JP2017182048A - Ｒｇｂ偏光光源 - Google Patents
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Abstract
【課題】フォトニック結晶格子構造に結合する量子ドット（ＱＤ）によって作られる青色、赤色、緑色の偏光光源の構造及び製造方法を提供する。【解決手段】偏光を生成するデバイス４００は、基板４３０上に複数のフォトニック結晶格子構造４３２，４３４，４３６を有する。複数のフォトニック結晶格子構造は、青色偏光、緑色偏光及び赤色偏光の透過のための一以上の構造領域を有する。緑色量子ドット層４３８は緑色偏光の透過のための一以上の構造領域上に実質的に位置し、赤色量子ドット層４４０は赤色偏光の透過のための一以上の構造領域上に実質的に位置する。青色発光ダイオードアレイは、該青色発光ダイオードアレイの発光が赤色量子ドット層及び緑色量子ドット層からの赤色光及び緑色光の放射を促進するように偏光デバイス上に配置される。【選択図】図４Ａ
Description
本開示は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）バックライトとして使用される、フォトニック結晶格子構造に結合する量子ドット（ＱＤ）により作られる赤・緑・青（ＲＧＢ）偏光光源の構造及び製造方法に関する。
量子ドット（ＱＤ）バックライトスタックは、通常、ＱＤ埋め込みディフューザーフィルム、ポラライザーフィルム及びいくつかの輝度向上フィルムを含む。下記の参考文献は本発明の主題に関連する主題を有する。
"Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ Ｊｅｔ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌｓ，" Ｇｌｏｒｉａ Ｇ．Ｓｅｅ，Ｌｕ Ｘｕ，Ｅｒｉｃｋ Ｓｕｔａｎｔｏ，Ａｎｄｒｅｗ Ｇ．Ａｌｌｅｙｎｅ，Ｒａｌｐｈ Ｇ．Ｎｕｚｚｏ，ａｎｄ Ｂｒｉａｎ Ｔ．Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ １０７，０５１１０１（２０１５）； ｄｏｉ：１０．１０６３／１．４９２７６４８
"Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｆｒｏｍ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｕｒｆａｃｅｓ，" Ｎｉｋｈｉｌ Ｇａｎｅｓｈ，Ｐａｔｒｉｃｋ Ｃ．Ｍａｔｈｉａｓ，Ｗｅｉ Ｚｈａｎｇ，ａｎｄ Ｂｒｉａｎ Ｔ． Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍａ，ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ １０３，０８３１０４（２００８）
"Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｆｒｏｍ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔｓ ｏｎ ａ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ，" Ｎｉｋｈｉｌ Ｇａｎｅｓｈ，Ｗｅｉ Ｚｈａｎｇ，Ｐａｔｒｉｃｋ Ｃ．Ｍａｔｈｉａｓ，Ｅｄｍｏｎｄ Ｃｈｏｗ，Ｊ．Ａ．Ｎ．Ｔ．Ｓｏａｒｅｓ，Ｖｉｋｔｏｒ Ｍａｌｙａｒｃｈｕｋ，Ａｄａｍ Ｄ．Ｓｍｉｔｈ Ａｎｄ Ｂｒｉａｎ Ｔ．Ｃｕｎｎｉｎｇ，Ｎａｔｕｒｅ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＶＯＬ２，５１５ （Ａｕｇｕｓｔ ２００７）
このような液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）バックライトスタックは鮮やかな色を生成しうる。しかしながら、ディフューザー、ポラライザー及び輝度向上フィルムは、バックライトスタックの全体コストを増加させ、バックライトを厚くし隆起させ、製造の複雑性を増加させ、光効率を低減しうる。
一の側面では、本発明の実施形態は、基板上に複数のフォトニック結晶格子構造を備える偏光生成デバイスに関する。複数のフォトニック結晶格子構造は、青色偏光の透過のための一以上の構造領域と、緑色偏光の透過のための一以上の構造領域と、赤色偏光の透過のための一以上の構造領域と、を有する。また、前記デバイスは、緑色偏光の透過のための一以上の構造領域上に実質的に位置する緑色量子ドット層と、赤色偏光の透過のための一以上の構造領域上に実質的に位置する赤色量子ドット層と、を備える。高屈折率フィルムは、基板上の複数のフォトニック結晶格子構造と、緑色量子ドット層及び赤色量子ドット層との上に配置される。青色発光ダイオードアレイは、該青色発光ダイオードアレイの発光が赤色量子ドット層及び緑色量子ドット層からの赤色光及び緑色光の放射を促進するように偏光デバイス上に配置される。
