JP2009026672A - Led光源 - Google Patents
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Abstract
【課題】高演色性と色再現性および輝度を確保した上での低消費電力化を可能とするとともに色ムラを解消し、液晶表示パネルの薄型化をも可能とするLEDバックライトを実現すること。
【解決手段】高演色性のマルチチップ型フルカラーLEDよりも相対的に色温度の高い第1および第2のシングルチップ型高輝度白色LEDを用い、かつ、第2のシングルチップ型高輝度白色LEDの色温度を第1のシングルチップ型高輝度白色LEDよりも相対的に低いものとした上で、第1のシングルチップ型高輝度白色LEDが第2のシングルチップ型高輝度白色LEDを取り囲むようにマルチチップ型フルカラーLEDの周囲に配置されている。
【選択図】図3
【解決手段】高演色性のマルチチップ型フルカラーLEDよりも相対的に色温度の高い第1および第2のシングルチップ型高輝度白色LEDを用い、かつ、第2のシングルチップ型高輝度白色LEDの色温度を第1のシングルチップ型高輝度白色LEDよりも相対的に低いものとした上で、第1のシングルチップ型高輝度白色LEDが第2のシングルチップ型高輝度白色LEDを取り囲むようにマルチチップ型フルカラーLEDの周囲に配置されている。
【選択図】図3
Description
本発明は、発光ダイオードを用いたLED光源に関し、より詳細には、液晶表示装置用バックライトに好適なLED光源に関する。
液晶ディスプレイは液晶自体が自己発光しないため、バックライトを用いて外部から照射光を照明することが必要であり、このバックライトとして、蛍光ランプ(冷陰極管)や発光ダイオード(LED)あるいはエレクトロルミネッセンス(EL)を光源として用いたものがあるが、従来は蛍光ランプを光源とするバックライトが主流であった。
しかし、蛍光ランプの点灯には、数十kHzの周波数の高電圧(700V程度)をランプ両端に印加させることが必要であることから、微小浮遊容量を介して電流漏れが発生したり断線や短絡等が生じ易いという問題がある。また、蛍光ランプから得られる白色光は青みがかっており、高い色再現性を得るためには白色度の点で十分とはいえないこと、特に冷陰極管では、電源投入後安定した輝度や演色性の光を得る為には十数分の時間が必要であること、さらに、蛍光ランプには管内放電を容易にするために水銀が使用されているが、環境有害物質である水銀の使用は環境保護の観点から好ましくない等の問題があった。
これに対して、LEDをバックライト用光源として用いると、長寿命で衝撃にも強く断線等も生じ難いこと、色純度に優れていること、低電圧動作素子であるために取扱いや安全性に優れ小型軽量化が容易であること、電源投入直後から安定した演色性や輝度の光を得ることが可能であること、電流値に対する発光量の直線性が良好で且つ応答速度が速いこと等の利点があり、LEDバックライトに関する研究開発が進められてきている。特に、青色LED実用化の後は、LEDのもつ優れた色再現性や低環境負荷という利点を生かして、実用化に向けた研究開発が加速してきている。
しかし、このようなLEDバックライトを実用化する上で、従来のLEDバックライトは、高演色性と色再現性の確保と輝度を確保した上での低消費電力化とは必ずしも両立しないという問題が指摘されている(例えば、特許文献1参照)。つまり、演色性と色再現性に優れた高輝度のLEDバックライトは消費電力が高くなる一方、低消費電力化を図ろうとすると演色性と色再現性が低下してしまうという問題が生じてしまうのである。
ところで、白色光を得るには、緑(G)と赤(R)と青(B)の光を、およそ6対3対1の比率で混合することが必要であるが、RGB各色のLEDの電力−光変換効率が各々異なり、その中でも特に緑色LEDの変換効率が低く、相対的に高い青色や赤色のLEDの効率が十分に生かされていないことが主な理由である。
白色光を得る別の方法として、白色LEDを用いる方法がある。白色LEDは青色光で蛍光体を励起することで黄色光を得て、この光と元々の青色光とを混合することで擬似的な白色光を得る方法が現在の主流である。この方法では、蛍光灯の変換効率(およそ、80〜100lm/W)を超えることも可能であり、電力−光変換効率の非常に高い光源を得ることが可能であるが、白色光のスペクトラムはRGB各色を混合して得られる光と異なり赤色や緑色が不足しており、演色性や色再現性は良くない。
