CN101026058A - 电子发射装置及使用其的电子发射显示器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子发射装置，所述电子发射装置包括：基板；形成于基板上的第一电极；电连接到第一电极的电子发射区；和位于第一电极之上的第二电极，使得第二电极与第一电极绝缘。第二电极在第二电极和第一电极的交叉区域处具有多个开口以开放电子发射区，且其中1.36≤P/D≤1.65，其中D代表第二电极的开口的宽度或直径，且P代表第二电极的开口的节距。

Description

电子发射装置及使用其的电子发射显示器

技术领域

本发明的方面涉及一种电子发射装置，且更具体而言涉及一种具有栅电极的电子发射装置，该栅电极具有优化的开口节距(opening pitch)对于宽度的比率，以及一种使用该电子发射装置的电子发射显示器。

背景技术

一般而言，根据电子源的种类，电子发射元件被分为利用热阴极的第一类型和利用冷阴极的第二类型。在利用冷阴极的第二类型中有场发射阵列(FEA)型、表面传导发射(SCE)型、金属-绝缘体-金属(MIM)型、和金属-绝缘体-半导体(MIS)型。

FEA型电子发射元件具有电子发射区，且具有驱动电极以控制从电子发射区的电子发射。阴极电极和栅电极被提供为驱动电极。电子发射区用具有低功函数或高纵横比的材料形成，比如碳基材料(carbonaceous material)或纳米尺度材料。FEA型电子发射元件基于如下原理，即在真空气氛下电场被施加到电子发射区的情形中，电子容易地从电子发射区发射。

电子发射元件阵列形成于第一基板上以提供电子发射装置，且电子发射装置与具有基于荧光层的光发射单元、阳极电极等的第二基板组装，以构建电子发射显示器。对于普通FEA型电子发射显示器，阴极电极、绝缘层和栅电极顺序形成于第一基板上，且开口形成于栅电极和绝缘层以部分暴露阴极电极的表面。电子发射区形成于阴极电极上开口内。荧光层和阳极电极形成于第二基板的面对第一基板的表面上。阴极电极和栅电极被条状构图并彼此交叉。两个电极所交叉区域形成像素，且电子发射区位于像素的预定的域，从而它们彼此分开。

在将预定的驱动电压施加到阴极电极和栅电极的情形，在两个电极之间的电压差超过阈值的像素处，电场围绕电子发射区形成，且电子从那些电子发射区发射。发射的电子被施加到阳极电极的高电压吸引，且射向第二基板，随后在对应的像素与荧光体碰撞并发光。对于上述的结构，栅电极的开口宽度和栅电极开口的紧凑度即其开口节距能够影响位于各个像素的电子发射区的数量，和电子发射区的发射效率和工艺产率。

考虑到绝缘层的蚀刻特性和电子发射区的处理，开口典型地以优化的尺寸形成于栅电极，使得它们紧密地且最优地排列在像素的预定的域。就此而言，可以提高电子发射区的发射效率以实现高亮度显示屏，且工艺产率可以被提高以增加产率，提升形成高分辨率装置的容易性。然而，对于常规的电子发射装置，栅电极的开口节距对宽度的关系通常没有在装置的设计和处理中被优化，从而这些上述的效果通常没有被优化。

发明内容

本发明的几个方面和实施方式提供了一种电子发射装置和包括该电子发射装置的电子发射显示器，以优化栅电极的开口节距对宽度的关系，以提升电子发射区的电子发射效率，增加工艺产率，且实现高分辨率显示屏。

在本发明的示范性实施方式中，电子发射装置包括：基板；形成于基板上的第一电极；电连接到第一电极的电子发射区；和位于第一电极之上的第二电极，第二电极与第一电极绝缘，第二电极在第一和第二电极的交叉区域具有多个开口以开放电子发射区，其中第二电极的开口的节距对于第二电极的开口的宽度或直径的比率在1.36≤P/D≤1.65的范围内，其中D代表第二电极的开口的宽度，且P代表第二电极的开口的节距。

根据本发明的方面，电子发射区和第二电极的开口可以形成为圆形。而且，第二电极的开口可以在第一和第二电极之一的纵向上顺次排列。

根据本发明的另一方面，电子发射装置还可以包括位于第二电极之上的第三电极，其中第三电极与第二电极绝缘。第三电极可以在第一和第二电极各个交叉区域具有开口以同时在每个交叉区域处开放第二电极的开口。而且，第一和第二电极之一可以为扫描电极，且第一和第二电极的另一个可以为数据电极，且第三电极可以为聚焦电极。

