JP3792485B2 - アクティブマトリクス型液晶表示装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクティブマトリクス型液晶表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、カラー表示可能なアクティブマトリクス型液晶表示装置は、画素ごとにTFT(薄膜トランジスタ;thin film transistor)と画素電極とが設けられたTFT基板と、カラーフィルタ及び共通電極が形成された対向基板とを対向配置させ、その間に液晶層を封入させた構造となっていた。この構造では、カラーフィルタと画素電極とが正確に位置合わせされていなければならず、また、不要な光漏れを防ぐために、画素ごとのカラーフィルタ間にブラックマトリクス(遮光層)を配置する必要があるという製造上の課題がある。そこで、TFT基板上にカラーフィルタを形成することが提案されてきた。TFT基板上にカラーフィルタを形成した場合には、対向基板は透明基板と透明基板の全面に一様に形成された透明な共通電極とで構成できるようになって製造工程が簡素化され、対向基板とTFT基板の位置合わせに苦労する必要もなくなる。さらに、TFT基板上の各種配線を遮光層として利用できるというメリットも生じる。
【0003】
図5は、TFT基板側にカラーフィルタが設けられている従来のアクティブマトリクス型液晶表示装置の構成を示す模式断面図である。
【0004】
TFT基板10は、透明なガラス基板11の一方の主面上に、パターニングされ相互に平行に配列した複数のデータ線(映像信号線あるいはドレイン線、ソース線とも呼ばれる)12が設けられるとともに、ガラス基板11のこの主面上に、カラーフィルタを構成する色層13と透明なオーバコート層14とを順次積層し、さらに、オーバコート層14の表面に、画素ごとの透明な画素電極15を形成した構成となっている。データ線12は、色層13によって覆われている。データ線12が延びる方向は、図において、紙面に垂直な方向である。一方、対向基板20は、ガラス基板21の一方の主面の全面に透明かつ一様な共通電極22を設けた構成となっている。そして、この液晶表示装置は、画素電極15と共通電極22とが互いに向き合うようにして所定の間隔でTFT基板10と対向基板20とを配置し、これらの間に液晶層30を封入した構成となっている。データ線12は、不透明な導電性材料から形成されており、2つの画素の間の隙間の部分を遮光する役目も担っている。当業者には自明のことであるが、TFT基板10には、このほか、ゲート線(走査線とも呼ぶ)や、画素ごとに設けられたTFTなどが形成されている。
【0005】
図6はこのようなアクティブマトリクス型液晶表示装置の等価回路図である。
【0006】
画素ごとに設けられる画素電極15及びTFT41は、TFT基板10上でマトリクス状に配列している。スイッチング素子であるTFT41のゲートはゲート線42に接続し、ドレインはデータ線12に接続し、ソースは画素電極15に接続する。TFT41のソースをデータ線12に接続し、ドレインを画素電極15に接続するようにしてもよい。共通電極22は接地されており、共通電極22と1つの画素電極15とによって挟まれた液晶層が1つの画素部分40である。ゲート線42は、TFT基板10の上では相互に平行にかつデータ線12に対しては直交する方向に延びている。各画素部分40に対して並列に、等価的に、画素容量43が接続している。データ線12及びゲート線42は、それぞれ、ドライバ44及びドライバ45によって駆動される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
カラーフィルタをTFT基板側に設けた上述した従来のアクティブマトリクス型液晶表示装置については、位相差補償板を設けたとしても、対向基板側にカラーフィルタが設けられているものに比べて視野角が狭い、という問題が指摘されている。表1は、TFT基板側にカラーフィルタが設けられているものと対向基板側にカラーフィルタが設けられているもののそれぞれについての、上下方向、左右方向の視野角の実測値を示したものである。なお、表1の値は、位相差補償板を用いたときのものである。
【0008】
【表1】
Figure 0003792485
【0009】
