set so that the relationship with the glass substrate on which the barrier is formed is parallel and antiparallel to the polarized ultraviolet irradiation direction. The substrates were opposed and thermocompression bonded. As a result, the barrier and columnar protrusions of the common electrode are present on the pixel electrode.
次いで、両ガラス基板のセルギャップ内に液晶を注入するための注入口を、障壁の延設方向の一端に設け、この注入口の上部に、液晶物質(クラリアント社製 R2301)を付着し、真空オーブンを用いて、ネマチック相−等方転移温度より20℃高い温度でセルギャップ内に注入した。注入後、液晶物質を徐冷して常温に戻して、液晶表示素子を得た。
これにより6種の試料を作製した。これらの各試料について、液晶の分子方向を測定(クロスニコルに配置した2枚の偏光板の間に試料を配置し、試料を回転して、最も暗くなる方向が分子の配向方向を示す)した結果、障壁の延設方向と液晶物質の分子方向との差は、各試料において、0°、5°、10°、20°、30°、45°であった。
Next, an inlet for injecting liquid crystal into the cell gap of both glass substrates is provided at one end in the barrier extending direction, and a liquid crystal substance (Clariant R2301) is attached to the upper part of the inlet, and vacuum is applied. Using an oven, it was injected into the cell gap at a temperature 20 ° C. higher than the nematic phase-isotropic transition temperature. After the injection, the liquid crystal material was gradually cooled to room temperature to obtain a liquid crystal display element.
This produced six types of samples. As a result of measuring the molecular direction of the liquid crystal for each of these samples (disposing the sample between two polarizing plates arranged in crossed Nicols, rotating the sample, the darkest direction indicates the molecular orientation direction), The difference between the extending direction of the barrier and the molecular direction of the liquid crystal substance was 0 °, 5 °, 10 °, 20 °, 30 °, and 45 ° in each sample.
また、各試料の液晶層の配向状態を偏光顕微鏡により観察した結果、障壁の延設方向と液晶物質の分子方向との差が0°、5°の試料において、液晶層が均一なモノドメイン配向の単安定性の強誘電性液晶であることが確認された。尚、層法線方向が同じ領域の面積が全面積に占める割合が95%以上である場合を「均一なモノドメイン配向の単安定性の強誘電性液晶」とし、上記の2点の試料では、層法線方向が同じ領域の占有面積が98%であった。
また、上記の2種の試料(障壁の延設方向と液晶物質の分子方向との差が0°、5°の試料)の画素電極基板の走査線および信号線に、TFTスイッチング素子駆動のための電圧印加を行なった。すなわち、画素電極に+5Vおよび−5Vの矩形電圧を180Hzの周波数で印加したところ、全面にわたって均一な表示が得られた。また、同様に、画素電極に+3V、−3Vの矩形電圧を180Hzの周波数で印加した場合も、全面にわたって均一な表示が得られた。
Moreover, as a result of observing the alignment state of the liquid crystal layer of each sample with a polarizing microscope, the liquid crystal layer has a uniform monodomain alignment in the sample where the difference between the barrier extension direction and the molecular direction of the liquid crystal substance is 0 ° and 5 °. This was confirmed to be a monostable ferroelectric liquid crystal. In addition, the case where the ratio of the area of the region having the same layer normal direction to the total area is 95% or more is referred to as “monostable ferroelectric liquid crystal with uniform monodomain alignment”. The area occupied by the same layer normal direction was 98%.
In addition, in order to drive the TFT switching element, the scanning line and the signal line of the pixel electrode substrate of the above two types of samples (samples in which the difference between the barrier extension direction and the molecular direction of the liquid crystal substance is 0 °, 5 °) The voltage was applied. That is, when a rectangular voltage of +5 V and −5 V was applied to the pixel electrode at a frequency of 180 Hz, a uniform display was obtained over the entire surface. Similarly, even when a rectangular voltage of +3 V or -3 V was applied to the pixel electrode at a frequency of 180 Hz, a uniform display was obtained over the entire surface.