在本发明的另一示范性实施方式中，电子发射显示器包括：第一基板；第二基板，第一基板与第二基板设置为面对关系；形成于第一基板上的第一电极；电连接到第一电极的电子发射区；和位于第一电极之上的第二电极，第二电极与第一电极绝缘，第二电极在第一和第二电极的交叉区域具有多个开口以开放电子发射区；形成于第二基板上的表面上的荧光层；和位于荧光层表面上的阳极电极，其中第二电极的开口的节距对于第二电极的开口的宽度或直径的比率在1.36≤P/D≤1.65的范围内，其中D代表第二电极的开口的宽度，且P代表第二电极的开口的节距。

另外，根据本发明的方面，荧光层可以包括交替排列在第二基板的方向上的红、绿和蓝荧光层，且第二电极的开口可以在垂直于第二基板的方向的方向上顺次布置在交叉区域的中心。

本发明的另外的方面和/或优点在以下的说明书中阐述或从说明书显见，或可以通过本发明的实践而习之。

附图说明

结合附图，从实施方式的以下描述，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得明显易懂，在附图中：

图1是根据本发明的示范性实施方式的电子发射显示器的部分分解透视图；

图2是图1的电子发射显示器的部分剖面图；

图3是图1所示的电子发射装置的部分放大平面图；

图4是示出对于根据本发明的图1的电子发射显示器的作为栅电极的开口节距对宽度比率的函数的放电电流的变化的曲线图。

图5是根据本发明的另一示范性实施方式的电子发射显示器的部分分解透视图；和

图6是图5的电子发射装置的部分放大平面图。

具体实施方式

现将详细参考本发明的实施方式，其示例在附图中示出，其中通篇相似的附图标记指示相似的元件。在以下描述了所述实施方式以通过参考附图解释本发明的方面，而公知的功能或结构不必详细描述。

在图1和3中，示出了根据本发明的示范性实施方式的电子发射显示器1000和电子发射装置100。电子发射显示器1000包括：第一和第二基板10和12，其分别以彼此面对关系平行设置，且彼此分开预定的距离H。密封构件(未显示)设置于第一和第二基板10和12的周边以密封它们，且两个基板10和12之间的内空间被抽空，例如处于10^-6Torr，以提供具有第一和第二基板10和12与密封构件的真空容器。

电子发射元件EL形成于第一基板10的面对第二基板12的表面上而且形成阵列，以构建具有第一基板10的电子发射装置100。电子发射装置100与第二基板12、和设置于第二基板12的光发射单元110联合提供了电子发射显示器1000。

阴极电极14在第一基板10上在第一基板10的方向上被条状构图作为第一电极，且绝缘层16通常形成于第一基板10的整个表面上且覆盖阴极电极14。栅电极18在绝缘层16上垂直于阴极电极14被条状构图作为第二电极。

阴极电极14和栅电极18的交叉区域处分别定义为像素的情形中，电子发射区20在各个像素处形成于阴极电极14上。开口161和181形成于绝缘层16和栅电极18处，对应于各个电子发射区20，以暴露在第一基板10上的电子发射区20。电子发射区20通常用在真空气氛下响应对其施加的电场而发射电子的材料形成，比如碳基材料或纳米(nm)尺寸的材料或其他适当的材料。

举例而言，电子发射区20可以用碳纳米管、石墨、石墨纳米纤维、金刚石、类金刚石碳、富勒烯C₆₀、硅纳米线、或其组合来形成。电子发射区20可以通过丝网印刷、直接生长、化学气相沉积、溅射、或其他适当的操作形成。

在图1到3的电子发射显示器1000和相关的电子发射装置100中，电子发射区20通常在各个像素处在阴极电极和栅电极14和18的任一的纵向、例如阴极电极14的方向上顺次排列，且各个电子发射区20和栅电极18的开口181可以形成为圆形或其他适当的形状或结构。

