JP2010541286A - Emiガスケット用ナノコーティング - Google Patents
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Abstract
EMI遮蔽ガスケットは、導電性ナノ粒子を含有するコーティング又はインクを、弾性的な不導性コア・ガスケットに施すことにより調製される。コーティング層は、10マイクロメートルの厚さで被着させることができ、通常、より大きい厚さの従来のコーティングと比較可能な遮蔽レベルを実現できる。
Description
本出願は、2007年10月2日付で提出された米国特許仮出願第60/976,937号の恩典を請求するものであり、ここに引用することにより該出願の開示を本明細書に取り入れるものである。
本発明は、電磁干渉(EMI)遮蔽コーティング及びインク用の導電性充填剤として使用されるナノ粒子に関するものである。本発明のコーティング及びインクは、ガスケット外表面に被着させることで、電磁干渉又は電波干渉(RFI)を遮蔽するものである。
技術上公知のことだが、EMIは、電子回路の動作に悪影響を与える放射エネルギー又は伝導エネルギーである。EMI及び/又はRFIは、遮蔽外被及び適当な遮蔽材料を使用することにより排除又は低減することができる。
電子機器、例えばテレビジョン、ラジオ、コンピュータ、医療機器、事務機器、通信機器等々の作業に伴って、通常、電子システムの電子回路内には高周波及び/又は電磁放射が発生する。コンピュータや自動車の電子モジュール等の営業用電子機器の外被内で作業周波数が増大すると、その結果、高レベルの高周波電磁干渉(EMI)が発生する。前記機器の外被の扉やアクセスパネルとの金属合わせ面間にギャップが存在すると、電磁放射の通過や電磁干渉(EMI)発生の機会が与えられる。これらのギャップは、またEMIエネルギーの中からキャビネット表面に沿って流れて大地に伝えられ、吸収される電流を妨害する。
適切に遮蔽されない場合、この放射は、無関係の機器にかなりの程度干渉することがある。したがって、電子システム内のすべての高周波源及び電磁放射源を効果的に遮蔽し接地させる必要がある。したがって、前記表面間に導電性の遮蔽材又はガスケットを使用して電磁干渉(EMI放射)の通路をブロックするのが望ましい。
EMI効果を減衰するには、EMIエネルギーを吸収及び/又は反射可能な遮蔽ガスケットを使用して、エネルギー源の機器内にEMIエネルギーを封じ込め、かつこの機器を他のエネルギー源の機器から絶縁することができる。この種の遮断手段は、エネルギー源の機器と他の機器との間のバリアとなるもので、通常、機器を囲む導電性接地ハウジングとして構成される。機器の回路は、概してサービス等のために接近可能にしておかねばならないので、大抵のハウジングは、扉、ハッチ、パネル、カバー等の除去可能なアクセス手段を備えている。しかし、これらの接近手段の最も平らなものと対応する合わせ面又は接合面との間にもギャップが存在することがあり、これらのギャップが開口を含み、これらの開口が、放射エネルギーを漏洩させるか又は別の仕方で機器内外へ通過させることにより遮蔽効果を低下させる。
加えて、これらのギャップは、ハウジングその他の遮蔽物の表面及び接地の導電性を不連続にし、かつまたスロットアンテナの一形式として機能することによって、第2EMI放射源を発生させることさえある。このため、ハウジング内に誘起されるバルク電流又は表面電流は、遮蔽物内のインタフェース・ギャップの両側での電圧勾配を生じさせ、それによって、これらのギャップがEMIノイズを放射するアンテナとして機能することになる。
ハウジングその他のEMI遮蔽構造物の合わせ面のギャップを充填するために、ガスケット及びシールを用いて構造物の導電性を維持し、かつ機器内部から湿分や塵埃等の汚染物を排除することが提案されている。それらのシールは、合わせ面を接着するか、又は合わせ面に機械式に取り付けるか、又は合わせ面にプレスばめすることで、インタフェース・ギャップを閉じる機能を有し、それにより表面間の不整合に圧力下で順応し、ギャップ幅にわたり連続的な導電路が形成される。したがって、EMI遮蔽用のシールは、圧縮下でも表面の導電性を維持するだけでなく、ギャップ寸法に順応できる弾性をも有するように構成されねばならない。これらのシールは、加えて、耐摩耗性を有し、経済的に製造でき、反復的な圧縮/弛緩サイクルに耐えられるものでなければならない。