このような欠点を改善すべく、近紫外線発光のLEDを用いて蛍光体を励起する方法も研究されており、より赤みがかった光を得ることができるが、この方法でもRGBを混合して得られる光に比べると未だ演色性や色再現性は良くないというのが実情である。これが、RGBの三原色を用い、演色性と色再現性に優れた高輝度のLEDバックライトは消費電力が高く、低消費電力化を図るために白色LEDを使用すると演色性と色再現性が低下してしまうという問題の基本的な理由である。
更に、LEDを用いた光源には、LEDに流す電流値や動作する温度によって発光スペクトラムが変化すると言う特性があり、従来は、これを補正するために色の変化を検出するセンサ類とその検出値に従って色の変化を補正する手段を追加することが行われてきた。そのためには、本来LED光源には必要ではないセンサ類等とこれ等を制御するための制御装置類と、これ等を制御する手段(例えば制御用のソフトウエア等)を開発し搭載することが必要で、装置の価格が高くなり普及を阻害する一要因となっていた。
特開2006−079991号公報
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高演色性と色再現性および輝度を確保した上での低消費電力化を可能とするとともに色ムラを解消し、さらには、液晶表示パネルの薄型化を可能とするLEDバックライト(LED光源)を実現することにある。
このような課題を解決するために、第1の発明に係るLED光源は、複数のLEDを実装した基板上に高演色性のマルチチップ型フルカラーLEDとシングルチップ型高輝度白色LEDとがXY面内で周期的に複数配置されており、前記基板には高演色性のマルチチップ型フルカラーLEDとシングルチップ型高輝度白色LEDとがXY面内で周期的に複数配置されており、マルチチップ型フルカラーLEDは、該マルチチップ型フルカラーLED直上の仮想平面上の位置を(X1,Y1)、最近接で設けられた他のマルチチップ型フルカラーLEDの前記仮想平面上の位置を(X2,Y2)としたときに、(X1,Y1)と(X2,Y2)の中点(([X1+X2]/2、[Y1+Y2]/2))における前記マルチチップ型フルカラーLEDからの照射光強度Iが、(X1,Y1)における前記マルチチップ型フルカラーLEDからの照射光強度I0の1/2(I0/2)以上となるように配置され、シングルチップ型高輝度白色LEDは、前記マルチチップ型フルカラーLEDの周囲に配置されていることを特徴とする。
また、第2の発明に係るLED光源は、複数のLEDを実装した基板上に高演色性のマルチチップ型フルカラーLEDとシングルチップ型高輝度白色LEDとがXY面内で周期的に複数配置されており、前記基板には、高演色性のマルチチップ型フルカラーLEDと、該マルチチップ型フルカラーLEDよりも相対的に色温度の高い第1のシングルチップ型高輝度白色LEDと、前記マルチチップ型フルカラーLEDよりも相対的に色温度が高く前記第1のシングルチップ型高輝度白色LEDよりも相対的に色温度の低い第2のシングルチップ型高輝度白色LEDとがXY面内で周期的に複数配置されており、マルチチップ型フルカラーLEDは、該マルチチップ型フルカラーLED直上の仮想平面上の位置を(X1,Y1)、最近接で設けられた他のマルチチップ型フルカラーLEDの前記仮想平面上の位置を(X2,Y2)としたときに、(X1,Y1)と(X2,Y2)の中点(([X1+X2]/2、[Y1+Y2]/2))における前記マルチチップ型フルカラーLEDからの照射光強度が、(X1,Y1)における前記マルチチップ型フルカラーLEDからの照射光強度の1/2以上となるように配置され、第1のシングルチップ型高輝度白色LEDは、第2のシングルチップ型高輝度白色LEDを取り囲むように、前記マルチチップ型フルカラーLEDの周囲に配置されていることを特徴とする。
