CN1696803A - 边界电场型液晶显示器的电极数组结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种边界电场型液晶显示器(FFS－LCD)的电极数组结构。一梳型共通电极，具有延伸于第一方向的一第一长条(bar)以及从第一长条往第二方向延伸出去的多条第一齿状物(teeth)，每一第一齿状物具有一第一骨架(bone)，第一骨架的两侧壁上具有多个第一梯形突出物，且同侧壁上的各第一梯形突出物不互相连接。一梳型象素电极，具有延伸于第一方向的一第二长条以及从第二长条往第二方向延伸出去的多条第二齿状物，每一第二齿状物具有一第二骨架，第二骨架的两侧壁上具有多个第二梯形突出物，且同侧壁上的各第二梯形突出物不互相连接。
Description
技术领域
本发明是有关于一种边界电场型液晶显示器装置(fringe-fieldswitching type LCD，简称FFS-LCD)，更特别是有关于一种边界电场型液晶显示器的电极数组结构。
背景技术
一般来说，液晶显示(LCD)装置是藉由电场来控制光线透过率而显示出图画。为达此目的，LCD装置包含具有矩阵排列的液晶盒(LC cell)的一液晶面板(LC panel)，以及一驱动电路用以驱动该液晶面板。在液晶面板中，是使用象素电极(pixel electrode)与共通电极(common electrode)来使得电场(electric field)作用于每一液晶盒。在传统的扭转向列型液晶显示(TN-LCD)装置中，象素电极是位于下基板上，而共通电极是位于上基板的内侧表面上，然而TN-LCD由于具有视角狭窄的缺点，所以不利应用于大尺寸显示器。
近年来，具有广视角特性的横向电场型液晶显示器(IPS-LCD)被提出，IPS-LCD中的象素电极与共通电极皆位于下基板上，而以梳形电极的方式互相交错着，然而传统IPS-LCD却有光穿透率低的缺点。图1是用以说明IPS-LCD缺点的示意图。请参阅图1，传统IPS-LCD中的象素电极110与共通电极120之间的距离L大于上下基板105、100之间的间隙距离D(即cellgap)，所以象素电极110与共通电极120之间所产生的平面电场无法使位于电极110/120上方的液晶分子旋转，因而降低光穿透率。
有鉴于此，韩国现代显示科技(Hyundai Display Technology)公司提出了IPS-LCD的改良型式LCD，即所谓的边界电场型液晶显示器(FFS-LCD)。图2A是FFS-LCD的剖面示意图。该FFS-LCD的特征在于缩短相邻电极210、220之间的距离L’而使距离L’小于电极210或220的宽度W，还有使距离L’小于上下基板205、200之间的间隙距离D’(即cell gap)，如此就能够产生很均匀的电场于整个液晶层中，而增加光穿透率。现有FFS-LCD结构例如已揭示于美国专利第6466290与6522380号中，在此不再赘述。
上述文献中的FFS-LCD中的电极数组结构，一般都是利用相邻的矩形或直条状(rectangular or straight shape)电极210、220来产生边界电场于其间，如图2B所示。然而，上述现有FFS-LCD却需要比较高的操作电压(＞6Vrms)，而且最好是使用负介电率异方性(Δε＜0)液晶材料，但是负介电率异方性液晶材料不容易制造且具有较高黏性的缺点。因此为了能够降低操作电压以及同时具有快响应时间(fast response time)、高的光穿透率与广视角特性，传统FFS-LCD中的电极数组结构设计仍有需要改进的空间。
发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种具有梯形电极(trapezoid-electrode)数组结构的FFS模式LCD，在此简称为「T-FFS LCD」。
本发明的另一目的，在于提供一种具有快响应时间的T-FFS LCD。
本发明的另一目的，在于提供一种具有高的光穿透率的T-FFS LCD。
本发明的另一目的，在于提供一种具有广视角特性的T-FFS LCD。
