KR100327611B1 - 액정표시소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
러빙을 행하여도 소자의 열화나 파괴가 없고, 시각특성과 응답성이 우수하며, 저전압으로 구동할수 있는 횡방향전계구동방식의 액정표시소자와 그 제조방법이 제공된다.
본 발명의 액정표시소자는 서로 대향하는 한쌍의 기판과, 상기 한쌍의 기판사이에 게재된 액정층과, 전기 액정층에 전기 기판의 면과 실질적으로 평행한 방향의 전계를 인가하는 수단과, 전기 한쌍의 기판의 일방의 액정층과의 경계면은 적극적 배향처리가 행해지지 않고 전기 한쌍의 기판의 타방의 액정층과의 경계면에는 적극적 배향처리가 행해진 배향구조를 가지며; 전기 액정분자의 배열상태를 전기 기판면에 평행한 방향들사이에서 변화시켜 표시를 행한다.
본 발명의 액정표시소자의 제조방법은 횡방향전계를 인가하기 위한 전극을 가지며, 적극적 배향처리를 하지 않는 막을 표면에 형성한 기판을 준비하는 공정과, 소정의 배향패턴으로 적극적 배향처리를 한 배향구조를 표면에 형성한 기판을 준비하는 공정과, 전기 양 기판을 소정 간격으로 대향 배치하여 셀을 형성하는 공정과, 전기 셀의 전기 기판사이에 액정재료를 주입하고, 전기 액정재료를 등방상 상태에서 액정상 상태로 하여 액정분자를 배향시키는 공정을 포함한다.
Description
본 발명은 액정표시소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는기판면에 평행한 횡방향전계에 의해 액정분자의 배향방향을 제어하여 표시를 행하는 형식의 액정표시소자와 그 제조방법에 관한 것이다.
현재 TN(Twisted Nematic)형 액정표시소자나 STN(Super Twisted Nematic)형 액정표시소자등이 액정표시장치에 이용되고 있다. 이들 TN 형 액정표시소자는 어느 것이나 액정분자를 수평방향(기판면에 평행방향)으로 나란한 상태에서 액정셀의 두께방향(기판면에 수직방향)의 종방향 전계에 의해 일정방향으로 일어나도록(틸트업하도록, tilted up) 배열상태를 변하게 함으로써 표시하는 모드를 채용하고 있다.
이와 같은 표시모드의 액정표시소자로서는 표시화면을 보는 방향(각도)에 따라서 액정분자의 머리를 보거나 배(腹)을 보게 되고, 시각(視角)방향에 따라서 리타데이션(retardation)이 크게 변화하여 버리기 때문에 콘트라스트의 저하 및 색변화등이 생기서, 시각특성이 나쁘다는 약점을 갖고 있다.
이들의 특성을 개선하기 위하여 액정분자를 종방향전계로 제어하지 않고, 횡방향(기판면에 평행)의 전계에 의해 액정분자의 배열을 제어하여 구동하는 방법이 제안되어 있다.
이들 방법은 예를 들면, 엠. 오에(M. Oh-e), 엠. 오타(M. Ohta), 에스. 아라타니(S. Aratani), 그리고 케이. 콘도(K. Kondo) 저서의 『Principles Characteristics of Electro-Optical Behaviour with In-Plane Switching Mode』, Conf. Record of 1995 IDRC(Asia Display), 제577 페이지, 그리고 엠. 오타(M. Ohta), 엠. 오에(M. Oh-e), 그리고 케이. 콘도(K. Kondo) 저(著)의 논문, Conf. Record of 1995 IDRC(Asia Display), 제707페이지에 개시되어 있다.
상기 문헌에 개시된 방법은 도 2b에 도시되어 있는 바와 같이, 일방의 기판(11)에 설치된 한쌍의 전극(13)에 의해 횡방향(기판에 평행한 방향)의 전계 E 를 인가하여 액정분자(12)의 배열을 변화시킨다.