第2の発明に係るLED光源は、好ましくは、前記第2のシングルチップ型高輝度白色LEDは、該第2のシングルチップ型高輝度白色LED直上の前記仮想平面上の位置を(x1,y1)、最近接で設けられた他の第2のシングルチップ型高輝度白色LEDの前記仮想平面上の位置を(x2,y2)としたときに、(x1,y1)と(x2,y2)の中点(([x1+x2]/2、[y1+y2]/2))における前記第2のシングルチップ型高輝度白色LEDからの照射光強度が、(x1,y1)における前記第2のシングルチップ型高輝度白色LEDからの照射光強度の1/2以上となるように配置される。
また、本発明のLED光源を、前記仮想平面に拡散面がある拡散板を備える態様のものとしてもよい。
本発明によれば、低消費電力で輝度確保が可能なシングルチップ方式の白色LEDと、高い演色性と色再現性の確保が可能なマルチチップ方式(多色LED)のフルカラーLEDとを組み合わせ、これらのLEDをXY平面内で適切に配置することとしたので、白色LEDには輝度を分担させ、フルカラーLEDには演色性と色再現性を分担させることにより、高輝度で演色性と色再現性の良好な低消費電力のバックライト(LED光源)を可能とする。
また、本発明のLED光源は、従来の白色LEDのみでは不可能であった、任意の色温度の設定や色バランスの設定が可能であると共に、従来のLEDバックライトの欠点である、温度等による色調の変動の抑止を可能とし、また多色LEDの組合せや白色LEDの光源で共通且つ最大の欠点であった、電流値による色の変化の抑止をも可能とするものである。
さらに、本発明のLED光源によれば、液晶表示パネル用バックライトとして用いた場合の「色ムラ」の発生が抑制されるとともに、液晶表示パネルに設けられる拡散板面上での照射光輝度の面内均一化を図るためのLED光源用実装基板と拡散板の間隔を狭くすることができ、パネルの薄型化を図ることが容易となる。
加えて、第2の発明に係るLED光源によれば、第1および第2のシングルチップ型高輝度白色LED(W、W´)が配置された領域(シングルチップ型高輝度白色LED領域)からの光の「白色度」(色温度)を、第2のシングルチップ型高輝度白色LED(W´)によって低下させることにより、「白色度」の微妙な局所的ムラを軽減させることが可能となる。
以下に、図面を参照して本発明の実施の態様について説明する。なお、以降の説明においては、説明の便宜上、本発明のLED光源は拡散板を備えているものとし、複数のLEDの基板上での配置関係を拡散板上の座標で規定するものとして説明するが、本発明において拡散板そのものは必須ではない。複数のLEDを基板上にどのように配置するかが本発明の特徴であるから、LED相互の位置関係を仮想平面上で規定してもよい。
本発明は、フルカラーLEDと白色LEDを組み合わせ配置してバックライト光源とすることを基本構成としている。ここで、本発明のLEDバックライトを構成するフルカラーLEDはマルチチップ方式のものであり、RGBの3色の加法混色により少なくとも白色を得ることのできるLEDの組み合わせ、あるいはそれ以上の発色のLEDを組み合わせたものでも良い。例えばGaAlAs系の赤色LEDと、GaP系の緑色LEDと、InGaN系の青色LEDの組み合わせなどがあり得る。ここで、「マルチチップ方式」のフルカラーLEDとは、複数のLEDからの異なる波長の光を加法混合して所望の色の光を得るLEDを意味し、複数のLEDチップを一つのパッケージ内に搭載した態様のものに限定されるわけではない。
なお、以降の説明においては、フルカラーLEDとして、赤(R)色LED、緑(G)色LED、青(B)色LEDの3色のLEDを仮定し、これにより白色光を得ることができるものして説明するが、これらのLEDの発光色は必ずしも、厳密な意味での赤(R)、緑(G)、青(B)の3色に限定する必要はない。本発明で用いられるフルカラーLEDは、加法混色により白色を得ることが可能な組合せのものであればよく、そのような組合せが可能なものを、赤(R)色系LED、緑(G)色系LED、および青(B)色系LEDと呼ぶこととする。
また、本発明のLEDバックライトを構成する白色LEDはシングルチップ方式のもので、青色LEDと蛍光体を用いて白色光を得るタイプのものであっても、近紫外線発光のLEDを用いて蛍光体を励起するタイプのものであっても、またその他の方法で白色光を生成するものであっても良い。
