DE10309607A1 - Verfahren zur Verkapselung von funktionellen Komponenten eines elektrischen Bauelements - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Verkapselung von funktionellen Komponenten (5) eines elektrischen Bauelements (1) vorgeschlagen, bei dem eine Verkapselung (10) über den funktionellen Komponenten (5) mittels Ultraschallscweißens mit einem Substrat (15) dicht verbunden wird. Aufgrund des Ultraschallschweißens werden die Temperaturen nur lokal angelegt, so daß die funktionellen Komponenten keiner starken thermischen Belastung ausgesetzt werden.

Description

  • Auf dem Gebiet der optoelektronischen Bauelemente sind in den letzten Jahren verstärkt organische, Licht emittierende Dioden (OLEDs) weiterentwickelt worden. Organische Leuchtdioden umfassen dabei ein oder mehrere Schichten von organischen, funktionellen Materialien, die zwischen zwei Elektroden angeordnet sind. Beim Anlegen einer Spannung an den Elektroden elektrolumineszieren die Materialien. Die organischen Materialien können dabei organische funktionelle Polymere oder kleine organische Moleküle umfassen. Die Schichtanordnung aus den organischen Materialien und den Elektroden ist dabei häufig auf einem Substrat angeordnet und wird gegenüber der Umgebung mittels einer Verkapselung abgeschlossen.
  • Die funktionelle Schichtanordnung aus den Elektroden und den organischen Materialien ist dabei sehr feuchtigkeits- und sauerstoffempfindlich, weil beispielsweise besonders leicht diejenigen Elektroden beschädigt werden können, die aus unedlen Metallen bestehen, und auch die organischen Schichten sehr empfindlich sind. Aus diesem Grunde ist eine besonders dichte und zuverlässige Verkapselung der funktionellen Komponenten einer OLED gegenüber der Umgebung notwendig.
  • Bei der Verwendung von starren Substraten und starren Verkapselungen, beispielsweise Glasplatten, werden das Substrat und die Verkapselung über den funktionellen Komponenten des optoelektronischen Bauelements häufig mittels eines Klebers, beispielsweise auf der Basis von Epoxidharzen verklebt. Diese Harze werden mittels UV-Strahlung aktiviert und anschließend bei etwa 80 bis 100° C ausgehärtet. Dabei wird das komplette Bauelement auf einer Heizplatte bei dieser Temperatur gehalten. Vor allem bei organischen Leuchtdioden kann es dabei auch zu einer Beschädigung der funktionellen Schichtanordnung kommen. So können beispielsweise bei höheren Temperaturen Diffusionsprozesse der Elektrodenmetalle in die organischen Schichten hinein ausgelöst werden, die beim späteren Betrieb in einer niedrigeren Effizienz und in einem starken „Burn-in-Effekt" während. des Betriebes resultieren.
  • Aus der WO 01/05205 A1 ist bekannt, flexible Laminatschichten mittels eines Laminierprozesses zur Verkapselung auf organischen, elektrolumineszierenden Leuchtdioden anzubringen. Beim Laminiervorgang selbst wird das Bauelement hohen thermischen Belastungen ausgesetzt, so daß es dadurch beschädigt werden kann.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Verkapselung von funktionellen Komponenten eines elektrischen Bauelements anzugeben, bei dem eine besonders dichte und zuverlässige Verkapselung möglich ist, ohne das Bauelement gleichzeitig hohen Temperaturen auszusetzen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verkapselung von funktionellen Komponenten eines elektrischen Bauelements wird über den funktionellen Komponenten eine Verkapselung mittels Ultraschallschweißens mit einem Substrat dicht verbunden.
  • Beim Ultraschallschweißen werden Ultraschallschwingungen in die zu verschweißenden Oberflächen eingekoppelt. Aufgrund der Überlagerung der statischen und dynamischen Kräfte kommt es zu einer Annäherung der zu verschweißenden Oberflächen auf atomare Abstände, so daß eine hochfeste Bindung entsteht. Dabei liegen die Temperaturen beim Ultraschallschweißen deutlich unter den Schmelzpunkten der beteiligten Werkstoffe. Aus diesem Grunde werden elektrische Bauelemente, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens verkapselt werden, wesentlich geringeren Temperaturen ausgesetzt als bei den oben genannten herkömmlichen Verkapselungsverfahren.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nur ein um die funktionellen Komponenten umlaufender Randbereich der Verkapselung und des Substrats ultraschallverschweißt. Dies hat den Vorteil, daß besonders einfach nur ein lokal begrenzter, um die funktionellen Komponenten umlaufender Randbereich besonders schnell verschweißt wird. Da dieser Randbereich häufig nicht im thermischen Kontakt mit den funktionellen Komponenten steht, werden bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens die funktionellen Komponenten häufig keiner erhöhten Temperatur ausgesetzt. Bereits bei einem Abstand der funktionellen Komponenten von etwa 2 bis 10 mm zum zu verschweißenden Randbereich ist kein nennenswerter Temperaturanstieg mehr feststellbar, der das Bauelement schädigen könnte.