도 2a의 액정분자의 일축배향상태에서는 편광자(polarizer)(14)로 부터 셀에 들어간 직선광은 그대로 액정층을 통과하여 검광자(analyzer)(15)에 들어간다. 검광자(15)의 편광방향과 셀을 통과한 직선편광의 편광방향이 직교하고 있으므로 광불투과상태를 나타낸다.
횡전계 E 를 인가함으로써 액정셀의 두께방향 중간부의 액정분자의 배향을 변화시킨다. 기판면에 접하고 있는 액정분자는 기판면의 강한 배향력에 의해서 거의 배향을 변화시키지 않는다. 횡전계 E 를 인가하면 도 2a에 도시되어 있는 바와 같이 액정분자(12)를 전 두께에 걸친 1축방향으로 배향한 상태(횡전계없음)에서 도 2b의 두께방향 셀중간부를 향하여 액정분자(12)가 트위스트되는 배열상태(횡전계있음)로 상태변화시키는 표시를 행한다.
도 2b의 액정배열상태에서는 편광자(14)에서 셀에 들어간 직선편광은 액정층을 통과하여 타원편광으로 되고, 검광자(15)의 편광방향과 만나는 성분이 통과하여 광투과상태를 나타낸다.
도 2a, 도 2b에 도시한 바와 같은 횡전계에 의한 구동방식에서는 시각특성이 대단히 넓은 표시를 실현할수 있다. 이 표시모드에서는 전압에 대한 투과율변화의 샤프니스(sharpness)가 나쁘기 때문에 통상은 TFT 등의 액티브 소자와 조합하여 사용하는 것이 바람직하다.
액정분자의 적극적 배향처리방법으로서는 액정을 개재하는 유리기판을 면포와 같은 것으로 일방향으로 문지르는 소위 러빙법이 널리 이용되고 있다. 러빙은 상기 문헌의 횡전계구동의 액정셀에 있어서도 양 기판에 실시되고 있다.
러빙은 기계적 마찰조작이므로 마찰에 의한 정전기가 발생한다. TFT(박막 트랜지스터) 나 MIM(Metal Insulator Metal) 등의 액티브 소자나 배선이 표면에 형성된 기판을 러빙하는 경우에는 러빙에 의한 정전기에 의해서 소자나 배선이 파괴되거나 특성을 열화시키는 경우가 있다.
또한 TFT 나 MIM 등의 소자가 형성된 기판의 표면은 요철이 크고, 균일한 배향처리를 하는 것이 어렵다는 문제도 있다.
그리고 횡전계구동방식으로서는 종전계구동방식과 달리 액정분자에 프리틸트(pre-tilt)를 부여할 필요가 없고, 오히려 프리틸트가 없는 것이 보다 높은 콘트라스트 표시를 얻을수 있다. 그러나 러빙에 의한 적극적 배향처리에서는 일반적으로 프리틸트를 부여해 버린다. 프리틸트를 부여하지 않도록 러빙하기 위해서는 특별한 배향막재료를 사용할 필요가 있었다.
또한 횡전계구동방식에서는 비교적 동작전압이 높고(7V 정도), 또한 응답성도 통상의 TN 형 액정표시소자보다 느리다는 문제도 있었다.
본 발명의 목적은 러빙을 행하여도 소자의 열화나 파괴가 없고, 시각특성과 응답성이 우수하고, 저전압으로 구동할수 있는 횡방향전계구동방식의 액정표시소자와 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일관점에 따르면 서로 대향하는 한쌍의 기판과, 상기 한쌍의 기판사이에 게재된 액정층과, 전기 액정층에 전기 기판의 면과 실질적으로 평행한 방향의 전계를 인가하는 수단과, 전기 한쌍의 기판의 일방의 액정층과의 경계면은 적극적 배향처리가 행해지지 않고 전기 한쌍의 기판의 타방의 액정층과의 경계면에는 적극적 배향처리가 행해진 배향구조를 가지며, 전기 액정분자의 배열상태를 전기 기판면에 수평한 방향에서 변화시켜 표시를 행하는 액정표시소자가 제공된다.
