JP2016148760A - 液晶表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】デュアルドメイン方式の画素電極を有するIPS方式液晶表示装置において、デスクリネーションの発生を防止する。【解決手段】走査線10が第1の方向に延在して第2の方向に配列し、映像信号線20が第2の方向に延在して第1の方向に配列している。配向膜の配向軸ALの方向は第2の方向である。画素電極112は映像信号を供給するスルーホール130を有する第1の領域と、光を透過させる第2の領域と第3の領域を有し、第2の領域は、第2の方向に対して角度η傾いており、第3の領域は、第2の方向に対して角度−η傾いており、第2の領域と第3の領域は屈曲点1122において第1の方向に凸なように屈曲しており、画素電極112の側面において、第1の領域と第2の領域の境界付近に凹部40と凸部30が形成され、凸部30の上辺の前記第2の方向に対する角度θ1は、90°より小さく、45°以上であり、凹部40の上辺の第2の方向に対する角度θ2は前記θ1より小さいことを特徴とする液晶表示装置。【選択図】図2
Description
本発明は液晶表示装置に係り、液晶表示パネルへの押し圧力による液晶分子の逆回転によるドメイン発生を防止できる液晶表示装置に関する。
液晶表示装置は、画素電極および薄膜トランジスタ(TFT)等を有する画素がマトリクス状に形成されたTFT基板と、TFT基板に対向した対向基板と、TFT基板と対向基板との間に挟持された液晶とからなる液晶表示パネルを有している。そして液晶分子による光の透過率を画素毎に制御することによって画像を形成している。
液晶表示装置では、視野角が問題である。IPS(In Plane Swiching)方式の液晶表示装置は、横電界によって、液晶分子を回転して、液晶層の透過率を制御するものであり、優れた視野角特性を有している。一方、指等でタッチすることによって座標等を入力するタッチパネルを液晶表示装置に一体化する方式が一般的になってきている。
液晶表示パネルを指等で押した場合に、液晶分子の配向方向が変化し、ディスクリネーションの発生をきたす。このディスクリネーションによるむらを「押しむら」と呼ぶ。IPS方式において、押しむらを対策した画素電極が「特許文献1」に記載されている。
IPS方式は優れた視野角特性を有しているが、画素電極とコモン電極との間に生じる電界によって駆動される液晶分子が配向膜による初期配向方向に対して全て同じ方向に回転していると、方位角によって、明るさや色が異なる。これを防止するために、同じ画素内において、画素電極、或いは、コモン電極を屈曲させて、液晶の初期配向方向に対して同一画素内において、電界の方向を異ならせ、液晶の配向(回転)方向を異ならせる構成とすることが出来る。
この構成は、1つの画素内に複数のドメインが存在することになるので、マルチドメイン方式と呼ばれている。マルチドメイン方式では、例えば画素の上半分と下半分では、画素電極とコモン電極との間に電圧を印加したときの液晶分子の配向(回転)方向が異なる。
マルチドメイン方式では対向基板を押した場合に発生する押しドメインが画素の上半分と下半分で互いに影響しあい、押しドメインが長時間にわたって残存するという現象を生ずる。
本発明の課題は、押しドメインが長時間にわたって存在することによる画面のむらを対策することである。
本発明は上記課題を克服するものであり、主な具体的な手段は次のとおりである。
(1)走査線10が第1の方向に延在して第2の方向に配列し、映像信号線が第2の方向に延在して第1の方向に配列し、前記走査線と前記映像信号線に囲まれた領域に画素電極が形成され、前記画素電極の下層側に絶縁膜を介してコモン電極が形成されたTFT基板と、前記TFT基板と対向して対向基板が配置され、前記TFT基板と前記対向基板の間に液晶が挟持された液晶表示装置であって、前記画素電極は、前記第2の方向に延在し、前記第1の方向の側に第1の側面を有し、前記画素電極は映像信号を供給するスルーホールを有する第1の領域と、光を透過させる第2の領域と第3の領域を有し、前記第2の領域は、前記第2の方向に対して角度η傾いており、前記第3の領域は、前記第2の方向に対して角度−η傾いており、前記第2の領域と前記第3の領域は屈曲点において前記第1の方向に凸なように屈曲しており、前記画素電極の前記第1の側面において、前記第2の領域は前記第1の領域の近傍で、前記第1の方向と逆方向に屈折して、凹部を形成し、前記凹部は上辺と下辺を有し、前記凹部に対して前記第2の方向で前記第1の領域には、前記第1の方向に延在する凸部を有し、前記凹部の下辺は前記凸部の上辺の一部を形成し、前記凸部の上辺の前記第2の方向に対する角度θ1は、90°より小さく、45°以上であり、前記凹部の前記上辺の前記第2の方向に対する角度θ2は前記θ1より小さいことを特徴とする液晶表示装置。