  • Weiterhin ist es möglich, daß der gesamte Randbereich gleichzeitig ultraschallverschweißt wird. Dies ist eine besonders schnelle und daher kostengünstige Verkapselungsmethode. Beim Ultraschallschweißen können dabei sehr kurze Verkapselungszeiten von kleiner 30 s erreicht werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, vor dem Ultraschallschweißen zwischen dem Substrat und der Verkapselung ein abdichtendes, ultraschallschweißbares Material anzuordnen. Beim anschließenden Ultraschallschweißen dieses Materials wird dann besonders einfach die Verkapselung mit dem Substrat über das abdichtende Material verbunden. Mittels dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich auch nicht ultraschallschweißbare Substrate und Verkapselungen mittels Ultraschallschweißens miteinander verbinden.
  • Das abdichtende Material kann dabei ausgewählt sein aus Glasloten und Klebstoffen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können dabei besonders vorteilhaft Epoxidharzklebstoffe verwendet werden, die bei Temperaturen von bis etwa 150° C ausgehärtet werden. Bei Verwendung dieser Klebstoffe lassen sich im Gegensatz zu Klebstoffen mit Aushärtetemperaturen von 80 bis 100° C besonders dichte Verkapselungen erzielen.
  • Aufgrund des erfindungsgemäßen Ultraschallschweißverfahrens ist es jetzt auch möglich, Glaslote zu verwenden. Bei Glasloten handelt es sich um niedrig schmelzende Gläser mit niedriger Viskosität und kleiner Oberflächenspannung. Glaslote können bei Temperaturen von mindestens 250° C schmelzen und dabei, wenn sie als abdichtendes Material verwendet werden, eine besonders gute Verkapselung ermöglichen. Bei den bisherigen, herkömmlichen Verkapselungsverfahren, bei denen das komplette elektrische Bauelement erhitzt werden mußte, war es nicht möglich, derart hohe Temperaturen von oberhalb 250° C ohne Beschädigung der funktionellen Komponenten anzuwenden.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren können das Substrat, die Verkapselung und das abdichtende Material ausgewählt sein aus flexiblen, organischen Polymerfolien, thermoplastischen Kunststoffen und Glasplatten. Dabei sind vor allen Dingen die flexiblen, organischen Polymerfolien sowie die thermoplastischen Kunststoffe in der Regel bereits selbst ultraschallschweißbar, so daß kein abdichtendes, ultraschallschweißbares Material verwendet werden muß. Bei Glasplatten, die transparent und besonders stoßfest sind, empfiehlt sich die Verwendung der oben genannten abdichtenden Materialien.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden eine Verkapselung und ein Substrat verwendet, die jeweils flexible organische Polymere umfassen und damit bereits selbst ultraschallverschweißbar sind. Dabei wird dann die Verkapselung und das Substrat direkt mittels Ultraschallschweißens miteinander verbunden.
  • Im Gegensatz zu Glas als Substrat oder als Verkapselung ist es möglich, die flexiblen organischen Polymere direkt ohne Verwendung eines ultraschallschweißbaren abdichtenden Materials miteinander zu verbinden. Dadurch ist es besonders einfach, kostengünstig und schnell möglich eine zuverlässig dichte Verkapselung von flexiblen elektrischen Bauelementen, z.B. flexiblen OLEDs zu erhalten.
  • Das Ultraschallschweißen wird dabei besonders vorteilhaft bei einer Temperatur zwischen etwa 100° C und 250° C durchgeführt. Bei dieser Temperatur können besonders einfach Polymerfolien und hochtemperaturhärtende Kleber ultraschallverschweißt werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vor dem Ultraschallschweißen die funktionellen Komponenten auf dem Substrat erzeugt und zur elektrischen Kontaktierung der funktionellen Komponenten dienende streifenförmige Anschlußstücke ebenfalls auf dem Substrat erzeugt. Anschließend wird auf den Anschlußstücken zwischen der Verkapselung und dem darunter angeordneten Substrat ein thermoplastisches Polymer angeordnet. Danach wird mittels Ultraschallschweißens die Verkapselung so mit dem Substrat verbunden, daß jeweils ein Ende jedes Anschlußstückes zur Kontaktierung der funktionellen Komponenten freigelassen wird und gleichzeitig in einem anderen Bereich der Anschlußstücke die Verkapselung über das thermoplastische Polymer mit dem Substrat verbunden wird.
  • Bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ebenfalls einfach möglich, Elektrodenanschlußstücke durch einen ultraschallverschweißten Bereich aus der Verkapselung herauszuführen, wobei die Verkapselung auch im Bereich der Anschlußstücke dicht ist und dabei aufgrund des zusätzlich vorhandenen thermoplastischen Polymers die Anschlußstücke während des Ultraschallverschweißens nicht beschädigt werden.
  • Insbesondere können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auch organische elektrolumineszierende Dioden (OLEDs) verkapselt werden, wobei vor dem Ultraschallschweißen eine Schichtanordnung aus organischen, funktionellen Schichten und Elektroden als funktionelle Komponenten auf dem Substrat erzeugt wird. Die organischen funktionellen Schichten können dabei organische elektrolumineszierende Polymere oder kleine organische Moleküle umfassen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zuerst ein Substrat mit darauf angeordneten funktionellen Komponenten und einer darüber angeordneten Verkapselung als Schichtanordnung auf einem Amboß fixiert. Anschließend wird eine Sonotrode so in Kontakt mit der Schichtanordnung gebracht, daß sie eine zu verschweißende Kontaktfläche zur Schichtanordnung aufbaut, die einem um die funktionellen Komponenten umlaufenden Randbereich entspricht. Anschließend wird gleichzeitig der gesamte Randbereich ultraschallverschweißt.
  • Bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schichtanordnung auf einem Amboß fixiert und anschließend unter relativ geringem Druck mittels der Sonotrode, einem hochfrequent schwingendem Schweißwerkzeug, Ultraschallschwingungen in die zu verschweißenden Bereiche eingekoppelt. Dabei wird besonders vorteilhaft eine Kontaktfläche zwischen der Schichtanordnung und der Sonotrode aufgebaut, die dem zu verschweißenden, umlaufenden Randbereich um die funktionellen Komponenten entspricht. Bei diesem Verfahren kann besonders einfach und in Sekundenbruchteilen ein elektrisches Bauelement komplett und zuverlässig verschweißt werden.
  • Dabei ist es möglich, den Amboß so auszuformen, daß er eine zu verschweißende Kontaktfläche zum Substrat und der Verkapselung ausbildet, die gegenüber der übrigen, der Sonotrode zugewandten Oberfläche des Amboß erhöht ist. In diesem Fall stehen dann nur die zu verschweißenden Randbereiche des Sub strats und der Verkapselung gleichzeitig in Kontakt mit dem Amboß und der Sonotrode (siehe 5). Die übrigen Bereiche des elektrischen Bauelements, die unter anderem die funktionellen Komponenten umfassen sind dann in einer Vertiefung des Amboß oder einer Vertiefung der Sonotrode untergebracht und werden dabei keinem Ultraschallsignal ausgesetzt, wobei auch keine große Erwärmung der funktionellen Komponenten des elektrischen Bauelements erfolgt (siehe 5).
  • Im folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren noch näher erläutert werden. Die Figuren sind dabei nur schematisch und nicht maßstabsgetreu.
  • 1 zeigt ein herkömmliches Laminierverfahren im Querschnitt.
  • 2 zeigt die typische Geometrie eines organischen, elektrolumineszierenden Displays mit einer Verkapselung im Querschnitt.
  • 3 zeigt ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verkapseltes, elektrisches Bauelement in der Aufsicht.
  • 4 zeigt ein nach einem erfindungsgemäßen Verfahren verkapseltes Bauelement im Querschnitt.
  • 5 zeigt im Querschnitt eine Ultraschallschweißvorrichtung zusammen mit einem organischen, elektrolumineszierenden Display.
  • 1 zeigt ein herkömmliches Laminierverfahren, bei dem auf ein organisches elektrolumineszierendes Display 5 Laminierfolien 60 und 65 aufgebracht werden, die anschließend mittels einer Laminiervorrichtung 50 mit aufgeheizten Laminierrollen 55 fest auf dem elektrolumineszierenden Display 5 aufgebracht werden. Der Nachteil dieser herkömmlichen Verkapselungsmethode besteht darin, daß das gesamte organische elektrolumineszierende Display während des Laminiervorgangs einem Druck und einer stark erhöhten Temperatur ausgesetzt ist und aus diesem Grunde leicht beschädigt werden kann.