キタガワに交付された特許文献1に開示された導電性EMI遮蔽手段は、ゴム等の不導性弾性材料製の内側シール部材と、該シール部材にコーティングされた外側導電層とを含んでいる。この導電層部分は、シール部材にのみでなく、シール部材が付加されているハウジングの縁部に直接に接触している。この導電層は、カーボンブラック、金属粉体、その他の添加により導電性を付与された樹脂材料から成る導電性コンパウンドによって形成される。
キーザほか(Keyser et al.)に交付された米国特許第5,028,739号に開示されたEMI遮蔽ガスケットは、オープン・フォーマットの細目編成又は編組ワイヤメッシュに囲まれた弾性的なエラストマー・コアを有している。ガスケットの表面に沿って長手方向に接着ストリップが配置され、機器の外被にガスケットを取り外し可能に直接に取り付けることができる。
キーザほか(Keyser et al.)に交付された米国特許第5,028,739号に開示されたEMI遮蔽ガスケットは、オープン・フォーマットの細目編成又は編組ワイヤメッシュに囲まれた弾性的なエラストマー・コアを有している。ガスケットの表面に沿って長手方向に接着ストリップが配置され、機器の外被にガスケットを取り外し可能に直接に取り付けることができる。
ホウグ・ジュニアほか(Hoge,Jr.,et al.)に交付された特許文献2に開示されたEMI遮蔽ガスケットは、圧縮可能なコアの周囲を包む導電性外装によって形成されている。外装自体が重なる箇所には、長手方向のシームが形成されるが、該シームに接着剤を施し、囲いのパネル等にガスケットを接着できる。
ブォナノ(Buonanno)に交付された特許文献3には、部分的に導電性の外装で覆われた細長の弾性的なコアを有するEMIシールが開示されている。外装の導電部分は、好ましくは樹脂の結合剤中に金属化繊維等を含有したもので、コアの周囲に部分的に延び、端部は重なっていない。コア部材には、外装導電部分の端部間に延びるように、不導性の第2部分が付加されている。シールを定位置に保持するためには、触圧接着剤を使用できる。
ペングほか(Peng et al.)に交付された米国特許第6,121,545号には、特に、小型の電子機器外被パッケージに使用するようにされた閉鎖力の小さいガスケットが開示されている。開示されたこのガスケットは、局所的に交互に最大高さと最小高さを示す周期的な「断続」パターンを成すように設計されている。
通常の小型の外被に適用する場合、概して、比較的小さい閉鎖力を加えることでたわみ可能な、低インピーダンス、低形材(profile)の接合部が要求される。たわみによって、ガスケットは十分にハウジング又はボードの表面の合わせ目に順応でき、それにより、表面間に確実に導電路を形成できる。しかし、或る用途の場合、一定の従来の形材に要する閉鎖力又は他のたわみ力が、特定のハウジング又はボード組み立て体の設計によって順応可能であるより大きいことがある。
既述のガスケット及びその他の公知ガスケットは、それなりの効果を有してはいるが、キャビネットに組み付けるには比較的費用がかかる。加えて、細目の編成ワイヤメッシュの場合、扉又はパネルをシールするのに大きい閉鎖力を必要とせざるを得ず、かつまた細目編成メッシュと必要な金属クリップとの組み合わせにより、ガスケットが重くなり、このことは、宇宙産業のように重量が決定的な要因となる用途の場合には障害となる。
手で持てる寸法の機器、例えば携帯電話機の寸法が小型化し続けてきたため、電子工業分野でも、ガスケットの形材設計の改良が歓迎されることだろう。特に、次第に工業標準になりつつある小型電子機器の外被に使用するためには、低閉鎖力のガスケット形材を得るのが望ましい。