他の側面では、本発明の実施形態は、基板上に複数のフォトニック結晶格子構造を作成する工程を有する偏光光源の製造方法に関する。複数のフォトニック結晶格子構造は、青色偏光の透過のための一以上の構造領域と、緑色偏光の透過のための一以上の構造領域と、赤色偏光の透過のための一以上の構造領域と、を有する。また、前記方法は、緑色偏光の透過のための一以上の構造領域上に実質的に位置する緑色量子ドット層を堆積する工程と、赤色偏光の透過のための一以上の構造領域上に実質的に位置する赤色量子ドット層を堆積する工程と、を有する。その後、偏光光源は高屈折率フィルムで覆われる。青色発光ダイオードアレイは、該青色発光ダイオードアレイの発光が赤色量子ドット層及び緑色量子ドット層からの赤色光及び緑色光の放射を促進するように、偏光光源上に配置される。
本発明の他の側面及び利点は、以下の記載及び特許請求の範囲より明らかとなる。
本発明の一以上の実施形態について添付図面を参照して説明する。ただし、添付図面は本発明の一以上の実施形態のある側面又は具体化を例として図示するにすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。
本発明の特定の実施形態について、添付図面を参照してここに詳細に説明する。種々の図面における類似の構成部分は、整合性をとるため、類似の参照番号によって示す。また、図面における「図」の語は文中における「図面」の語の使用と同等である。
本発明の実施形態についての以下の詳細な説明では、本発明のより完全な理解のため、多くの特定の詳細事項が述べられる。しかしながら、本発明がこれら特定の詳細事項なしで実施されうることは、当業者において明らかである。他の例では、説明を無用に複雑化するのを避けるため、周知の特徴については詳細に説明しない。
概して、本発明は、フォトニック結晶格子構造に結合する量子ドット（ＱＤ）により作られる、赤・緑・青（ＲＧＢ）偏光光源用のデバイス及び製造方法に関する。本発明の実施形態は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）バックライトとして使用されうる。より具体的には、本発明の実施形態は、緑及び赤のＱＤと、青、緑及び赤のフォトニック結晶格子構造とを組み合わせることにより、高効率ＲＧＢ偏光を生成する。
本発明の一以上の実施形態は、従来のバックライトスタックで用いられていたポラライザーフィルム及び／又はいくつかの他の光学的向上フィルムを不要にする。よって、本発明の実施形態はバックライトスタックのコストを大幅に低減し、低電力動作を可能とする。また、本発明の一以上の実施形態によれば、従来のバックライトスタックと比較して、バックライトスタックを薄型化することができる。
図１は、本発明の一以上の実施形態によるＱＤバックライトスタック（１００）の構成部分を示している。裏面から前面にかけて、ＱＤバックライトスタック（１００）は、リフレクター（１０２）と、導光板（１０４）に結合された青色発光ダイオード（ＬＥＤ）（１０６）とを備えている。また、導光板（１０４）の上には、ＱＤディフューザーフィルム（１０８）中のＱＤが青色ＬＥＤによって励起されるように、ＱＤを含有するＱＤディフューザーフィルム（１０８）が配置されている。ＱＤディフューザーフィルム（１０８）の上には、一以上の輝度向上フィルム（ＢＥＦ）１１０が配置される。更に、光を偏光させる反射ポラライザー（１１２）が設けられる。反射ポラライザー（１１２）の上には液晶パネル（１１４）が配置される。ＱＤディスプレイバックライトスタック（１００）は鮮やかな色を生成することができる。しかしながら、ＢＥＦ（１１０）及び反射ポラライザー（１１２）は、バックライトスタックの全体コストを増加させ、バックライトを厚くし隆起させ、製造の複雑性を増加させ、光効率を低減しうる。本発明の一以上の実施形態は、ＢＥＦ（１１０）及び反射ポラライザー（１１２）を不要にする。
図２は、本発明の一以上の実施形態によるＱＤの一以上の共振を示す。図２は、ＱＤのサイズ及び組成が、青色光を吸収して可視光線の他の（より高い波長の）領域の光を出すため、どのように設計されうるかを示している。図２は、青色光を吸収して赤色光を出すため一の特定のＱＤが選択されうること、及び青色光を吸収して緑色光を出すため他のＱＤが選択されうることを示している。当業者であれば、本発明の実施形態は２種類のみのＱＤの混合物に限定されないことがわかる。本発明の実施形態に従い、所望の放出光を提供すべく、２以上のＱＤの混合物を用いることもできる。また、当業者であれば、複合ＲＧＢ光の所望の放射を得るため、ＱＤの埋め込み環境のみならず、異なるＱＤの濃度を操作しうることがわかる。
