JP2021034637A - 電波吸収材料 - Google Patents
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Abstract
【課題】電磁波吸収と熱伝導性とを兼ね備えた、高周波帯域の電磁波吸収性能を有する電波吸収材料を提供する。【解決手段】媒体と、媒体に分散した半導体フィラーと、媒体に分散した絶縁性熱伝導性フィラーと、媒体に分散した導電性フィラーと、を有する電磁波吸収材料であって、媒体に対する半導体フィラーと絶縁性熱伝導性フィラー合計の体積比、絶縁性熱伝導性フィラーに対する半導体フィラーの体積比、半導体フィラーに対する導電性フィラーの体積比が規定される。【選択図】なし
Description
本発明は、電波吸収材料に関する。
近年、電子機器の高性能化・小型化に伴い、より高周波帯(20GHz〜)へのノイズ対策部材が求められていると共に、素子の発熱に対する熱伝導部材への需要も高まっている。そして、電子機器の電磁波ノイズ対策として、ノイズ源近傍に電波吸収体を配置する手法が提案されている。
例えば、特許文献1には、電磁放射線の吸収用填隙性材料であって、該填隙性材料が熱伝 導性であり、該填隙性材料が結合剤材料及び該結合剤材料に分散されている少なくとも1種の磁性充填剤を含む填隙性材料が開示されている。
ところで、一般に電磁波吸収効果と熱伝導率向上とはトレードオフの関係にある。特許文献1の技術は、電磁波吸収効果と熱伝導率向上とを目指したものであるが、高度には両立できていない。したがって、特許文献1の技術では、高周波帯域の電磁波吸収を実施することは出来ないという課題がある。
そこで、本発明は、電磁波吸収と熱伝導性とを兼ね備えた、高周波帯域の電磁波吸収性能を有する電波吸収材料を提供することを課題とする。
本発明は、媒体と、
前記媒体に分散した半導体フィラーと、
前記媒体に分散した絶縁性熱伝導性フィラーと、
前記媒体に分散した導電性フィラーと
を有する電磁波吸収材料である。
ここで、前記電磁波吸収材料中に含まれる、前記媒体に対する前記半導体フィラーと前記絶縁性熱伝導性フィラーとの合計の体積比{(前記半導体フィラー+前記絶縁性熱伝導性フィラー)/前記媒体}が1以上であってもよい。
また、前記電磁波吸収材料中に含まれる、前記絶縁性熱伝導性フィラーに対する前記半導体フィラーの体積比(前記半導体フィラー/前記絶縁性熱伝導性フィラー)が0.7以上1.5以下であってもよい。
また、前記電磁波吸収材料中に含まれる、前記半導体フィラーに対する前記導電性フィラーの体積比(前記導電性フィラー/前記半導体フィラー)が、0.09以上0.2以下であってもよい。
また、前記半導体フィラーが、SiC及びSiから選択される1種以上であってもよい。
また、前記絶縁性熱伝導性フィラーが、Al2O3、MgO、AlN、BN及び金属炭酸塩から選択される1種以上であってもよい。
また、前記導電性フィラーが、カーボン及び酸化チタン(これらの表面にITOやATOを有するものを含む)から選択される1種以上であってもよい。
前記媒体に分散した半導体フィラーと、
前記媒体に分散した絶縁性熱伝導性フィラーと、
前記媒体に分散した導電性フィラーと
を有する電磁波吸収材料である。
ここで、前記電磁波吸収材料中に含まれる、前記媒体に対する前記半導体フィラーと前記絶縁性熱伝導性フィラーとの合計の体積比{(前記半導体フィラー+前記絶縁性熱伝導性フィラー)/前記媒体}が1以上であってもよい。
また、前記電磁波吸収材料中に含まれる、前記絶縁性熱伝導性フィラーに対する前記半導体フィラーの体積比(前記半導体フィラー/前記絶縁性熱伝導性フィラー)が0.7以上1.5以下であってもよい。
また、前記電磁波吸収材料中に含まれる、前記半導体フィラーに対する前記導電性フィラーの体積比(前記導電性フィラー/前記半導体フィラー)が、0.09以上0.2以下であってもよい。
また、前記半導体フィラーが、SiC及びSiから選択される1種以上であってもよい。
また、前記絶縁性熱伝導性フィラーが、Al2O3、MgO、AlN、BN及び金属炭酸塩から選択される1種以上であってもよい。
