KR100965578B1 - 강유전성 액정표시장치 - Google Patents

강유전성 액정표시장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 블랙 휘도를 저감시켜서 콘트라스트비(contrast ratio)를 향상시킬 수 있는 강유전성 액정표시장치(ferroelectric liquid display device)를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 강유전성 액정표시장치는, 서로 대향하는 제 1 기판 및 제 2 기판과, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판과의 사이에 개재되어 있는 강유전성 액정층; 상기 제 1 기판의 외면에 형성되어, 외부로부터 입사되는 빛의 진동을 제 1 방향으로 제한시키는 편광자; 상기 제 1 기판의 내면에 형성되어, 상기 강유전성 액정 분자를 제 2 방향으로 배열시키는 제1 배향막; 상기 제2 기판의 내면에 형성되며 상기 제1 배향막의 러빙 방향과 평행하거나 어긋나는 러빙 방향을 가지는 제2 배향막을 구비하고, 상기 제2 방향에 수직한 방향과, 상기 제 1 방향과의 각도 차이는 3.5°이상~4.5°이하의 범위를 가지는 것을 특징으로 한다.
콘트라스트비, 강유전성 액정

Description

강유전성 액정표시장치{Ferroelectric Liquid Crystal Display Device}
본 발명은 강유전성 액정을 이용한 강유전성 액정표시장치에 관한 것으로, 특히 블랙 휘도를 저감시켜서 콘트라스트비(contrast ratio)를 향상시킬 수 있는 강유전성 액정표시장치에 관한 것이다.
최근, 경량/박형이면서 낮은 소비 전력을 가지는 영상표시장치로, 액정표시장치가 실용화되어 널리 보급되고 있다.
일반적인 액정표시장치는, 광원(예를 들면, 백라이트)으로부터의 빛이 입사 되는 쪽에 위치한 기판(이하, "제 1 기판") 및 상기 제 1 기판과 일정한 간격을 사이로 이격하여 대향하도록 배치된 제 2 기판으로 구성되며, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에는 예를 들면 네마틱 액정으로 이루어진 액정층이 구비된다.
이 때, 제 1 기판에서 액정층측에 대응되는 면에 형성된 배향막의 러빙방향(액정분자의 배열방향, "제 2 방향")은, 제 1 기판의 액정층측에 대응되는 면과 반대면에 구비된 편광자의 편광방향(외부에서 입사된 빛의 진동이 제한되는 방향, 제1 방향)에 대하여, 평행 또는 수직하도록 형성된다.
일반적인 액정 표시장치의 제 1 기판에 대한 배향막의 러빙 방향과 편광자의 편광방향과의 관계를 도6에 도시하였다.
또한, 상기 제 2 기판에서 액정층측에 대응되는 면의 반대면에 구비된 편광자의 편광 방향은, 상기 제 1 기판에 구비된 편광자의 편광방향에 대하여, 편광방향이 교차하는 크로스 니콜(crossnicole) 상태가 되도록 구성된다.
이와 같이, 네마틱 액정을 이용한 액정표시장치에서는, 제 1 기판의 배향막의 러빙 방향이, 제 1 기판에 구비된 편광자의 편광방향에 대하여, 평행 또는 수직하게 될 경우, 액정의 리타데이션(retardation) 즉, 복굴절 위상차가 가장 작아지는 것이 이론적으로 증명되어 있으며, 경험적으로도 널리 알려져 있다.
즉, 제 1 기판의 배향막의 러빙(rubbing) 방향을 제 1 기판에 구비된 편광자의 편광방향에 대하여 평행 또는 수직하도록 하는 한편, 제 2 기판의 편광자의 편광 방향을 제 1 기판에 구비된 편광자의 편광방향에 대하여 크로스 니콜 상태가 되도록 할 때, 블랙 휘도(즉, 블랙 상태에서의 화면의 휘도)가 가장 낮아지며 높은 콘트라스트비를 구현할 수 있게 된다.
