CN100482027C - 场致发射显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种场致发射显示器，其包括：阴极部分，包括呈条状方式并允许在基板上进行矩阵寻址的行信号线和列信号线，及由行信号线和列信号线限定的像素，每个像素上具有场致发射器和具有至少连接行信号和列信号线的两个端子和连接到场致发射器的一个端子并且控制场致发射器的控制器件；具有阳极电极和连接到阳极电极的荧光体的阳极部分；具有数个贯穿孔的金属网及在金属网的至少部分上形成的介电层的栅极部分，其中栅极部分置于阴极部分和阳极部分之间，以使形成有介电层的表面朝向阴极部分，并且使从场致发射器发射出的电子通过它的贯穿孔与荧光体发生碰撞。

Description

场致发射显示器

技术领域

本发明涉及一种场致发射显示器(FED)，尤其涉及包括栅极部分、阴极部分和阳极部分的场致发射显示器，其中栅极部分提供金属网，并且在金属网的至少一个区域上形成有介电层。

背景技术

FED包括具有场致发射器的阴极部分和具有荧光体的阳极部分，它们相互面对并且以预定间隔(例如2mm)分隔开，并封装成真空。在FED中，电子从阴极的场致发射器发射出来，并且与阳极的荧光体碰撞，从而利用荧光体的阴极射线发光显示图象。近来，对作为阴极射线管(CRT)的替换品的FED进行了广泛的研究和发展。这里，场致发射器的电子发射效率很大程度上取决于器件结构、发射器材料和发射器形状。

目前，场致发射器件大致可以分为包括阴极和阳极的二极管型器件以及包括阴极、栅极和阳极的三极管型器件。总体上，二极管型场致发射器件由膜状的金刚石或碳纳米管形成。与三极管型场致发射器件相比，二极管型场致发射器件具有制造工艺简单和电子发射可靠性高的优点，然而，在电子发射控制和场致发射的驱动电压方面具有不足。

在下文中，将参照附图对传统的FED进行说明。图1是表示具有二极管型场致发射器件的FED的结构示意图。

传统的FED包括：阴极部分，该阴极部分在下玻璃基板10B上具有以条状排列的阴极电极11，和在阴极电极11的某些区域上提供的膜型场致发光器材料12；阳极部分，该阳极部分在上玻璃基板10T上具有以条状排列的透明阳极电极13，和在透明阳极电极13的某些区域上提供的红(R)、绿(G)和蓝(B)色的荧光体14；以及分隔体15，其在封装成真空时支撑阴极部分与阳极部分以相互平行面对。这里，将阴极部分的阴极电极11和阳极部分的阳极电极13对齐以相互交叉，从而由其间的每个交叉部分限定了一个像素。

在图1所示的FED中电子发射所需的电场由阴极电极11和阳极电极13之间的电压差形成，而且已知，当提供给场致发射器材料的电场强度等于或大于0.1V/μm时，在场致发射器中发生典型的电子发射。

提出图2所示的FED以改进图1所示FED的不足，其中图2示出了一传统FED的结构，该FED采用了用于控制对应于每个像素的场致发射器的控制器件。

参考图2，FED包括：置于玻璃基板20B上的阴极部分，该阴极部分包括扫描信号线21S和数据信号线21D、膜型(例如，薄膜或厚膜)场致发射器22和控制器件23，扫描信号线21S和数据信号线21D由金属制成并且列成条形，允许以矩阵形式进行电寻址，膜型场致发射器22由金钢石、类金刚石碳、碳纳米管等形成，并且设置在由扫描信号线21S及数据信号线21D限定的各个像素处，控制器件23与扫描信号线21S、数据信号线21D及场致发射器22相连，并且用于基于扫描信号和数据信号控制场致发射电流；置于玻璃基板20T上的阳极部分，该阳极部分具有排列成条状的透明阳极电极24，并且在阳极电极24的某些区域上有R、G和B的荧光体25；分隔体26，在封装成真空时支撑阴极部分与阳极部分以相互平行且相对。

在图2所示的FED中，将高电压施加到阳极电极24以引起来自阴极部分的膜型场致发射器22的电子发射，并且用高能量加速所发射的电子。同时，如果显示信号通过扫描信号线21S和数据信号线21D输入到控制器件23，那么控制器件23控制从膜型场致发射器发射的电子的数量以显示行/列图像。