また、前記導電性フィラーが、カーボン及び酸化チタン(これらの表面にITOやATOを有するものを含む)から選択される1種以上であってもよい。
本発明によれば、電磁波吸収と熱伝導性とを兼ね備えた、高周波帯域の電磁波吸収性能を有する電波吸収材料を提供することが可能となる。
本発明は、媒体と、
前記媒体に分散した半導体フィラーと、
前記媒体に分散した絶縁性熱伝導性フィラーと、
前記媒体に分散した導電性フィラーと
を有する電磁波吸収材料である。以下、本発明に係る電波吸収材料、当該電波吸収材料の物性、当該物性の作用機序について順に説明する。
前記媒体に分散した半導体フィラーと、
前記媒体に分散した絶縁性熱伝導性フィラーと、
前記媒体に分散した導電性フィラーと
を有する電磁波吸収材料である。以下、本発明に係る電波吸収材料、当該電波吸収材料の物性、当該物性の作用機序について順に説明する。
≪1.電波吸収材料≫
<1−1.形態>
本発明に係る電波吸収材料は、固体状(例えば、成形体、シート状、テープ状)でも半流動体(例えば、グリース状、ゲル状、ペースト状)でもよい。
<1−1.形態>
本発明に係る電波吸収材料は、固体状(例えば、成形体、シート状、テープ状)でも半流動体(例えば、グリース状、ゲル状、ペースト状)でもよい。
<1−2.成分>
(1−2−1.媒体)
本発明に係る媒体は、特に限定されず、電波吸収材料が固体状である場合には樹脂、電波吸収材料が半流動体である場合にはシリコーンオイル、鉱物油、植物由来油、これらを半硬化させたゲルを挙げることができる。
(1−2−1.媒体)
本発明に係る媒体は、特に限定されず、電波吸収材料が固体状である場合には樹脂、電波吸収材料が半流動体である場合にはシリコーンオイル、鉱物油、植物由来油、これらを半硬化させたゲルを挙げることができる。
(1−2−2.半導体フィラー)
本発明に係る半導体フィラーは、常温(20℃)での電気抵抗率が101(Ω・m)以上、106(Ω・m)未満であるフィラーを指す。具体例としては、IV族半導体(SiやGeの化合物等)、II-VI族半導体(ZnSe、CdS、ZnO等)、III−V族半導体(GaAs、InP、GaN等)、IV族化合物半導体(SiC、SiGe等)、I−III−VI族半導体(CuInSe2などのカルコパイライト系半導体等)を挙げることができる。好ましくはSiC、Siを挙げることができる。尚、本明細書における電気抵抗率の測定は、粉体抵抗測定システム(MCP−PD51、ダイアインスツルメンツ社製)及び抵抗率計(4端子4探針方式、ロレスタ−GP、三菱化学アナリテック社製)を使用して、試料1.0g、電極間隔3mm、試料半径10.0mm、荷重20kNの条件にて測定することにより行った。
本発明に係る半導体フィラーは、常温(20℃)での電気抵抗率が101(Ω・m)以上、106(Ω・m)未満であるフィラーを指す。具体例としては、IV族半導体(SiやGeの化合物等)、II-VI族半導体(ZnSe、CdS、ZnO等)、III−V族半導体(GaAs、InP、GaN等)、IV族化合物半導体(SiC、SiGe等)、I−III−VI族半導体(CuInSe2などのカルコパイライト系半導体等)を挙げることができる。好ましくはSiC、Siを挙げることができる。尚、本明細書における電気抵抗率の測定は、粉体抵抗測定システム(MCP−PD51、ダイアインスツルメンツ社製)及び抵抗率計(4端子4探針方式、ロレスタ−GP、三菱化学アナリテック社製)を使用して、試料1.0g、電極間隔3mm、試料半径10.0mm、荷重20kNの条件にて測定することにより行った。
半導体フィラーの平均粒子径は、特に限定されないが、平均粒子径100nm〜500μmであると媒体への分散性に優れ、電波吸収性と熱伝導性のバランスを取りやすくなる。半導体フィラーの平均粒子径は、例えば媒体に含まれる半導体フィラーを必要に応じて媒体から取り出し、樹脂等に包埋後、断面化した後に、走査型電子顕微鏡による観察を実施し、半導体フィラー例えば100粒子の円相当径の平均から、平均粒子径を求めればよい。半導体フィラーの形状は、球状、不定形、針状等、形状に係わらず用いることができる。
