JP2008045191A - Apparatus and method for depositing coating film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エアロゾルデポジション法(以下、AD法と記す)において、エアロゾル噴射ノズルより噴射されたエアロゾル中の微粒子同士を衝突させた後、基材に衝突させてセラミックス被膜を形成する被膜形成装置および該装置を用いる被膜形成方法に関する。 The present invention relates to an aerosol deposition method (hereinafter referred to as AD method) in which fine particles in an aerosol ejected from an aerosol ejection nozzle collide with each other and then collide with a substrate to form a ceramic coating. And a film forming method using the apparatus.
基板上の膜の形成方法として、微粒子ビーム堆積法あるいはAD法と呼ばれる脆性材料の膜や構造物の形成方法がある。AD法は、脆性材料の微粒子を含むエアロゾルをノズルから基板に向けて噴射し、基板に微粒子を衝突させて、その機械的衝撃力を利用して脆性材料の多結晶構造物を基板上にダイレクトに形成する方法である。
成膜効率を向上させるには、一次粒子のみを基材に衝突させることが好ましい。一次粒子の割合を増やす手法として、被膜形成装置に分級装置を組み込み一次粒子の含有比率の高いエアロゾルをエアロゾル噴射ノズルから噴射する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。また、被膜形成装置に分級装置と、解砕装置とを組み込み、一次粒子の含有比率の高いエアロゾルをエアロゾル噴射ノズルから噴射する方法が知られている(例えば、特許文献2参照)。
As a method for forming a film on a substrate, there is a method for forming a film or structure of a brittle material called a fine particle beam deposition method or an AD method. In the AD method, an aerosol containing fine particles of a brittle material is sprayed from a nozzle toward the substrate, the fine particles collide with the substrate, and the polycrystalline structure of the brittle material is directly applied to the substrate using the mechanical impact force. It is the method of forming.
In order to improve the film forming efficiency, it is preferable that only the primary particles collide with the substrate. As a method for increasing the ratio of primary particles, a method is known in which a classification device is incorporated in a film forming apparatus and aerosol with a high content ratio of primary particles is injected from an aerosol injection nozzle (see, for example, Patent Document 1). Further, there is known a method in which a classification device and a crushing device are incorporated in a film forming apparatus, and an aerosol having a high primary particle content ratio is injected from an aerosol injection nozzle (for example, see Patent Document 2).
しかしながら、これらの方法では装置が大掛かりになる欠点があった。また、このような装置を用いても噴射ノズルを通過する際、再凝集する可能性があった。
すなわち、従来のAD法におけるノズル先端部形状の一例を図3を参照して説明する。図3に示すように、ノズル12は、矩形形状の吐出開口部12aを有し、該開口部12aから微粒子を含むエアロゾルを噴射する。エアロゾル中の微粒子は急激に流路が狭くなる吐出開口部12aを通過する際、激しく粒子間接触して容易に再凝集してXYテーブル4上に取り付けられた基材5に噴射される。噴射された粗大なセラミックス凝集粉は凝集粉同士がほとんど衝突することなく基材5に衝突する。基材に衝突した粗大なセラミックス凝集粉はエッチング効果等により膜成長を阻害する要因となり堆積物や構造物の密度が上がらず、機械的強度が小さくなるため、基材5上に形成される被膜5aや構造物の均一性が損なわれる等の問題がある。
That is, an example of the nozzle tip shape in the conventional AD method will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3, the
本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、AD法においてエッチング効果等により膜成長を阻害する要因となる粗大な凝集粉等を解砕し、一次粒子の発生割合を容易に増やすことができ、成膜速度および成膜効率に優れる被膜形成装置および該装置を用いる被膜形成方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to cope with such problems. In the AD method, coarse agglomerated powder, which becomes a factor that hinders film growth due to an etching effect or the like, is crushed and the generation ratio of primary particles is easily achieved. An object of the present invention is to provide a film forming apparatus excellent in film forming speed and film forming efficiency and a film forming method using the apparatus.