EMI遮蔽に使用するガスケット又はシールは、ガスケット又はシール成形前の原料プラスチック配合時に導電性材料を添加することにより導電性にすることができる。適当なガスケット又はシール用導電性材料としては、金属又は金属メッキの粒子及び繊維が含まれる。好適な金属としては、銅、ニッケル、銀、アルミニウム、錫、合金、例えばモネル等が含まれ、好適な基材及び基布としては、ポリエステル、ポリアミド、ナイロン、ポリイミドが含まれる。あるいはまた、他の導電性粒子及び繊維、例えばカーボン又は黒鉛も使用できる。
静電放散及びEMI遮蔽用の導電性インクの使用も試みられてきた。
特許文献4には、背面及び/又は前面に静電放散用の反復又は非反復パターンで導電性インクが印刷された研磨製品が開示されている。導電性インクは、溶剤、樹脂、ポリマーのいずれかと導電性顔料とを含有する分散液と説明されている。このインクは、約4マイクロメートル以下の最終厚さに硬化できる。
特許文献5は、決められたパターンで基材に被着される変形可能な導電性インクに関するものである。この導電性インクは、金属(銅、ニッケル、銀等)又はカーボン粒子及び適当な樹脂の、有機溶剤による分散液である。これらの導電性粒子は、約1〜0.1マイクロメートルの寸法を有するプレート状又はフレーク状に付形されている。インクは、パターン形式で成形部材に被着することができ、このパターンは、乾くと、細長になるか又は変形される一方、導電性が保たれる。この特徴は、EMI遮蔽に使用するのに適しているとされる。
特許文献5は、決められたパターンで基材に被着される変形可能な導電性インクに関するものである。この導電性インクは、金属(銅、ニッケル、銀等)又はカーボン粒子及び適当な樹脂の、有機溶剤による分散液である。これらの導電性粒子は、約1〜0.1マイクロメートルの寸法を有するプレート状又はフレーク状に付形されている。インクは、パターン形式で成形部材に被着することができ、このパターンは、乾くと、細長になるか又は変形される一方、導電性が保たれる。この特徴は、EMI遮蔽に使用するのに適しているとされる。
したがって、安価かつ軽量で、外被の表面に対し小さい閉鎖力が可能な構造を有する弾性的なコアを備えたEMI遮蔽ガスケットが必要である。このEMI遮蔽ガスケットにより、また複合的な外被の場合には極めて望ましい優れた圧縮‐たわみ特性を得ることができる。
本発明により得られるEMI遮蔽ガスケットは、弾性的な不導性コア部材と導電性のコーティング又はインクとを含んでいる。導電性コーティングは、導電性ナノ粒子を含有するポリマー、例えば樹脂又は結合剤でよい。あるいはまた、導電性コーティングは、水性媒体内に分散されたナノ粒子を含有する導電性インクでよい。
本発明のナノ粒子は、EMI吸収材料、例えばカーボン又は銀で調製するのが好ましい。これらのナノ粒子は、粒子最大寸法が約100nm以下、好ましくは約20nm以下であれば、種々の形状及び寸法が可能である。
これらのナノ粒子は、適当なポリマー及び溶剤に添加してコーティングを生成することができる。ポリマーは、コーティングの調製に適当な幾つかの材料、例えばアクリル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ケイ素樹脂、共重合樹脂のいずれでもよく、また、これらのブレンド、ポリビニル、アセテート、天然のゴム及び樹脂等でもよい。インクは、水溶液を用いて調製できる。コーティング又はインクに含有されるナノ粒子量は、通常、乾量基準重量百分率で約20%〜約80%である。
EMI又はRFI遮蔽特性に影響を与えることが望ましいコーティング又はインクが、ガスケット又はシールの外表面に被着される。コーティング又はインクの層厚は、特定用途及び目標遮蔽度に応じて決められる。概して、コーティング又はインクの層厚は、約10マイクロメートル以下が好ましい。
ガスケット又はシールの基材は、ギャップ充填能力を有する弾性的なコア部材であり、このコア部材上に導電性のコーティング又はインクが被着される。弾性的なコア部材は、通常、導電性エラストマー発泡体で形成されるが、この発泡体は、発泡エラストマー熱可塑性プラスチック、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリプロピレン‐EPDMブレンド、ブタジエン、スチレン‐ブタジエン、ニトリル、クロロスルフォネート、発泡ネオプレン、ウレタン、シリコーンでよい。あるいはまた、非発泡のシリコーン、ウレタン、ネオプレン、熱可塑性プラスチックを、中実形式又は管形式で使用できる。