한편, 최근들어서 액정표시장치의 응답 속도를 향상시키기 위해서, 네마틱 액정 대신 강유전성 액정을 이용하여 액정층을 형성한 강유전성 액정표시장치가 제안되어 있다.
강유전성 액정을 채용한 종래의 강유전성 액정표시장치는, 서로 대향하는 한 쌍의 기판과, 상기 한 쌍의 기판 사이에 개재되도록 형성된 강유전성 액정층과, 상기 한 쌍의 기판 각각의 외측에 배치된 한 쌍의 편광필름을 포함하여 구성된다.(예를 들면, 일본 특허공개공보 제2006-515935호 참조).
이 때, 광원으로부터의 빛이 입사된는 쪽에 구비된 제 1 기판에 마련된 편광 필름의 편광방향은, 강유전성 액정분자의 배향 처리 방향에 대하여, 평행 또는 거의 평행하도록 구성된다. 또한, 제 1 기판에 대응하는 제 2 기판에 구비된 편광 필름의 편광방향은, 강유전성 액정분자의 배향 방향에 대하여, 수직하도록 구성되어 있다.
이러한 구성은, 위에서 서술한 네마틱 액정을 이용한 액정표시장치와 같이, 블랙 휘도를 저감하여 높은 콘트라스트비를 구현하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 일본 특허공개공보 제2006-515935호에 기재된 종래의 강유전성 액정표시장치에서는, 제 1 기판의 편광 필름의 편광방향과 강유전성 액정분자의 배향 처리 방향을 평행하도록 하는 한편, 제 2 기판의 편광 필름의 편광방향과 강유전성 액정분자의 배향 처리 방향을 수직하게 하고 있다.
그러나, 종래의 강유전성 액정표시장치에서는, 액정 분자의 다이렉터 방향 즉, 액정 분자의 배열 방향에 대하여 네마틱 액정과 강유전성 액정의 특성이 서로 다른 것이 고려되지 않고 있다.
그 때문에, 강유전성 액정표시장치의 경우 블랙 휘도가 네마틱 액정을 적용한 종래의 액정표시장치에 비하여 높은 측면이 있었고, 따라서 높은 콘트라스트비를 구현하기 곤란하다는 문제점이 있었다.
본 발명은, 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 블랙 휘도를 저감함으로써 콘트라스트비를 향상시킬 수 있는 강유전성 액정표시장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 강유전성 액정표시장치는, 서로 대향하는 제 1 기판 및 제 2 기판; 상기 제 1 기판 및 제 2 기판과의 사이에 개재되어 있는 강유전성 액정층; 상기 제 1 기판의 외면에 형성되어, 외부로부터 입사되는 빛의 진동을 제 1 방향으로 제한시키는 편광자; 상기 제 1 기판의 내면에 형성되어, 상기 강유전성 액정 분자를 제 2 방향으로 배열시키는 제1 배향막; 상기 제2 기판의 내면에 형성되며 상기 제1 배향막의 러빙 방향과 평행하거나 어긋나는 러빙 방향을 가지는 제2 배향막을 구비하고, 상기 제2 방향에 수직한 방향과, 상기 제 1 방향과의 각도 차이는 3.5°이상~4.5°이하의 범위를 가지는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 강유전성 액정표시장치는, 제 1 방향과 제 2 방향 사이의 제 1 각도 차이, 또는 제 1 방향과, 제 2 방향에 수직한 방향과의 제 2 각도차이가 3.5°이상 4.5°이하의 범위의 값을 가지도록 설정되며, 이 범위 내에서 블랙 휘도가 최소화되고 콘트라스트비를 향상시키는 효과를 제공한다.
다음으로 첨부된 도면을 참조로 하여, 본 발명의 실시예에 따른 강유전성 액정표시장치에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 참고로, 동일하거나 서로 대응되는 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 지시하여 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 강유전성 액정표시장치를 나타낸 단면도이다.