本発明の被膜形成装置は、微粒子をガス中に分散させてエアロゾルとするエアロゾル発生装置と、真空チャンバーと、該真空チャンバー内に配設されたエアロゾル噴射ノズルとを備え、AD法により上記エアロゾル噴射ノズルからエアロゾルを基材上に噴射し衝突させて成膜を行なう被膜形成装置であって、上記エアロゾル噴射ノズルは、該噴射ノズルの吐出開口部から噴射された微粒子が基材に衝突する前に、該微粒子同士を衝突させることができるノズルであることを特徴とする。 The coating film forming apparatus of the present invention comprises an aerosol generator for dispersing fine particles in a gas to form an aerosol, a vacuum chamber, and an aerosol injection nozzle disposed in the vacuum chamber. An apparatus for forming a film that forms a film by spraying an aerosol onto a base material from a nozzle and colliding with the aerosol spray nozzle before the fine particles sprayed from the discharge opening of the spray nozzle collide with the base material The nozzle is capable of causing the fine particles to collide with each other.
上記微粒子はセラミックス微粒子であり、平均粒子径が 0.1μm 〜 2μm であることを特徴とする。また、上記セラミックス微粒子は、アルミナ微粒子であることを特徴とする。
また、上記ガスは、アルゴン、窒素またはヘリウムを含む不活性ガスであることを特徴とする。
The fine particles are ceramic fine particles having an average particle size of 0.1 μm to 2 μm. The ceramic fine particles are alumina fine particles.
The gas is an inert gas containing argon, nitrogen, or helium.
本発明の被膜形成方法は、微粒子をガス中に分散させてエアロゾルを形成するエアロゾル形成工程と、上記エアロゾルを真空チャンバー内でエアロゾル噴射ノズルから基材上に噴射し衝突させて成膜を行なう成膜工程とを備えてなる、AD法による被膜形成方法であって、上記成膜工程は、エアロゾル噴射ノズルから噴射された微粒子同士を衝突させた後、基材に衝突させる工程であることを特徴とする。 The film forming method of the present invention comprises an aerosol forming step in which fine particles are dispersed in a gas to form an aerosol, and a film is formed by injecting and colliding the aerosol from an aerosol injection nozzle onto a substrate in a vacuum chamber. A film forming method by an AD method comprising a film process, wherein the film forming process is a process of colliding fine particles ejected from an aerosol spray nozzle with each other and then colliding with a substrate. And
本発明の被膜形成装置は、微粒子をガス中に分散させてエアロゾルとするエアロゾル発生装置と、真空チャンバーと、該真空チャンバー内に配設されたエアロゾル噴射ノズルとを備え、このエアロゾル噴射ノズルは、該噴射ノズルの吐出開口部から噴射された微粒子が基材に衝突する前に、該微粒子同士を衝突させることができるノズルであるので、微粒子同士の衝突により凝集粉が解砕され、解砕された微粒子が基材に衝突するため、基材上での被膜の均一性に優れ、成膜速度や成膜効率も向上する。 The film forming apparatus of the present invention includes an aerosol generating device in which fine particles are dispersed in a gas to form an aerosol, a vacuum chamber, and an aerosol injection nozzle disposed in the vacuum chamber. Since the fine particles injected from the discharge opening of the injection nozzle can collide with the fine particles before colliding with the base material, the agglomerated powder is crushed and broken by the collision of the fine particles. Since the fine particles collide with the base material, the uniformity of the coating on the base material is excellent, and the film forming speed and film forming efficiency are improved.
本発明の被膜形成方法は、その成膜工程がエアロゾル噴射ノズルから噴射された微粒子同士を衝突させた後、基材に衝突させる工程であるので、微粒子同士の衝突により凝集粉が解砕され、凝集粉の比率が減少した微粒子が基材に衝突するため、基材上での被膜の均一性に優れ、成膜速度や成膜効率も向上する。 In the film forming method of the present invention, the film formation step is a step of causing the fine particles injected from the aerosol injection nozzle to collide with each other and then colliding with the base material. Since the fine particles having a reduced ratio of the agglomerated powder collide with the base material, the uniformity of the coating on the base material is excellent, and the film forming speed and film forming efficiency are improved.