본 발명의 다른 관점에 따르면 횡방향전계를 인가하기 위한 전극을 가지며, 적극적 배향처리를 하지 않는 막을 표면에 형성한 기판을 준비하는 공정과, 소정의 배향패턴으로 적극적 배향처리를 한 배향구조를 표면에 형성한 기판을 준비하는 공정과, 전기 양기판을 소정 간격으로 대향 배치하여 셀을 형성하는 공정과, 전기 셀의 전기 기판사이에 액정재료를 주입하고, 전기 액정재료를 등방상(等方相)상태에서 액정상(液晶相)상태로 하여 액정분자를 배향시키는 공정을 갖는 액정표시소자의 제조방법이 제공된다.
도 1a 는 본 발명의 실시예에 따른 액정표시소자의 구조를 나타내는 액정셀의 단면도이다.
도 1b 내지 도 1d는 다른 배향처리와 배향패턴의 예를 나타내는 개략적인 다이아그램이다.
도 2a 와 도 2b는 종래 기술에 의한 횡전계구동방식의 액정표시소자의 동작을 설명하기 위한 액정셀의 분해사시도이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1,4: 유리기판 2: 칼라 필터
3: 적극적 배향처리를 한 배향막
5: 액티브 소자 6: 화소전극
7: 대향전극 8: 절연막
9: 무배향막
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 횡방향전계(기판에 평행한 방향의 전계)에 의한 구동방법을 채용하는 액정표시소자의 배향처리에서는, 셀을 구성하는 한쌍의 기판중, 일방의 기판에는 적극적 배향처리 예를 들면 러빙은 행하지 않는다. 그리고 타방의 기판에만 적극적 배향처리(러빙등)가 행해진다.
적극적 배향처리를 한 기판과 처리를 하지 않은 기판을 대향배치한 빈 셀에액정재료가 주입된다. 액정재료는 가열되어 등방상(아이소트로픽 상)으로 주입되거나 또는 액정상(네마틱 상)으로 주입된다. 액정상으로 주입된 경우에는 주입후 액정셀을 가열하여 등방성의 액체로 한 상태, 즉 등방상으로 한다.
어느 주입방법에서도, 등방상의 액정재료를 서냉하여 액정상태, 즉 액정상으로 상이전시켜 액정분자를 배향시킨다. 이 배향과정에서는 적극적 배향처리(러빙)가 행해진 기판의 액정경계면측에서 액정분자의 배향이 규제된다.
적극적 배향처리를 행한 기판의 경계면의 액정분자의 배향이 셀내의 다른 액정분자로 전파하고, 셀내의 분자배향을 거쳐서 다른쪽 타방의 적극적 배향처리를 행하지 않는 기판의 경계면의 액정분자까지 배향시킨다.
이 주입방법에 대해서는 1995년 12월 19일에 발행된 미합중국 특허 제5,477,356호를 참조할수 있다.
따라서 러빙과 같은 적극적 배향처리를 행하지 않은 기판에 TFT 나 MIM 등의 소자 또는 전극 등을 형성하여 놓으면, 그 기판에는 러빙을 행하지 않고 액정분자를 배향할수 있는 것이다. 이 무배향처리기판에는 러빙을 행하지 않으므로 프리틸트는 일어나지 않는다.
적극적 배향처리를 한 기판에 프리틸트가 비록 발생하여도 셀전체로서는 평균 프리틸트는 종래의 약 1/2 이 된다.
또한 적극적 배향처리를 하지 않은 기판의 경계면은 배향처리를 한 기판에 비하여 배향규제력(표면에너지)가 약하므로, 이 기판측에 횡전계를 발생하는 전극을 배치하면 응답성이 높게 되고, 구동전압도 적게 된다.
그리고 적극적 배향처리는 러빙에 한하지 않고 다른 방법, 예를 들면 도 1b에 도시된 바와 같이 광배향막, 즉 평광기억막을 배향막(3)으로 사용하여 편광(21)을 조사하여 배향처리를 하는 방법, 또는 도 1c에 도시되어 있는 바와 같이 비편광(22)을 경사지게 조사하는 방법으로도 가능하다.
본 발명의 실시예의 액정표시소자의 구조와 그 제조방법의 구체예를 도 1a를 참조하여 이하에 설명한다.
