CN104823102A - 用于显示器加热的电阻器网格 - Google Patents
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Abstract
提供了一种改进的液晶显示器(LCD)加热***。像素阵列中的电阻器网格,特别是VCOM电阻器加热网格,改善了显示器加热器(加热***)的性能使得显示器从低温被更快地加热。电阻器网格设计提供比像素到像素的水平VCOM电阻而言低得多的从像素阵列中的一点到边缘的更低的电阻,因此降低了水平串扰。进一步地,该方法允许显示器在预热期间是活跃的。
Description
相关申请
本申请要求2012年11月30日提交的美国临时申请第61/732,277号的权益。以上申请的整体教导通过引用并入本文。
背景技术
液晶显示器(LCD)由于液晶(LC)的特性具有有限的操作温度范围。随着温度的降低,由于增加的粘滞性,LC响应时间显著增加。因此,LCD在低温下不能正常操作。三种用于保持合适的显示器操作温度的方法或者加热***已经在现有LCD技术中被采用。这些加热***包括:(i)附连到围绕有源像素阵列的氧化铟锡(ITO)玻璃的外部加热器,(ii)内部行线加热器,以及(iii)内部公共电极线(VCOM)加热器。每种类型的加热***具有各种缺点。
通常,在显示器制作之后,外部加热器被附连到薄膜晶体管/氧化铟锡(TFT/ITO)覆盖玻璃。这样的方法通过将电流导通通过LCD覆盖玻璃而提供维持加热。因为外部加热器沿着LCD的边缘并且通过覆盖玻璃提供热量,所以外部加热器通常效率低下并且不能在冷启动条件下快速加热显示器。行线加热器和VCOM加热器提供高得多的效率和靠近LC材料的均匀加热,并且可以在冷启动条件下使用。
图1示出了具有多晶硅行线110和多晶硅VCOM线130的标准像素阵列100的图。行线110载送信号至控制像素晶体管。CLC是其间具有液晶的像素电极和ITO公共板之间的电容。在显示操作期间,VCOM充当像素存储电容器(Cstg)的一个板并且被关联到DC电压。DC电压由驻留在VCOM线和LC材料之间的有源层从LC有效地屏蔽。有源层还充当存储电容器的另一板。
第二方法是行线加热器,其是集成到显示器的有源矩阵架构中的内部加热器。在冷启动条件下,行线加热器可以用于快速加热LC材料。行线加热器被定位在像素阵列内,非常靠近LC,使得它可以提供LCD玻璃内的高效率的、均匀的加热。
图2示出了行线加热方案。行线驱动器230、232驱动电流从一端到另一端通过多晶硅行线210并且向像素阵列200提供热。因为行线210也控制像素220操作,所以在行线加热期间显示器不能操作。冷启动期间所需要的预热时间限制该加热方案在各种应用中的使用。
图3示出了VCOM加热方案。VCOM加热器利用像素阵列300的多晶硅VCOM线344作为电阻加热元件。两个端子V1 340和V2 342被联系到合适的DC电压以控制通过VCOM线344的电流并且产生靠近LC的热。DC电压对存储在存储电容器(Cstg)中的AC视频电压没有影响,并且因此对(像素348的)像素电压没有影响。在有源层将LC与加热器电压屏蔽时,有可能在正常操作期间加热显示器而不引入可视图像伪影。加热器端子V1 340和V2 342优选地对于显示器封装是外部可访问的使得加热器可以与显示器电路的操作分开控制。
发明内容