本発明においてAD法は、セラミックス等の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に向けてエアロゾル噴射ノズルより噴射し、エアロゾルをこの基材表面に高速で衝突させ、微粒子の構成材料からなる被膜を基材上に形成させる方法である。一般にセラミックス微粒子は、静置保管中の粒子間堆積やエアロゾル形成時の粒子間衝突により一部凝集して二次粒子となりセラミックス凝集粉を形成しやすい。このセラミックス凝集粉等の粗大なセラミックス微粒子を含むエアロゾルはセラミックス被膜の成膜性や緻密性を阻害する。
よって、本発明の被膜形成装置および該装置を用いる被膜形成方法では、エアロゾル噴射ノズルから基材に対してエアロゾルを噴射させ、基材との衝突前に微粒子を相互に衝突させることで凝集粉を解砕し、被膜特性の向上や、成膜速度および成膜効率の向上を図っている。エアロゾル中の一次粒子等の微細なセラミックス微粒子は、衝突により粉砕し、清浄な新生表面を形成し、低温接合を生じさせるので、室温で微粒子同士の接合を実現できる。
In the present invention, the AD method comprises an aerosol in which fine particles such as ceramics are dispersed in a gas, sprayed from an aerosol spray nozzle toward a base material, and the aerosol collides with the surface of the base material at a high speed, and consists of a constituent material of the fine particles. This is a method of forming a film on a substrate. In general, ceramic fine particles are likely to partially aggregate to form secondary particles due to interparticle deposition during stationary storage or collision between particles during aerosol formation, and easily form ceramic aggregated powder. The aerosol containing coarse ceramic fine particles such as ceramic aggregate powder inhibits the film formability and denseness of the ceramic coating.
Therefore, in the film forming apparatus of the present invention and the film forming method using the apparatus, the aerosol is sprayed onto the base material from the aerosol spray nozzle, and the fine particles collide with each other before the collision with the base material. It is crushed to improve the film characteristics and to improve the film forming speed and film forming efficiency. Fine ceramic fine particles such as primary particles in the aerosol are pulverized by collision to form a clean new surface and cause low-temperature bonding. Therefore, bonding between the fine particles can be realized at room temperature.
本発明の一実施例に係る被膜形成装置の構成例を図4に基づいて説明する。図4は基材表面に被膜を形成する場合の被膜形成装置の構成を示す図である。
図4に示すように、AD法による被膜形成装置1は、エアロゾル発生装置9と、真空チャンバー3とを有する。真空チャンバー3内には、セラミックス被膜形成対象である基材5と、エアロゾル噴射ノズル2とが配設されている。真空ポンプ8によって真空チャンバー3は減圧下に保たれる。微粒子フィルター7は、真空ポンプ8へのセラミックス微粒子の混入を防止するために設けられている。
セラミックス微粒子はエアロゾル発生装置9において、ガス供給設備6から供給される搬送ガスと混合され、エアロゾルを形成する。搬送ガスの流れと真空ポンプ8の吸引とによりエアロゾルは真空チャンバー3内のエアロゾル噴射ノズル2に供給される。このエアロゾル噴射ノズル2に供給されるエアロゾル中には、セラミックス微粒子と、セラミックス微粒子の一部が凝集し、二次粒子化した凝集粉とが含まれる。
エアロゾルのエアロゾル噴射ノズル2への供給速度は、ガス供給設備6からの搬送ガスの供給圧力および真空チャンバー3内の減圧度によって調整される。エアロゾルの搬送ガスとしては、不活性ガスを使用する。使用可能な不活性ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウム等が挙げられる。
A configuration example of a film forming apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a film forming apparatus when a film is formed on the substrate surface.