도1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 강유전성 액정 표시 장치는, 제 1 기판(1)과, 상기 제 1 기판(1)과 일정한 간격으로 이격하여 대향하도록 배치된 제 2 기판(2)과, 상기 제 1 기판(1) 및 제 2 기판(2) 사이에 개재되어 강유전성 액정으로 이루어진 강유전성 액정층(3)과, 상기 제 1 기판에서 강유전성 액정층을 대향하고 있는 면의 반대면에 구비된 제 1편광자(4)와, 상기 제 1 기판에서 강유전성 액정층을 대향하고 있는 면에 형성된 투명전극(5)과, 상기 투명전극 상부에 형성된 제 1 배향막(6)과, 상기 제 2 기판에서 강유전성 액정층을 대향하고 있는 면에 형성된 제 2 배향막(7)과, 상기 제 2 기판 상에 형성된 컬러 필터(8)와, 상기 제 2 기판에서 강유전성 액정층을 대향하고 있는 면의 반대면에 구비된 제 2 편광자(9)를 구비한다.
상기 제 1 기판(1) 및 제 2 기판(2)은, 예를 들면 유리 기판으로 형성될 수 있을 것이다.
상기 강유전성 액정층(3) 상기 제 1 기판(1) 및 제 2 기판(2) 사이에 강유전성 액정이 주입되어 형성되거나, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 중 어느 하나의 기판 상에 강유전성 액정이 적하된 후 다른 기판과 합착되어 형성될 수 있을 것이다.
또한, 상기 제 1 기판(1)을 기준으로, 강유전성 액정층(3)의 반대측에는 광원으로서 기능하는 백라이트(미도시)가 구비되며, 상기 백라이트로부터 출사된 빛이 제 1 기판 방향으로 입사하게 된다.
상기 제 1 편광자(4)는, 상기 제 1 기판(1)에서 강유전성 액정층과 대향하는 면의 반대면에 구비되며, 제 1 기판 및 백라이트 사이에 구비되어서 백라이트로부터 입사된 빛의 진동을 제 1 방향으로 제한하게 된다.
상기 투명전극(5)은, 화소전극과 대응되도록 구성되며, 제 1 기판 및 제 2 기판에 대하여 평행한 방향(즉, 강유전성 액정층에 대하여 수평방향)의 전계를 발 생시킨다.
상기 제 1 배향막(6)은, 상기 제 1 기판에서 강유전성 액정층과 대향하는 면에 형성되며, 강유전성 액정 분자를 제 2 방향, 즉, 제 1 배향막의 러빙방향으로 배열시킨다.
이 때, 상기 제 1 편광자(4)에 의한 편광방향인 제 1 방향과, 상기 제 1 배향막(6)에 의한 액정분자의 배열 방향인 제 2 방향과의 제 1 각도 차이는 3.5°이상 4.5°이하의 범위내의 값을 가지도록 설정된다.
도2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 강유전성 액정표시장치에서 제 1 편광자(4)에 의한 편광방향인 제 1 방향과, 제 1 배향막(6)에 의한 액정분자의 배열방향인 제 2 방향과의 관계를 나타낸 도면이다.
한편, 상기 제 2 배향막(7)은, 제 2 기판(2)에서 강유전성 액정층(3)과 대향하고 있는 면에 형성되어, 강유전성 액정 분자를 제 2 배향막(7)의 러빙 방향으로 배열시킨다.
상기 컬러필터(8)는, 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 컬러를 표시하기 위한 필터이며, 강유전성 액정층(3)을 통과한 빛이 유색광이 되도록 한다.
상기 제 2 편광자(9)는, 상기 제 2 기판에서 강유전성 액정층과 대향하는 면의 반대면에 구비되며, 강유전성 액정층을 통과한 빛 중에서 소정의 진동 방향의 빛만을 통과시킨다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 액정표시장치는 다음과 같은 순서로 제작된다.