ここでいう視野角は、白表示をさせたときと黒表示をさせたときのコントラスト比が10%以上である視野範囲の角度のことである。表1から分かるように、上下方向の視野角は、カラーフィルタが対向基板側にあるかTFT基板側によらずほぼ同じであるが、左右方向の視野角は、カラーフィルタを対向基板側に設けた場合に比べ、カラーフィルタをTFT基板側に設けた場合の方がかなり狭くなっている。画素が微細である場合にその傾向が著しい。
【0010】
なぜ、このような現象が起こるかについて、上述の図5を用いて説明する。
【0011】
図5に示す従来のアクティブマトリクス型液晶表示装置をノーマリホワイトモードで使用する場合を考える。データ線12を挟む両方の画素を黒表示とすると、特にビット反転駆動により駆動したときには、例えば一方の画素電極には+5Vが印加され、他方の画素電極には−5Vが印加されるから、液晶層30のうちデータ線12上の領域では強い横方向電界が発生し、ディレクタ(液晶分子)31が倒れ込み、実質的にはこの領域では白表示となる。具体的には、図示Aとして示すように、画素電極15間の隙間の領域及びこの隙間から画素電極側に若干入り込んだ領域において白表示となり、この領域が光漏れ領域となる。これ以外の領域では、ディレクタ31は画素電極15と共通電極22とを結ぶ方向に平行になって直立しており、黒表示となる。この白表示となった部分は、正面から視認した場合には、データ線12によって遮光されることになるので実質的には黒領域として認識されるが、斜め方向から視認した場合には、図示矢印Bに示すように、データ線12によっては遮光されず、かつ液晶層30では光漏れ領域Aのみを通過する光の影響を受けることになる。すなわち、本来は黒領域であるにも関わらず、図示Bに示すように液晶層30を透過する光が存在するので、黒領域におけるコントラストの低下(いわゆる黒浮き)がもたらされることになる。
【0012】
以上の説明から明らかなように、画素ピッチの細かい高精細パネルの場合、画素ピッチが粗いものに比べて、通常の画素領域(正常領域;上記説明で液晶分子が正常に縦方向に配列していて黒表示となっている領域)に対する光漏れ領域の割合の比率が大きくなりがちなので、斜め方向でのコントラストがより低下し、視野角が狭くなる。
【0013】
同様の現象はゲート線についても起こりうるものであるが、ゲート線はデータ線とは異なって比較的大きな電圧がほぼ常時印加されるものであること、また、カラー表示のアクティブマトリクス型液晶表示装置の場合、一般に画素電極の形状がデータ線に平行な方向に長い長方形であること、などから、ゲート線においては、データ線におけるほど顕著に現れることはなく、視野角や視認性の低下にも実質的にはつながらない。
【0014】
上述したようなコントラストの低下や視野角の減少を防ぐために、例えば特開平10−104664号公報には、データ線の幅を太くし、オーバコート層を介して画素電極とオーバラップさせる構成が開示されているが、必要な視野角を得るためにはデータ線を極端に太くする必要があって開口率の低下を招き、また、データ線を極端に太くすることによってTFTや補助容量などの配置に支障が生じるおそれがある。
【0015】
そこで本発明の目的は、カラーフィルタをTFT基板側に設ける場合であっても、データ線を太くすることなく視野角を広くすることができるアクティブマトリクス型液晶表示装置を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明のアクティブマトリクス型液晶表示装置は、スイッチング素子が形成された第1の基板(TFT基板)と、第1の基板に対向して配置された第2の基板(対向基板)と、第1の基板と第2の基板の間に挟持された液晶層と、第1の基板上に設けられスイッチング素子にデータ信号を供給するデータ線と、データ線及び第1の基板を被覆するように第1の基板上に設けられたオーバコート層と、オーバコート層上に設けられマトリクス状に配置された複数の画素電極とを有し、データ線が隣接する2つの画素電極間の間隙の位置に対応して設けられているアクティブマトリクス型液晶表示装置において、カラーフィルタを構成する色層が前記第1の基板上の少なくとも前記データ線が形成されていない領域に設けられており、前記データ線上および前記色層上に直接設けられたブラックマトリクスを有し、前記ブラックマトリクスが前記画素電極とオーバラップする部分を有し、前記部分の幅Wが、前記液晶層の厚さをd LC とし、前記ブラックマトリクス上での前記オーバコート層の厚さをd OC とし、所定の視野角を2θとして、前記アクティブマトリクス型液晶表示装置がドット反転駆動で駆動されるものであるときはW LC /2 OC ・tan θ、前記アクティブマトリクス型液晶表示装置がゲート線反転駆動で駆動されるものであるときはW LC /4 OC ・tan θを満足することを特徴とする