유리기판(1)의 표면에 칼라 필터(2)를 형성하고, 또한 그 위에 배향막(3)이 형성되어 있다. 기판전체에 미리 설정된 방향으로 일정방향의 배향을 얻기 위하여 배향막(3)에 러빙처리 또는 광배향처리를 1회 실시한다. 도 1d에 도시된 바와 같은 복수의 다른 배향방향을 갖는 소위 분할배향의 영역을 여러개 형성하는 경우에는, 배향막형성의 포토리소그라피(photolithography)처리와 러빙처리를 분할영역의 수에 대응하는 회수만큼 반복하던가, 또는 포토마스크를 통하여 광배향막(PVC막등)에 편광방향을 변화시키면서 편광을 필요회수만큼 조사한다. 이와 같이 하여 배향막(3)의 표면에는 배향구조(3a)가 형성된다.
러빙처리를 행한 경우에는 프리틸트각을 갖는 상태에서 액정분자는 배향하나, 배향막(3)의 재료를 적절히 선택함으로써 프리틸트각을 저하할수 있다. 예를 들면 러빙방향에 대하여 직교하는 방향으로 배향하는 재료를 선택하면 프리틸트각은 완전히 0°로 하는 것도 가능하다. 낮은 프리틸트 타입의 폴리이미드막, 폴리스틸렌 등과 같은 막을 이용할수 있을 것이다. 또한 광배향처리에서는 통상 프리틸트가 일어나지 않는다.
또 다른 일방의 유리기판(4)의 표면에는, TFT 등의 액티브소자(5)와 횡방향전계를 부여하기 위한 화소전극(6)과 그 대향전극(7)이 형성되어 있다.
소자나 전극의 위에 절연층(8)을 형성하고, 또한 그 위에 배향처리를 행하지 않은 배향막(9)이 형성된다.
배향기판(1)과 무배향기판(4)을 소정 갭간격을 두고 대향배치하여 빈 셀을 제작하고, 빈 셀내에 액정재료를 주입한다. 액정재료는 네마틱 액정을 아이소트로픽 상태 또는 네마틱 상태로 주입한다. 네마틱 상태에서 주입한 경우에는 한번 액정재료를 가열하여 아이소트로픽 상태로 한다. 아이소트로픽 상태의 액정재료를 서냉하여 액정상태로 하여 액정분자(10)를 배향기판의 배향처리에 의해 일정방향으로 배향시킨다.
화소전극(6)과 대향전극(7)의 사이에 전압을 인가하면 도 1a에 도시된 점선과 같은 횡방향전계가 셀내에 발생한다.
또한 액정의 배향방향과 편광자 및 검광자의 편광방향과의 관계는 도 2a, 도 2b의 종래의 횡방향전계구동의 액정표시소자와 동일하다.
이상 설명한 액정표시소자를 실제로 제조한 예를 이하에 설명한다.
기판(1)상의 배향막(3)에는 낮은 프리틸트 타입의 폴리이미드막(SE-510, 닛산 화학사 제품)을 사용하여 러빙처리를 실시했다. 무배향기판(4)에는 표면에너지가 25 dyn/cm 정도의 배향규제력이 약한 막(9)을 형성했다. 이 막(9)에는 러빙처리 등의 적극적 배향처리는 일체 행하지 않는다.
이들 2개의 기판을 소정 갭간격으로 대향시켜 제조한 빈 셀에 일반적인 플루오린(fluorine)함유의 네막틱 액정(NI점:98℃)을 실온분위기(액정상 상태)로 진공주입법으로 주입했다.
주입완료후의 배향상태를 관찰하였더니 유동배향이 발생하여 있었다. 이 셀을 가열하여 120 ℃ 에서 30분 열처리하였다. 이 열처리에 의해 유동배향 등의 배향의 교란이 소멸하고, 균일한 결함이 없는 일정방향의 평행배향이 얻어졌다.
이 방법에서는 무배향기판(4)상에는 특별한 막재료(낮은 프리틸트타입의 폴리이미등)를 사용할 필요가 없고 프리틸트각을 0°로 할수 있다.