液晶表示装置用バックライトを上述のフルカラーLEDのみで構成した場合、バックライト光源としての充分な輝度の確保を重視すれば消費電力が大きくなり、低消費電力化を図ろうとすると輝度が不足してしまうという問題がある。一方、上述の白色LEDのみでバックライトを構成した場合には、充分な輝度を得ることはできるものの、液晶表示装置に求められる高い演色性や色再現性を満足することが困難であること、白色LEDの発する色は固定であり色温度等を外部から変更することは非常に難しいこと、更には白色LEDが動作する条件(周囲温度や電流値)による発光スペクトラムの変動に伴い色ずれが生じてしまうという重大な問題も内在していた。
このような問題に加えて、LEDバックライトには、大きな輝度バラツキが存在するという問題や、LEDの発光スペクトルが素子温度やLEDに流れる電流の値に応じて変化して「色ずれ」を生じてバックライト光の色バランスが崩れるという問題もある。
そこで、本発明においては、低消費電力で高い輝度を確保可能なシングルチップ方式の白色LEDと、高い演色性と色再現性の確保が可能なマルチチップ方式のフルカラーLEDとを組み合わせ、これらのLEDをXY平面内で適切に配置し、これにより、高演色性と色再現性の確保と輝度を確保した上での低消費電力化の両立を可能とするLEDバックライトを実現している。なお、上述のとおり、複数のLEDを基板上にどのように配置するかが本発明の特徴であるから、LED相互の位置関係は本来、仮想平面上で規定されるものであるが、便宜上この仮想平面に拡散板の拡散面があるものとして説明する。
また、シングルチップ型白色LEDとマルチチップ型フルカラーLEDの配置の仕方を適正なものとすることにより、液晶表示パネル用バックライトとして用いた場合の「色ムラ」の発生を抑制するとともに、液晶表示パネルに設けられる拡散板面上での照射光輝度の面内均一化を図るためのLED光源用実装基板と拡散板の間隔を狭くすることができるために、パネルの薄型化を図ることを容易化している。
[本発明のLED光源の態様(その1)]:図1(A)および(B)は、本発明のバックライトの高演色性のマルチチップ型フルカラーLED(RGBそれぞれのLED)とシングルチップ型の高輝度白色LED(W)の、実装用基板上でのXY面内での配置例を説明するための図である。図1(A)はマルチチップ型フルカラーLEDを構成するRGBそれぞれの単色LEDをY方向に一直線上に配列して構成した態様のものであり、図1(B)は青色LED(B)をX方向にLED一個分ずらして配列した態様のものである。
これらの図に示したように、フルカラーLEDは、最近接する他のフルカラーLEDと間隔Lで周期的に複数配置されており、その周りにシングルチップ型高輝度白色LEDが複数配置されている。なお、これらの図に示したLED配置はあくまでも例示であって、これらの他にも様々な配置があり得ることは言うまでもない。
図2は、LEDを実装した基板11に、LEDから照射される光を拡散させるための拡散板12が設けられている様子を説明するための図で、この図では、互いに最近接させて設けられたマルチチップ型フルカラーLED(13a,13b)のみを図示し、シングルチップ型高輝度白色LEDは不図示としている。この拡散板12の拡散面は、複数のLEDの基板上で配置関係を規定する仮想平面として取り扱うことができる。
マルチチップ型フルカラーLED(13a,13b)からの光は、拡散板12に照射されるが、その様子を円錐で概念的に示している。この図では、マルチチップ型フルカラーLEDの直上での拡散板での照射光強度(輝度)をI0で示しており、照射光の「円錐面」が拡散板12と交差する位置における照射光強度(輝度)がI0の半分(I0/2)となるものとして図示している。つまり、マルチチップ型フルカラーLED(13a,13b)からの光は図2で示した円錐面の外側にも広がっているが、その領域の光は拡散板12との交差位置での照射光強度(輝度)がI0の半分(I0/2)未満となるため、不図示としている。
マルチチップ型フルカラーLED(13a,13b)はLだけ離間して配置されているが、その中点をCで示している。ここで、マルチチップ型フルカラーLED13aの直上の拡散板12での位置を(X1,Y1)、これに最近接で設けられた他のマルチチップ型フルカラーLED13bの直上の拡散板12での位置を(X2,Y2)とすると、点Cの直上の拡散板12での位置は([X1+X2]/2、[Y1+Y2]/2)となる。