우선, 제 1 기판(1) 상에 스퍼터링(sputtering)법 등을 이용하여 투명 전극(5)을 형성하고, 상기 제 2 기판(2)에 컬러필터(8)을 형성한 후, 투명 전극이 형성된 제 1 기판 및 컬러필터가 형성된 제 2 기판 상에 폴리이미드를 도포한 다음, 소성시켜서 제 1 배향막(6) 및 제 2 배향막(7)을 형성한다. 또한, 형성된 제 1 배향막 및 제 2 배향막에 배향 처리를 실시한다. 참고로, 상기 제 1 기판 상에는 투명 전극 이외에도, 각각의 화소를 구현하기 위하여 게이트 전극과 소스 전극 및 드레인 전극 등을 포함하는 박막 트랜지스터 어레이가 형성될 수 있으며, 상기 제 2 기판 상에는 컬러필터 이외에도 블랙 매트릭스 등을 포함하는 컬러 필터 어레이가 형성될 수 있다.
다음으로, 제 1 기판 및 제 2 기판의 주변부에 씰 재료를 도포하고, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판을 서로 합착시킨다.
이어서, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판의 사이에 강유전성 액정을 주입한 후, 어닐링 처리를 통하여 제 1 기판 및 제 2 기판 사이의 공간에 균일하게 분포된 강유전성 액정층을 형성한다. 참고로, 제 1 기판 및 제 2 기판 중 어느 하나의 기판에 강유전성 액정을 적하한 다음, 두 기판을 합착시키는 것도 가능할 것이다.
마지막으로, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판에서 강유전성 액정층을 대향하고 있는 면의 반대면 각각에 제 1 편광자(4) 및 제 2 편광자(9)을 부착한다.
이 때, 상기 제 1 배향막(6)의 러빙 방향과 제 2 배향막의(7)의 러빙 방향을 평행(parallel)이 되도록 하면, 강유전성 액정층(3)은 쉐브론(chevron) 구조를 가지게 된다. 또한, 제 1 배향막(6)의 러빙 방향과 제 2 배향막의(7)의 러빙 방향을 어긋나도록(anti-parallel) 하면, 강유전성 액정층(3)은 쉘프(shelf) 구조를 가지게 된다.
다음으로, 상기 구성을 가지는 강유전성 액정표시장치의 동작에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
우선, 투명전극(5)에 전압을 인가(印加)하지 않은 상태에서는, 강유전성 액정층의 액정분자가 빛을 가리는 소정의 방향으로 배열되고 있어서, 빛은 강유전성 액정층(3)을 통과하지 못한다.
또한, 투명전극(5)에 전압이 인가되었을 경우에는, 강유전성 액정층(3)에 대하여 수평방향 즉, 가로방향의 전계가 발생하게 되고, 이러한 전계에 의해, 강유전성 액정의 분자가 수평방향으로 90°회전하게 되며, 빛이 강유전성 액정층(3) 및 제 2 편광자(9)를 통과하게 된다.
이 때, 제 1 편광자(4)에 의한 제 1 방향과, 제 1 배향막(6)에 의한 제 2 방향 사이의 제1의 각도차이 및 제 1 편광자(4)의 편광방향 및 제 2 편광자(9)의 편광방향과의 각도차이를 변화시키면서, 강유전성 액정표시장치의 블랙휘도를 측정하여, 가장 블랙휘도가 낮아지는 조건을 검토하는 실험을 실시하였다.
한편, 이하에서는, 제 1 편광자(4)의 편광방향과, 제 2 편광자(9)의 편광방향과의 각도차이를 편광자 각도차이라고 칭한다.
블랙 휘도의 측정 방법은, 셀 갭(G)을 1.5㎛, 복굴적 위상차 Δnd=O.3 인 테스트용 강유전성 액정 패널 즉, 테스트 패널(test panel)을 제작한 후, 테스트 패널의 블랙 휘도를 광학측정기(일본 명릉테크닉 제, LCA-LU4A)로 측정하는 방법을 채택하였다.