As shown in FIG. 4, the film forming apparatus 1 based on the AD method includes an aerosol generator 9 and a vacuum chamber 3. In the vacuum chamber 3, a
The ceramic fine particles are mixed with the carrier gas supplied from the gas supply facility 6 in the aerosol generator 9 to form an aerosol. The aerosol is supplied to the
The supply speed of the aerosol to the
エアロゾルは図中B部分にてエアロゾル噴射ノズル2から噴射され、基材5上に到達する前に、エアロゾル中の微粒子同士が衝突して、凝集粉が解砕された状態で基材5上に衝突しセラミックス被膜が形成される。エアロゾル噴射ノズル2の詳細については、図1および図2を用いて後述する。
基材5は、真空チャンバー3内において、XYテーブル4上に固定され軸方向に移動させられる(図中A)。
なお、以上の構成において、エアロゾル噴射ノズル2以外のエアロゾル発生装置等については、AD法において通常使用される任意の装置・部品等を利用できる。
The aerosol is injected from the
The
In the above-described configuration, any device / part or the like normally used in the AD method can be used for the aerosol generator other than the
図1は本発明に係る一実施例として図4のB部分の詳細を示す図である。図1に示すようにエアロゾル噴射ノズル2bおよび2cは、それぞれ吐出開口部2dおよび2eから、基材5に対する垂線に対称となる噴射角度αでエアロゾルを基材5に向けて噴射する。噴射角度αで噴射されたエアロゾル中の微粒子はXYテーブル4に取り付けられた基材5との衝突前に相互に衝突し、微粒子中の凝集粉は解砕され、一次粒子等の微細なセラミックス微粒子も、衝突により粉砕し、清浄な新生表面を形成して、基材5に衝突して被膜5bが形成される。
なおセラミックス微粒子の衝突位置C点は、エアロゾル噴射ノズル2bおよび2cのそれぞれの吐出開口部2dおよび2eの中心から吐出されるセラミックス微粒子の衝突位置を示す。
FIG. 1 is a diagram showing details of a portion B of FIG. 4 as an embodiment according to the present invention. As shown in FIG. 1, the aerosol injection nozzles 2 b and 2 c inject the aerosol toward the
The ceramic particle collision position C indicates the collision position of the ceramic fine particles discharged from the centers of the
図2は本発明に係る他の実施例として図4のB部分の詳細を示す図である。図2に示すようにエアロゾル噴射ノズル2fは、吐出開口部2gから、基材5に対する垂線に対称となる噴射角度βでエアロゾルを基材5に向けて噴射する。噴射角度βで噴射されたエアロゾル中の微粒子はXYテーブル4に取り付けられた基材5との衝突前に相互に衝突し、微粒子中の凝集粉は解砕され、一次粒子等の微細なセラミックス微粒子も、衝突により粉砕し、清浄な新生表面を形成して、基材5に衝突して被膜5cが形成される。
なおセラミックス微粒子の衝突位置D点は、エアロゾル噴射ノズル2fの環状の吐出開口部2gの幅の中心から吐出されるセラミックス微粒子の衝突位置を示す。
FIG. 2 is a diagram showing details of a portion B of FIG. 4 as another embodiment according to the present invention. As shown in FIG. 2, the
The ceramic particle collision position D indicates the collision position of ceramic fine particles discharged from the center of the width of the annular discharge opening 2g of the
図1および図2において、エアロゾル噴射ノズルの吐出開口部から噴射されたセラミックス微粒子が基材5に到達する前に、該セラミックス微粒子同士が衝突する状態を、エアロゾルの噴射角度を用いて模式的に説明したが、エアロゾル噴射ノズルの個数やエアロゾル噴射ノズルの吐出開口部は、エアロゾル噴射ノズルの吐出開口部から噴射されるセラミックス微粒子が基材に到達する前に、セラミックス微粒子同士が衝突できる状態であれば、上記実施例に限定されることはない。例えば、エアロゾル噴射ノズルは3個以上でも使用することができ、吐出開口部の形状も星型、多角形等の複雑な形状とすることができる。
なお、複雑形状の場合、光造形法を用いて紫外線硬化型樹脂でノズルを製造することもできる。
In FIG. 1 and FIG. 2, the state in which the ceramic fine particles injected from the discharge opening of the aerosol injection nozzle collide with each other before reaching the
In addition, in the case of a complicated shape, a nozzle can also be manufactured with an ultraviolet curable resin using an optical modeling method.