(2)前記凸部の下辺はコーナーカットを有し、前記コーナーカットの前記第2の方向に対する角度θ3は、前記θ1よりも小さいことを特徴とする(1)に記載の液晶表示装置。
IPS方式も種々存在するが、例えば、コモン電極を平面状に形成し、その上に、絶縁膜を挟んで櫛歯状(線状)の画素電極を配置し、画素電極とコモン電極との間に発生する電界によって液晶分子を配向(回転)させる方式が、比較的、透過率を大きくすることが出来るので、現在主流となっている。
図1はこのようなIPS方式の液晶表示パネルの断面図である。図1は後で説明する図2のA−A断面図である。図1におけるTFT(薄膜トランジスタ)は、いわゆるトップゲートタイプのTFTであり、使用される半導体としては、LTPS(Low Temperature Poly−Silicon)が使用されている。一方、a−Si(アモルファス)半導体や一部のLTPSを使用した場合は、いわゆるボトムゲート方式のTFTが多く用いられる。以後の説明では、トップゲート方式のTFTを用いた場合を例にして説明するが、ボトムゲート方式のTFTを用いた場合についても、本発明を適用することが出来る。
図1において、ガラスや樹脂等からなるTFT基板100の上に窒化シリコンからなる第1下地膜101および酸化シリコン(SiO2)からなる第2下地膜102がCVD(Chemical Vapor Deposition)によって形成される。第1下地膜101および第2下地膜102の役割は基板100からの不純物が半導体層103を汚染することを防止することである。
第2下地膜102の上には半導体層103が形成される。この半導体層103は、第2下地膜102の上にCVDによってa−Si膜を形成し、これをレーザアニールすることによって多結晶シリコン(poly−Si)膜に変換したものである。このpoly−Si膜をフォトリソグラフィによってパターニングすることで島状の半導体膜を形成する。
半導体膜103の上にはゲート絶縁膜104が形成される。このゲート絶縁膜104はTEOS(テトラエトキシシラン)による酸化シリコン膜である。この膜もCVDによって形成される。その上にゲート電極105が形成される。ゲート電極105は走査線10が兼ねている。ゲート電極105は例えば、モリブデンタングステン(MoW)膜等の高融点金属やそれらの合金によって形成される。ゲート電極105あるいは走査線10の抵抗を小さくする必要があるときはアルミニウム(Al)や銅(Cu)等の低抵抗金属と高融点金属との積層膜が使用される。
後で説明する図2に示すように、半導体層103は走査線10の下を2回通過するので、ダブルゲート構造となっている。その後、ゲート電極105を覆って層間絶縁膜106を窒化シリコンと酸化シリコンとによって形成する。層間絶縁膜106はゲート電極105とコンタクト電極107とを絶縁するためである。
層間絶縁膜106およびゲート絶縁膜104には、半導体層103のソース部Sをコンタクト電極107と接続するためのスルーホール120、および、半導体層103のドレイン部Dを映像信号線20と接続するためのスルーホール140が形成される。層間絶縁膜106とゲート絶縁膜104とにスルーホール120、140を形成するためのフォトリソグラフィは同時に行われる。なお、TFTのソースSとドレインDとはTFTに印加される電圧によって適宜入れ替わる。
層間絶縁膜106の上にコンタクト電極107が形成される。コンタクト電極107は、スルーホール130を介して画素電極112と接続する。コンタクト電極107および映像信号線は、同層で、同時に形成される。コンタクト電極107および映像信号線は、抵抗を小さくするために、例えば、AlやAl合金が使用される。AlやAl合金はヒロックを発生したり、Alが他の層に拡散したりするので、例えば、図示しないMoW等の高融点金属によるバリア層、およびキャップ層によってAlやAl合金をサンドイッチする構造がとられている。映像信号線20のうち、ドレインDに接続する部分をドレイン電極、コンタクト電極107をソース電極と呼ぶ場合もある。