이상의 실시예에서는 네마틱 액정을 액정상 상태로 빈 셀에 주입했으나, 네마틱 액정재료를 아이소트로픽상 상태로 주입하여도 좋다. 그 경우도 아이소트로픽상 상태에서 네마틱상 상태로 상이전시켜 배향시킨다.
또한 이상의 실시예에서는 적극적 배향처리로서 러빙법을 사용했으나, 먼저 설명한 바와 같은 광배향처리법에 의해서도 가능하다. 그 경우에는 폴리비닐신나메이트(PVC)막을 배향기판상에 형성하고, 기판의 법선방향에서 편광을 수십 초간 조사하는 것에 의해서 PVC막에 배향처리를 실시할수 있다.
또한 도 1d에 도시한 바와 같이, 화소마다 또는 각 화소내의 각 배향영역마다 편광방향(배향방향)을 바꿔서 분할배향할수 있다. 주입하는 액정의 유전률이방성은 정(正)이거나 부(負)라도 좋다.
광조사에 의한 액정분자배향막의 제조에 대해서는 1995년 12월 26일에 특허된 미합중국 특허 제5,479,282호, 1996년 11월 19일에 특허된 미합중국 특허 제5,576,862호, 그리고 1995년 2월 13일에 출원된 미합중국 특허출원 제08/387,170호를 참조할수 있다.
본 발명에 따르면, 무배향기판측에는 러빙 등의 적극적 배향처리는 행하지 않는다. 따라서 무배향기판에 TFT 나 MIM 등의 소자 또는 전극 등을 형성하여 놓으면, 그 기판에는 러빙을 행할 필요가 없고, 정전기에 의한 소자파괴나 열화를 피할수 있다.
동시에 무배향기판은 적극적 배향처리를 하지 않고 액정분자를 배향할수 있으므로 소자나 전극으로 기판에 요철이 있어도, 균일한 배향이 가능하게 된다.
특별한 배향막재료를 이용하지 않고 무배향처리기판에 프리틸트를 일으키지 않도록 할수 있다. 적극적 배향처리를 한 기판에 프리틸트가 비록 발생하여도 셀전체로서는 평균 프리틸트는 종래의 약 1/2이 된다. 따라서 콘트라스트비나 시각특성은 개선된다.
이 회전계에 의한 구동모드에서는 전극이 형성되어 있는 기판(무배향기판)에서의 프리틸트각이 표시특성에 크게 영향을 미치기 때문에 그 프리틸트각이 0°로 되는 것은 콘트라스트비 등에 대한 효과가 크다.
또한 무배향기판에는 배향성 등의 문제로 종래 채용하기 어려웠던 재료를 비교적 자유롭게 이용할수 있다. 예를 들면 표면에너지가 낮은 폴리이미드막, 폴리비닐알콜(PVA), 폴리비닐신나메이트(PVC)등은 배향규제력이 약하고, 러빙 등에 의해 부여되는 배향상태의 안정성이 나빴다. 배향기판상의 배향상태나 액정의 탄성에너지에 의해서 무배향기판(전극측)상의 배향상태가 결정되기 때문에 무배향기판상에는 배향규제력이 약한 재료의 막을 형성하여도 상관없다.
적극적 배향처리를 하지 않은 무배향기판측에 배향규제력이 약한 막을 사용하면 횡방향전계에 대하여 기판경계면 부근의 액정분자까지 움직이기 쉽게 된다. 그 때문에 종래보다 쓰레스홀드값이 낮아짐에 따라서 동작전압을 낮게 하거나 라이즈(rise) 응답성을 빠르게 할수 있다. 예를 들면 상기 실시예의 실제로 제작한 예에서 표면에너지가 25 dyn/cm 정도의 폴리이미드막을 무배향기판상에 형성한 경우에는 동작전압을 6V 정도로 저감할수 있었다.
본 발명의 기술은 액정표시소자에만 한정되는 것이 아니고, 다른 액정관련장치나 부품에도 사용할수 있다.