本发明解决现有技术的问题并且提供改善的液晶显示器加热***。示例实施例包括布置在公共半导体衬底上的显示元件的二维阵列,每个显示元件(或者像素)至少包括像素晶体管、存储电容器(Cst)和像素电极。每个晶体管被布置以控制像素的操作状态,并且至少具有栅极、漏极和源极端子。漏极端子被耦合到存储电容器的第一板。多个行选择线被分布以控制第一多个栅极端子。多个列线被分布以将视频电压通过相应的像素晶体管传递给像素电极。电阻器加热网格包括多个水平公共电压线和多个竖直公共电压线。每个水平公共电压线被布置在平行于行选择线的定向中并且独立于行选择线和列线二者。每个水平公共电压线也至少在每个显示元件中的存储电容器的第二板处被耦合到两个或者更多显示元件并且与所述两个或者更多显示元件集成在一起。每个水平公共电压线进一步包括提供第一水平节点和第二水平节点的两个水平端子。每个竖直公共电压线被布置在平行于列线的定向中并且独立于行选择线和列线二者。每个竖直公共电压线也被耦合到水平公共电压线以形成本发明的网格VCOM。每个竖直公共电压线进一步包括提供第一竖直线节点和第二竖直线节点的两个竖直端子。
并且示例实施例包括加热器驱动器,其被连接到每个加热器端子以提供合适的DC电压使得合适的电流流过多晶硅VCOM线。这是通过将加热器驱动器耦合到至少一个第一和第二竖直线节点并且将加热器驱动器布置以分别向至少一个第一和第二竖直线节点提供至少第一和第二竖直公共线电压来完成的。第一竖直公共线电压被提供在第一竖直线节点处,并且第二电压被提供在第二竖直线节点处。这产生竖直公共线电压差以及通过竖直公共电压线的竖直公共线电流流动,并且由此加热耦合到其的显示元件。
加热器驱动器可以进一步独立于施加以控制行选择线和列线的电压而控制施加到加热器端子的源电压,使得在显示元件正活跃地操作以显示信息时热能够被直接地施加到显示元件。
加热器驱动器可以被进一步耦合到至少一个第一和第二水平线节点并且被布置以分别向至少一个第一和第二水平节点提供至少第一和第二水平公共线电压。第一水平公共线电压被提供在第一水平节点处,并且第二水平公共线电压被提供在第二水平节点处,产生水平电压差和流过水平公共电压线的电流,并且由此加热耦合到其的显示元件。
加热器驱动器可以进一步包括电压分压器,布置以提供至少一个第一竖直线节点和第一水平线节点之间的电压连续性。电阻器加热网格的水平和竖直公共电压线可以由多晶硅形成。竖直公共电压线可以是金属带状的竖直公共电压线,并且水平公共电压线由多晶硅形成。水平公共电压线可以是金属带状水平公共电压线并且竖直公共电压线可以由多晶硅形成。行选择线可以是金属行线。
电阻器加热网格可以降低水平串扰并且提供与从显示元件的仅水平公共加热器(即,内部公共电压线(VCOM)加热器)线阵列中的一个对应的点到仅水平公共加热器线阵列的边缘的对应的电阻水平相比而言低得多的从显示元件的阵列中的一个点到阵列的边缘的电阻水平。电阻器加热网格可以被布置邻近每个显示元件中的晶体管和像素电极中的每个。每个水平和竖直公共电压线可以被定位在像素元件的有源层之下的平面中。
显示元件可以被用于如下设备中的至少一个:数码相机、数码单反(SLR)相机、夜视显示器、手持视频游戏显示器、移动电话或者视频眼睛穿戴设备。
行选择线或者列线中的至少一个可以由低功率移位寄存器控制。低功率移位寄存器可以包括分级电路,分级电路可以包括由单个晶体管控制的单个电压节点。加热元件是以网格方式水平和竖直连接的多晶硅(电阻)VCOM线。有源层充当存储电容器的另一板。有源层(像素电极)将LC(液晶)材料与多晶硅VCOM上的DC电压屏蔽。
根据又一示例实施例,显示器装置包括耦合到水平和竖直加热驱动器的LCD显示器。水平加热驱动器和竖直加热驱动器被耦合到一个或者多个VCOM电阻器加热网格。电阻器加热网格改善显示器加热***性能使得显示器从低温更快地加热。
进一步地,电阻器网格提供比像素到像素的水平VCOM电阻低得多的从像素阵列中的一个点到边缘的电阻水平。这导致降低的水平串扰、对现有技术的改进。
附图说明
本专利或者申请文件包含至少一个彩色制作的附图。含彩色附图的该专利或者专利申请公开的副本将在付必要费用的情况下由专利局提供。
如附图所示,前文根据本发明的示例实施例的以下更具体的描述中将变得明显,在附图中,相似的附图标记遍及不同的视图指代相同的部分。附图不一定成比例,相反重点放在图示本发明的实施例上。
图1是多晶硅行线和多晶硅VCOM像素阵列的示意图。
图2是现有技术的行线加热的示意图。