半導体フィラーは、熱伝導率と電波吸収性を高める機能を有する。
半導体フィラーは、熱伝導率と電波吸収性を高める機能を有する。
(1−2−3.絶縁性熱伝導性フィラー)
本発明に係る絶縁性熱伝導性フィラーは、常温(20℃)での電気抵抗率が106(Ω・m)以上であり、且つ、常温(20℃)での熱伝導率が2.0W/m・K以上(好適な順に、10W/m・K以上、20W/m・K以上、23W/m・K以上、30W/m・K以上、40W/m・K以上、50W/m・K、60W/m・K以上)であるフィラーを指す。具体例としては、アルミナ、マグネシア等の酸化物、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等の窒化物、水酸化アルミニウム等の金属水酸化物、ダイヤモンド、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム等の金属炭酸塩等を挙げることができる。好ましくは、アルミナ、マグネシア、窒化アルミニウム、窒化ホウ素を挙げることができる。絶縁性熱伝導性フィラーの平均粒子径は、特に限定されないが、平均粒子径100nm〜500μmであると媒体への分散性に優れ、電波吸収性と熱伝導性のバランスを取りやすくなる。絶縁性熱伝導性フィラーの形状は、球状、不定形、針状等、形状に係わらず用いることができる。
本発明に係る絶縁性熱伝導性フィラーは、常温(20℃)での電気抵抗率が106(Ω・m)以上であり、且つ、常温(20℃)での熱伝導率が2.0W/m・K以上(好適な順に、10W/m・K以上、20W/m・K以上、23W/m・K以上、30W/m・K以上、40W/m・K以上、50W/m・K、60W/m・K以上)であるフィラーを指す。具体例としては、アルミナ、マグネシア等の酸化物、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等の窒化物、水酸化アルミニウム等の金属水酸化物、ダイヤモンド、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム等の金属炭酸塩等を挙げることができる。好ましくは、アルミナ、マグネシア、窒化アルミニウム、窒化ホウ素を挙げることができる。絶縁性熱伝導性フィラーの平均粒子径は、特に限定されないが、平均粒子径100nm〜500μmであると媒体への分散性に優れ、電波吸収性と熱伝導性のバランスを取りやすくなる。絶縁性熱伝導性フィラーの形状は、球状、不定形、針状等、形状に係わらず用いることができる。
絶縁性熱伝導性フィラーの平均粒子径は、例えば媒体に含まれる絶縁性熱伝導性フィラーを必要に応じて媒体から取り出し、樹脂等に包埋後、断面化した後に、走査型電子顕微鏡による観察を実施し、絶縁性熱伝導性フィラー例えば100粒子の円相当径の平均から、平均粒子径を求めればよい。尚、本明細書における熱伝導率の測定は、媒体に含まれる絶縁性熱伝導性フィラーの組成を確認し、同組成のバルク体をJIS A1412−2:1999(熱絶縁材の熱抵抗及び熱伝導率の測定方法−第2部:熱流計法(HFM法))に準拠し、熱伝導率測定装置を用いて、試験の定常に要する時間15分以上、標準板の種類EPS、高温面の温度30℃、低温面の温度10℃、サンプル平均温度20℃、の条件で、サンプルの両方の主面が上下方向を向くように配置し、熱流計法により測定する方法を用いればよい。熱伝導率測定装置は、オートラムダHC−074(英弘精機社製)が好ましい。または、JIS R1611に準拠したレーザーフラッシュ法によってもよい。絶縁性熱伝導性フィラーは、熱伝導性を高める機能を有する。
(1−2−4.導電性フィラー)
本発明に係る導電性フィラーは、常温(20℃)での電気抵抗率が101(Ω・m)未満であるフィラーを指す。具体例としては、カーボン、グラファイト、カーボンナノファイバ、カーボンナノチューブ、ITO等で導電処理された針状酸化チタン、ケッチェンブラック、金属以外の基材にITO、ATO等で導電処理されたフィラー等を挙げることができる。