与锥形的三极管型场致发射器件不同，在图1和图2的FED中所使用的上述二极管型场致发射器件不需要栅极和栅极绝缘层，因此它的结构简单且易于加工。

另外，二极管型场致发射器件中由于电子发射的溅射效应所导致的场致发射器损坏的可能性极低，因此它的器件不仅有高可靠性，而且能避免栅极和栅极绝缘层穿击现象这一在三极管型场致发射器件中的严重问题。

根据具有图2中的传统二极管型场致发射器件的有源矩阵FED，每个像素都使用场致发射器的控制器件23，并且显示信号经由该控制器件输入，因此图1中的高驱动电压与电子发射不均匀、串扰及其他问题可一起解决。

然而，使用如上所述的场致发射器件的FED有如下缺陷。

在具有图1的二极管型场致发射器件的FED中，将场致发射所需的高电场(通常几V/μm)加在上基板与下基板的电极(图1中阴极电极11和透明阳极电极13)之间，这两个基板相互间隔相对长的距离(一般在200μm到2mm之间)，因此显示信号需要高电压，这就又导致需要昂贵的高电压驱动电路。尤其是，虽然可以通过缩短图1中使用二极管型场致发射器件的FED的上、下基板的间距来降低场致发射必需的电压，然而阳极电极13被用作显示信号的线路和加速电子的电极，所以不可能实现低电压驱动。

在FED中，使荧光体发光一般需要200eV或更高的高能量，而且随着电子能量的增加发光效率也会增高，因此只有在给阳极电极施加高电压时才有可能实现高亮度的FED。然而，施加到阳极电极24并用作场致发射和电子加速的高电压会导致每个像素的控制器件23电压相对高，当超过击穿电压的电压被施加到控制器件23上时可能引起控制器件的击穿。

因此，施加到阳极电极24的电压受到控制器件23击穿特性的限制，受限的阳极电压给生产高亮度FED造成了困难。

发明内容

本发明涉及一种能降低显示行/列驱动电压的FED。

本发明还涉及一种FED，其配置来通过栅极电极施加场致发射所需的电场，以允许自由调整阳极部分和阴极部分之间的间隙，从而可以给阳极电极施加高电压，FED亮度可以得到增强。

本发明还涉及一种允许金属网形式的栅极与阴极部分独立加工并组装在一起的FED，因此其制造过程得到促进，并且能够提升生产力和提高产量。

本发明还涉及一种通过允许从场致发射器中发射出的电子聚焦在阳极的荧光体上从而能够实现高分辨率的FED。

本发明一方面提供了一种场致发射显示器，其包括：阴极部分，其包括呈条状形式并允许在基板上进行矩阵寻址的行信号线和列信号线，及由行信号线和列信号线定义的像素，每个像素具有场致发射器和控制器件，该控制器件控制场致发射器，并且具有连接至少行信号线和列信号线的两个端子以及连接到场致发射器的一个端子；阳极部分，该阳极部分具有阳极电极和与阳极电极连接的荧光体；栅极部分，该栅极部分具有包括多个贯穿孔的金属网，和至少形成在金属网表面至少一个区域的介电层，其中栅极部分设置在阴极部分和阳极部分之间，以使得形成有该介电层的表面朝向阴极部分并且允许从场致发射器发射出的电子能够通过贯穿孔与荧光体发生碰撞。

介电层可能形成在金属网的整个表面上或者金属网的部分表面上，金属网的每个贯穿孔可以有至少一个倾斜内壁。

介电层可以形成覆盖贯穿孔的倾斜内壁的结构，金属网的内壁可以形成包括至少两个倾斜角的结构从而它可以具有突起。

附图说明

通过参照附图详细地描述本发明的优选实施例，本发明的以上及其他特征和优点对于本领域的普通技术人员将更加明显，在附图中：

图1是具有传统二极管型场致发射器件的FED的结构示意图；

图2是具有传统二极管型场致发射器件及控制器件的FED的结构示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的FED的结构示意图；