ガスケット材料に被着されたコーティング又はインクの硬化又は乾燥は、ポリマーの硬化条件及び使用溶剤の種類、すなわち例えば有機溶剤か水性溶剤かに左右される。硬化は、概して高い温度、すなわち50°C以上で行われるが、幾つかの用途では室温で行うこともできる。
本発明のガスケット又はシール部材により、電子機器の幾つかの外被、例えば扉及びアクセスパネル、コンピュータのキャビネット及びドライブを遮蔽するためのハウジング、陰極線管(CRT)、自動車の電子モジュール等の場合に、EMI/RFIの遮蔽及び環境への密閉が可能になる。ガスケット又はシールは、電子機器の外被の所望の部分又は箇所に付加できる。
本発明は、EMI遮蔽ガスケットに係わるものであり、該ガスケットは、弾性的な不導性コア部材と導電性外層とを有し、導電性外層は、ポリマー又は水溶液と、導電性又はEMI/RFI吸収性材料で形成されたナノ粒子とを含んでいる。より詳しく言えば、本発明が開示する弾性的なガスケット及びシール部材は、効果的に電磁干渉(EMI)及び/又は高周波干渉(RFI)を隣接表面又は外被表面に対し遮蔽する。EMI/RFIの遮蔽効果は、導電性ナノ粒子を含有するポリマー又はインクによって不導性コア部材をコーティングすることで得られる。
この手法により、物理的な機能面の特性に関して、ガスケット又はシールの機能、つまりその弾性を損なうことなく、効果的な遮蔽の解決策が得られる。コーティング又はインクに導電性ナノ粒子を含有させることによって、極端に薄いコーティングが可能なことが判明した。これらのコーティングは、より厚手の従来のコーティングに比べて、少なくとも等価の遮蔽効果を有している。例えば、本発明による約10マイクロメートル厚のコーティングは、コーティングの導電性及び遮蔽性能いずれの点でも、より高い程度又は大きさの厚さを必要とする従来式のコーティングと等価であることが判明した。その結果、ガスケット又はシールの費用がかなり節約され、かつその機械的性能の改良度が高められた。
複数表面を互いに接触させる場合、表面の不規則状態によって、表面のすべての個所が完全に合わさることが阻害される。EMIエネルギーの漏れ経路は、ギャップが微小で、極めて高い閉鎖力を加えた場合にも生じることがある。表面が完全に合わせられるように、弾性材料製のガスケットが表面間に配置される。閉鎖圧力が加えられると、ガスケットは、双方の合わせ面の不規則部分に順応し、接合部の局所的に異なる圧縮段階に適応することで、完全なシールが達せられる。同じようにして、弾性的なガスケットが導電性コーティング又はインクでコーティングされる場合、接合部は、電磁エネルギーが透過しないように密封でき、それによって外被の導電性と遮蔽の完全な状態が回復できる。
本発明のガスケット又はシールの弾性的なコア部材は、通常、ギャップ充填能力を有する可とう性のポリマー材料で調製され、該ポリマー材料の周囲には導電性のインク又はコーティングが被着される。代表的なガスケット又はシールの材料としては、エラストマーの発泡熱可塑性プラスチック、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリプロピレン‐EPDMブレンド、フルオロポリマー、ブタジエン、スチレン‐ブタジエン、ニトリル、クロルスルフォネート、発泡ネオプレン、ウレタン、シリコーン、例えばオルガノポリシロキサン等が挙げられる。あるいはまた、非発泡のシリコーン、ウレタン、ネオプレン、熱可塑性プラスチックも、中実形式又は管形式で使用できる。
EMIガスケットの性能は、電気的及び機械的な性能双方の観点で測定される。機械的性能は、概して正常操作時の閉鎖力に係わり、低閉鎖力が望ましい。閉鎖力は、扉又はパネルを閉じるさいに要する力と定義できるが、他方、ガスケットは、必要な可とう性を備えることで、ガスケットを介して扉をフレームに適切に電気的に接続することが保証される。通常、必要とされる閉鎖力は5ポンド(約2.265kg)/直線インチ(25.4mm)未満である。遮蔽ガスケットは、合わせ面に掻ききずや摩耗を生じさせることなく、原寸法の最大75%に圧縮できなければならない。