具有红、绿和蓝荧光层22R、22G和22B的荧光层22形成于第二基板12的面对第一基板10的表面上，使得荧光层22R、22G和22B彼此分开，且黑层24形成于各个荧光层22R、22G和22B之间以提高屏幕对比度。荧光层22排列在电子发射显示器1000中，从而三色的荧光层22R、22G和22B之一对应于阴极电极和栅电极14和18的各交叉区域。

阳极电极26采用金属材料比如铝(Al)或其他适当的材料形成于荧光层22和黑层24上。阳极电极26接收加速电子束所需的高电压以使荧光层22处于高电势状态，且使从荧光层22辐射向第一基板10的可见光反射向第二基板12，从而提高屏幕亮度。

另外，阳极电极26可以用透明导电材料比如氧化铟锡(ITO)或其他适当的材料形成。在阳极电极26用透明导电材料形成的情形中，阳极电极26设置于荧光层22和黑层24的表面上，朝向第二基板12。另外，根据本发明的方面，金属层和透明导电层可以同时形成以作为阳极电极26。

如图2所示，间隔物28布置于第一和第二基板10和20之间，从而在施加到由第一和第二基板10和12与密封构件形成的真空容器的压力下，基本保持第一和第二基板10和12之间的空间，且基本维持两个基板10和12之间的预定的距离H。间隔物28通常设置于黑层24的区域处，该处间隔物28不侵入荧光层22的区域上。

对于电子发射显示器1000，从电子发射显示器1000外部，将预定的电压施加到阴极电极14、栅电极18和阳极电极26。例如，阴极电极14和栅电极18之一接收扫描驱动电压以作为扫描电极，且阴极电极14和栅电极18的另一个接收数据驱动电压以作为数据电极。阳极电极26通常接收加速电子束所需的几百到几千伏的正直流电压。

在电子发射显示器1000中，在阴极电极14和栅电极18之间的电压差超过阈值的像素处，电场围绕电子发射区20形成，且电子从电子发射区20发射。发射的电子被施加到阳极电极26的高压吸引，且在对应的像素碰撞荧光层22以发射光。

对于电子发射显示器1000和电子发射装置100，栅电极18的开口181的宽度D，比如图3所示的开口181的直径D，根据比如绝缘层16的蚀刻特性和电子发射区20的处理的工艺特性被优化。虽然宽度D对应于图1到3的示范性实施方式中的基本圆形开口181的直径D，但是栅电极的开口的宽度D就此而言不被限制，且根据本发明的方面，宽度D可以对应于栅电极的其他的适当形状的开口的宽度。在开口181通过湿法蚀刻形成于绝缘层16的情形，应当考虑湿法蚀刻的各向同性蚀刻特性，且应当根据电子发射区20的处理来控制围绕电子发射区20的边缘宽度W。

根据本发明的方面，像素内的电子发射区20的区域被限制到像素中心的预定的域。就此而言，在从电子发射区20发射的电子以预定的发散角度散开的情形中，可以防止第二基板12上的电子束斑点(spot)被放大至相邻的荧光层22，且电子通常不与间隔物28碰撞，由此有助于防止间隔物28的表面被充电。

对于根据本发明的方面的电子发射显示器和电子发射装置，比如电子发射显示器1000和电子发射装置100的示范性实施方式，栅电极18的开口181的开口之间的节距P，例如开口之间的偏心距离(eccentric distance)，对于开口181的宽度或直径D的比率被优化，从而电子发射区20的发射效率被提高，且有助于防止可能的工艺失效。另外，根据本发明的方面，在电子发射显示器和电子发射装置中，栅电极比如栅电极18根据公式(1)来构造，其中栅电极181的开口181的节距对于开口181宽度或直径的比率在以下的范围内：

1.36≤P/D≤1.65    (1)

其中，D代表栅电极18的开口181的直径且P代表栅电极18的开口181的节距。而且，可以理解，根据本发明的方面，公式(1)中的P/D的比率可以基本在从约1.36到约1.65的范围内。

图4是示出当改变栅电极的开口节距P对直径D的比率时测量的像素处的电子发射区的放电电流量的曲线图。在实验中，绝缘层16的厚度是3μm，且栅电极18的开口181的直径D是14μm。当改变开口181的节距P从17μm到24μm时测量电子发射区的放电电流量。在该驱动条件下，阴极电压被确定为0V，且栅极电压为60V，且阳极电压为8kV。