しかし、障壁の延設方向と液晶物質の分子方向との差が10°の試料では、一部にダブルドメイン配向がみられ(層法線方向が同じ領域の占有面積が85%)、20°、30°、45°の各試料では、液晶層がダブルドメイン配向(層法線方向が同じ領域の占有面積が70%以下)であった。また、これらの試料の画素電極に+5Vおよび−5Vの矩形電圧を180Hzの周波数で印加した場合、特に表示上の異常はみられなかったが、+3Vおよび−3Vの矩形電圧を180Hzの周波数で印加したところ、ダブルドメインの境界部分で、白いスジ状の欠陥が多数観測された。 However, in the sample in which the difference between the barrier extension direction and the molecular direction of the liquid crystal material is 10 °, double domain alignment is partially observed (occupation area of the region having the same layer normal direction is 85%), and 20 °. In each of the 30 ° and 45 ° samples, the liquid crystal layer was in a double domain orientation (occupied area of the region having the same layer normal direction was 70% or less). In addition, when + 5V and -5V rectangular voltages were applied to the pixel electrodes of these samples at a frequency of 180 Hz, no abnormal display was observed, but +3 V and -3 V rectangular voltages were applied at a frequency of 180 Hz. As a result, many white streak-like defects were observed at the boundary of the double domain.
[実施例2]
障壁と柱状凸部の形成を以下のように行なった他は、実施例1と同様にして、液晶表示素子を作製した。但し、光配向処理は、障壁の延設方向と液晶物質の分子方向との差が0°となる条件に設定した。
障壁と柱状凸部の形成は、まず、ガラス基板のITO薄膜上に、感光性樹脂材料(JSR(株)製 NN780)をスピンコート法(2000r.p.m.、10秒間)により塗布し、真空乾燥を行い、ホットプレートで90℃、3分間乾燥を行なった。その後、フォトリソグラフィー法により幅1.5μm、ピッチ1mmのストライプと、10μm角の柱状凸部(配設密度4(個/mm平方))とをパターニングし、230℃で30分間焼成した。これにより高さ1.5μmの障壁と柱状凸部をガラス基板のITO薄膜上に形成した。
[Example 2]
A liquid crystal display device was produced in the same manner as in Example 1 except that the barriers and the columnar protrusions were formed as follows. However, the photo-alignment treatment was set to a condition where the difference between the barrier extension direction and the molecular direction of the liquid crystal substance was 0 °.
In order to form the barriers and the columnar protrusions, first, a photosensitive resin material (NN780 manufactured by JSR Corporation) is applied onto the ITO thin film of the glass substrate by spin coating (2000 rpm, 10 seconds), and then vacuum drying is performed. And dried on a hot plate at 90 ° C. for 3 minutes. Thereafter, stripes having a width of 1.5 μm and a pitch of 1 mm and columnar convex portions having 10 μm square (arrangement density of 4 (pieces / mm square)) were patterned by photolithography and baked at 230 ° C. for 30 minutes. As a result, a barrier having a height of 1.5 μm and columnar protrusions were formed on the ITO thin film of the glass substrate.
上述のように作製した液晶表示素子のセルギャップ内に形成された液晶層は、均一なモノドメイン配向(層法線方向が同じ領域の占有面積が98%)の単安定性の強誘電性液晶であることが確認された。
また、上記の試料の画素電極に+5Vおよび−5Vの矩形電圧を180Hzの周波数で印加したところ、全面にわたって均一な表示が得られた。さらに、同様に、画素電極に+3V、−3Vの矩形電圧を180Hzの周波数で印加した場合も、全面にわたって均一な表示が得られた。
The liquid crystal layer formed in the cell gap of the liquid crystal display device manufactured as described above is a monostable ferroelectric liquid crystal with uniform monodomain alignment (occupied area of the same layer normal direction is 98%). It was confirmed that.
Further, when a rectangular voltage of +5 V and −5 V was applied to the pixel electrode of the sample at a frequency of 180 Hz, a uniform display was obtained over the entire surface. Similarly, even when + 3V and -3V rectangular voltages were applied to the pixel electrodes at a frequency of 180 Hz, uniform display was obtained over the entire surface.
[実施例3]
障壁と柱状凸部の形成を以下のように行なった他は、実施例1と同様にして、液晶表示素子を作製した。但し、光配向処理は、障壁の延設方向と液晶物質の分子方向との差が0°となる条件に設定した。
障壁と柱状凸部の形成は、まず、ガラス基板のITO薄膜上に、感光性樹脂材料(JSR(株)製 NN780)をスピンコート法(2000r.p.m.、10秒間)により塗布し、真空乾燥を行い、ホットプレートで90℃、3分間乾燥を行なった。その後、フォトリソグラフィー法により、図3に示すように、幅1.5μm、ピッチ1mmのストライプ上に、半径5μmの柱状凸部(配設密度4(個/mm平方))を同時にパターニングし、270℃で30分間焼成した。これにより柱状凸部と一体となった高さ1.5μmの障壁をガラス基板のITO薄膜上に形成した。
[Example 3]
A liquid crystal display device was produced in the same manner as in Example 1 except that the barriers and the columnar protrusions were formed as follows. However, the photo-alignment treatment was set to a condition where the difference between the barrier extension direction and the molecular direction of the liquid crystal substance was 0 °.