EMIガスケットの電気的性能は、所定圧縮荷重下での表面抵抗率(オーム/平方)で測定される。低抵抗率が望ましいのは、これがガスケットの表面導電率の高いことを意味するからである。EMI遮蔽性能は20MHz〜18GHzの周波数範囲のデシベルで測定され、しかも、この範囲で一定のデシベル・レベルが好ましい。大抵の用途では、EMI遮蔽効率は、約10MHz〜10GHzの周波数域で、少なくとも約10dB、通常は少なくとも約20dB、好ましくは少なくとも約60dB以上が許容可能と考えられる。
導電性のコーティング又はインク層は、ガスケット表面の全面又は一部に被着されることで、特定用途ごとに所望のEMI遮蔽効果が達せられる。適当な被着技術は、当該分野では周知であり、吹き付け塗装、浸漬被覆、ロール塗布、ナイフ塗布、押し出し被覆、グラビア印刷、スクリーン印刷、フレキソ印刷、リソグラフィ、パッド印刷、インクジェット印刷、トランスファー塗布を含んでいる。本発明のコーティング又はインクは、選択されたパターンで約10マイクロメートル以下の厚さに被着されるのが好ましい。適当な印刷パターンは、例えば、方形格子パターンで、印刷線の幅は約30〜約100マイクロメートル、印刷線間隔は約300〜約900マイクロメートルである。
導電性コーティング又はインクは、ポリマーと導電性ナノ粒子とを含んでいる。コーティングの厚さとナノ粒子の添加量とにより、ガスケットの性能が規定されよう。ガスケットの性能は、また導電性コーティングの厚さと被着量とに依存し、被着量及び厚さが大であれば、遮蔽性能も高くなる。その効率は、充填剤の割合に変換すれば、その割合は、概して、コーティングの場合であれば、全体の体積又は重量に基づいて約10〜80体積%又は50〜90重量%である。ただし、周知のように、比較可能なEMI遮蔽効率は、EMIの吸収又は「損失」充填材の使用により比較的低導電率レベルで達せられる。
ここで使用されている「ナノ粒子」又は「導電性ナノ粒子」という用語は、規則的な形状であれ不規則的な形状であれ、導電性粒子で、少なくとも一次元が約100ナノメートル(nm)以下、好ましくは全次元が約100nm以下、最も好ましくは少なくとも一次元又は全次元が約20nm以下の粒子と定義する意図のものである。代表的なナノ粒子形状は、球形、回転だ円形、針状、フレーク状、小板状、繊維状、管状等々である。
本発明の導電性ナノ粒子は、導電性材料又はEMI吸収性材料で製造できる。操作可能な導電性材料の中には、銀、カーボン、黒鉛、モネル、銅、鋼、ニッケル、錫、ITO(インジウム/錫酸化物)、これらの何らかの組み合わせが含まれる。銀は電気抵抗が最小の材料であり、カーボンと黒鉛とは、電気抵抗が小さく、同時に安価でもある。操作可能なEMI吸収性材料の中には、とりわけフェライトが含まれる。
ナノ粒子は、公知配合技術を用いてポリマー結合剤と混合される。ナノ粒子は、懸濁液を形成するか、又は液状のポリマー内でコロイド混合物を形成する。コーティング又はインクが、ガスケット基材に被着され、硬化することで、固体のコーティングとなり、ナノ粒子はガスケット表面上で導電路又は回路を形成し、それによって所望の遮蔽効果が得られる。
ここで用いられている「インク」又は「導電性インク」という用語は、少なくとも次の成分、すなわち、ポリマー、導電性充填剤、溶剤、好ましくは水性溶剤を含有する液状媒体をいう。インクは、また他の成分、例えば潤滑剤、可溶化剤、沈殿防止剤、界面活性剤、その他の材料を含有できる。「ポリマー」、「樹脂」、「結合剤」という用語は、ここでは、インクに言及する場合に、しばしば、取り換えて使用される。しかし、インクの鍵となる特徴は、通常、水性媒体として処方される点と、表面への被着が容易で、表面に所望のEMI/RFI遮蔽特性を付加できる点である。被着後、溶剤は、例えば加熱又は室温での蒸発により除去され、弾性的な基材上には安定的な導電層が残される。通常、水がインク用の選択溶剤として使用されるが、他の溶剤、例えばブチルアセテートやグリコールエステルも使用できる。本発明の用途に適した導電性インクは、ピーチェン(pChen)・アソシエーツがPF1200の名称で製造、販売している。