本発明では、この([X1+X2]/2、[Y1+Y2]/2)点におけるマルチチップ型フルカラーLED13aからの照射光強度Icが、(X1,Y1)におけるマルチチップ型フルカラーLED13aからの照射光強度I0の1/2(I0/2)以上となるように配置される。マルチチップ型フルカラーLED13bに着目した場合も同様で、このLEDからの照射光強度Icが、(X2,Y2)におけるマルチチップ型フルカラーLED13bからの照射光強度I0の1/2(I0/2)以上となるように配置される。そして、シングルチップ型高輝度白色LED(不図示)は、マルチチップ型フルカラーLEDの周囲に配置されることとなる。
本発明のように、高い演色性のフルカラーLEDと高輝度の白色LEDを組み合わせて光源とした場合、白色LEDの高輝度性ゆえに、フルカラーLEDの「輝度ばらつき」がバックライト光全体の「輝度ばらつき」に占める割合が小さいため、フルカラーLEDのみでバックライトを構成する場合に比較して、RGBそれぞれのLEDの「輝度ばらつき」の許容範囲を広く設定することが可能となる。
加えて、上述のようなLED配置とした場合には、液晶表示パネル用バックライトとして用いた場合の「色ムラ」の発生が抑制されるとともに、液晶表示パネルに設けられる拡散板面上での照射光輝度の面内均一化を図るためのLED光源用実装基板と拡散板の間隔を狭くすることができ、パネルの薄型化を図ることが容易となる。
[本発明のLED光源の態様(その2)]:図3(A)および(B)は、本発明のバックライトの高演色性のマルチチップ型フルカラーLED(RGBそれぞれのLED)とシングルチップ型の高輝度白色LED(W、W´)の、実装用基板上でのXY面内での配置例を説明するための図である。
これらの図に示したLED配列と図1(A)および(B)に示したLED配列との相違は、高演色性のマルチチップ型フルカラーLEDとともに、相対的に色温度の異なる第1および第2のシングルチップ型高輝度白色LEDを用い、かつ、第2のシングルチップ型高輝度白色LEDの色温度を第1のシングルチップ型高輝度白色LEDよりも相対的に低いものとした上で、第1のシングルチップ型高輝度白色LEDが第2のシングルチップ型高輝度白色LEDを取り囲むようにマルチチップ型フルカラーLEDの周囲に配置されている点である。
このLED配列においても、マルチチップ型フルカラーLEDの配置は図2に示したように、([X1+X2]/2、[Y1+Y2]/2)点におけるマルチチップ型フルカラーLED13aからの照射光強度Icが、(X1,Y1)におけるマルチチップ型フルカラーLED13aからの照射光強度I0の1/2(I0/2)以上となるように配置される。
そして、第1のシングルチップ型高輝度白色LED(W)は、第2のシングルチップ型高輝度白色LED(W´)を取り囲むように、マルチチップ型フルカラーLEDの周囲に配置される。
第1のシングルチップ型高輝度白色LED(W)の他に第2のシングルチップ型高輝度白色LED(W´)を用いるのは、液晶表示パネルの表示画面の「白色度」を均一なものとするためである。
一般に、マルチチップ型フルカラーLEDの「白色度」(色温度)とシングルチップ型高輝度白色LEDの「白色度」(色温度)とは異なり、前者は赤みがかった「白」、後者は青みがかった「白」である。このような「白色度」(色温度)の異なるLEDからの光が合成されて形成される「白色」は、液晶表示パネルの表示画面上で必ずしも均一とはならず、「白色度」に微妙な局所的ムラを生じることがある。
そこで、本発明においては、第1および第2のシングルチップ型高輝度白色LED(W、W´)が配置された領域(シングルチップ型高輝度白色LED領域)からの光の「白色度」(色温度)を、第2のシングルチップ型高輝度白色LED(W´)によって低下させることにより、上述の「白色度」の微妙な局所的ムラを軽減させることとしている。つまり、第2のシングルチップ型高輝度白色LED(W´)の「白色度」(色温度)を黄みがかった「白」などとすることで、第1のシングルチップ型高輝度白色LED(W)からの光の「青み」を和らげ、「白色度」の微妙な局所的ムラを軽減するのである。