또한, 네마틱 액정을 이용한 IPS 방식의 액정표시장치를 본 발명의 실시예에 따른 강유전성 액정표시장치와 비교 실험을 실시하였다.
즉, 제 1 기판의 편광자의 편광방향과 제 1 기판의 배향막의 러빙 방향과의 각도차이, 및 제 1 기판의 편광자의 편광방향과 제 2 기판의 편광자의 편광방향과의 각도차이를 변화시키면서, 액정표시장치의 블랙휘도를 측정했다.
한편, 제 1 기판의 배향막의 러빙 방향과, 제 2 기판의 배향막의 러빙 방향은 평행이 되도록 하였다.
본 실험에 있어서의 흑휘도의 측정 결과를 도3에 나타내었다. 한편, 도3에서 파선으로 표시된 범위는, 콘트라스트비가 100을 넘는 수준의 블랙 휘도범위를 나타내고 있다.
도3에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 강유전성 액정표시장치에서는, 제 1 기판에 구비된 편광자의 편광방향과 제 1 기판 상에 형성된 배향막의 러빙 방향이 평행하게 되며, 상기 제 2 기판의 편광자의 편광 방향이 제 1 기판의 편광 방향과 크로스 니콜이 될 경우 블랙 휘도가 가장 낮아지게 되어 콘트라스트비가 높아지게 된다.
즉, 전술한 바와 같이, 네마틱 액정을 이용한 액정표시장치에서는, 제 1 기판의 배향막의 러빙 방향이, 제 1 기판의 편광자의 편광방향에 대하여, 평행 또는 수직해질 경우에 액정의 리타데이션(retardation) 즉, 복굴절위상차가 가장 작아진다.
또한, 이러한 상태와 동시에, 제 2 기판의 편광자의 편광방향을 제 1 기판의 편광자의 편광방향에 대하여 크로스 니콜로 하는 것에 의하여, 블랙 휘도를 가장 낮게 하고, 높은 콘트라스트를 구현할 수 있게 된다.
다음으로, 도4에서 쉘프 구조를 가지는 강유전성 액정표시장치에 대하여, 상기의 실험을 실시한 결과를 도시하였다. 한편, 도4에서 파선으로 표시된 범위는, 콘트라스트비가 100을 넘는 수준의 블랙 휘도범위를 나타내고 있다.
도4에서 알 수 있듯이, 쉘프 구조를 가지는 본 발명의 실시예에 따른 강유전성 액정표시장치에 대해서는, 제 1 각도차이가 약 3°내지 약 5°가 되는 범위 즉, 편광자 각도차이가 약 87°내지 90°가 되는 범위에서 블랙 휘도가 콘트라스트비가 100 수준을 넘게 됨을 알 수 있다.
또한, 도5에서 쉐브론 구조를 가지는 강유전성 액정표시장치에 대하여, 상기 실험을 실시한 결과를 도시하였다. 한편, 도5에서 파선으로 표시된 범위는, 콘트라스트비가 100을 넘는 수준의 블랙 휘도범위를 나타내고 있다.
도5에서 알 수 있듯이, 쉐브론 구조를 가지는 본 발명의 실시예에 따른 강유전성 액정표시장치에 대해서는, 제 1 각도차이가 약 1°내지 약 5°가 되는 범위 즉, 편광자 각도차이가 약 84°내지 90°가 되는 범위에서 블랙 휘도가 콘트라스트비가 100 수준을 넘게 됨을 알 수 있다.
또한, 도4 및 도5에서보다, 블랙 휘도를 가장 낮게 하기 위해서, 편광자 각도차이를 크로스 니콜로 할 경우, 강유전성 액정층(3)이 쉘프 구조 또는 쉐브론 구조의 어느 것의 경우에서도, 제 1 각도차이를 3.5°이상 4.5°이하의 범위내로, 바람직하게는, 4°로 설정하는 것이 바람직하다.
상기 제 1 각도차이를 4°로 설정했을 경우에는, 액정의 리타데이션이 가장 작아져서, 블랙 휘도를 가장 낮게 하고, 높은 콘트라스트비를 실현할 수 있다.