本发明的再一目的，在于提供一种具有低操作电压的T-FFS LCD。
为达上述目的，本发明提供一种边界电场型液晶显示器(FFS-LCD)的电极数组结构，包括：一梳型共通电极，具有延伸于第一方向的一第一长条(bar)以及从该第一长条往第二方向延伸出去的多条第一齿状物(teeth)，其中每一条第一齿状物具有一第一骨架(bone)，该第一骨架的两侧壁上具有多个第一梯形突出物，且同侧壁上的所述第一梯形突出物并不互相连接；以及一梳型象素电极，具有延伸于第一方向的一第二长条以及从该第二长条往第二方向延伸出去的多条第二齿状物，其中每一条第二齿状物具有一第二骨架，该第二骨架的两侧壁上具有多个第二梯形突出物，且同侧壁上的所述等第二梯形突出物并不互相连接。
本发明亦提供一种边界电场型液晶显示器(FFS-LCD)，包括：一第一基板与一第二基板，其中该第二基板是对向于该第一基板；一液晶层，夹于所述第一、第二基板之间；以及相互交错的一梳型共通电极与一梳型象素电极，其位于该第一基板上方并产生一电场用以控制该液晶层中的液晶分子的排列方向。其中，该梳型共通电极具有延伸于第一方向的一第一长条(bar)以及从该第一长条往第二方向延伸出去的多条第一齿状物(teeth)，其中每一条第一齿状物具有一第一骨架(bone)，该第一骨架的两侧壁上具有多个第一梯形突出物，且同侧壁上的所述第一梯形突出物并不互相连接。其中，该梳型象素电极具有延伸于第一方向的一第二长条以及从该第二长条往第二方向延伸出去的多条第二齿状物，其中每一条第二齿状物具有一第二骨架，该第二骨架的两侧壁上具有多个第二梯形突出物，且同侧壁上的所述第二梯形突出物并不互相连接。
与现有FFS-LCD相比较，具有本发明的电极数组结构的FFS-LCD，是具有较低的操作电压(＜6 Vrms)、较快的响应时间、较高的光穿透率以及较广的广视角特性。如此而能够减少电能消耗并且提升显示品质。
附图说明
图1是传统IPS-LCD的剖面示意图；
图2A是传统FFS-LCD的剖面示意图；
图2B是传统FFS-LCD的电极数组结构的俯视示意图；
图3是具有本发明电极数组结构的FFS-LCD的俯视示意图；
图4是本发明电极数组结构的俯视示意图；
图5A是具有本发明电极数组结构的FFS-LCD的一例的部分剖面示意图；
图5B是具有本发明电极数组结构的FFS-LCD的另一例的剖面示意图；
图6是显示在本发明第一实施例条件下的T-FFS LCD的穿透率与操作电压的关系图；
图7是显示在本发明第一实施例条件下的T-FFS LCD的响应时间的曲线图；
图8是显示在本发明第一实施例条件下的T-FFS LCD的视角锥(viewingcone)图；
图9是显示本发明第一实施例的比较例的IPS-LCD的穿透率与操作电压的关系图；
图10是显示在本发明第一实施例的比较例的IPS-LCD的响应时间的曲线图；
图11是显示在本发明第一实施例的比较例的IPS-LCD的视角锥图；
图12是显示在本发明第二实施例条件下的T-FFS LCD的穿透率与操作电压的关系图；
图13是显示在本发明第二实施例条件下的T-FFS LCD的响应时间的曲线图；
图14是显示在本发明第二实施例条件下的T-FFS LCD的视角锥图；
图15是显示本发明第二实施例的比较例的现有FFS-LCD的穿透率与操作电压的关系图；
图16是显示在本发明第二实施例的比较例的现有FFS-LCD的响应时间的曲线图；
图17是显示在本发明第二实施例的比较例的现有FFS-LCD的视角锥图；
图18是显示在本发明第三实施例条件下的T-FFS LCD的穿透率与操作电压的关系图；
图19是显示在本发明第三实施例条件下的T-FFS LCD的响应时间的曲线图；
图20是显示在本发明第三实施例条件下的T-FFS LCD的视角锥图；
图21是显示本发明第三实施例的比较例的现有FFS-LCD的穿透率与操作电压的关系图；
图22是显示在本发明第三实施例的比较例的现有FFS-LCD的响应时间的曲线图；以及
图23是显示在本发明第三实施例的比较例的现有FFS-LCD的视角锥图。
符号说明：
100～下基板；
105～上基板；
110～象素电极；
120～共通电极；