コンタクト電極107を覆って有機パッシベーション膜(絶縁膜)109を被覆し、TFT全体を保護する。有機パッシベーション膜109は感光性のアクリル樹脂で形成される。有機パッシベーション膜109は、アクリル樹脂の他、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等でも形成することが出来る。有機パッシベーション膜109は平坦化膜としての役割を持っているので、厚く形成される。有機パッシベーション膜109の膜厚は1〜4μmであるが、多くの場合は2〜3μm程度である。
画素電極112とコンタクト電極107との導通を取るために、有機パッシベーション膜109にスルーホール130が形成される。有機パッシベーション膜109は感光性の樹脂を使用しているため、感光性の樹脂を塗付後、この樹脂を露光すると、光が当たった部分のみが特定の現像液に溶解する。すなわち、感光性樹脂を用いることによって、フォトレジストの形成を省略することが出来る。感光性樹脂にスルーホール130を形成したあと、230℃程度で焼成することによって有機パッシベーション膜109が完成する。
その後コモン電極110となるITO(Indium Tin Oxide)をスパッタリングによって形成し、スルーホール130およびその周辺からITOを除去するようにパターニングする。コモン電極110は各画素共通に平面状に形成することが出来る。その後、容量絶縁膜111となる窒化シリコンをCVDによって全面に形成する。その後、スルーホール130内において、コンタクト電極107と画素電極112の導通をとるためのスルーホールを容量絶縁膜111に形成する。
その後、ITOをスパッタリングによって形成し、パターニングして画素電極112を形成する。画素電極112の上に配向膜材料をフレキソ印刷あるいはインクジェット等によって塗布し、焼成して配向膜113を形成する。配向膜113の配向処理にはラビング法のほか偏光紫外線による光配向法が用いられる。
画素電極112とコモン電極110との間に電圧が印加されると図1に示すような電気力線が発生する。この電界によって液晶分子301を回転させ、液晶層300を通過する光の量を画素毎に制御することによって画像を形成する。
図1において、液晶層300を挟んで対向基板200が配置されている。対向基板200の液晶層側には、カラーフィルタ201が形成されている。カラーフィルタ201は画素毎に、赤、緑、青のカラーフィルタが形成されており、これによってカラー画像が形成される。カラーフィルタ201とカラーフィルタ201との間には遮光膜(ブラックマトリクス)202が形成され、画像のコントラストを向上させている。なお、遮光膜202はTFTを遮光する役割も有し、TFTに光電流が流れることを防止している。
カラーフィルタ201およびブラックマトリクス202を覆ってオーバーコート膜203が形成されている。カラーフィルタ201およびブラックマトリクス202の表面は凹凸となっているために、オーバーコート膜203によって表面を平らにしている。オーバーコート膜の上(液晶層300側)には、液晶の初期配向を決めるための配向膜113が形成される。配向膜113の配向処理はTFT基板100側の配向膜113と同様、ラビング法あるいは光配向法が用いられる。
なお、以上の構成は例であり、品種によってはコンタクト電極107と有機パッシベーション膜109との間に無機パッシベーション膜が形成されている場合もある。また、スルーホール130の形成プロセスも品種によって異なる場合がある。以下に実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
図2は本発明の実施例1を示す画素部の平面図である。先に説明した図1は、図2のA−Aの断面図である。図2において、走査線10が横方向に延在し、縦方向に配列している。また、映像信号線20が縦方向に延在し、横方向に配列している。走査線10と映像信号線20に囲まれた領域が画素となっており、この中に画素電極112が存在している。画素の大きさは、例えば横方向が30μm以下、縦方向が120μm以下である。本発明は、このような高精細画面において特にメリットがある。図2では、映像信号線20は縦方向に直線的に延在しているが、後で説明する画素電極112に合わせて屈曲しながら、縦方向に延在する場合もある。