ガスケットに被着されたコーティング又はインクの硬化は、従来の技術、例えば室温(蒸発)、加熱硬化、紫外線(UV)放射硬化、化学硬化、電子ビーム(EB)硬化、その他の硬化機序、例えば嫌気硬化を用いて達せられる。
本発明の遮蔽ガスケットは、成形部材又は押し出し部材であり、例えば航空機の電子ベイの扉、翼パネルのアクセス・カバー、エンジン・パイロン、その他ランダムな対象に使用できる。その他の用途には、種々の電子機器の外被、例えば扉、パネル、コンピュータのキャビネット及びドライブを遮蔽するハウジング、陰極線管、自動車の電子モジュール、その他が含まれる。ガスケットは、電子機器外被の所望部分又は箇所に付加できる。ガスケットは、通常、中空又は中実の構成物として入手可能であり、種々の形状及び断面に製造可能である。
以下の実施例は、以上に説明した本発明の実際的かつ独特の特徴を示すものである。
これらの実施例は、本発明を制限する意味で構成されたものではないことを理解されたい。
これらの実施例は、本発明を制限する意味で構成されたものではないことを理解されたい。
導電性ナノ粒子インクの配合は、ピーチェン・アソシエーツにより行われた。このインクはPF1200と呼ばれ、呼称寸法約15mmの球形銀ナノ粒子を含有する水性配合物である。
ガスケットは、インクによる浸漬被覆処理を用いてコーティングされ、ガスケット全面にわたり連続的なコーティングが形成されている。類似のガスケットとしては、従来の銀/銅コーティングを施されたものがある。その成績は、図1に比較して示されている。該図には、遮蔽効率が、各コーティングごとに周波数との関係で示されている。
他の種々の実施例も、本発明の精神の枠内及び特許請求の範囲の枠内で可能である。既述の実施例は、例示目的のものに過ぎず、本発明を制限する意図のものでは全くない。本発明のガスケットは、この分野で利用可能かつ当業者には周知の種々の材料により、どのような所望形状にも作ることができる。本発明は、すべての等価の実施例を包含し、特許請求の範囲にのみ制限されるものである。本明細書に挙げたすべての特許の関連開示は、ここに引用することにより本明細書に取り入れられるものである。
Claims (11)
- EMI遮蔽ガスケットにおいて、
少なくとも1外表面を有する弾性的な不導性コア・ガスケットと、
該コア・ガスケットの外表面の少なくとも一部を覆う遮蔽層とを含み、該遮蔽層が、導電性及び/又はEMI吸収性ナノ粒子の充填剤を含む、EMI遮蔽ガスケット。 - 前記コア・ガスケットがエラストマーのポリマー材料又は発泡体により形成される、請求項1記載のEMI遮蔽ガスケット。
- 前記遮蔽層が10マイクロメートル以下の厚さを有する、請求項1記載のEMI遮蔽ガスケット。
- 前記遮蔽層が充填剤及び結合剤の添加物を含む、請求項1記載のEMI遮蔽ガスケット。
- 前記結合剤が、樹脂又はエラストマー等のポリマー材料を含む、請求項4記載のEMI遮蔽ガスケット。
- 前記ポリマー材料が、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ケイ素樹脂、共重合樹脂、これら樹脂のブレンドから成る群から選択される、請求項5記載のEMI遮蔽ガスケット。
- 前記遮蔽層がインクである、請求項1記載のEMI遮蔽ガスケット。
- 前記インクが、水性媒体内に導電性ナノ粒子を含む、請求項7記載のEMI遮蔽ガスケット。
- 請求項1記載のナノ粒子において、
該ナノ粒子が約100ナノメートル以下の最大寸法を有している、ナノ粒子。 - 約20ナノメートル以下の最大寸法を有している、請求項9記載のナノ粒子。
- 銀、カーボン、モネル、銅、鋼、ニッケル、錫、ITO、フェライト、これらの組み合わせから成る群から選択される、請求項1記載のナノ粒子。
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