200～下基板；
205～上基板；
210～象素电极；
220～共通电极；
300～下基板；
500～上基板；
310～栅极线；
320～资料线；
330～共通电极(即：共通线)；
332～第一长条(bar)；
334～第一齿状物(teeth)；
336～第一骨架(bone)；
338～第一梯形突出物；
340～象素电极；
342～第二长条；
344～第二齿状物；
346～第二骨架；
348～第二梯形突出物；
350～薄膜晶体管；
360～液晶分子；
510～彩色滤光片；
520～第一配向层；
530～第二配向层；
540～第一偏光片；
550～第二偏光片；
560～绝缘层；
570～液晶层；
580～保护层。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
以下，本发明的电极数组结构设计虽以应用于FFS-LCD为例，然并非限定本发明的应用范围。
本发明提供一种藉由梯形电极而具有较低的操作电压(＜6 Vrms)、较快的响应时间、较高的光穿透率以及较广的广视角特性的液晶显示器，其可采用正介电率异方性(Δε＞0)液晶分子或负介电率异方性(Δε＜0)液晶分子。请参阅图3与图4，图3是将本发明电极数组结构应用于FFS-LCD一例的俯视示意图，而图4是显示本发明电极数组结构的俯视示意图。为简化图示，图3只对应FFS-LCD中的一象素，实际上FFS-LCD可以包含许多象素。
图3，在具有薄膜晶体管(TFT)数组的第一基板300(当作是下基板)上，具有沿着X方向延伸的栅极线310与沿着Y方向延伸的数据线320，且栅极线310与数据线320是互相交错排列而形成象素矩阵(pixel matrix)。还有，一梳型共通电极330(即：共通线)与一梳型象素电极340是位于每一象素区中，以及至少一TFT组件350位于栅极线310与数据线320的交叉处(crosspoint)而电性连接该象素电极340。除此之外，一配向膜(alignment film，即图5中的符号520)是形成于整个第一基板300上，而且该配向膜是沿着与X轴夹ψ度的方向摩擦(rub)，本发明T-FFS LCD中液晶分子360的初始状态(initial state)是以方位角(azimuthal angle)是10度、预倾角(pretiltangle)是2度而均质排列着(homogeneous alignment)。
图4，用以详细说明本发明的电极数组结构。位于 耙幌笏刂械母玫缂结构包括一梳型共通电极330与一梳型象素电极340。
该梳型共通电极330具有延伸于X方向的一第一长条(bar)332以及从该第一长条332往Y方向延伸出去的多条第一齿状物(teeth)334，其中每一条第一齿状物334具有一第一骨架(bone)336，该第一骨架336的两侧壁上具有多个第一梯形突出物338，且位在该第一骨架336的同侧侧壁上的所述第一梯形突出物338并不互相连接(linking)。还有，该共通电极330的材质例如是铟锡氧化物(ITO)或铟锌氧化物(IZO)等的透明导体材料。
该梳型象素电极340具有延伸于X方向的一第二长条342以及从该第二长条342往Y方向延伸出去的多条第二齿状物344，其中每一条第二齿状物344具有一第二骨架346，该第二骨架346的两侧壁上具有多个第二梯形突出物348，且位在该第二骨架346的同侧侧壁上的所述第二梯形突出物348并不互相连接。还有，该象素电极340的材质例如是铟锡氧化物或铟锌氧化物等的透明导体材料。
本发明的电极数组结构可以如图4所示般的排列，例如每一条第一齿状物334可相邻于每一条第二齿状物344。所述的第一梯形突出物338的顶部表面并不直接面对于所述第二梯形突出物348的顶部表面。