図2において、映像信号線20と半導体層103とがスルーホール140で接続している。半導体層103は映像信号線20の下を延在して走査線10の下を通過し、屈曲して再び走査線10の下を通過し、スルーホール120において、図1に示すコンタクト電極107と接続する。走査線10はTFTのゲート電極の役割を有しており、図2では、映像信号線20から画素電極112まで直列に2個のTFTが形成されている。これをダブルゲートTFTともいう。コンタクト電極107と画素電極112とは、有機パッシベーション膜に形成されたスルーホール130を介して接続している。
画素電極112は、内部にスリット1121を有する縦方向(映像信号線の延在方向)に長い形状となっている。図2では、内側に2個のスリット1121が存在しているので、画素電極112は3本の線状(ストライプ状)の電極で形成されている。なお、本発明は、線状の画素電極112が1乃至2本の場合、あるいは4本以上の場合にも適用することが出来る。
配向膜の配向軸ALは図2における縦方向(映像信号線の延在方向)となっている。画素電極112は縦方向の中央において屈曲部1122を有している。画素電極112の下半分と上半分とは、配向軸ALに対して角度η、傾いているが、上側と下側では、傾く角度が逆である。ηは5〜15°である。画素電極112が配向軸ALに対してη傾ける理由は、画素電極112に電圧を印加した場合に、液晶分子301を一定方向に回転させるためである。
したがって、図2において、画素電極112に電圧を印加した場合、画素の上半分と下半分では、液晶分子301の回転する方向が逆になる。これによって、視野角特性あるいは方位角特性をより均一にすることが出来る。図2の画素構成は、1画素中に2つのドメインが存在することになるので、デュアルドメイン方式と呼ばれている。
図3は通常の画素電極112に電圧を印加しない状態における液晶分子301の配向状態を示す模式図である。図4は、画素電極112に電圧を印加した場合の液晶分子301の配向状態を示す模式図である。図4において、画素電極112の屈曲部1122の上下において、液晶の回転方向が逆向きになっている。これによって視野角特性あるいは方位角特性を均一にしている。
最近は、液晶表示パネルの対向基板側を指等でタッチする、タッチパネルを組み込んだ液晶表示装置が普及している。液晶表示パネルに指等でタッチすると、その部分において、対向基板を介して液晶層が押されることとなるため、液晶の配向が乱れる。図5はこのような場合の液晶分子301の配向方向の乱れを示す模式図である。
図5において、PRを対向基板に対する加圧点とすると、この加圧点を中心にして液晶分子に302で示すように乱れが生ずる。そうすると、この部分において、液晶の透過率が異なり、表示の異常領域となる。このような異常領域が発生しても、指等を離した後、すなわち、解放時に液晶分子301が正常な状態に戻れば問題はない。
しかし、液晶は、粘性を持っているので、図2における画素の上半分の液晶の配向方向が画素の下半分の液晶の配向方向に影響を及ぼし、下半分の液晶分子の配向方向がもとに戻らず、上半分の液晶分子の配向方向になってしまうという現象が生ずる。図6はこの問題を示す模式図である。
図6は画素電極112の下半分を示す平面図であるが、画素電極112の右端外側の液晶分子301の配向方向は、画素電極112の上側と同じ配向方向となっている。そうすると、画素電極112の右側端部外側と画素の下側の他の部分において、液晶分子の配向方向が異なる。すなわち、画素電極112の右側端部の外側の液晶分子は304で示すように、回転方向が逆になっている。この領域を逆回転領域REで表している。
そして右側のストライプ状画素電極の上が液晶分子の配向方向の境界となっており、液晶分子が電圧によって回転しない場合と同じ状態になっている。この部分の液晶分子を303で示す。この部分は、いわゆるデスクリネーションDEとなっている。デスクリネーションDEの存在は、画素の透過率の低下になる。
本発明は、図2に示すように、画素電極112の下部、すなわち、スルーホール130の近傍において、画素電極112に凸部30および凹部40、さらに、右下側にコーナーカット50を形成し、画素電極112の右端外側において、液晶分子301に対し、強制的に下側画素の他の領域と同じ方向に配向させるような電界が加わるようにしたものである。図2において、点線で示す領域は対向基板に形成されたブラックマトリクス202の領域を示している。つまり、画素電極112に形成された凸部30と凹部40はブラックマトリクス112によって覆われている。したがって、通常状態では、画素電極112の凸部30および凹部40が透過率に対して影響をおよぼすことはない。