图4是图3中FED的横截面图；

图5是从根据本发明的另一个实施例的FED的某部分截取的单元像素的横截面图；

图6是从根据本发明的再一个实施例的FED的某部分截取的单元像素的横截面图；

图7是从根据本发明的再一个实施例的FED的某部分截取的单元像素的横截面图；

图8是示出了根据本发明的电子束轨迹的模拟结果的曲线图。

具体实施方式

现在，将参照附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的优选实施例。然而，本发明可以以不同形式实现，且不应解释为仅限于此处所阐述的实施例。更确切地说，提供这些实施例是为了彻底而完全地公开并且向本领域技术人员全面传达本发明的范围。

图3是根据本发明一个实施例的FED的结构示意图，而图4是图3中FED的横截面图。

图3中的FED由阴极部分100、栅极部分200和阳极部分300构成。

阴极部分100具有以条状排列的行信号线120S和列信号线120D，它们由导电层形成在例如玻璃、塑料、各种陶瓷等的透明绝缘基板等的基板110上，从而允许以矩阵形式进行电寻址。每个单元像素由行信号线120S和列信号线120D限定。每个像素具有由金刚石、类金刚石碳、碳纳米管、碳纳米纤维等之一形成的膜型(薄膜或厚膜)场致发射器130，和控制场致发射器130的控制器件140。该控制器件140具有至少连接到行信号线120S和列信号线120D的两个端子，连接到膜型场致发射器130的一个端子。例如，非晶的薄膜晶体管、多晶硅薄膜晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等都可以用作控制器件140。

栅极部分200包括金属网220、在金属网220内部形成的多个贯穿孔210、在朝向阴极部分100的表面的至少一个部分上的介电层230。优选的，每个贯穿孔210有一个倾斜的内壁结构，其孔的尺寸从朝向阴极部分100向朝向阳极部分300减小。这样的结构用于把从场致发射器130发射出的电子聚集在阳极的荧光体330上，因此可能制造高分辨率的FED。同时，对本领域技术人员清楚的是，对贯穿孔210的尺寸、形状等并没有特别限制，而可以有所不同。

另外，在贯穿孔210内壁上形成的介电层230用来阻止从场致发射器130发射出的电子直接撞击金属网220。因此，介电层230可以形成在金属网220的整个表面或者仅形成在表面的一部分上。优选的，介电层230可以形成来覆盖贯穿孔210的倾斜内壁。同时，当仅在金属网220的部分上形成有介电层230时，可以更有效地防止由于热膨胀系数的不同所导致的损害。

各种类型的，包括通过用典型的化学气相沉积(CVD)法沉积的二氧化硅层、例如用于典型的半导体工艺的氮化硅层等的薄膜、通过旋涂一玻璃上旋涂(Spin-On-Glass，SOG)层形成的二氧化硅层、通过典型等离子体显示器所使用的丝网印刷法(即，涂覆/烧结方法)等形成的厚介电层可以用作介电层230，而且优选地使用涂覆/烧结的方法形成介电层230。

与阴极部分隔开的金属网220，可以用单一金属板，例如铝、铁、铜、镍或其合金制成，也可以用低热膨胀率的合金板，例如不锈钢、不胀钢、铁镍钴合金等制成。

优选的，考虑到上述的栅极部分200，金属网220的厚度范围可以形成为从10μm到500μm，而介电层230的厚度范围可以形成为从0.1μm到500μm。

例如，阳极部分300具有透明导电层的阳极电极320，以及R、G和B荧光体330，每个荧光体都形成在例如玻璃、塑料、各种陶瓷、各种透明绝缘基板等的透明基板310上的阳极电极320的一部分上。

同时，真空封装阴极部分100、栅极部分200和阳极部分300，使得阴极部分100的场致发射器130和阳极部分300的荧光体330就通过栅极部分200的贯穿孔210相互面对并平行，栅极部分与阳极部分之间夹持着典型的分隔体(未示出)。分隔体(未示出)可由玻璃珠、陶瓷、聚合物等制成，厚度可以为200μm到3mm。