本発明に係る導電性フィラーは、常温(20℃)での電気抵抗率が101(Ω・m)未満であるフィラーを指す。具体例としては、カーボン、グラファイト、カーボンナノファイバ、カーボンナノチューブ、ITO等で導電処理された針状酸化チタン、ケッチェンブラック、金属以外の基材にITO、ATO等で導電処理されたフィラー等を挙げることができる。
導電性フィラーの平均粒子径は、特に限定されないが、平均粒子径30nm〜100μmであることが好ましい。この範囲の平均粒子径であると、媒体への分散性に優れ、電波吸収性と熱伝導性のバランスを取りやすくなる。導電性フィラーの平均粒子径は、例えば媒体に含まれる導電性フィラーを必要に応じて媒体から取り出し、樹脂等に包埋後、断面化した後に、走査型電子顕微鏡による観察を実施し、導電性フィラー例えば100粒子の円相当径の平均から、平均粒子径を求めればよい。導電性フィラーの形状は、球状、不定形、針状等、形状に係わらず用いることができる。導電性フィラーの機能としては、半導体フィラー間に電気的なパスを繋ぎ、電磁波が伝播する抵抗を高めることで損失成分である複素誘電率虚部を意図的に高めることで最適化し、電波吸収性能を高めることができる。
尚、半導体フィラー、熱伝導性フィラー及び導電性フィラーは、相互に異なるものである。
(1−2−5.他の成分)
該電波吸収材料には、必要に応じて添加剤、例えば、硬化剤、増粘剤、難燃剤、チクソ剤等を添加してもよい。
該電波吸収材料には、必要に応じて添加剤、例えば、硬化剤、増粘剤、難燃剤、チクソ剤等を添加してもよい。
<1−3.含有比>
(1−3−1.{(半導体フィラー+絶縁性熱伝導性フィラー)/媒体})
電磁波吸収材料中に含まれる、媒体に対する半導体フィラーと絶縁性熱伝導性フィラーとの合計の体積比{(半導体フィラー+絶縁性熱伝導性フィラー)/媒体}は、1以上が好適である。上限は特に限定されない(例えば3)。尚、シート成形の場合には、2以下が好適である。
(1−3−1.{(半導体フィラー+絶縁性熱伝導性フィラー)/媒体})
電磁波吸収材料中に含まれる、媒体に対する半導体フィラーと絶縁性熱伝導性フィラーとの合計の体積比{(半導体フィラー+絶縁性熱伝導性フィラー)/媒体}は、1以上が好適である。上限は特に限定されない(例えば3)。尚、シート成形の場合には、2以下が好適である。
(1−3−2.半導体フィラー/絶縁性熱伝導性フィラー)
電磁波吸収材料中に含まれる、絶縁性熱伝導性フィラーに対する半導体フィラーの体積比(半導体フィラー/絶縁性熱伝導性フィラー)は、0.7以上1.5以下であることが好適である。
電磁波吸収材料中に含まれる、絶縁性熱伝導性フィラーに対する半導体フィラーの体積比(半導体フィラー/絶縁性熱伝導性フィラー)は、0.7以上1.5以下であることが好適である。
(1−3−3.導電性フィラー/半導体フィラー)
電磁波吸収材料中に含まれる、半導体フィラーに対する導電性フィラーの体積比(導電性フィラー/半導体フィラー)は、0.09以上0.2以下であることが好適である。
電磁波吸収材料中に含まれる、半導体フィラーに対する導電性フィラーの体積比(導電性フィラー/半導体フィラー)は、0.09以上0.2以下であることが好適である。
≪2.電波吸収材料の物性≫
<2−1.電波吸収性>
本発明に係る電波吸収材料は、好適には、20〜79GHzにおいて、好適には15dB以上、より好適には20dB以上の吸収性がある。ここで、電波吸収性は、作製したサンプルを縦200mm、横200mmのサイズとし、これをネットワークアナライザ(Keysight社製「N5225A」)にて周波数20〜110GHzにおけるSパラメータ(S11及びS21)を測定した。また、測定したS11及びS21からシートの電波吸収性をそれぞれ算出した。
<2−1.電波吸収性>
本発明に係る電波吸収材料は、好適には、20〜79GHzにおいて、好適には15dB以上、より好適には20dB以上の吸収性がある。ここで、電波吸収性は、作製したサンプルを縦200mm、横200mmのサイズとし、これをネットワークアナライザ(Keysight社製「N5225A」)にて周波数20〜110GHzにおけるSパラメータ(S11及びS21)を測定した。また、測定したS11及びS21からシートの電波吸収性をそれぞれ算出した。
<2−2.熱伝導性>