液晶は粘性を有しているので、画素電極112の凸部30と凹部40によって強制的に所定の方向に配列した液晶分子301は、画素電極112の右側側面に沿った他の領域にも影響を及ぼし、画素電極112の下側右端全体に沿って、液晶分子301の配向を正常な状態に保つ。
図7は、以上の説明を示す模式図である。図7において、画素電極112の下側(画素電極の屈曲点を基準にしてコンタクト電極に近い側)には、凸部30と凹部40とが存在し、かつ、右下には、コーナーカット50が施されている。図7において、凸部30、凹部40、コーナーカット50によって、液晶分子30に対して、強制的に下側画素の他の領域と同じ方向に配向させる力を生ずる領域を点線Fで示す。図7において、点線で示す液晶分子304は、加圧を解放したときの、従来例における液晶の配向方向である。これに対して、本発明では、凸部30、凹部40、あるいは、コーナーカット50によって形成されたFにより、液晶分子301は、下側画素の他の領域と同じ配向になり、デスクリネーションDEの発生は抑制される。
図8は、本発明による画素電極112の形状を示す拡大図である。図8において、画素電極112のストライプ部分の幅w1は例えば3.5μm、スリットの幅w2は例えば3.9μmである。図8において、凸部30、凹部40およびコーナーカット50によって、押し圧力が解放された後の液晶分子301を正常な配向方向に保持する。ただし、凹部40、凸部30、コーナーカット50とも、対向基板に形成されたブラックマトリクス202によって覆われている。
図8において、ストライプ状の画素電極112はP点において屈折しており、この屈折部Pから凹部40が始まり、凹部40の一番奥までの距離d1を凹部40の深さと定義する。屈折部Pが曲線状になっていて明確でない場合は、画素電極112の辺と凹部40の上辺の接線の交点を屈折点Pと定義する。
凸部30の図中横方向(走査線の延在方向)の長さd2は、屈折点Pの水平方向の位置を基準とする。d2はゼロより大きいが、本発明の効果を得られるように、任意の長さとすることが出来るが、隣の画素までは、延在させないほうがよい。すなわち、凸部30は、平面で視て映像信号線20と重複するように形成されていても良い。また、凸部30の先端の幅tは、ゼロ以上であればよい。コーナーカット50の水平方向の幅d3は、最低加工寸法以上、例えば、2.5μm以上を確保すればよい。
図8において、凸部30の上側の辺、凹部40の上側の辺、およびコーナーカット50の、配向軸ALに対する角度が液晶分子の配向に対して大きな影響を及ぼす。ここで、凸部30の上側の辺の配向軸ALとのなす角度をθ1、凹部の上側の辺と配向軸ALのなす角度をθ2、コーナーカット50と配向軸ALとのなす角度をθ3とする。
θ1は90°よりも小さくないと本発明の効果は得られない。一方、角度が小さすぎると、ブラックマトリクス202によって凸部30をカバーすることが難しくなるので、45°以上とすることが望ましい。したがって、θ1の範囲は、90°よりも小さく、45°以上であり、より好ましくは、45°以上、85°以下、さらに好ましくは、45°以上で80°以下である。
θ2は、画素電極112の右端のみでなく、他の領域における画素電極112端部でのデスクリネーションの発生を抑える必要があるので、このための条件から決める必要がある。したがって、θ2は、θ1よりも角度ξだけ小さくなる。
コーナーカット50の配向軸ALに対する角度θ3は、90°よりも小さい必要があるが、凸部30の水平方向の長さd2を確保できる角度の範囲で、45°よりも小さく設定することも可能である。しかし、本発明の効果とレイアウトの関係から最も一般的な角度は45°である。
以上のような、画素電極112を用いることによって、図7に示すように、デスクリネーションの発生を抑えた、透過率の高い液晶表示装置を実現することが出来る。なお、コーナーカット50を設けず、凹部40と凸部30だけでも本発明の効果をある程度得ることが出来る。コーナーカット50を設けることで本発明をより効果的に得ることが出来る。
以上の説明では、画素電極の屈曲部が、図2に示すように、走査線の延在方向を向いているとして説明したが、本発明は、画素電極の屈曲部が図2と反対側すなわち、走査線の延在方向と逆方向を向いている場合においても適用することが出来る。この場合は、凹部、凸部、コーナーカットが図2等とは、線対称の形になる。