以下说明本发明的电极数组结构的尺寸。该第一骨架336与该第二骨架346具有相同的一宽度a、该第一梯形突出物338与该第二梯形突出物348具有一高度h以及该第一齿状物334与该第二齿状物344之间具有一水平距离b，且符合关系式：b＜(a+2h)。该第一梯形突出物338的侧边与该第一骨架336的法线之间的一第一夹角α1是介于0～90度。该第二梯形突出物348的侧边与该第二骨架346的法线之间的一第二夹角α2是介于0～90度。其中a＝1.5～2.5μm、h＝1～10μm，而最好是a＝2μm、h＝1μm。该第一夹角α1最好是45度，该第二夹角α2最好是45度。藉由上述本发明的梯形电极数组结构，使得在施加比临界电压(threshold voltage)大的电压于第一基板300时，产生边界电场(fringe field)于整个液晶层中，而使液晶分子360转动。
这里要特别说明的是，依照不同的制程顺序，该共通电极330与该象素电极340可位于不同平面上或同一平面上。图5A是显示该共通电极330与该象素电极340位于不同平面上的情形，其制程步骤例如已详述于美国专利第6522380号中，在此不再赘述。而图5B是显示该共通电极330与该象素电极340位于同一平面上的情形，其制程步骤例如已详述于美国专利第5886762号中，在此不再赘述。图5A、图5B中的500代表相对于第一基板300的第二基板(当作是上基板)，510代表形成于第二基板500内侧的彩色滤光片(color filter)，520代表形成于电极330/340上的第一配向层，530代表形成于彩色滤光片510上的第二配向层，540代表位于第一基板300外侧的第一偏光片(polarizer)，550代表位于第二基板500外侧的第二偏光片，560代表位于第一基板300上的绝缘层，而570代表夹于第一、第二基板300、500之间的液晶层。第一偏光片540的主轴(principal axis)平行于第一配向层520的研磨方向(rubbing direction)，而第二偏光片550的主轴方向正交于第一偏光片540的主轴方向。另外，在图5B中，为了要确实绝缘隔离该共通电极330与该象素电极340，可以是由SiO2、SiO或SiON的所形成的一保护层(passivation layer)580于所述电极330、340之间，该保护层580的厚度最好大于1μm。
以下提供一些实施例来证明本发明的具有梯形电极数组结构的FFS模式LCD(T-FFS LCD)的特性优于传统IPS-LCD与现有FFS-LCD。
第一实施例
请参阅图4的本发明T-FFS LCD的电极数组结构，第一实施例所采用条件是a＝2μm，h＝1μm，该第一夹角α1是45度，该第二夹角α2是45度，还有图5B所示的液晶层570的间隙距离d(即cell gap)是5μm。另外，第一实施例是采用正介电率异方性(Δε＞0)液晶分子，例如是Merk公司制造的MLC-6692型液晶材料，该液晶材料的参数包括：复折射率(birefringence)Δn＝0.085、介电率异方性Δε＝10.3以及扭转黏度γ1＝0.1Pas.。还有，该液晶分子的初始状态是以方位角是10度、预倾角是2度而均质排列着，如此可使本实施例的T-FFS LCD的临界电压约为1V。还有，由于本实施例是使用正介电率异方性液晶分子，所以当施加电压时，液晶分子的长轴会沿着电场方向而排列。
图6是显示在本发明第一实施例条件下的T-FFS LCD的穿透率(transmittance)与操作电压的关系图，其以波长(λ)是450nm、550nm以及650nm的穿透光来进行模拟，结果发现在4.5Vrms时可以达到最大的穿透率(32％)。图7是显示在本发明第一实施例条件下的T-FFS LCD的响应时间的曲线图，结果发现在17ms时就达到穿透率30％以上。图8是显示在本发明第一实施例条件下的T-FFS LCD的视角锥(viewing cone)图，结果发现视角大于±70度。
第一实施例的比较例
为了互相比较，第一实施例的比较例是以IPS-LCD为基准来进行模拟。请参阅图1，IPS-LCD中的上下基板之间的间隙距离D是4μm，相邻电极110、120之间的距离L是8μm，电极110或120的宽度是4μm，而液晶材料参数则与上述第一实施例相同。