상기 기재에서 재료들이나 수치들은 단지 예시적인 것에 불과하고, 본 발명은 전술한 실시예에만 한정되는 것이 아니다. 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 전술한 개시를 근거로 다향한 수정 및 변경을 행할수 있음은 자명하다 하겠다.
Claims (17)
- 서로 대향하는 한쌍의 기판과;전기 한쌍의 기판사이에 게재된 액정층과;전기 액정층에 전기 기판의 면과 실질적으로 평행한 방향의 전계를 인가하는 수단과;전기 한쌍의 기판의 일방의 액정층과의 경계면은 적극적 배향처리가 행해지지 않고 전기 한쌍의 기판의 타방의 액정층과의 경계면에는 적극적 배향처리가 행해진 배향구조를 가지며,전기 액정분자의 배열상태를 전기 기판면에 수평한 방향에서 변화시켜 표시를 행하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
- 제1항에 있어서, 전기 배향구조는 전기 액정층에 프리틸트를 실질적으로 부여하지 않은 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
- 제1항에 있어서, 전기 타방의 기판의 배향처리가 행해지지 않은 배향구조는 서로 다른 배향구조를 갖는 복수의 배향영역을 갖는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
- 제1항에 있어서, 전기 일방의 기판의 액정층과의 경게면에 폴리이미드막이형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
- 제1항에 있어서, 전기 일방의 기판의 액정층과의 경계면에 PVA막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
- 제1항에 있어서, 전기 일방의 기판의 액정층과의 경계면에 PVC막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
- 제1항에 있어서, 전기 타방의 기판이 전기 전계를 인가하기 위한 전극을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
- 제1항에 있어서, 전기 일방의 기판에 전기 전계를 인가하기 위한 전극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액정표시소자.
- 액정분자의 배열상태를 액정표시소자의 기판면내에 수평한 방향에서 제어하는 액정표시소자의 제어방법에 있어서,횡방향전계를 인가하기 위한 전극을 가지며, 적극적 배향처리를 하지 않는 막을 표면에 형성한 기판을 준비하는 공정과;소정의 배향패턴으로 적극적 배향처리를 한 배향구조를 표면에 형성한 기판을 준비하는 공정과;전기 양 기판을 소정 간격으로 대향 배치하여 셀을 형성하는 공정과;전기 셀의 전기 기판사이에 액정재료를 주입하고, 전기 액정재료를 등방상 상태에서 액정상 상태로 하여 액정분자를 배향시키는 주입배향공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 제조방법.
- 제9항에 있어서, 전기 주입배향공정이 전기 액정재료를 액정상의 상태로 주입하고, 전기 액정재료를 전기 액정분자가 등방성 상태로 되는 온도로 가열한 후, 서냉하여 액정상 상태로 하여 전기 액정분자를 배향시키는 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 제조방법.
- 제9항에 있어서, 전기 주입배향공정이 등방상 상태로 가열한 전기 액정재료를 전기 셀에 주입하고, 그 후에 전기 셀을 서냉하여 액정상 상태로 하여 전기 액정분자를 배향시키는 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 제조방법.
- 제9항에 있어서, 전기 적극적 배향처리를 러빙에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 제조방법.
- 제12항에 있어서, 전기 적극적 배향처리를 한 배향구조를 표면에 형성한 기판을 준비하는 공정에 있어서, 전기 러빙방향에 대하여 직교하는 방향으로 액정분자를 배향하는 폴리이미드막을 전기 기판에 형성하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 제조방법.
- 제9항에 있어서, 전기 액정재료에 카이랄재료가 첨가되지 않은 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 제조방법.
- 제9항에 있어서, 전기 적극적 배향처리는 전기 액정분자에 프리틸트를 실질적으로 부여하지 않도록 전기 배향구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 제조방법.
- 제9항에 있어서, 전기 적극적 배향처리는 광배향막을 이용하여 편광을 조사하는 방법인 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 제조방법.
- 제9항에 있어서, 전기 적극적 배향처리는 비편광을 경사지게 조사하는 방법인 것을 특징으로 하는 액정표시소자의 제조방법.
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