다시 말해, 강유전성 액정표시장치에 대해서는, 제 1 각도차이가 4°가 되고 , 편광자 각도차이가 크로스 니콜이 될 경우에, 블랙 휘도가 가장 낮아져서, 콘트라스트비가 높아진다. 이는, 네마틱 액정과 강유전성 액정에서 액정 분자의 배열 방향 즉, 다이렉터에 관한 특성이 서로 다르기 때문인 것으로 사료된다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 강유전성 액정표시장치에서는, 제 1 편광자(4)에 의한 제 1 방향과, 제 1 배향막(6)에 의한 제 2 방향과의 제 1 각도차이는, 3.5°~4.5°의 범위내로 설정된다.
이와 같이, 블랙휘도를 저감하고, 콘트라스트비를 향상시킬 수 있도록 제 1 각도차이의 범위가 설정되었으며, 특히 제 1 각도차이가 4°로 설정된 경우에, 블랙 휘도가 가장 낮으면서, 가장 높은 콘트라스트비를 구현할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 강유전성 액정표시장치에서, 제 1 편광자(4)에 의한 제 1 방향과, 제 1 배향막(6)에 의한 제 2 방향과의 제 1 각도차이가, 3.5°~4.5°의 범위내로, 바람직하게는 4°로 설정된다고 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 제 1 편광자(4)에 의한 제 1 방향과 제 1 배향막(6)에 의한 제 2 방향에 수직한 방향과의 제 2 각도차이가, 3.5°~4.5°의 범위내로, 바람직하게는 4°로 설정되어도 무방하며, 이 경우에도 상기 제 1 실시예에 따른 강유전성 액정표시장치와 동일한 효과를 가진다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 강유전성 액정표시장치를 나타낸 단면도.
도2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 강유전성 액정표시장치에서 제 1 편광자에 의한 편광방향인 제 1 방향과, 제 1 배향막에 의한 액정분자의 배열방향인 제 2 방향과의 관계를 나타낸 도면.
도3은 네마틱 액정을 채용한 IPS 방식 액정표시장치에서, 블랙휘도를 측정한 결과를 나타내는 설명도
도4는 쉘프(shelf) 구조를 가지는 강유전성 액정표시장치에 대해서, 블랙 휘도를 측정한 결과를 나타내는 설명도.
도5는 쉐브론(chevron) 구조를 가지는 강유전성 액정표시장치에 대해서, 블랙 휘도를 측정한 결과를 나타내는 설명도.
도6은 종래의 액정표시장치의 제 1 기판에 대한 배향막의 러빙 방향과 편광자의 편광 방향과의 관계를 나타낸 설명도.
< 도면 부호의 간단한 설명>
1 : 제 1 기판 2 : 제 2 기판
3 : 강유전성 액정층 4 : 제 1 편광자
6 : 제 1 배향막 7 : 제 2 배향막
8 : 컬러 필터 9 : 제 2 편광자

Claims (2)

  1. 서로 대향하는 제 1 기판 및 제 2 기판;
    상기 제 1 기판 및 제 2 기판과의 사이에 개재되어 있는 강유전성 액정층;
    상기 제 1 기판의 외면에 형성되어, 외부로부터 입사되는 빛의 진동을 제 1 방향으로 제한시키는 편광자;
    상기 제 1 기판의 내면에 형성되어, 상기 강유전성 액정 분자를 제 2 방향으로 배열시키는 제1 배향막;
    상기 제2 기판의 내면에 형성되며 상기 제1 배향막의 러빙 방향과 평행하거나 어긋나는 러빙 방향을 가지는 제2 배향막을 구비하고,
    상기 제2 방향에 수직한 방향과, 상기 제 1 방향과의 각도 차이는 3.5°이상~4.5°이하의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 강유전성 액정표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각도 차이는, 4°인 것을 특징으로 하는 강유전성 액정표시장치.
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