In order to form the barriers and the columnar protrusions, first, a photosensitive resin material (NN780 manufactured by JSR Corporation) is applied onto the ITO thin film of the glass substrate by spin coating (2000 rpm, 10 seconds), and then vacuum drying is performed. And dried on a hot plate at 90 ° C. for 3 minutes. Thereafter, as shown in FIG. 3, columnar convex portions (arrangement density 4 (pieces / mm square)) having a radius of 5 μm are simultaneously patterned by photolithography on a stripe having a width of 1.5 μm and a pitch of 1 mm. Baked at 30 ° C. for 30 minutes. As a result, a barrier having a height of 1.5 μm integrated with the columnar protrusion was formed on the ITO thin film of the glass substrate.
上述のように作製した液晶表示素子のセルギャップ内に形成された液晶層は、均一なモノドメイン配向(層法線方向が同じ領域の占有面積が98%)の単安定性の強誘電性液晶であることが確認された。
また、上記の試料の画素電極に+5Vおよび−5Vの矩形電圧を180Hzの周波数で印加したところ、全面にわたって均一な表示が得られた。さらに、同様に、画素電極に+3V、−3Vの矩形電圧を180Hzの周波数で印加した場合も、全面にわたって均一な表示が得られた。
The liquid crystal layer formed in the cell gap of the liquid crystal display device manufactured as described above is a monostable ferroelectric liquid crystal with uniform monodomain alignment (occupied area of the same layer normal direction is 98%). It was confirmed that.
Further, when a rectangular voltage of +5 V and −5 V was applied to the pixel electrode of the sample at a frequency of 180 Hz, a uniform display was obtained over the entire surface. Similarly, even when + 3V and -3V rectangular voltages were applied to the pixel electrodes at a frequency of 180 Hz, uniform display was obtained over the entire surface.
[比較例]
障壁の厚みを4μmとした他は、実施例1と同様にして、液晶表示素子を作製した。但し、光配向処理は、障壁の延設方向と液晶物質の分子方向との差が0°となる条件に設定した。
上述のように作製した液晶表示素子のセルギャップ内に形成された液晶層は、均一なモノドメイン配向(層法線方向が同じ領域の占有面積が98%)の単安定性の強誘電性液晶であることが確認された。
しかし、上記の試料の画素電極に+5Vおよび−5Vの矩形電圧を180Hzの周波数で印加したところ、ストライプ状のムラが観察された。
[Comparative example]
A liquid crystal display device was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the barrier was 4 μm. However, the photo-alignment treatment was set to a condition where the difference between the barrier extension direction and the molecular direction of the liquid crystal substance was 0 °.
The liquid crystal layer formed in the cell gap of the liquid crystal display device manufactured as described above is a monostable ferroelectric liquid crystal with uniform monodomain alignment (occupied area of the same layer normal direction is 98%). It was confirmed that.
However, when a rectangular voltage of +5 V and −5 V was applied to the pixel electrode of the above sample at a frequency of 180 Hz, stripe-like unevenness was observed.
本発明は単安定性の強誘電性液晶を有する液晶表示素子に適用することができる。 The present invention can be applied to a liquid crystal display element having a monostable ferroelectric liquid crystal.
1…液晶表示素子
2…画素電極基板
3…共通電極基板
4…液晶層
5…障壁
6…バックライト
7…柱状凸部
11,21…基材
12,22…偏光フィルム
13…画素電極
14…TFT
15…走査線
16…信号線
17,24…配向膜
23…共通電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Liquid
DESCRIPTION OF
Claims (8)
基板間に障壁を同一の方向に延設して複数備えるとともに、スペーサを備え、前記液晶物質は単安定状態における分子方向が前記障壁の延設方向と略同一であることを特徴とする液晶表示素子。 A pair of substrates each provided with an alignment film on at least one substrate; a liquid crystal layer made of a liquid crystal material having a monostable state having a chiral smectic C phase injected between the substrates; and an electric field for applying an electric field to the liquid crystal layer In a liquid crystal display element comprising an electrode,
A liquid crystal display comprising a plurality of barriers extending in the same direction between substrates and a spacer, wherein the liquid crystal substance has a molecular direction in a monostable state substantially the same as the extension direction of the barriers. element.
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JP4580696B2 (en) | 2010-11-17 |
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