【0018】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。
【0019】
図1は本発明の第1の実施形態のアクティブマトリクス型液晶表示装置の構成を示す模式断面図である。このアクティブマトリクス型液晶表示装置は、図5に示した従来の液晶表示装置と同様にカラーフィルタ(色層13)がTFT基板10側に設けられたものであるが、TFT基板10に、さらに、斜め方向の光に対する遮光層となるブラックマトリクス16が設けられている点で、図5に示したものと相違する。以下、図1に示す液晶表示装置について詳しく説明する。
【0020】
TFT基板10では、透明なガラス基板11の一方の主面上にパターニングされ相互に平行に配列した複数のデータ線12が設けられ、ガラス基板11のこの主面上の領域のうちデータ線12に覆われていない部分には、カラーフィルタを構成する色層13が形成されている。データ線12は不透明な導電性材料から構成され、図示紙面に垂直な方向に延びている。また、色層13は、その一部が、データ線12の縁からデータ線12の上面に向けてせり出している。
【0021】
ブラックマトリクス16は、データ線12上にあってデータ線12と同じ方向に延び、その下面がデータ線12の上面と接するように設けられている。ブラックマトリクス12は、図示横方向には、データ線12上にせり出した色層13の上面にもせり出し、データ線12の縁にあたる部分よりもさらに色層13の中心方向に向かって色層13上にはみ出している。ブラックマトリクス16のこのはみ出し幅については後述する。ブラックマトリクス12は、遮光性を有する材料によって構成されている。この実施形態の場合、ブラックマトリクス16は導電性を有してもよいが、導電性を有する場合には、電気的にデータ線12の幅が拡大したこととなって、液晶表示装置の電気的特性に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、ブラックマトリクス16は、例えばカーボンブラックの微粉末を樹脂中に拡散させたものなどの、絶縁性の材料で構成することが好ましい。
【0022】
色層13の上面及びブラックマトリクス16の上面を滑らかに覆うように透明なオーバコート層14が設けられ、オーバコート層14の上面には画素ごとに透明な画素電極15が形成されている。画素電極15は、オーバコート層14上にマトリクス状に配置するとともに、例えばITO(酸化インジウム・スズ)などによって形成されている。データ線12は、2つの画素電極15の間隙の部分に対応して配置している。
【0023】
なお、TFT基板10には、このほか、ゲート線(不図示)や、画素ごとに設けられたTFT(不図示)などが形成されている。TFTにはデータ線12からデータ信号が供給される。さらにこのアクティブマトリクス型液晶表示装置には、1対の偏光板(不図示)や位相差補償板(不図示)などが取り付けられている。
【0024】
一方、対向基板20は、図5に示したものと同じものであって、透明なガラス基板21とITOなどからなる透明な共通電極22とを備えている。そして、この液晶表示装置は、画素電極15と共通電極22とが互いに向き合うようにして所定の間隔でTFT基板10と対向基板20とを配置し、これらの間に液晶層30を封入した構成となっている。
【0025】
次に、ブラックマトリクス16の幅方向(図示横方向)の寸法について説明する。ブラックマトリクス16は、画素電極15間の間隙に生じる光漏れ領域Aを通過する光を遮ることで、斜め方向から見たときのコントラスト比を向上させ、視野角を拡大するために設けられるものである。斜め方向の光であっても、光漏れ領域A以外の領域(正常領域)を少しでも通過するものは、ノーマリホワイトモードで各画素電極15に電圧を印加して黒表示とさせたときには、正常領域を通過することでかなり減光するので、コントラスト比の低下への影響はほとんどないと考えられる。そこで、光漏れ領域のみを通過する斜め方向の光の角度範囲をどこまで許容するかに応じて、ブラックマトリクス16の幅を決めればよいことになる。所望の視野角を2θとして、ガラス基板21の法線に対してθだけ傾きかつ光漏れ領域Aのオーバコート層14側の端部を通る光路(図示矢印Cに示す光路)がちょうどブラックマトリクス16の端部にかかるように、ブラックマトリクス16の幅を決めればよい。このようにすれば、図示点線の矢印Dで示すような、データ線12では遮光されずに光漏れ領域Aを通過することとなる光は、ブラックマトリクス16によって遮られることになる。