如图4所示，在开口节距对直径比率P/D为1.5的情形，放电电流量是最大的。在开口节距对直径比率P/D在1.36-1.65的范围的情形，放电电流是放电电流的峰值的90％或更多。

在开口节距对直径比率P/D小于1.36的情形，电子发射区20的发射效率可能恶化，原因在于栅电极开口181没有彼此必要地分开一距离，使得围绕电子发射区20之一的栅电极18的电场基本被相邻的开口181偏置(offset)。相反，在开口节距对直径比率P/D超过1.65的情形，电子发射区20的数量会减小，从而放电电流量显著减小。

另外，在栅电极比如栅电极18的开口节距对直径比率P/D在1.41到1.60的范围的情形，放电电流量通常为放电电流的峰值的95％或更多。因此，根据本发明的方面，在电子发射显示器中，比如栅电极18的栅电极被进一步根据公式(2)来构造，其中栅电极18的开口181的节距对于开口181的宽度或直径的比率进一步在如下范围内：

1.41≤P/D≤1.60    (2)

另外，可以理解，根据本发明的方面，公式(2)中的比率P/D可以基本在从约1.41到约1.60的范围内。

而且，在开口节距对直径比率P/D一般小于1.36的情形，栅电极18和绝缘层16的开口181和161不一定均匀地形成，且蚀刻裕量可能被减小，使得栅电极18的开口181可能彼此连接，或绝缘层16的开口161可能被彼此连接，且可能导致工艺失效。然而，在电子发射显示器或电子发射装置的栅电极，比如栅电极18根据本发明的方面如所述地构造的情形，放电电流量可以被最大化以利用相同或基本相同的栅极电压达到比较大的值，且还可以最小化工艺失效。

参考图5和6，示出了根据本发明的另一示范性实施方式的电子发射显示器1000′和电子发射装置100′。电子发射显示器1000′包括：第一和第二基板10和12，其分别以彼此面对关系平行设置，且彼此分开预定的距离。密封构件(未显示)设置于第一和第二基板10和12的周边以密封它们，且两个基板10和12之间的内空间被抽空例如至10^-6Torr，以提供具有第一和第二基板10和12与密封构件的真空容器。

电子发射元件EL′形成于第一基板10的面对第二基板12的表面上且形成阵列，以构建或形成具有第一基板10的电子发射装置100′。电子发射装置100′与第二基板12联合提供电子发射显示器1000′，且光发射单元110′设置于第二基板12。

阴极电极14′在第一基板10上在第一基板10的方向上被条状构图作为第一电极，且绝缘层16′通常形成于第一基板10的整个表面上且覆盖阴极电极14′。栅电极18′在绝缘层16′上垂直于阴极电极14′被条状构图作为第二电极。

在阴极电极14′和栅电极18′的交叉区域分别定义为像素的情形，电子发射区20′在各个像素处形成于阴极电极14′上。开口161′和181′形成于对应于各个电子发射区20′的绝缘层16′和栅电极18′处，以暴露在第一基板10上的电子发射区20′。电子发射区20′通常用在真空气氛下对其施加电场时发射电子的材料形成，比如碳基材料或纳米(nm)尺寸的材料或其他适当的材料。

如图5和6所示，根据本发明的另一实施方式的电子发射装置100′和电子发射显示器1000′还包括位于或设置于栅电极18′之上的聚焦电极30。在设置于阴极电极14′和栅电极18′之间的绝缘层被称为第一绝缘层16′的情形，第二绝缘层32设置于栅电极18′之上第一基板10的整个区域处，且聚焦电极30形成于第二绝缘层32上。

开口301和321形成于聚焦电极30和第二绝缘层32处以通过电子束。开口301和321逐个形成于各个像素处以在每个像素处同时开放电子发射区20′和栅电极开口181′。聚焦电极30通常接收几伏到几十伏的负直流电压，聚焦电极30接收的负直流电压为适当量从而向通过开口301的电子提供排斥力以将电子聚焦在电子束的对应束的中心。

在开口301形成于聚焦电极30以同时开放栅电极开口181′的情形，聚焦电极30通常不影响或不显著影响栅电极开口181′的直径D和节距P。为此，在图5和6的电子发射装置100′或电子发射显示器1000′的示范性实施方式中，栅电极18′的开口181′的节距与栅电极18′的开口181′的宽度或直径的比率P/D因此根据就此而言的前面关于公式(1)和/或公式(2)所描述和讨论的本发明的方面，被建立为与图1到3的电子发射装置100或电子发射显示器1000的示范性实施例相同或相对应。