本FED栅极部分的金属网220用来防止由施加到阳极电极320的电压引起的电子发射，并且在阳极部分300和栅极部分200之间形成整体均匀的电势，以防止局部电弧。

具有倾斜内壁的贯穿孔210可使从场致发射器130发射出的电子聚集到阳极部分300的荧光体330上，因此可以制造高分辨率的FED。

下面，参照图4详细描述根据本发明实例的FED的制造方法的例子。图4是从根据发明的实施例的FED的某部分截取的单元像素的横截面图。参考图4，已经进行了真空包装，从而栅极部分靠近阴极部分，同时阳极部分与栅极部分通过夹持在它们之间的分隔体隔开。阴极部分、栅极部分和阳极部分可以分别制造，然后组装在一起。

图4的FED包括阴极部分100、栅极部分200和阳极部分300。该阴极部分且有基板110、薄膜晶体管、场致发射器130等。

薄膜晶体管可以包括：在部分基板110上由金属构成的栅极141、在具有栅极141的基板110上由二氧化硅层或者不定形氮化硅层(α-SiNx)构成的栅极绝缘层142、在部分栅极绝缘层142和栅极141上由非晶硅(α-Si)构成的活性层143、在活性层143的两端由n型非晶硅构成的源极144以及漏极145、在部分栅极绝缘层142和源极144上由金属构成的源极电极146、在部分栅极绝缘层142和漏极145上由金属构成的漏极电极147、以及在漏极电极147和源极电极146及活性层143区域由不定形氮化硅或者氧化硅层构成的中间介电层(钝化介电层)148。图4中所示的薄膜晶体管具有下栅极结构，然而，很明显它可以具有上栅极结构。

场致发射器130置于薄膜晶体管的漏极电极147的部分区域上，可以由金刚石、类金刚石碳、碳纳米管、碳纳米纤维等中的一种制成。

栅极部分200具有介电层230以及包括贯穿孔210的金属网220，其中贯穿孔210可以允许阴极部分100的场致发射器130发射出的电子通过，而且在平面图中看时，栅极部分200和阳极部分300通过分隔体400相互支撑。阳极部分300的荧光体330和阴极部分100的场致发射器130真空封装，它们彼此相对对齐。

栅极部分200的贯穿孔210具有倾斜的内壁，倾斜角没有特别限定，但是如果用于使从场致发射器中发出的电子聚集在阳极部分300的荧光体330上，那么可以不同。另外，介电层230具有覆盖倾斜内壁的结构。分隔体400用于保持阴极部分100和阳极部分300之间的间隔，但是并非对所有的单元像素都必须设置这样的分隔体。

阳极部分300具有：形成在部分基板310上的阳极电极320、与阳极电极320连接的R、G和B色的荧光体330、和在荧光体330之间的黑矩阵340。阳极电极320优选为由透明导电材料制成的透明电极或薄金属层。

同时，栅极部分200可以与阴极部分100独立地制造，因此其制造过程非常简单，独立制造的阴极部分100、栅极部分200和阳极部分300可以组装在一起，因此生产率和产量都会得到提高。

下面，参照图4详细地说明根据本实施例的FED的驱动原理。

在栅极部分200的金属网220上加上直流(DC)电压，例如50V到500V，引起阴极部分100上的场致发射器130的电子发射，同时在阳极部分300的阳极电极320上加上大约1到10kV的高电压以用高能量加速已发射的电子。同时调整施加到FED的行信号线120S和列信号线120D的电压以控制设置在阴极部分100的每个像素上的控制器件的操作。就是说，每个像素的控制器件(图3中140)控制场致发射器130的电子发射实现图像显示。

在这种情况下，加到栅极部分200的金属网220上的电压的作用是抑制由于阳极电压引起的场致发射器130的电子发射，同时也通过在阳极部分300和栅极部分200之间形成整体均匀的电势以抑制局部放电。施加到FED的行信号线120S和列信号线120D的电压与控制器件的各个栅极和源极相连，当具有非晶硅制成的活性层的薄膜型晶体管接通时，提供给栅极的电压在10V到50V的范围之内，而当晶体管关断时，该电压是负压。另外，施加到源极的电压可在0V到50V范围之内。外部驱动电路(没有示出)来执行用于所施加的电压的控制。

下面，阐述本FED的灰度表示。

使用脉冲宽度调制(PWM)技术来进行典型的二极管型场致发射器件的灰度表示。这种技术通过调整加到场致发射器上的数据信号电压的连续接通时间来表现灰度，这是通过连续接通时间内发射的电子数量不同来实现的。也就是说，在给定的时间内如果电子的数量多，对应的像素发出具有更高亮度的光。然而，为了实现大尺寸的屏幕而分配给单元像素的脉冲宽度(时间)逐渐减少时，这种技术具有很大局限性。另外，准确控制发射的电子数量是很难的。