図３は、本発明の一以上の実施形態に従ったシミュレーションフォトニック結晶共振を示す。図３は、厚さ３０ｎｍの銀グレーティング構造の異なる周期でのシミュレーション透過率を示している。このような構造では、グレーティング周期を増加することで透過波長を増加することができる。図３は、本発明の一以上の実施形態による、青（３２０）、緑（３２２）及び赤（３２４）のフォトニック結晶透過共鳴を示す。なお、かかるデバイスから伝達された光は、フォトニック結晶の特質に基づいて偏光されうる。
図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の一以上の実施形態によるＱＤフォトニック結晶デバイスを示す。本発明の一以上の実施形態において、図４Ａはデバイス（４００）の上面図、図４Ｂはデバイス（４００）の側面図である。図４Ａでは、複数のフォトニック結晶格子構造（４３２，４３４，４３６）がポリマー基板（４３０）に配置され、又は形作られている。例えば、図４Ａに示すように、フォトニック結晶は、青色光の透過のための構造領域（４３２）、緑色光のための構造領域（４３４）、及び赤色光のための構造領域（４３６）を含む。図４に示すように、青色、緑色、赤色の構造領域（４３２，４３４，４３６）のパターンは、ポリマー基板（４３０）上で繰り返されてもよい。
具体的に、本発明の一以上の実施形態によれば、青色光の透過率は４４０〜４５０ｎｍの範囲、緑色光の透過率は５２０〜５３０ｎｍの範囲、赤色光の透過率は６３０〜６４０ｎｍの範囲である。本発明の一以上の実施形態に従い、青色励起波長及び特定のＱＤの発光波長は、フォトニック結晶構造領域の波長範囲と一致するように選択されうる。
本発明の一以上の実施形態に従い、ＱＤフォトニック結晶デバイス（４００）は、緑色光のための構造領域（４３４）上に主に配置される緑色ＱＤ層（４３８）を含む。同様に、ＱＤフォトニック結晶デバイス（４００）は、赤色光のための構造領域（４３６）上に主に配置される赤色ＱＤ層（４４０）を含む。青色光のためのＱＤ層は要しない。青色光は発光ダイオードにより提供され、赤色ＱＤ層（４４０）及び緑色ＱＤ層（４３８）のための励起源として使用されるためである。緑色ＱＤ層（４３８）及び赤色ＱＤ層（４４０）は、インクジェット印刷方法、その他本分野において公知の方法により堆積することができる。例えば、ＱＤ層は、溶液ベースの処理により堆積することができる。
図４Ｂは、本発明の一以上の実施形態によるデバイス（４００）の側面図である。図４Ｂは、本発明の一以上の実施形態に従い、フォトニック結晶格子構造（４３２，４３４，４３６）及びＱＤ層（４３８，４４０）上に配置された高屈折率層（４４２）（例えば、二酸化チタン層、二酸化ジルコニウム層及びこれら酸化物層の組合せ）を示している。
図５Ａ及び図５Ｂは、本発明の一以上の実施形態による液晶ディスプレイデバイスを示している。デバイス（５００，５０１）は側面が示されており、本発明の実施形態に従い、高屈折率層（５４２）、ＱＤ層（５３８，５４０）及びフォトニック結晶格子構造（５３２，５３４，５３６）を含んでいる。図５Ａ及び図５Ｂにおいて、高屈折率層（５４２）の上には液晶ディスプレイ層（５５０）が配置されている。図５Ａにおいて、デバイス（５００）の他面には、フォトニック結晶格子構造及びＱＤ層を介して、青色励起光を直接提供する青色ＬＥＤ層（５５２）が設けられている。更に、デバイス（５００）は、青色ＬＥＤ層（５５２）の他面に設けられ、デバイス（５００）を介した青色励起光のスループットを増加させるリフレクターフィルム（５５４）を含んでいる。図５Ｂは、フォトニック結晶格子構造とリフレクターフィルム（５５４）との間に設けられた拡散層（５５６）を含む一以上の実施形態を示している。これらの実施形態において、青色ＬＥＤは、デバイス（５０１）におけるフォトニック結晶層の片側に設けることができる。拡散光ガイド層（５５６）は、拡散光ガイド層（５５６）を介した青色光の全内反射を提供し、これによりデバイス（５０１）を介して青色光を伝播するように設計しうる。
図６は、本発明の一以上の実施形態によるＱＤフォトニック結晶格子構造の製造方法を示すフローチャートである。ステップ６００において、複数のフォトニック結晶格子構造が基板に配置又は成形される。複数のフォトニック結晶格子構造は、青色偏光の透過のための一以上の構造領域、緑色偏光の透過のための一以上の構造領域、及び赤色偏光の透過のための一以上の構造領域を有する。ＲＧＢフォトニック結晶格子構造の構造領域の設計は、本発明の一以上の実施形態に従い、人間の視覚の色感度に適合させてもよい。
一以上の実施形態では、構造領域は、ピッチ、幅及び格子型構造の材料が、赤色光、緑色光、青色光の所望の透過率に基づいて選択された格子型構造でありうる。例えば、約数１００ｎｍの格子ピッチ（Ｘ軸）、約数１００ｎｍの高さ（Ｚ軸）、及び約２０ミクロンの格子の最小幅（Ｙ軸）である。該最小幅は、ＱＤ層の堆積が容易になるように選択できる。