图9是显示本发明第一实施例的比较例的IPS-LCD的穿透率与操作电压的关系图，其以波长(λ)是450nm、550nm以及650nm的穿透光来进行模拟，结果发现在4.5Vrms时的最大穿透率是27％。图10是显示在本发明第一实施例的比较例的IPS-LCD的响应时间的曲线图，结果发现在4.5Vrms下达到穿透率27％的时间是32ms。图11是显示在本发明第一实施例的比较例的IPS-LCD的视角锥图，可发现其视角略小于上述第一实施例的视角范围。
因此可知，与传统IPS-LCD相较之下，本发明的T-FFS LCD具有较高的光穿透率、较快的响应时间以及较广的广视角特性。
第二实施例
请参阅图4的本发明T-FFS LCD的电极数组结构，第二实施例所采用的条件是a＝3μm，h＝1μm，该第一夹角α1是45度，该第二夹角α2是45度，还有图5B所示的液晶层570的间隙距离d(即cell gap)是4.8μm。另外，第二实施例是采用正介电率异方性(Δε＞0)液晶分子，例如是Merk公司制造的MLC-6692型液晶材料，该液晶材料的参数包括：复折射率(birefringence)Δn＝0.085、介电率异方性Δε＝10.3以及扭转黏度γ1＝0.1Pas.。还有，该液晶分子的初始状态是以方位角是10度、预倾角是2度而均质排列着，如此可使本实施例的T-FFS LCD的临界电压小于1V。还有，由于本实施例是使用正介电率异方性液晶分子，所以当施加电压时，液晶分子的长轴会沿着电场方向而排列。
图12是显示在本发明第二实施例条件下的T-FFS LCD的穿透率(transmittance)与操作电压的关系图，其以波长(λ)是450nm、550nm以及650nm的穿透光来进行模拟。结果发现在3.5Vrms时可以达到最大的穿透率(28.3％)。图13是显示在本发明第二实施例条件下的T-FFS LCD的响应时间的曲线图，结果发现在18ms时就达到穿透率28.3％。图14是显示在本发明第二实施例条件下的T-FFS LCD的视角锥(viewing cone)图，结果发现视角大于±70度。
第二实施例的比较例
为了互相比较，第二实施例的比较例是以现有FFS-LCD为基准来进行模拟。请参阅图2A、图2B，现有FFS-LCD中的电极210或220的宽度是5μm，而其它条件与液晶材料参数则与上述第二实施例相同。
图15是显示本发明第二实施例的比较例的FFS-LCD的穿透率与操作电压的关系图，其以波长(λ)是450nm、550nm以及650nm的穿透光来进行模拟。结果发现在4.75Vrms时可得最大穿透率是26.5％。所以证明本发明能够在较低的操作电压(3.5Vrms)下达到较高的穿透率(28.3％)。图16是显示在本发明第二实施例的比较例的FFS-LCD的响应时间的曲线图，结果发现在4.75Vrms下达到穿透率26.5％的时间约25ms。图17是显示在本发明第二实施例的比较例的FFS-LCD的视角锥图，可发现其视角小于上述第二实施例的视角范围。
因此可知，与现有FFS-LCD相较之下，本发明的T-FFS LCD在较低的操作电压下，能够具有较高的光穿透率、较快的响应时间以及较广的广视角特性。
第三实施例
请参阅图4的本发明T-FFS LCD的电极数组结构，第三实施例所采用的条件是a＝3μm，h＝1μm，该第一夹角α1是45度，该第二夹角α2是45度，还有图5B所示的液晶层570的间隙距离d(即cell gap)是4μm。另外，第三实施例是采用负介电率异方性(Δε＜0)液晶分子，例如是Merk公司制造的MLC-6609型液晶材料，该液晶材料的参数包括：复折射率(birefringence)Δn＝0.0777、介电率异方性Δε＝-3.7以及扭转黏度γ1＝0.16Pas.。还有，该液晶分子的初始状态是以方位角是80度、预倾角是2度而均质排列着。还有，由于本实施例是使用负介电率异方性液晶分子，所以当施加电压时，液晶分子的长轴会沿着电场的垂直方向而排列。
图18是显示在本发明第三实施例条件下的T-FFS LCD的穿透率(transmittance)与操作电压的关系图，其以波长(λ)是450nm、550nm以及650nm的穿透光来进行模拟，结果发现在5Vrms时可以达到最大的穿透率(32.5％)。图19是显示在本发明第三实施例条件下的T-FFS LCD的响应时间的曲线图，结果发现在27ms时就达到穿透率30％以上。图20是显示在本发明第三实施例条件下的T-FFS LCD的视角锥(viewing cone)图，结果发现视角大于±70度。