实施例的驱动技术解决了上述问题，可以通过单独使用PWM、脉冲幅度调制(PAM)或者二者结合使用来进行FED的灰度表示。PAM技术通过调整加给数据信号的电压幅度来表现灰度，其应用了这一事实：当薄膜晶体管导通时，随着加到源极的电压电平的不同，场致发射器中发射的电子数量会改变。不同电压水平差异的数量可以变为两个或更多以表现灰度。该驱动技术可以应用到大尺寸荧光屏中而且能使电子发射得到稳定地控制。

在下文中，将参照图5详细地阐述本发明的另一个实施例或者改进实施例。然而，为了叙述简单，仅描述与上述实施例不同的部分。图5是从根据本发明的另一个实施例FED的某部分截取的单元像素的横截面图。

本发明的另一个实施例与图4中的FED不同在于，每个单位像素都形成有栅极部分200的多个贯穿孔210。在这种情况中，阴极部分100的场致发射器130的点数可以与贯穿孔210的点数一样，或者场致发射器130也可以有一个。参照图5所示，场致发射器130的点数与贯穿孔210的点数一样。也就是说，它表示聚集在R、G和B荧光体330的每一个单位像素的电子穿过数个贯穿孔210。该结构在允许有效地为阳极电极320施加高电压方面具有优点，其可以避免高阳极电压的电场通过几点对场致发射器130产生不利影响。

栅极部分200的至少一个贯穿孔210有倾斜内壁。图5显示每个贯穿孔210都有倾斜内壁，然而不必局限于此。

图6是从根据本发明再一个实施例FED的某部分截取的单元像素的横截面图。为了叙述简单，仅描述与上述实施例不同的部分。

这个实施例与图4中的FED不同在于，栅极部分200的介电层230仅仅形成在金属网220的一部分上。没有形成介电层230的区域(图6中表示为240)保持为空。这种结构能够防止由于金属网220与介电层230热膨胀系数的不同所导致的对介电层230的损害。

图7是从根据本发明再另一个实施例FED的某部分截取的单元像素的横截面图。为了叙述简单，仅描述与上述实施例不同的部分。

这个实施例在栅极部分200的金属网220的形状方面与图4所示的FED不同。依照本实施例，金属网220的内壁不具有单一倾斜角而是具有至少两个倾斜角。优选的，金属网220的内壁可以形成有凸起。利用这种结构，场致发射器130发射出的电子可以更有效地聚集在对着场致发射器的阳极部分300的荧光体330上。

下面，将说明根据本发明一个实施例的电子束轨迹模拟结果。图8是示出了根据本发明的电子束轨迹的模拟结果的曲线图。

模拟的详细情况如下。场致发射是从一个具有厚度为20μm的介电层和厚度为200μm的金属网的栅极部分获得的，加到金属网上用于场致发射的电场强度是5V/μm，加到阳极电极用于阳极加速的电场强度是5V/μm。图8是根据到阳极的距离示出电子束轨迹的模拟结果的曲线图。依照这个结果，在距阳极为1.7mm的情况下，电子束轨迹在阳极具有15μm内的偏移，显示了聚集电子数的效果是好的。

如上所述，驱动FED行信号线和列信号线所需的电压可能会明显的降低，因此低成本的低电压驱动电路会被用来代替驱动传统二极管型FED的行信号线和列信号线的高电压驱动电路。

同时，场致发射所必需的电场可通过栅极部分的金属网施加，因此阳极部分和阳极部分之间的间隙可以自由地调整，这样就允许将高电压加到阳极电极，从而显著地提高能够了FED的亮度。

另外，加到栅极部分金属网上的电压抑制由阳极电压引起的场致发射器的电子发射，在阳极部分与栅极部分之间形成整体均匀的电势，因此能够抑制局部放电，可以显著延长FED的寿命。