图3是现有技术的水平VCOM加热的示意图。
图4a是本发明的金属行线和多晶硅VCOM像素阵列的示意图。
图4b是图4a的像素阵列中的列线堆叠的示意图示。
图5是本发明的多晶硅VCOM电阻器栅格的示意图。
图6是根据本发明的具有网格VCOM的水平加热的示意图。
图7是根据本发明的具有网格VCOM的竖直加热的示意图。
图8是具有+1V的顶边和底边以及接地侧边的四侧加热的示意图。
图9是与图8中的加热器配置相关联的加热器功率图。
图10是与图8中的加热器配置相关联的3-D加热器功率图。
图11是具有部分驱动边缘的四侧加热的示意图。
图12是与图11中的加热器配置相关联的加热器功率图。
图13是与图11中的加热器配置相关联的3-D加热器功率图。
图14是具有从中心的电压降的四侧加热的示意图。
图15是与图14中的加热器配置相关联的加热器功率图。
图16是与图14中的加热器配置相关联的3-D加热器功率图。
图17是金属行线和金属H-VCOM像素阵列的示意图。
图18是多晶硅金属行和金属V-VCOM像素阵列的示意图。
图19是具有金属带状网格(metal-strapped mesh)VCOM的加热的示意图。
具体实施方式
下面进行本发明的示例实施例的描述。
与高电阻VCOM线相关联的图像伪影指示水平串扰,其可以由从列线的电荷耦合引起。根据LCD上显示的图案,耦合电荷的量在每个行上是不同的并且被感知为水平串扰。VCOM线的电阻越高,RC时间常数就越长并且水平串扰就越可见。对于高分辨率显示,这成为问题,因为这样的显示器具有来自很多列的更多耦合以及更快的操作,以及因此有限的时间用于电荷分散。
如本文所描述的以及下文更详细地描述的,本发明的示例实施例提供对加热数字***等的LCD显示器的改进。具体地,本发明的实施例改进这样的LCD的加热性能使得显示器可以从低温更快地被加热。可以由本发明改进的显示器加热***的示例被描述在2011年9月20日公布的Kun Zhang等人的美国专利第8,022,913号中,其整体通过引用并入本文。本领域技术人员将要理解的是其他显示器加热***也可以同样地由本发明的原理改进。
传统上讲,行线和VCOM线均由多晶硅制成,并且在像素阵列中与彼此平行地水平延伸。使用新开发的金属行线,多晶硅VCOM线可以在像素阵列中竖直连接,从而形成电阻器加热网格。图4a示出了在像素阵列400中的这样的多晶硅VCOM电阻器加热网格430和金属行线410。图5示出了由多晶硅VCOM电阻器栅格500形成的这样的多晶硅VCOM电阻器加热网格的电路图。当边缘点被联系在一起时,从像素阵列中的一个点到边缘的电阻与传统的像素到像素水平VCOM电阻相比低得多。因此,水平串扰被显著降低。
使用金属行线,由于低金属电阻和电迁移的风险,传统的行线加热是不实际的。然而,利用本发明的电阻器加热网格(本文中也称为网格VCOM),其他VCOM加热方案可以被实现。
在图4a中,显示元件的二维阵列400被布置在公共半导体衬底上。每个显示元件(或者像素)包括像素晶体管451、存储电容器(CST)和像素电极453(图4b)。每个像素晶体管451被布置以控制像素的操作状态。像素晶体管451由栅极、漏极和源极端子形成。漏极被耦合到存储电容器(CST)的第一板。
多个金属行选择线410被分布以控制第一多个晶体管451的栅极端子。多个多晶硅列线被分布,其中列线被连接到像素晶体管451的源极。列线载送通过相应的像素晶体管451传递到像素电极453的视频信号。
继续图4a,本发明的电阻器加热网格430包括多个水平公共电压线(多晶硅)和多个竖直公共电压线(多晶硅)。每个水平公共电压线被布置在平行于金属行选择线410的定向中并且独立于行选择线410和列线二者。每个水平公共电压线也在每个显示元件中的存储电容器CST的第二板处耦合到两个或者更多显示元件(像素)并且与所述两个或者更多显示元件集成在一起。每个水平公共电压线进一步包括提供第一水平节点和第二水平节点的两个水平端子。