第三实施例的比较例
为了互相比较，第三实施例的比较例是以现有FFS-LCD为基准来进行模拟。请参阅图2A、图2B，现有FFS-LCD中的电极210或220的宽度是8μm，而其它条件与液晶材料参数则与上述第三实施例相同。
图21是显示本发明第三实施例的比较例的FFS-LCD的穿透率与操作电压的关系图，其以波长(λ)是450nm、550nm以及650nm的穿透光来进行模拟。结果发现要在7Vrms时才可得穿透率是32.5％，因而相当耗电。所以证明本发明能够在较低的操作电压(5Vrms)就能达到高穿透率(32.5％)。图22是显示在本发明第三实施例的比较例的FFS-LCD的响应时间的曲线图，结果发现在7Vrms下达到穿透率32.5％的时间约22ms。图17是显示在本发明第三实施例的比较例的FFS-LCD的视角锥图，可发现其视角与上述第二实施例的视角范围相似。
因此可知，与现有FFS-LCD相较之下，本发明的T-FFS LCD在较低的操作电压(5Vrms)下就能够具有高穿透率(32.5％)，所以本发明的T-FFS LCD具有省能量的功效。
本发明的特征与优点
根据本发明所揭露的电极数组结构，藉由梯形电极的设计而能够制造出具有较低的操作电压(＜6Vrms)、较快的响应时间、较高的光穿透率以及较广的广视角特性的FFS-LCD，因此能降低能源消耗并且同时提升显示品质。
本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。
Claims (10)
1.一种边界电场型液晶显示器的电极数组结构，适用于边界电场型液晶显示器，该边界电场型液晶显示器包括：
一第一基板与一第二基板，其中该第二基板是对向于该第一基板；
一液晶层，夹于所述的第一、第二基板之间；以及
相互交错的一梳型共通电极与一梳型象素电极，位于该第一基板上方并产生一电场用以控制该液晶层中的液晶分子的排列方向；
其中，该梳型共通电极具有延伸于第一方向的一第一长条以及从该第一长条往第二方向延伸出去的多条第一齿状物，其中每一条第一齿状物具有一第一骨架，该第一骨架的两侧壁上具有多个第一梯形突出物，且同侧壁上的所述第一梯形突出物并不互相连接；
其中，该梳型象素电极具有延伸于第一方向的一第二长条以及从该第二长条往第二方向延伸出去的多条第二齿状物，其中每一条第二齿状物具有一第二骨架，该第二骨架的两侧壁上具有多个第二梯形突出物，且同侧壁上的所述第二梯形突出物并不互相连接。
2.根据权利要求1所述的边界电场型液晶显示器的电极数组结构，其中每一条第一齿状物是相邻于每一条第二齿状物。
3.根据权利要求2所述的边界电场型液晶显示器的电极数组结构，其中所述的第一梯形突出物的顶部表面并不直接面对于所述的第二梯形突出物的顶部表面。
4.根据权利要求2所述的边界电场型液晶显示器的电极数组结构，其中该第一骨架与该第二骨架具有一宽度a、该第一梯形突出物与该第二梯形突出物具有一高度h以及该第一齿状物与该第二齿状物之间具有一距离b，且符合下列关系式：
b＜(a+2h)。
5.根据权利要求4所述的边界电场型液晶显示器的电极数组结构，其中a＝2μm、h＝1μm。
6.根据权利要求1所述的边界电场型液晶显示器的电极数组结构，其中该第一梯形突出物的侧边与该第一骨架的法线之间的一第一夹角是45度。
7.根据权利要求1所述的边界电场型液晶显示器的电极数组结构，其中该第二梯形突出物的侧边与该第二骨架的法线之间的一第二夹角是45度。
8.根据权利要求1所述的边界电场型液晶显示器的电极数组结构，其中该液晶分子是正介电率异方性液晶分子或负介电率异方性液晶分子。
9.根据权利要求1所述的边界电场型液晶显示器的电极数组结构，其中该共通电极的材质是铟锡氧化物或铟锌氧化物。
10.根据权利要求1所述的边界电场型液晶显示器的电极数组结构，其中该象素电极的材质是铟锡氧化物或铟锌氧化物。
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