本発明の被膜形成装置において使用できる微粒子としては被膜形成可能なものであればよく、主にセラミックス微粒子が挙げられる。セラミックス微粒子としては、例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア等の酸化物、炭化ケイ素、窒化ケイ素等の微粒子が挙げられる。これらの中で、それぞれのセラミックスの高純度グレードにおいて、真比重が小さい方がエアロゾル化しやすいことから、アルミナ微粒子が好ましい。
セラミックス微粒子以外でも、シリコン、ゲルマニウムなどのへき開性の強い脆性材料の微粒子を使用することも可能である。
The fine particles that can be used in the film forming apparatus of the present invention may be any fine particles that can form a film, and mainly include ceramic fine particles. Examples of the ceramic fine particles include oxides such as alumina, zirconia, and titania, and fine particles such as silicon carbide and silicon nitride. Among these, alumina fine particles are preferred because the higher the specific gravity of each ceramic, the easier it is to aerosolize when the true specific gravity is smaller.
In addition to ceramic fine particles, fine particles of brittle materials with strong cleavage, such as silicon and germanium, can also be used.
本発明において使用する微粒子の平均粒子径は、0.1μm〜2μm であることが好ましい。0.1μm 未満では凝集しやすくエアロゾル化は困難であり、2μm をこえるとAD法での膜形成はできない(膜成長しない)。なお、本発明において平均粒子径は日機装株式会社製:レーザー式粒度分析計マイクロトラックMT3000によって測定した値である。
また、被膜形成を良好に行なうため、基材への衝突時に微粒子が容易に粉砕するように、ボールミル、ジェットミル等の粉砕機を用いて微粒子にクラックを予め形成しておくことが好ましい。
The average particle size of the fine particles used in the present invention is preferably 0.1 μm to 2 μm. If it is less than 0.1 μm, it is easy to agglomerate and aerosolization is difficult, and if it exceeds 2 μm, film formation by AD method cannot be performed (film growth does not occur). In the present invention, the average particle diameter is a value measured by Nikkiso Co., Ltd .: Laser type particle size analyzer Microtrac MT3000.
Further, in order to satisfactorily form a film, it is preferable to previously form cracks in the fine particles using a pulverizer such as a ball mill or a jet mill so that the fine particles are easily pulverized upon collision with the substrate.
本発明の被膜形成方法を、図4に示す被膜形成装置に基づいて説明する。
エアロゾルの形成工程として、エアロゾル発生装置9にセラミックス微粒子を投入し、真空ポンプ8を起動して真空チャンバー3およびエアロゾル発生装置9を減圧する。ガス供給設備6からエアロゾル発生装置9に搬送ガスを供給して、セラミックス微粒子と搬送ガスとからなるエアロゾルを形成する。
The film forming method of the present invention will be described based on the film forming apparatus shown in FIG.
As an aerosol forming step, ceramic fine particles are charged into the aerosol generator 9 and the
成膜工程として、真空チャンバー3内において、基材5を位置決め用XYテーブル4に取り付け、水平方向に移動させつつ(図中A)、エアロゾルを図中B部分にてエアロゾル噴射ノズル2から、基材5に対して噴射させ、基材5上に到達する前にエアロゾル中のセラミックス微粒子を衝突させて凝集粉を解砕させた状態で基材5上に衝突させセラミックス被膜を形成させる。被膜形成は、基材の用途に応じて被膜厚さが所定の膜厚となるまで行なう。基材に対して噴射させるエアロゾル噴射ノズル2の詳細については、図1および図2を用いて以下に説明する。
As a film forming process, the
本発明の一実施例として図1に示すようにエアロゾル噴射ノズル2bおよび2cの、それぞれ吐出開口部2dおよび2eから、基材5に対する垂線に対称となる噴射角度αでエアロゾルを基材5に向けて噴射させ、XYテーブル4に取り付けられた基材5との衝突前に微粒子を衝突させることで、微粒子中の凝集粉が解砕され、かつ一次粒子等の微細なセラミックス微粒子も、衝突により粉砕し、清浄な新生表面を形成するので、基材5に衝突して形成される被膜5bの成膜効率を向上させることができる。
As an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1, the aerosol is directed toward the
本発明の他の実施例として図2に示すようにエアロゾル噴射ノズル2fの吐出開口部2gから、基材5に対する垂線に対称となる噴射角度βでエアロゾルを基材5に向けて噴射させ、XYテーブル4に取り付けられた基材5との衝突前に微粒子を衝突させることで、微粒子中の凝集粉が解砕され、かつ一次粒子等の微細なセラミックス微粒子も、衝突により粉砕し、清浄な新生表面を形成するので、基材5に衝突して形成される被膜5cの成膜効率を向上させることができる。