另外，栅极部分可以与阴极部分独立制造，然后组装在一起，因此其制造过程非常简单，基本上避免了场致发射器栅极绝缘层的击穿现象，因此FED的生产率和产量将显著提升。

同时，具有倾斜内壁的金属网的贯穿孔起到允许从场致发射器发射出的电子聚集在阳极部分的荧光体上的作用，从而在不需要额外的聚焦栅的情形就可以制造高分辨率的FED。

虽然参照附图阐述了本发明的典型的实施例，本发明不限于这些实施例，本领域技术人员可以意识到，在不偏离本发明精神和范围的情形，可以进行一些修改和变化。

本申请要求2004年5月4日提交的韩国专利申请No.2004-0031508的优先权并享受所有权益，其公开的内容在此作为参考全部结合。

Claims (15)

1、一种场致发射显示器，包括：

阴极部分，所述阴极部分包括呈条状形式并允许在基板上进行矩阵寻址的行信号线和列信号线，以及由所述行信号线和列信号线限定的像素，每个像素具有场致发射器和控制器件，所述控制器件控制所述场致发射器，并具有连接到至少行信号线和列信号线的两个端子和连接到场致发射器的一个端子；

阳极部分，所述阳极部分具有阳极电极和连接到所述阳极电极的荧光体；和

栅极部分，所述栅极部分具有包括多个贯穿孔的金属网以及在所述金属网的至少一个区域上形成的介电层，

其中，所述栅极部分置于所述阴极部分和所述阳极部分之间，以使形成有所述介电层的表面朝向所述阴极部分，并且使从所述场致发射器发射出的电子通过它的贯穿孔与所述荧光体发生碰撞；

其中所述金属网的贯穿孔具有至少一个倾斜内壁，且所述介电层覆盖所述贯穿孔的倾斜内壁。

2、如权利要求1所述的场致发射显示器，其中所述阳极部分、所述阴极部分和所述栅极部分是独立制造的。

3、如权利要求1所述的场致发射显示器，其中所述介电层形成在所述金属网的整个表面或部分表面上。

4、如权利要求1所述的场致发射显示器，其中所述金属网的内壁包括至少两个倾斜内角从而具有突起。

5、如权利要求1所述的场致发射显示器，其中所述栅极部分的金属网是由铝、铁、铜和镍中的一种制成的金属板或包含不锈钢、不胀钢、铁镍钴合金中的一种的合金板

6、如权利要求1所述的场致发射显示器，其中所述栅极部分对于每个像素有多个贯穿孔。

7、如权利要求1所述的场致发射显示器，其中所述金属网朝向阴极部分的贯穿孔的孔尺寸比朝向阳极部分的尺寸大。

8、如权利要求1所述的场致发射显示器，还包括置于所述阳极部分和所述栅极部分之间的分隔体。

9、如权利要求1所述的场致发射显示器，其中所述场致发射器由金刚石、金刚石碳、碳纳米管和碳纳米纤维中的一种的薄膜或厚膜制成。

10、如权利要求1所述的场致发射显示器，其中控制器件是薄膜晶体管或金属氧化半导体场效应管。

11、如权利要求1所述的场致发射显示器，其中给所述金属网施加直流电压以引起所述阴极部分的场致发射器的电子发射，给所述阳极部分的阳极电极施加直流电压以用高能量加速发射出的电子，扫描信号和数据信号对设置于所述阴极部分的每个像素的控制器件进行寻址，从而所述场致发射器的控制器件控制场致发射器的电子发射以实现图像显示。

12、如权利要求1所述的场致发射显示器，其中场致发射显示器图像的灰度表示由通过所述控制器件施加到所述场致发射器的数据信号的脉冲幅度调制和/或脉冲宽度(持续时间)调制来实现。

13、如权利要求1所述的场致发射显示器，其中施加到场致发射器的数据信号的电压是具有0V到50V电平的脉冲。

14、如权利要求1所述的场致发射显示器，其中所述控制器件是薄膜晶体管，所述控制器件包括在所述阴极部分上由金属形成的栅极、在具有所述栅极的阴极部分上形成的栅极绝缘层、由在所述栅极绝缘层和栅极的部分上的半导体薄膜形成的活性层、在所述活性层两端形成的源极和漏极、和具有用于允许所述源极与漏极与电极接触的接触孔的中间介电层。

15、如权利要求14所述的场致发射显示器，其中所述薄膜晶体管的活性层由非晶硅或多晶硅层制成。

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