フォトニック結晶格子構造は、光学リソグラフィー、インプリントリソグラフィー及びモールディングリソグラフィー等のリソグラフィー技術を用いて形成することができる。基板の材料は、使用するリソグラフィー技術に基づいて選択すればよい。例えば、基板材料は、ガラス、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン‐２，６‐ナフタレンジカルボキシレート（ＰＥＮ）又はこれらの組合せである。
ステップ６０２において、緑色偏光の透過のための一以上の構造領域上に実質的に位置する緑色ＱＤ層が堆積される。ステップ６０４では、赤色偏光の透過のための一以上の構造領域上に実質的に位置する赤色ＱＤ層が堆積される。ステップ６０２及び６０４において、ＱＤ層は、本発明の一以上の実施形態に従い、インクジェット印刷技術によって堆積することができる。また、ＱＤ層は溶液法によって堆積してもよい。ＱＤ層におけるＱＤ濃度は、約１０体積パーセントＱＤでありうる。また、ＱＤ層は約１００ｎｍの厚さでありうる。当業者ならば、これはＱＤの比較的低い分量の使用法であり、デバイスの製造コストの低減につながるとわかる。
上記のように、関連する（緑色又は赤色の）ＱＤ層は、関連する（緑色又は赤色の）偏光の透過のために構造化されたフォトニック結晶格子構造を実質的に覆っている。しかしながら、フォトニック結晶格子構造の構造領域は特定波長しか透過させないことから、フォトニック結晶格子構造及びＱＤ層のいかなる不整合も、デバイスの動作に害を及ぼさない。
ステップ６０６において、高屈折率フィルムは、露出した青色偏光の透過のための構造領域、緑色ＱＤ層及び赤色ＱＤ層を覆うように堆積される。すなわち、デバイスは、緑色及び赤色ＱＤ層の堆積後、高屈折率フィルムによってコーティングされる。高屈折率（ｎ≧１．７）フィルムはＴｉＯ２、ＺｒＯ２又はこれら酸化物の組合せである。高屈折率フィルムの厚さは約１００ｎｍである。
ステップ６０８において、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイの発光が赤色ＱＤ層及び緑色ＱＤ層からの赤色光及び緑色光の放射を促進するように、青色ＬＥＤアレイが偏光光デバイス上に配置される。青色ＬＥＤアレイは、図５Ａ及び図５Ｂについて説明したとおり配置することができる。
本発明の実施形態は、製造を容易にするロールツーロール法を用いて製造することができる。一以上の実施形態では、青色、緑色及び赤色の偏光放射のための複数の構造領域が、所望のサイズとなるように繰り返される。かかる実施形態は、比較的大きいＬＣＤバックライトスタックにおける使用に特に有益である。
本発明の実施形態は、緑色ＱＤ層及び赤色ＱＤ層を、青色、緑色、赤色フォトニック結晶格子構造と組み合わせることにより、高効率ＲＧＢ偏光を提供する。本発明の実施形態は、ポラライザーフィルム及び輝度向上フィルムを不要にし、薄型ＲＧＢバックライトを低コストかつ高効率でもたらす。
本発明を限られた数の実施形態に関して説明したが、本開示を利用する当業者は、ここに開示する本発明の趣旨を逸脱しない範囲で他の実施形態を考案できるとがわかる。したがって、本発明の範囲は特許請求の範囲のみによって限定されるものではない。
Claims (21)
- 偏光を生成するデバイスであって、
基板上の複数のフォトニック結晶格子構造であって、青色偏光の透過のための一以上の構造領域と、緑色偏光の透過のための一以上の構造領域と、赤色偏光の透過のための一以上の構造領域とを有する複数のフォトニック結晶格子構造と、
前記緑色偏光の透過のための前記一以上の構造領域上に実質的に位置する緑色量子ドット層と、
前記赤色偏光の透過のための前記一以上の構造領域上に実質的に位置する赤色量子ドット層と、
前記基板上の前記複数のフォトニック結晶格子構造と、前記緑色量子ドット層及び前記赤色量子ドット層との上に配置された高屈折率フィルムと、
青色発光ダイオードアレイであって、該青色発光ダイオードアレイの発光が前記赤色量子ドット層及び前記緑色量子ドット層からの赤色光及び緑色光の放射を促進するように前記偏光デバイス上に配置された青色発光ダイオードアレイと、
を備えることを特徴とするデバイス。 - 液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
- 前記複数のフォトニック結晶格子構造は、１００〜４００ｎｍの格子ピッチ、１００〜３００ｎｍの格子高さ、及び少なくとも２０ミクロンの格子幅を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のデバイス。
- 前記緑色量子ドット層及び前記赤色量子ドット層はインクジェット印刷技術を用いて配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のデバイス。
- リフレクターフィルムを更に備え、