As another embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2, the aerosol is sprayed from the discharge opening 2g of the
図4に示す被膜形成装置1および図1に示すエアロゾル噴射ノズルを用い、基材5(SUJ2製、30 mm×30 mm×2 mm (鏡面仕上げ))に表面にアルミナ微粒子からなる被膜をAD法により形成した。エアロゾル噴射ノズル2としては、吐出開口部2aサイズ 10 mm× 1 mm 、噴射角度 30 度(図1参照)を用いた。
AD法は、真空チャンバー3内において 100 Pa 以下の減圧下で、固定したエアロゾル噴射ノズル2の吐出開口部2aからアルミナ微粒子を含むエアロゾルを、基材5に向けて噴射して被膜形成を行なった。基材5は 10 mm/分の速度でストローク 15 mm で往復動させて 10 分間成膜した。
アルミナ微粒子は、住友化学社製:AKP−50を用い、平均粒子径 0.16μm で、10 Pa 以下の減圧下、加熱乾燥処理して使用した。なお、搬送ガスには窒素を用い、粒子速度は搬送ガス流量で制御した。
Using the coating film forming apparatus 1 shown in FIG. 4 and the aerosol injection nozzle shown in FIG. 1, a coating made of alumina fine particles is applied to the substrate 5 (SUJ2, made 30 mm × 30 mm × 2 mm (mirror finish)) by the AD method. Formed by. As the
In the AD method, a coating was formed by spraying an aerosol containing alumina fine particles toward the
The alumina fine particles used were AKP-50 manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., having an average particle size of 0.16 μm and heat-dried under reduced pressure of 10 Pa or less. Nitrogen was used as the carrier gas, and the particle velocity was controlled by the carrier gas flow rate.
成膜した基材をエタノール溶液で超音波洗浄後、断面観察したところ緻密かつ透明で滑らかな表面を有するαアルミナ被膜5bが 4μm の厚さで形成していた。 When the formed substrate was ultrasonically washed with an ethanol solution and observed in cross section, an α-alumina coating 5b having a dense, transparent and smooth surface was formed with a thickness of 4 μm.
本発明の被膜形成装置は、緻密で均一な被膜を効率よく形成可能であるので、各種産業部品等へのセラミックス被膜形成等に好適に利用できる。 Since the film forming apparatus of the present invention can efficiently form a dense and uniform film, it can be suitably used for forming a ceramic film on various industrial parts.
1 被膜形成装置
2 エアロゾル噴射ノズル
2a 吐出開口部
3 真空チャンバー
4 XYテーブル
5 基材
6 ガス供給設備
7 微粒子フィルター
8 真空ポンプ
9 エアロゾル発生装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Coating
Claims (5)
前記エアロゾル噴射ノズルは、該噴射ノズルの吐出開口部から噴射された微粒子が基材に衝突する前に、該微粒子同士を衝突させることができるノズルであることを特徴とする被膜形成装置。 An aerosol generator for dispersing fine particles in a gas to form an aerosol, a vacuum chamber, and an aerosol injection nozzle disposed in the vacuum chamber, and the aerosol is formed from the aerosol injection nozzle as a base A film forming apparatus that forms a film by being jetted onto and colliding with the film,
The aerosol forming nozzle is a film forming apparatus characterized in that the fine particles injected from the discharge opening of the injection nozzle can collide with the fine particles before colliding with the base material.
前記成膜工程は、エアロゾル噴射ノズルから噴射された微粒子同士を衝突させた後、基材に衝突させる工程であることを特徴とする被膜形成方法。 An aerosol forming step in which fine particles are dispersed in a gas to form an aerosol; and a film forming step in which the aerosol is sprayed onto a substrate from an aerosol spray nozzle in a vacuum chamber to collide with the substrate. A method of forming a film by an aerosol deposition method,
The film forming step is a step of colliding fine particles ejected from an aerosol spray nozzle with each other and then colliding with a base material.
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