因此，由于在装置操作的过程中聚焦电极30通常用于聚焦电子束，在图5和6的电子发射装置100′或电子发射显示器1000′中的驱动电压、第一绝缘层16′的厚度、以及栅电极18′的开口181′的宽度、或直径和节距被建立为与前述图1到3的电子发射装置100或电子发射显示器1000相同或相对应的情形下，电子发射区20′的放电电流量基本与图4的曲线图所示的基本相同。因此，在根据本发明的方面的电子发射装置100′和电子发射显示器1000′中，在栅电极18′根据公式(1)和/或(2)和/或本发明的其他方面被构造的情形，可以最大化放电电流量以利用相同或基本相同的栅极电压达到比较大的值，且可以最小化工艺失效。

前述的实施方式、方面和优点仅是示范性的且不应被解释为限制本发明。而且，本发明的实施方式的描述旨在为示例性的，且不旨在限制权利要求的范围，且各种其他的替换、改进和变化将对于本领域的技术人员是明显的。因此，虽然显示和描述了本发明的几个实施方式，但是本领域的技术人员应当理解在实施方式中可以进行改变，而不脱离本发明的原理和精神，本发明的范围在权利要求和其等同物中界定。

Claims (25)

1、一种电子发射装置，包括：

基板；

形成于所述基板上的第一电极；

分别电连接到所述第一电极的电子发射区；及

分别位于所述第一电极之上的第二电极，

其中

所述第二电极与所述第一电极绝缘，

所述第二电极在所述第二电极分别交叉所述第一电极的交叉区域处包括多个开口从而开放所述电子发射区，且其中所述第二电极的所述开口的节距与所述第二电极的所述开口的宽度的比率在1.36≤P/D≤1.65的范围内，其中D代表所述第二电极的所述开口的宽度，且P代表所述第二电极的所述开口的节距。

2、根据权利要求1所述的电子发射装置，其中：

所述第二电极的所述开口的节距与所述第二电极的所述开口的宽度的比率进一步在1.41≤P/D≤1.60的范围内。

3、根据权利要求1所述的电子发射装置，其中：

所述电子发射区和所述第二电极的所述开口形成为圆形。

4、根据权利要求1所述的电子发射装置，其中：

所述第二电极的所述开口分别位于所述第二电极交叉所述第一电极的交叉区域的中心处。

5、根据权利要求4所述的电子发射装置，其中：

所述第二电极的所述开口在所述第一电极或所述第二电极的纵向上顺次排列。

6、根据权利要求1所述的电子发射装置，还包括：

位于所述第二电极之上的第三电极，其中所述第三电极与所述第二电极绝缘。

7、根据权利要求6所述的电子发射装置，其中：

所述第三电极包括位于所述第二电极交叉所述第一电极的各个交叉区域处的多个开口，从而开放所述交叉区域处所述第二电极的所述开口。

8、根据权利要求6所述的电子发射装置，其中：

所述第一电极包括扫描电极或数据电极，

当所述第一电极包括数据电极时，所述第二电极包括扫描电极，且当所述第一电极包括扫描电极时，所述第二电极包括数据电极，且

所述第三电极包括聚焦电极。

9、根据权利要求6所述的电子发射装置，其中：

所述电子发射区包括选自由碳纳米管、石墨、石墨纳米纤维、金刚石、类金刚石碳、富勒烯C60和硅纳米线构成的组的至少一种材料。

10、一种电子发射显示器，包括：

第一基板；

第二基板，与所述第一基板以面对关系设置；

形成于所述第一基板上的第一电极；

分别电连接到所述第一电极的电子发射区；

分别位于所述第一电极之上的第二电极，

其中

所述第二电极与所述第一电极绝缘，

所述第二电极在所述第二电极分别交叉所述第一电极的交叉区域处包括多个开口从而开放所述电子发射区，且

其中所述第二电极的所述开口的节距与所述第二电极的所述开口的宽度的比率在1.36≤P/D≤1.65的范围内，其中D是所述第二电极的所述开口的宽度，且P是所述第二电极的所述开口的节距；