  • 2 zeigt im Querschnitt ein organisches elektrolumineszierendes Display mit einer Verkapselung 10. Dabei ist auf einem Substrat 15 eine Schichtanordnung bestehend aus einer ersten Elektrodenschicht 2, beispielsweise einer Anode, darüber befindlichen organischen, funktionellen Schichten 3 und einer Topelektrode 4, beispielsweise einer Kathode vorhanden. Die Verkapselung 10 ist mittels eines abdichtenden Materials 30, beispielsweise eines Epoxidharzklebers mit dem Display und dem Substrat verklebt. Bei herkömmlichen Verkapselungsverfahren werden nicht so gut abdichtende Epoxidharzkleber als abdichtendes Material 30 verwendet, deren Aushärtungstemperaturen zwischen 80° C und 150° C liegen. Dabei wird das gesamte Display erhitzt und damit erheblichen thermischen Belastungen ausgesetzt.
  • Im Gegensatz dazu wird bei einem erfindungsgemäßen Verkapselungsverfahren ein ultraschallschweißbares, abdichtendes Material 30 zwischen der Verkapselung 10 und dem Substrat 15 angeordnet, und danach z.B. eine Sonotrode 80 auf die Verkapselung 10 aufgesetzt, die ein Ultraschallsignal einkoppelt, wobei nur lokal das ultraschallschweißbare Material 30, das zwischen der Verkapselung 10 und dem Substrat 15 angeordnet ist, aufgeheizt wird. Bereits in geringen Abständen von 5 bis 10 mm vom ultraschallschweißbaren Material 30 ist keine nennenswerte Temperaturerhöhung mehr feststellbar. Dementsprechend läßt sich durch die Variation des Abstandes d zwischen der funktionellen Schichtanordnung und dem abdichtenden Material 30 sicherstellen, daß die Schichtanordnung keiner Temperaturerhöhung ausgesetzt ist. Werden als Verkapselung 10 zerbrechliche Materialien, beispielsweise Glas verwendet, so ist es möglich, einen Versteifungsrahmen 45 beispielsweise umlau fend an den Rändern der Glasplatte anzuordnen. Dieser Versteifungsrahmen 45 kann beispielsweise aus Materialien bestehen, die nicht ultraschallschweißbar sind.
  • 3 zeigt in der Aufsicht ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens verkapseltes, elektrisches Bauelement 1. Ein Substrat 15 ist gezeigt, auf dem funktionelle Komponenten 5 unter einer Verkapselung 10 vorhanden sind. Innerhalb eines um die funktionellen Komponenten umlaufenden Bereichs 20 ist das Substrat 15 mittels Ultraschallschweißen mit der Verkapselung 10 verbunden worden. Dabei werden die funktionellen Komponenten 5 keiner Temperaturerhöhung ausgesetzt.
  • 4 zeigt im Querschnitt ein mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens verkapseltes organisches elektrolumineszierendes Display mit einer funktionellen Schichtanordnung 5. Dabei sind auf einem Substrat 15 erste Elektrodenstreifen 2 vorhanden, auf denen organische funktionelle Schichten 3 aufgebracht sind. Auf diesen organischen funktionellen Schichten 3 befinden sich zweite Elektrodenstreifen 4 senkrecht zu den ersten Elektrodenstreifen. Diese Elektrodenstreifen 4 werden durch ein Anschlußstück 40 kontaktiert, das aus der Verkapselung 10 zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements herausgeführt wird. Dabei ist zwischen dem Anschlußstück 40 und der Verkapselung 10 ein thermoplastisches Polymer 35 angeordnet, durch das beim Ultraschallverschweißen eine besonders dichte und zuverlässige Verkapselung im Bereich der Anschlußstücke erzielt werden kann, ohne daß dabei die Anschlußstücke 40 beschädigt werden.
  • 5 zeigt im Querschnitt ein flexibles, organisches elektrolumineszierendes Display 1 während der Verkapselung mittels Ultraschallschweißen. Dabei ist das organische, elektrolumineszierende Display 1, das ein Substrat 15 und eine Verkapselung 10 die eine funktionelle Schichtanordnung 5 umschließen, auf einem Amboß 70 untergebracht. Dabei ist der Amboß 70 so ausgeformt, daß er eine zu verschweißende Kon taktfläche zum Substrat und der Verkapselung aufbaut, die gegenüber dem Rest der der Sonotrode 80 zugewandten Oberfläche des Amboß erhöht ist, so daß diejenigen Teile des Substrates 15 und der Verkapselung 10, die verschweißt werden, zwischen der Sonotrode 80 und dem Amboß 70 während des Ultraschallschweißvorgangs fixiert werden können. Möglich ist es aber auch, entweder zusätzlich oder anstelle des Amboß 70 die Sonotrode 80 dergestalt auszuformen, daß nur die zu verschweißenden Kontaktflächen zwischen der Sonotrode und dem Amboß fixiert werden. Vorteilhafterweise ist dabei die funktionelle Schichtanordnung 5 in einem Hohlraum 100 zwischen Sonotrode und Amboß untergebracht und wird dabei nicht zwischen Sonotrode und Amboß fixiert.
  • Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele und beispielhaften Herstellungsverfahren. Variationen sind vor allem bezüglich der Auswahl der Verkapselungs- und Substratmaterialien als auch bezüglich der Auswahl der ultraschallverschweißbaren, abdichtenden Materialien möglich.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Verkapselung von funktionellen Komponenten (5) eines elektrischen Bauelements (1), die auf einem Substrat (15) angeordnet sind, – bei dem eine Verkapselung (10) über den funktionellen Komponenten (5) mittels Ultraschall-Schweißen mit dem Substrat (15) dicht verbunden wird.
  2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, – bei dem ein, um die funktionellen Komponenten umlaufender Randbereich (20) des Substrats (15) mit der Verkapselung (10) Ultraschall-verschweißt wird.
  3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, – bei dem der gesamte Randbereich (20) gleichzeitig Ultraschallverschweißt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem vor dem Ultraschall-Schweißen zwischen dem Substrat und der Verkapselung ein abdichtendes, Ultraschallschweißbares Material (30) angeordnet wird – bei dem anschließend durch Ultraschall-Schweißen des Materials die Verkapselung mit dem Substrat verbunden wird.
  5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, – bei dem ein abdichtendes Material verwendet wird, daß ausgewählt ist aus: – Glasloten und Klebstoffen.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, – bei dem ein Substrat, eine Verkapselung und ein abdichtendes Material verwendet werden, die ausgewählt sind aus: – flexiblen, organischen Polymerfolien, thermoplastischen Kunststoffen und Glasplatten.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, – bei dem eine Verkapselung und ein Substrat verwendet werden, die flexible, organische Polymere umfassen, – bei dem die Verkapselung und das Substrat direkt mittels Ultraschall-Schweißens miteinander verbunden werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem das Ultraschall-Schweißen bei einer Temperatur zwischen 100 °C und 250°C durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem vor dem Ultraschall-Schweißen die funktionellen Komponenten (5) auf dem Substrat (15) erzeugt werden, – bei dem zur elektrischen Kontaktierung der funktionellen Komponenten (5) streifenförmige Anschlußstücke (40) auf dem Substrat (15) erzeugt werden, – bei dem anschließend auf den Anschlußstücken (40) zwischen der Verkapselung und dem Substrat ein thermoplastisches Polymer (35) angeordnet wird, – bei dem danach die Verkapselung (10) über dem Substrat angeordnet und so mit dem Substrat (15) verschweißt wird, daß jeweils ein Ende jedes Anschlußstückes (40) frei gelassen wird und im Bereich der Anschlußstücke die Verkapselung (10) über das thermoplastische Polymer (35) mit dem Substrat (15) verbunden wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verkapselung von organischen, elektrolumineszierenden Dioden, – bei dem vor dem Ultraschall-Schweißen organische, funktionelle Schichten als funktionelle Komponenten auf dem Substrat erzeugt werden.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem zuerst eine Anordnung aus einem Substrat (15) mit darauf angeordneten funktionellen Komponenten (5) und einer darüber angeordneten Verkapselung (10) auf einem Amboß (70) fixiert wird, – bei dem anschließend eine Sonotrode (80) so in Kontakt mit der Anordnung gebracht wird, daß sie eine zu verschweißende Kontaktfläche zur Schichtanordnung aufbaut, die einem, um die funktionellen Komponenten umlaufenden Randbereich (20) entspricht, – bei dem anschließend gleichzeitig der gesamte Randbereich Ultraschall-verschweißt wird.
  12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, – bei dem der Amboß (70) so ausgeformt ist, daß im Bereich der zu verschweißenden Kontaktfläche (75) zwischen dem Substrat und der Verkapselung die der Sonotrode zugewandte Oberfläche des Amboß gegenüber der übrigen Oberfläche erhöht ist.
  13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, – bei dem ein zerbrechliches Material als Verkapselung (10) verwendet wird, – bei dem auf der Verkapselung ein Versteifungsrahmen (45) aufgebracht wird.
  14. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, – bei dem der Versteifungsrahmen (45) umlaufend um die Ränder der Hauptoberfläche der Verkapselung aufgebracht wird.
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