网格VCOM 430的每个竖直公共电压线被布置在平行于列线的定向中并且独立于行选择线和列线二者。每个竖直公共电压线被耦合到水平公共电压线以形成网格结构/设计。每个竖直公共电压线包括提供第一竖直线节点和第二竖直线节点的两个竖直端子。这些节点可以充当加热器端子。
如下文将进一步清楚的,加热器驱动器可以被连接到每个加热器(网格VCOM 430)端子以提供使合适的电流流过多晶硅VCOM线430的合适的DC电压。电流流动加热耦合到网格VCOM 430的竖直公共电压线的显示元件。
参考图4b,所示为竖直像素结构或者列线堆叠。金属列420被连接到像素晶体管451的源极。430的竖直多晶硅VCOM线被连接到水平多晶硅VCOM线430以形成网格式VCOM。竖直多晶硅VCOM线430充当存储电容器Cst的一个板,并且可以用于加热。有源层440(含像素电极453)是像素晶体管451漏极并且充当CST的另一板。有源层440将LC材料与多晶硅网格VCOM 430线上的DC电压屏蔽。
加热具有网格VCOM的c×r像素阵列
c=列的数目
r=行的数目
RH=像素到像素的水平电阻
RV=像素到像素的竖直电阻
1.水平加热:加热器驱动器在左/右边缘上
竖直VCOM连接不影响水平加热。如图6的水平加热器驱动器600所示,均匀电流IH流过水平电阻器RH。加热器功率依赖于VCOM线的电阻率。在小像素显示器中,水平VCOM线通常是窄的以最大化显示器孔径并且因此有更电阻性的VCOM,该更电阻性的VCOM产生更少加热器功率。
2.竖直加热:加热器驱动器在顶/底边缘上
如图7所示,竖直加热器驱动器700以类似于图6的水平加热器600的方式提供通过竖直电阻器RV的均匀的电流Iv。然而,竖直加热器700在彩色显示器和宽的纵横比显示器中具有更多优点。
在方形黑白显示器中,并且c/r=1
在相同分辨率的方形彩色显示器中,并且c/r=3
在纵横比16:9的宽屏黑白显示器中,c/r=16/9
在纵横比16:9的宽屏彩色显示器中,c/r=3×16/9
假定RH=RV,彩色显示器中的诸如竖直加热器700之类的竖直加热器可以提供比相同分辨率的黑白显示器三倍多的热。宽屏显示器中的竖直加热器可以提供比水平加热器(16/9)2≈3.16倍多的热。竖直加热器700在宽屏彩色显示器中提供了最大的优势,其中竖直加热器功率比水平加热器600功率大9.5倍。
3.四侧加热
如图8所示,加热器驱动器800可以被放置在所有四个侧上,允许在像素阵列周围更多的热。加热器功率是非均匀的并且依赖于电压驱动器关于对象像素阵列如何被布置以及如何被耦合到对象像素阵列的。例如,1Ω电阻器的128×128的网格在不同的四侧加热方案的情况下被仿真,并且像素阵列的功率图被产生。在一个这样的示例中,加热驱动器800向顶和底边缘提供+1V,并且侧边缘被接地,如图8所示。这样的配置引起非均匀加热,其中在VCOM网格的角落中具有非常高的电流,分别如图9和图10的温度图900和1000所示。这样的高热将引起局部LC透明(clearing)。
作为备选,加热器驱动器1100可以被部分连接到如图11所示的边缘。加热器功率1200、1300绕像素阵列更均匀地分布,但是在边缘处仍然有非常高的功率尖峰,在边缘处加热器驱动器1100与网格断开连接,分别如图12和图13所示。
为了避免这样的大功率尖峰,电压分压器1450可以用于像素阵列的四个边缘之间的电压连续性,如图14所示。在一个实施例中,电压分压器1450是非线性电阻器。与使用不连续驱动边缘(例如,加热器驱动器1100)的像素阵列的热图1200、1300相比仿真显示了更均匀分布的热图1500、1600,如图15和图16所示。虽然改进的性能是有用的,但是这样的配置(1400)是不切实际的,因为电阻器分压器1450是电阻器加热网格的一部分。需要非线性电压分压器1450来防止加热器驱动器板的边缘处的大尖峰。这增加了很多设计复杂性并且降低了应用灵活性。