また、以上の説明では、液晶の誘電率異方性が正の場合、すなわち、ポジ型液晶の場合について説明したが、本発明は、液晶の誘電率異方性が負の場合、すなわち、ネガ型液晶の場合についても適用することが出来る。この場合は、初期配向の方向は、図2に示す方向とは90°の角度をなすことになる。また、カラーフィルタやブラックマトリクスをTFT基板に設けてもよい。また、画素電極は、コモン電極と液晶層との間に設けられているが、コモン電極を画素電極と液晶層との間に設け、コモン電極にスリットを設ける構成であっても、本願発明の趣旨を逸脱しない範囲で適用することが出来る。
10…走査線10、 20…映像信号線、 30…凸部、 40…凹部、 50…コーナーカット、 100…TFT基板、 101…第1下地膜、 102…第2下地膜、 103…半導体層、 104…ゲート絶縁膜、 105…ゲート電極、 106…層間絶縁膜、 107…コンタクト電極、 108…無機パッシベーション膜、 109…有機パッシベーション膜、 110…コモン電極、 111…容量絶縁膜、 112…画素電極、 113…配向膜、 120…スルーホール、 130…スルーホール、 140…スルーホール、 200…対向基板、 201…カラーフィルタ、 202…ブラックマトリクス、 203…オーバーコート膜、 300…液晶層、 301…液晶分子、 1121…スリット、 1122…画素電極屈曲部、 AL…配向軸、 DE…暗部、 P…画素電極屈折点、 RE…液晶分子の逆回転領域
Claims (8)
- 走査線が第1の方向に延在して、映像信号線が第2の方向に延在し、前記走査線と前記映像信号線とに囲まれた領域に画素電極が形成され、絶縁膜を介してコモン電極が形成されたTFT基板と、前記TFT基板と対向して配置された対向基板と、前記TFT基板と前記対向基板との間に液晶が挟持された液晶表示装置であって、
前記画素電極は、前記第2の方向に延在し、前記第1の方向の側に第1の側面を有し、
前記画素電極は映像信号を供給するスルーホールを有する第1の領域と、光を透過させる第2の領域と第3の領域を有し、前記第2の領域は、前記第2の方向に対して角度η傾いており、前記第3の領域は、前記第2の方向に対して角度−η傾いており、
前記第2の領域と前記第3の領域は屈曲点において前記第1の方向に凸なように屈曲しており、
前記画素電極の前記第1の側面において、前記第2の領域は前記第1の領域の近傍で、前記第1の方向と逆方向に屈折して、凹部を形成し、
前記凹部は上辺と下辺を有し、
前記凹部に対して前記第2の方向で前記第1の領域には、前記第1の方向に延在する凸部を有し、前記凹部の下辺は前記凸部の上辺の一部を形成し、
前記凸部の上辺の前記第2の方向に対する角度θ1は、90°より小さく、45°以上であり、
前記凹部の前記上辺の前記第2の方向に対する角度θ2は前記θ1より小さいことを特徴とする液晶表示装置。 - 前記凸部の下辺はコーナーカットを有し、前記コーナーカットの前記第2の方向に対する角度θ3は、前記θ1よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
- 前記対向基板はブラックマトリクスを有しており、前記凸部は、平面で視て、ブラックマトリクスによって覆われていることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
- 前記凸部は、平面で視て、前記映像信号線の上に延在していることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
- 前記TFT基板および前記対向基板の前記液晶側には配向膜が形成され、前記配向膜の配向軸は前記第2の方向であることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
- 前記液晶はポジ型液晶であることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
- 前記凸部の上辺の前記第2の方向に対する角度θ1は、45°以上で85°以下であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の液晶表示装置。
- 前記凸部の上辺の前記第2の方向に対する角度θ1は、45°以上で80°以下であることを特徴とする請求項7項に記載の液晶表示装置。
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