【0026】
すなわち、液晶層30の厚さdLCやオーバコート層14の厚さdOC、液晶層30の電気的性質、画素電極15の間隔や配置、各層の光学的性質(屈折率など)などに基づいて光漏れ領域の位置を求め、所望の視野角特性が得られるようにブラックマトリクス16の幅を決めればよい。
【0027】
このようにしてブラックマトリクス16の幅を決めることは、公知のシミュレーション技術を用いることによって可能であるが、ブラックマトリクス16の幅を決定する因子が数多くあるので、幅の最適値を求めるための計算量が莫大なものとなる。そこで本発明者はさらに実験を行い、より簡便にブラックマトリクス16の寸法を決める方法を見出したので、この方法について説明する。
【0028】
現在生産されているような液晶表示装置の場合、液晶層30の厚さdLC、画素電極15間の間隙の大きさ、ブラックマトリクス16上でのオーバコート層14の厚さdOCは、いずれも、数μmから十数μmの範囲にあると考えられる。このような液晶表示装置をノーマリホワイトモードで使用し、データ線12(ブラックマトリクス16)をはさんで隣接する画素の両方で黒表示を行った場合、画素電極15間に発生する横方向電界によって(あるいは画素電極15間の領域での縦方向電界の低下によって)、光漏れ領域Aが発生する。この光漏れ領域Aは、上述したように、液晶層30において、画素電極15間の間隙に対応する領域のみならず、画素電極15の縁の位置から画素電極15の中心に向かってある程度の広がりを有する。図1に示す構成においては、オーバコート層14をはさんで画素電極15の下側にブラックマトリクス16が設けられることから、ブラックマトリクス16の幅は、画素電極15間の間隙よりも大きい必要がある。したがって、ブラックマトリクス16は、画素電極15とオーバラップすることとなるから、このオーバラップ部分の幅をWとする。
【0029】
液晶層30における上述した横方向電界は、明らかに、各画素電極15に例えばビット反転駆動で電圧を印加するか、ゲート線反転駆動で電圧を印加するかによって、相違する。そこで、本発明者らは、上述した現在生産されているような液晶表示装置においてこれらの駆動の違いも考慮して検討を行ったところ、この液晶表示装置で得ようとする視野角を2θとして、上述のオーバラップ部分の幅Wについて、
W ≧ dLC/2 + dOC・tan θ (ドット反転駆動の場合),
W ≧ dLC/4 + dOC・tan θ (ゲート線反転駆動の場合)
とすればよいことを見出した。ここで視野角は、白表示と黒表示とのコントラスト比が10%以上である視野の角度範囲であると規定する(以下において同じ)。もちろん、Wをむやみに大きくすると開口率が低下するから、上記の式が成立する範囲でWを小さくすることが望ましい。
【0030】
表2は、位相差補償板付きの9.4″UXGA(画素ピッチ120μm)の液晶パネルにおいて、液晶層30の厚さdLCを4.5μm、画素電極15間の間隙を6μm、ブラックマトリクス上のオーバコート層14の厚さdOCを0.5〜30μmとし、ビット反転駆動を行った場合の、白表示と黒表示とのコントラスト比が10%以上である視野角2θとオーバラップ部分の幅Wとの関係を示したものである。表2からも、上述の式を満たすようにWを設定することで、良好な表示特性、視野角特性が得られることが分かる。
【0031】
また、表2より、開口率を45〜50%から低下させることなく、左右視野角110°以上(位相差補償板の性能)の良好な視野角特性を得るためには、ブラックマトリクス上のオーバコート層膜厚を1μm以下にする必要がある。
【0032】
ただし、ブラックマトリクスの段差(1〜2μm)を平坦化できなければ、液晶のディレクタに乱れが生じ配向不良が発生するため、平坦性を保ち、最大段差を0.5μm以下にしつつ、オーバコート層を薄膜化する必要がある。本発明者らが実験したところ、オーバコート層として塗布時の粘度が5〜15mPa・s(5〜15cP)のアクリル樹脂(JSR製 PC405、PC415)をスピンコートを用いて塗布することにより、ブラックマトリクスの段差を平坦化しつつ、ブラックマトリクス上のオーバコート層の膜厚を1μm以下にすることができることが分かった。