本発明に係る電波吸収材料は、好適には2W/mK以上、より好適には3W/mK以上の熱伝導率がある。ISO22007-3:2008(プラスチック−熱伝導率及び熱拡散係数の求め方−第3部:温度波分析法)に準拠し、温度波分析法装置(アイフェイズ社製「ai-Phase mobile M3 type1」)を用いて熱拡散率を測定、示差走査熱量測定装置(HITACHI社製「DSC6200」)により比熱を測定し、熱拡散率と比熱と材料密度を乗算し熱伝導率を算出した。
本発明に係る電波吸収材料は、好適には2W/mK以上、より好適には3W/mK以上の熱伝導率がある。ISO22007-3:2008(プラスチック−熱伝導率及び熱拡散係数の求め方−第3部:温度波分析法)に準拠し、温度波分析法装置(アイフェイズ社製「ai-Phase mobile M3 type1」)を用いて熱拡散率を測定、示差走査熱量測定装置(HITACHI社製「DSC6200」)により比熱を測定し、熱拡散率と比熱と材料密度を乗算し熱伝導率を算出した。
<2−3.その他>
用途によっては耐水性が求められる(例えば、自動車用途、携帯電話基地局等)。尚、この場合、フィラーとしては水不溶性フィラーを用いることが好適である。ここで、「水不溶性」とは、20℃の水100質量部に対する対象物質の溶解量が0.1質量部未満であることを意味する。また、外部環境に晒される用途の場合、固体状である方がよく、自動車用途の場合、半流動体状であってもよい。
用途によっては耐水性が求められる(例えば、自動車用途、携帯電話基地局等)。尚、この場合、フィラーとしては水不溶性フィラーを用いることが好適である。ここで、「水不溶性」とは、20℃の水100質量部に対する対象物質の溶解量が0.1質量部未満であることを意味する。また、外部環境に晒される用途の場合、固体状である方がよく、自動車用途の場合、半流動体状であってもよい。
≪3.作用機序≫
電波吸収性の発現には、電波吸収体を反射板に配置した際、垂直に入射した高周波電磁波が吸収体内で共振現象を起こすことで大きく反射波が減衰するように電波吸収体の対応する周波数における複素誘電率の実部と虚部と最適な値に調整する必要がある。本発明では、媒体中に熱伝導率を高めるために絶縁性の熱伝導フィラーと、半導体フィラーを媒体中に充填している。このとき、半導体フィラーを充填することで電波吸収体の複素誘電率の容量成分である実部と損失成分である虚部とを増加させ最適値に近づけることができるが、本発明ではここに加えて導電性フィラーを添加することで、半導体フィラー間に電気的なパスを繋ぎ、電磁波が伝播する抵抗を高めることで損失成分である複素誘電率虚部を意図的に高めることで最適化し、電波吸収性能を高めている。以上のような作用機序であると推定される。
電波吸収性の発現には、電波吸収体を反射板に配置した際、垂直に入射した高周波電磁波が吸収体内で共振現象を起こすことで大きく反射波が減衰するように電波吸収体の対応する周波数における複素誘電率の実部と虚部と最適な値に調整する必要がある。本発明では、媒体中に熱伝導率を高めるために絶縁性の熱伝導フィラーと、半導体フィラーを媒体中に充填している。このとき、半導体フィラーを充填することで電波吸収体の複素誘電率の容量成分である実部と損失成分である虚部とを増加させ最適値に近づけることができるが、本発明ではここに加えて導電性フィラーを添加することで、半導体フィラー間に電気的なパスを繋ぎ、電磁波が伝播する抵抗を高めることで損失成分である複素誘電率虚部を意図的に高めることで最適化し、電波吸収性能を高めている。以上のような作用機序であると推定される。
≪製造≫
(実施例1)
原料には、媒体として粘度350cPのシリコーンオイル、絶縁性熱伝導フィラーとして平均粒子径18μmのアルミナ粉末、半導体フィラーとして平均粒子径50μm のSiC粉末、導電性フィラーとして長径9.7μm、短径が0.5μmのATOコート針状酸化チタンを用いた。媒体となるシリコーンオイルに、その重量を100として、アルミナ粉末を269重量部、SiC粉末を187重量部、導電性フィラーを25重量部添加し、自公転ミキサーで混合・分散させて、実施例1の半固体状の電波吸収体を作製した。