前記青色発光ダイオードアレイは、前記リフレクターフィルムと、前記基板のうち前記複数のフォトニック結晶格子構造からみた反対側との間の層に配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のデバイス。 - 前記緑色量子ドット層及び前記赤色量子ドット層は、約１００ｎｍの厚さであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記基板は、ガラス、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）及びポリエチレン‐２，６‐ナフタレンジカルボキシレート（ＰＥＮ）から成る群から選択される一つであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記高屈折率フィルムは１．７より高い屈折率及び約１００ｎｍの層厚を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記緑色量子ドット層及び前記赤色量子ドット層は、１０体積パーセントの緑色量子ドット及び赤色量子ドットの濃度をそれぞれ有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記複数のフォトニック結晶格子構造は、リソグラフィー技術を用いて作られることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のデバイス。
- 偏光光源の製造方法であって、
基板上に、青色偏光の透過のための一以上の構造領域と、緑色偏光の透過のための一以上の構造領域と、赤色偏光の透過のための一以上の構造領域とを有する複数のフォトニック結晶格子構造を作成する工程と、
前記緑色偏光の透過のための前記一以上の構造領域上に実質的に位置する緑色量子ドット層を配置する工程と、
前記赤色偏光の透過のための前記一以上の構造領域上に実質的に位置する赤色量子ドット層を配置する工程と、
前記偏光光源を高屈折率フィルムでコーティングする工程と、
青色発光ダイオードアレイの発光が前記赤色量子ドット層及び前記緑色量子ドット層からの赤色光及び緑色光の放射を促進するように、前記青色発光ダイオードアレイを前記偏光光源上に配置する工程と、
を備えることを特徴とする方法。 - 前記複数のフォトニック結晶格子構造は、１００〜４００ｎｍの格子ピッチ、１００〜３００ｎｍの格子高さ、及び少なくとも２０ミクロンの格子幅を有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
- 前記緑色量子ドット層及び前記赤色量子ドット層はインクジェット印刷技術を用いて配置されることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の方法。
- 前記青色発光ダイオードアレイは、前記基板のうち前記複数のフォトニック結晶格子構造からみた反対側の層に配置されることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
- 前記緑色量子ドット層及び前記赤色量子ドット層は、約１００ｎｍの厚さであることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
- 前記高屈折率フィルムは１．７より高い屈折率及び約１００ｎｍの層厚を有することを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
- 前記緑色量子ドット層及び前記赤色量子ドット層は、１０パーセントの緑色量子ドット及び赤色量子ドットの濃度をそれぞれ有することを特徴とする請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
- 前記基板は、ガラス、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）及びポリエチレン‐２，６‐ナフタレンジカルボキシレート（ＰＥＮ）から成る群から選択される一つであることを特徴とする請求項１１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
- 前記緑色量子ドット層及び前記赤色量子ドット層は、１０体積パーセントの緑色量子ドット及び赤色量子ドットの濃度をそれぞれ有することを特徴とする請求項１１〜１８のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複数のフォトニック結晶格子構造は、リソグラフィー技術を用いて作られることを特徴とする請求項１１〜１９のいずれか一項に記載の方法。
- 前記偏光光源の製造方法はロールツーロール法であることを特徴とする請求項１１〜２０のいずれか一項に記載の方法。
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