【0033】
なお、本実施の形態では、色層上にブラックマトリクスを新たに設ける例で説明を行ったが、隣り合う色層を重ねることによりブラックマトリクスと同等の機能をもたせてもよい。
【0034】
【表2】
Figure 0003792485
【0035】
図2は、本発明の参考例のアクティブマトリクス型液晶表示装置の構成を示す模式断面図である。この液晶表示装置は、図1に示すものと同様の構成のものであるが、オーバコート層14のデータ線12側の面でなく、オーバコート層14の液晶層30側の表面にブラックマトリクス16が形成されている点で、図1に示すものと相違している。この実施形態でも、もちろん、ブラックマトリクス16は、データ線12の上方に配置している。画素電極15の縁部はブラックマトリクス16に覆い被さるように形成されている。ブラックマトリクス16は、複数の画素電極15に接することになるので、絶縁性の材料で構成する必要がある。また、ブラックマトリクス16を誘電率が高い材料で構成することにより、液晶層30における画素電極15間の横方向電界を緩和することができ、光漏れ領域Aの幅を狭くするという効果も生じる。
【0036】
この液晶表示装置においても、図1に示したものと同様に、光漏れ領域のみを通過する斜め方向の光の角度範囲をどこまで許容するかに応じて、ブラックマトリクス16の幅を決めればよいことになる。すなわち、液晶層30の厚さdLC、液晶層30の電気的性質、画素電極15の間隔や配置、各層の光学的性質(屈折率など)などに基づいて光漏れ領域の位置を求め、所望の視野角特性が得られるようにブラックマトリクス16の幅を決めればよい。より簡便にブラックマトリクス16の幅を求める方法としては、本発明者が見出したものであるが、画素電極の厚みを無視できるものとして、画素電極15とブラックマトリクス16とが重なる部分の幅Wを、
W ≧ dLC/2 (ドット反転駆動の場合),
W ≧ dLC/4 (ゲート線反転駆動の場合)
とするものがある。
【0037】
この液晶表示装置は図1に示したものに比べてWを小さくすることができ、したがって開口率をより向上させることができる。
【0038】
図3は、本発明の参考例のアクティブマトリクス型液晶表示装置の構成を示す模式断面図である。この液晶表示装置は、図2に示すものと同様の構成のものであるが、オーバコート層14上に設けられたブラックマトリクス16が、画素電極15の縁部に乗り出すように形成されている点で、図2に示すものと相違している。
【0039】
この液晶表示装置においても、図1に示したものと同様に、光漏れ領域のみを通過する斜め方向の光の角度範囲をどこまで許容するかに応じて、ブラックマトリクス16の幅を決めればよいことになる。すなわち、液晶層30の厚さdLC、液晶層30の電気的性質、画素電極15の間隔や配置、各層の光学的性質(屈折率など)などに基づいて光漏れ領域の位置を求め、所望の視野角特性が得られるようにブラックマトリクス16の幅を決めればよい。より簡便にブラックマトリクス16の幅を求める方法としては、本発明者が見出したものであるが、画素電極15とブラックマトリクス16とが重なる部分の幅Wを、
W ≧ dLC/2 (ドット反転駆動の場合),
W ≧ dLC/4 (ゲート線反転駆動の場合)
とするものがある。この液晶表示装置では、Wをより小さくすることができ、開口率をさらに向上することができる。
【0040】
図4は、本発明の参考例のアクティブマトリクス型液晶表示装置の構成を示す模式断面図である。この液晶表示装置は、図1に示す液晶表示装置からオーバコート層を除去した構成のものである。画素電極15は色層13の上に直接形成されている。画素電極15の縁部はブラックマトリクス16に覆い被さるように形成されている。ブラックマトリクス16は、絶縁性であって誘電率の高い材料で構成されている。
【0041】
オーバコート層は液晶層30に印加される横方向電界を緩和するために設けられているものであるが、ブラックマトリクス16を誘電率が高い材料で構成することにより、ブラックマトリクス16自体が液晶層30における画素電極15間の横方向電界を緩和することとなり、オーバコート層を省略することが可能になる。