(実施例1)
原料には、媒体として粘度350cPのシリコーンオイル、絶縁性熱伝導フィラーとして平均粒子径18μmのアルミナ粉末、半導体フィラーとして平均粒子径50μm のSiC粉末、導電性フィラーとして長径9.7μm、短径が0.5μmのATOコート針状酸化チタンを用いた。媒体となるシリコーンオイルに、その重量を100として、アルミナ粉末を269重量部、SiC粉末を187重量部、導電性フィラーを25重量部添加し、自公転ミキサーで混合・分散させて、実施例1の半固体状の電波吸収体を作製した。
(実施例2〜18及び比較例1〜3)
表1〜表4に示す組成及び配合にて、実施例1に記載の製造方法に準じ、実施例2〜18及び比較例1〜3に係る電波吸収材料を製造した。
表1〜表4に示す組成及び配合にて、実施例1に記載の製造方法に準じ、実施例2〜18及び比較例1〜3に係る電波吸収材料を製造した。
≪評価≫
表1〜表4に、熱伝導性及び電磁波吸収性について評価した。
表1〜表4に、熱伝導性及び電磁波吸収性について評価した。
Claims (7)
- 媒体と、
前記媒体に分散した半導体フィラーと、
前記媒体に分散した絶縁性熱伝導性フィラーと、
前記媒体に分散した導電性フィラーと
を有する電磁波吸収材料。 - 前記電磁波吸収材料中に含まれる、前記媒体に対する前記半導体フィラーと前記絶縁性熱伝導性フィラーとの合計の体積比{(前記半導体フィラー+前記絶縁性熱伝導性フィラー)/前記媒体}が1以上である、請求項1記載の電磁波吸収材料。
- 前記電磁波吸収材料中に含まれる、前記絶縁性熱伝導性フィラーに対する前記半導体フィラーの体積比(前記半導体フィラー/前記絶縁性熱伝導性フィラー)が0.7以上1.5以下である、請求項1又は2記載の電磁波吸収材料。
- 前記電磁波吸収材料中に含まれる、前記半導体フィラーに対する前記導電性フィラーの体積比(前記導電性フィラー/前記半導体フィラー)が、0.09以上0.2以下である、請求項1〜3のいずれか一項記載の電磁波吸収材料。
- 前記半導体フィラーが、SiC及びSiから選択される1種以上である、請求項1〜4のいずれか一項記載の電磁波吸収材料。
- 前記絶縁性熱伝導性フィラーが、Al2O3、MgO、AlN、BN及び金属炭酸塩から選択される1種以上である、請求項1〜5のいずれか一項記載の電磁波吸収材料。
- 前記導電性フィラーが、カーボン及び酸化チタン(これらの表面にITOやATOを有するものを含む)から選択される1種以上である、請求項1〜6のいずれか一項記載の電磁波吸収材料。
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Cited By (2)
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WO2024018978A1 (ja) * | 2022-07-19 | 2024-01-25 | 株式会社巴川製紙所 | 樹脂層、グリース組成物、電子デバイス |
EP4345695A1 (en) | 2022-09-29 | 2024-04-03 | Fujitsu Limited | Flow generation program, flow generation method, and information processing device |
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2019
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2020
- 2020-08-17 WO PCT/JP2020/031032 patent/WO2021039477A1/ja active Application Filing
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WO2021039477A1 (ja) | 2021-03-04 |
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