VCOM网格可以全部是多晶硅,诸如图4中示出的VCOM网格430,或者可以在一个维度上是多晶硅(例如,水平或者竖直维度)并且在另一维度上是金属。例如,图17示出了具有金属行线1710和水平金属带状网格(metal strapped mesh)VCOM 1730的像素阵列1700的图。在另一示例中,图18示出了具有多晶硅行线1810和竖直金属带状网格VCOM 1830的像素阵列1800的图。
在金属带状VCOM的情况下,高密度热阵列可以通过向金属VCOM线施加DC电压实现。这样的方法可以比传统水平VCOM加热器(图3)产生更多热量密度。
具有DC电压V1和V2的高密度竖直加热在图19中示出。均匀电流IV通过竖直多晶硅VCOM电阻器加热网格1900的段1964,从具有较高电压电势V1的竖直公共电压线1961流到具有较低电压电势V2的竖直公共电压线1963。多个水平VCOM线可以保留不连接到VCOM电阻器加热网格1900,但是为了像素阵列的均匀外观而用金属进行带箍。两个加热器线1961和1963之间的电阻随着像素段1964的平方积线性降低,因为电阻器并联连接。加热器功率增加与电阻降低的倍数相同的倍数。根据像素尺寸和设计,热密度和加热器功率可以通过改变这些段1964的数目而被优化。
例如,假定n=像素阵列中的段的数目,Req=等效电阻,并且V1-V2=V,
对于仅具有顶和底加热器驱动器的像素阵列,
n=1;Req=R;
对于两段阵列(如图19所示),
n=2;
对于n段阵列,
这样的方法产生更高的热量密度,特别是在宽纵横比LC显示器中与竖直公共电压线加热结合时。例如,四段金属VCOM宽像素阵列产生比多晶硅VCOM方形阵列大致28倍多的热。由于金属的低电阻率,水平金属VCOM也将进一步降低水平串扰。
虽然参考其示例实施例具体示出和描述了本发明,但是本领域技术人员将理解其中在不脱离由所附权利要求书包含的本发明的范围的情况下可以做出形式和细节上的各种变化。
Claims (16)
1.一种显示器装置,包括:
显示元件的二维阵列,布置在公共半导体衬底上,每个显示元件至少包括像素晶体管、存储电容器(Cst)和像素电极,
每个晶体管被布置以控制所述像素的操作状态,并且至少具有栅极、漏极和源极端子,所述漏极被耦合到所述存储电容器的第一板;
多个行选择线,被分布以控制第一多个栅极端子;
多个列线,被分布以将视频电压通过所述像素晶体管传递给所述像素电极;
电阻器加热网格,包括多个水平公共电压线和多个竖直公共电压线;
每个水平公共电压线以平行于所述行选择线的定向并且独立于所述行选择线和所述列线二者来布置,并且至少在每个显示元件中的所述存储电容器的第二板处被耦合到两个或者更多显示元件并且与所述两个或者更多显示元件集成在一起,每个水平公共电压线进一步包括提供第一水平节点和第二水平节点的两个水平端子;以及
每个竖直公共电压线以平行于所述列线的定向并且独立于所述行选择线和所述列线二者来布置,并且被耦合到所述水平公共电压线以形成网格,每个竖直公共电压线进一步包括提供第一竖直线节点和第二竖直线节点的两个竖直端子;以及
加热器驱动器,耦合到至少一个第一和第二竖直线节点并且被布置以分别向所述至少一个第一和第二竖直线节点提供至少第一和第二竖直公共线电压,所述第一竖直公共线电压被提供在所述第一竖直节点处,并且所述第二竖直公共线电压被提供在所述第二竖直节点处,从而产生竖直公共线电压差以及流过所述竖直公共电压线的竖直公共线电流,并且由此加热耦合到所述竖直公共电压线的所述显示元件。
2.根据权利要求1所述的显示器装置,其中所述加热器驱动器进一步独立于施加以控制所述行选择线和所述列线的电压而控制施加到所述电阻器加热网格的端子的源电压,使得在所述显示元件正在活跃操作以显示信息时热能够被直接地施加到所述显示元件。