【0042】
この液晶表示装置においても、図1に示したものと同様に、光漏れ領域のみを通過する斜め方向の光の角度範囲をどこまで許容するかに応じて、ブラックマトリクス16の幅を決めればよいことになる。すなわち、液晶層30の厚さdLC、液晶層30の電気的性質、画素電極15の間隔や配置、各層の光学的性質(屈折率など)などに基づいて光漏れ領域の位置を求め、所望の視野角特性が得られるようにブラックマトリクス16の幅を決めればよい。より簡便にブラックマトリクス16の幅を求める方法としては、本発明者が見出したものであるが、画素電極15とブラックマトリクス16とが重なる部分の幅Wを、
W ≧ dLC/2 (ドット反転駆動の場合),
W ≧ dLC/4 (ゲート線反転駆動の場合)
とするものがある。
【0043】
オーバコート層を設けていないことにより、この液晶表示装置は図1に示したものに比べてWを小さくすることができ、したがって開口率をより向上させることができる。
【0044】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、TFT基板上にブラックマトリクス(遮光層)を設けることにより、カラーフィルタをTFT基板側に設ける場合であっても、データ線を太くすることなく視野角を広くすることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施形態のアクティブマトリクス型液晶表示装置の模式断面図である。
【図2】 本発明の参考例のアクティブマトリクス型液晶表示装置の模式断面図である。
【図3】 本発明の参考例のアクティブマトリクス型液晶表示装置の模式断面図である。
【図4】 本発明の参考例のアクティブマトリクス型液晶表示装置の模式断面図である。
【図5】 従来のアクティブマトリクス型液晶表示装置の模式断面図である。
【図6】 アクティブマトリクス型液晶表示装置の等価回路図である。
【符号の説明】
10 TFT基板
11,21 ガラス基板
12 データ線(映像信号線)
13 色層(カラーフィルタ)
14 オーバコート層
15 画素電極
16 ブラックマトリクス(遮光層)
20 対向基板
21 ガラス基板
22 共通電極
30 液晶層
31 ディレクタ
40 画素部分
41 TFT
42 ゲート線(走査線)
43 画素容量
44,45 ドライバ
A 光漏れ領域

Claims (3)

  1. スイッチング素子が形成された第1の基板と、前記第1の基板に対向して配置された第2の基板と、前記第1の基板と前記第2の基板の間に挟持された液晶層と、前記第1の基板上に設けられ前記スイッチング素子にデータ信号を供給するデータ線と、前記データ線及び前記第1の基板を被覆するように前記第1の基板上に設けられたオーバコート層と、前記オーバコート層上に設けられマトリクス状に配置された複数の画素電極とを有し、前記データ線が隣接する2つの画素電極間の間隙の位置に対応して設けられているアクティブマトリクス型液晶表示装置において、
    カラーフィルタを構成する色層が前記第1の基板上の少なくとも前記データ線が形成されていない領域に設けられており、
    前記データ線上および前記色層上に直接設けられたブラックマトリクスを有し、
    前記ブラックマトリクスが前記画素電極とオーバラップする部分を有し、前記部分の幅Wが、前記液晶層の厚さをdLCとし、前記ブラックマトリクス上での前記オーバコート層の厚さをdOCとし、所定の視野角を2θとして、前記アクティブマトリクス型液晶表示装置がドット反転駆動で駆動されるものであるときは
    W ≧ dLC/2 + dOC・tan θ、
    前記アクティブマトリクス型液晶表示装置がゲート線反転駆動で駆動されるものであるときは
    W ≧ dLC/4 + dOC・tan θ
    を満足することを特徴とする、アクティブマトリクス型液晶表示装置。
  2. ブラックマトリクス上でのオーバコート層の厚さdOCが1μm以下であり、前記オーバコート層が下地の前記ブラックマトリクスの段差を平坦化して該段差を0.5μm以下とする、請求項1に記載のアクティブマトリクス型液晶表示装置。
  3. ブラックマトリクスが絶縁性の材料からなる請求項1または2に記載のアクティブマトリクス型液晶表示装置。
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