形成于所述第二基板的表面上的荧光层；及

位于所述荧光层表面上的的阳极电极。

11、根据权利要求10所述的电子发射显示器，其中：

所述第二电极的所述开口的节距与所述第二电极的所述开口的宽度的比率进一步在1.41≤P/D≤1.60的范围内。

12、根据权利要求10所述的电子发射显示器，其中：

所述电子发射区和所述第二电极的所述开口形成为圆形。

13、根据权利要求12所述的电子发射显示器，其中：

所述第二电极的所述开口分别位于所述第二电极交叉所述第一电极的所述交叉区域的中心处。

14、根据权利要求10所述的电子发射显示器，其中：

所述荧光层包括在所述第二基板的方向上交替排布的红、绿和蓝荧光层，且

所述第二电极的所述开口在垂直于所述第二基板的所述方向的方向上在所述第二电极交叉所述第一电极的所述交叉区域的中心处顺次排布。

15、根据权利要求10所述的电子发射显示器，还包括：

位于所述第二电极之上的第三电极，其中

所述第三电极与所述第二电极绝缘，且

所述第三电极包括分别位于所述第二电极交叉所述第一电极的交叉区域处的多个开口，从而开放所述第二电极的所述开口。

16、根据权利要求15所述的电子发射显示器，其中：

所述第一电极包括扫描电极或数据电极，

当所述第一电极包括数据电极时，所述第二电极包括扫描电极，且当所述第一电极包括扫描电极时，所述第二电极包括数据电极，且

所述第三电极包括聚焦电极。

17、根据权利要求10所述的电子发射显示器，其中：

所述电子发射区由碳基材料或纳米(nm)尺寸材料形成。

18、根据权利要求10所述的电子发射显示器，其中：

所述荧光层布置于所述电子发射显示器中使得所述荧光层分别对应于所述第二电极分别交叉所述第一电极的所述交叉区域。

19、根据权利要求10所述的电子发射显示器，其中：

像素内的所述电子发射区的区域限于所述像素的中心处的预定域。

20、根据权利要求1所述的电子发射装置，其中：

所述电子发射区由碳基材料或纳米(nm)尺寸材料形成。

21、一种电子发射显示器，包括：

第一基板；

第二基板，与所述第一基板以面对关系定位；

形成于所述第一基板上的第一电极；

分别电连接到所述第一电极的电子发射区；

分别位于所述第一电极之上的第二电极，

其中

所述第二电极与所述第一电极绝缘，

所述第二电极在所述第二电极分别交叉所述第一电极的交叉区域处包括多个开口从而开放所述电子发射区，且

其中所述第二电极的所述开口的节距与所述第二电极的所述开口的宽度的比率P/D基本在从约1.36至约1.65的范围内，其中D是所述第二电极的所述开口的宽度，且P是所述第二电极的所述开口的节距；

形成于所述第二基板的表面上的多个荧光层；及

位于所述荧光层表面上的阳极电极。

22、根据权利要求21所述的电子发射显示器，还包括：

位于所述第二电极之上的第三电极，其中

所述第三电极与所述第二电极绝缘，且

所述第三电极包括分别位于所述第二电极交叉所述第一电极的交叉区域处的多个开口，从而开放所述第二电极的所述开口。

23、一种电子发射装置，包括：

基板；

形成于所述基板上的第一电极；

电连接到所述第一电极的电子发射区；和

分别位于所述第一电极之上的第二电极，

其中

所述第二电极与所述第一电极绝缘，

所述第二电极在所述第二电极分别交叉所述第一电极的交叉区域处包括多个开口从而开放所述电子发射区，且

其中所述第二电极的所述开口的节距与所述第二电极的所述开口的宽度的比率P/D基本在从约1.36到约1.65的范围内，其中D是所述第二电极的所述开口的宽度，且P是所述第二电极的所述开口的节距。

24、根据权利要求23所述的电子发射装置，还包括：

位于所述第二电极之上的第三电极，其中所述第三电极与所述第二电极绝缘。

25、根据权利要求24所述的电子发射装置，其中：

所述第三电极包括位于所述第二电极交叉所述第一电极的各交叉区域处的多个开口，从而开放所述交叉区域处所述第二电极的所述开口。

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