このような態様のLED配列において、第2のシングルチップ型高輝度白色LED(W´)についても、上述のマルチチップ型フルカラーLEDの配置と同様に、第2のシングルチップ型高輝度白色LED直上の拡散板上の位置を(x1,y1)、最近接で設けられた他の第2のシングルチップ型高輝度白色LEDの拡散板上の位置を(x2,y2)としたときに、(x1,y1)と(x2,y2)の中点(([x1+x2]/2、[y1+y2]/2))における第2のシングルチップ型高輝度白色LEDからの照射光強度が、(x1,y1)における第2のシングルチップ型高輝度白色LEDからの照射光強度の1/2以上となるように配置することとすれば、「白色度」の微妙な局所的ムラはより効果的に軽減される。
本発明により、高演色性と色再現性および輝度を確保した上での低消費電力化を可能とするとともに色ムラを解消し、液晶表示パネルの薄型化をも可能とするLEDバックライトを実現することが可能となる。
11 基板
12 拡散板
13a,13b マルチチップ型フルカラーLED
12 拡散板
13a,13b マルチチップ型フルカラーLED
Claims (4)
- 複数のLEDを実装した基板上に高演色性のマルチチップ型フルカラーLEDとシングルチップ型高輝度白色LEDとがXY面内で周期的に複数配置されており、
マルチチップ型フルカラーLEDは、該マルチチップ型フルカラーLED直上の仮想平面上の位置を(X1,Y1)、最近接で設けられた他のマルチチップ型フルカラーLEDの前記仮想平面上の位置を(X2,Y2)としたときに、(X1,Y1)と(X2,Y2)の中点(([X1+X2]/2、[Y1+Y2]/2))における前記マルチチップ型フルカラーLEDからの照射光強度Iが、(X1,Y1)における前記マルチチップ型フルカラーLEDからの照射光強度I0の1/2(I0/2)以上となるように配置され、
シングルチップ型高輝度白色LEDは、前記マルチチップ型フルカラーLEDの周囲に配置されていることを特徴とするLED光源。 - 複数のLEDを実装した基板上に高演色性のマルチチップ型フルカラーLEDとシングルチップ型高輝度白色LEDとがXY面内で周期的に複数配置されており、
前記基板には、高演色性のマルチチップ型フルカラーLEDと、該マルチチップ型フルカラーLEDよりも相対的に色温度の高い第1のシングルチップ型高輝度白色LEDと、前記マルチチップ型フルカラーLEDよりも相対的に色温度が高く前記第1のシングルチップ型高輝度白色LEDよりも相対的に色温度の低い第2のシングルチップ型高輝度白色LEDとがXY面内で周期的に複数配置されており、
マルチチップ型フルカラーLEDは、該マルチチップ型フルカラーLED直上の仮想平面上の位置を(X1,Y1)、最近接で設けられた他のマルチチップ型フルカラーLEDの前記仮想平面上の位置を(X2,Y2)としたときに、(X1,Y1)と(X2,Y2)の中点(([X1+X2]/2、[Y1+Y2]/2))における前記マルチチップ型フルカラーLEDからの照射光強度が、(X1,Y1)における前記マルチチップ型フルカラーLEDからの照射光強度の1/2以上となるように配置され、
第1のシングルチップ型高輝度白色LEDは、第2のシングルチップ型高輝度白色LEDを取り囲むように、前記マルチチップ型フルカラーLEDの周囲に配置されていることを特徴とするLED光源。 - 前記第2のシングルチップ型高輝度白色LEDは、該第2のシングルチップ型高輝度白色LED直上の前記仮想平面上の位置を(x1,y1)、最近接で設けられた他の第2のシングルチップ型高輝度白色LEDの前記仮想平面上の位置を(x2,y2)としたときに、(x1,y1)と(x2,y2)の中点(([x1+x2]/2、[y1+y2]/2))における前記第2のシングルチップ型高輝度白色LEDからの照射光強度が、(x1,y1)における前記第2のシングルチップ型高輝度白色LEDからの照射光強度の1/2以上となるように配置されていることを特徴とする請求項2に記載のLED光源。
- 前記仮想平面を拡散面とする拡散板が設けられている請求項1乃至3の何れか1項に記載のLED光源。
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Legal Events
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
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