3.根据权利要求1所述的显示器装置,其中所述加热器驱动器被进一步耦合到至少一个第一和第二水平线节点并且被布置以分别向所述至少一个第一和第二水平节点提供至少第一和第二水平公共线电压,所述第一水平公共线电压被提供在所述第一水平节点处,并且所述第二水平公共线电压被提供在所述第二水平节点处,从而产生水平电压差和流过所述水平公共电压线的电流,并且由此加热耦合到所述水平公共电压线的所述显示元件。
4.根据权利要求1所述的显示器装置,其中所述加热器驱动器进一步包括电压分压器,所述电压分压器被布置以提供在所述至少一个第一竖直线节点和所述第一水平线节点之间的电压连续性。
5.根据权利要求1所述的显示器装置,其中所述电阻器加热网格的所述水平和竖直公共电压线由多晶硅形成。
6.根据权利要求1所述的显示器装置,其中所述竖直公共电压线是金属带状的竖直公共电压线,并且所述水平公共电压线由多晶硅形成。
7.根据权利要求1所述的显示器装置,其中所述水平公共电压线是金属带状的水平公共电压线,并且所述竖直公共电压线由多晶硅形成。
8.根据权利要求1所述的显示器装置,其中所述行选择线是金属行线。
9.根据权利要求1所述的显示器装置,其中所述电阻器加热网格降低水平串扰,并且提供比与从显示元件的仅水平公共加热器线阵列中的一个对应的点到所述仅水平公共加热器线阵列的边缘的对应的电阻水平相比而言低得多的从显示元件的所述阵列中的一个点到所述阵列的边缘的电阻水平。
10.根据权利要求1所述的显示器装置,其中所述电阻器加热网格被布置邻近每个显示元件中的所述晶体管和像素电极中的每个。
11.根据权利要求1所述的显示器装置,其中每个水平和竖直公共电压线被定位在像素元件的有源层之下的平面中。
12.根据权利要求1所述的显示器装置,其中所述显示元件被用于如下设备中的至少一个中:数码相机、数码单反(SLR)相机、夜视显示器、手持视频游戏显示器、移动电话或者视频眼睛穿戴设备。
13.根据权利要求1所述的显示器装置,其中所述行选择线或者列线中的至少一个由低功率移位寄存器控制。
14.根据权利要求13所述的显示器装置,其中所述低功率移位寄存器包括分级电路,所述分级电路包括由单个晶体管驱动的单个电压节点。
15.根据权利要求1所述的显示器装置,进一步包括有源像素电极层,所述有源像素电极层布置在所述电阻器加热网格和液晶材料层之间。
16.一种加热显示器的方法,包括:
将显示元件的二维阵列布置在公共半导体衬底上,每个显示元件至少包括像素晶体管、存储电容器(Cst)和像素电极,
每个晶体管被布置以控制所述像素的操作状态,并且至少具有栅极、漏极和源极端子,所述漏极被耦合到所述存储电容器的第一板;
将多个行选择线进行分布以控制第一多个栅极端子;
将多个列线进行分布以将视频电压通过所述像素晶体管传递给所述像素电极;
提供电阻器加热网格,所述电阻器加热网格包括多个水平公共电压线和多个竖直公共电压线;
每个水平公共电压线以平行于所述行选择线的定向并且独立于所述行选择线和所述列线二者来布置,并且至少在每个显示元件中的所述存储电容器的第二板处被耦合到两个或者更多显示元件并且与所述两个或者更多显示元件集成在一起,每个水平公共电压线进一步包括提供第一水平节点和第二水平节点的两个水平端子;以及
每个竖直公共电压线以平行于所述列线的定向并且独立于所述行选择线和所述列线二者来布置,并且被耦合到所述水平公共电压线以形成网格,每个竖直公共电压线进一步包括提供第一竖直线节点和第二竖直线节点的两个竖直端子;以及
将加热器驱动器耦合到至少一个第一和第二竖直线节点,并且布置所述加热器驱动器以分别向所述至少一个第一和第二竖直线节点提供至少第一和第二竖直公共线电压,所述第一竖直公共线电压被提供在所述第一竖直节点处,并且所述第二竖直公共线电压被提供在所述第二竖直节点处,从而产生竖直公共线电压差以及流过所述竖直公共电压线的竖直公共线电流,并且由此加热耦合到所述竖直公共电压线的所述显示元件。
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