JP2014513159A - 発光材料粒子が埋め込まれたリン酸スズガラス - Google Patents

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Abstract

本発明は、CaAlSiN:Eu2+のクラス由来の発光材料と、オプションで他の発光材料粒子とを有する発光材料粒子が埋め込まれたリン酸スズガラスを供給する。また、本発明は、上記ガラスの製造方法、及び、上記ガラスを光変換ユニット(の一部)として用いる照明ユニットを供給する。

Description

本発明は、リン酸スズガラス、リン酸スズガラスの製造方法、及び、リン酸スズガラスを有する照明ユニットに関する。
発光材料を含んだガラスタイプの材料を含むボディが当該技術分野では知られている。米国特許出願公開第2009/186433号は、例えば、ガラス粉末中に発光材料粉末が分散された混合粉末を作るために、ガラス粉末を、硫化物発光材料、アルミン酸塩発光材料、及び、ケイ酸塩発光材料のうちの少なくとも1つを含む発光材料粉末と混合するステップと、組み込み材料を供給するために、上記混合粉末を加熱及び軟化するステップと、次いで、発光材料が分散されたガラスを作るために上記組み込み材料を凝固させるステップと、発光材料が分散されたガラスを、発光素子がホットプレスによりマウントされるマウント部分上に融着するステップと、上記マウント部分上に、発光材料が分散されたガラスとともに発光素子を同時にシールするステップとを含む発光装置の製造方法を記述している。
今日では、青色LEDと組み合わせた黄色無機発光材料が、白色LEDランプの製造における汎用品となっているようである。この態様では、冷たい光が供給され得る。有機材料は、青色/紫外(UV)光及び120°よりも高い温度に関して安定でないため、長寿命のLEDランプのために、無機材料によるソリューションが必要とされている。
現在、発光材料は、しばしば、セラミックのボディに組み込まれる。LED光源と組み合わせた無機発光材料の枠の中でのオプションは、発光材料を、セラミックボディの中に組み込む代わりに、ガラスの中に組み込むことである。しかしながら、幾つかの発光材料、特に、窒化物ベースの発光材料は、発光材料の損傷又は崩壊を伴うことなく、ガラス内に(容易に)組み込むことができない。また、2以上の異なる発光材料の組み合わせを含むガラスを作る場合に起こり得ることであるが、一緒に加熱する場合、幾つかの発光材料は適合しない。
黄色の無機発光材料は、特定のドープ、特にCe3+を具備するYAG及びLuAGなどの典型的なガーネットタイプの系である。赤色の無機発光材料は、例えば、窒化ケイ素ベースの構造であってもよい。これらの赤色及び黄色の発光材料を一緒に加熱することは、低品質の発光製品につながるようである。窒化ケイ素発光材料及びガーネット発光材料は、反応性に富み、互いを破壊し得る。これは、最悪の光学的特性につながり、勿論望ましくない。ソリューションは、異なる無機発光材料をセラミック板又はガラスとして個別に処理することである。しかしながら、このソリューションは、製造プロセスを複雑化するため、あまり望ましくない。さらに、このソリューションは、光学的特性の調整をも複雑化し得る。
従って、本発明の一態様は、好ましくは上記の欠点の1又は複数を少なくとも部分的に除去する、発光材料を含んだ代替的なガラス、当該ガラスの代替的な製造方法、及び、上記代替的なガラスを有する代替的な照明ユニットを提供することである。
驚くべきことに、発光特性に対して実質的な有害作用を伴うことなく、赤色の無機発光材料が分散されるとともに、他の発光材料との組み合わせが分散されたガラスが発見された。赤色の窒化ケイ素発光材料粒子が、リン酸スズガラスのガラスマトリクスの中に組み込まれ得ること、及び、同一のガラスマトリクス中に、赤色及び黄色の発光材料粒子が分散(処理)され得ることが分かった。このため、良好な光学的特性を有する低温溶融ガラス、特に、(Tが、特に、160℃乃至250℃の範囲にあり、より具体的には180℃乃至210℃の範囲にあり、Tが、特に、250℃乃至350℃の範囲にあり、より具体的には290℃乃至310℃の範囲にある)リン酸スズガラスが、ガラスコンポーネントとして用いられる。
このため、第1の態様では、本発明は、埋め込まれた発光材料を含むリン酸スズガラスであって、前記発光材料が、CaAlSiN:Eu2+のクラス由来の発光材料を有するリン酸スズガラスを供給する。
上記ガラスでは、発光材料の実質的な損傷を伴うことなく、発光材料、特に、上記赤色発光材料が分散され得る。また、発光材料の組み合わせが、ガラス内に分散され得る。
リン酸スズガラスは、ガラスで知られるように、化学量が(局所的に)少し異なるが、特に、化学式Sn(POを持っていてもよい。このため、リン酸スズガラスは、特に、化学式Sn(PO、又は、上記化学量に近い化学式を持っていてもよい。ある実施形態において、ガラスがリン酸スズガラスであるという事実は、Sn、P、及び、O以外の1又は複数の他の要素がガラス中に存在することを除外するものではない(例えば、Y、Eu、及び、Ceなどの1又は複数などの異なる要素自体を(更に)有する分散された発光粒子については考慮していない)。例えば、少量の1又は複数の他の要素が、ガラス(相)内に存在してもよい。
発光材料は、ガラス中の粒子として分散される。このことは、ここでは、発光材料粒子がガラス中に埋め込まれることとして示される。これは、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)で見ることができる(図などを参照)。発光材料粒子は、CaAlSiN:Eu2+のクラス由来の粒子を少なくとも有する。
「CaAlSiN:Eu2+のクラス」なる表現は、発光材料がMAlSiN:Eu2+型であることを示していてもよい。ここで、Mは、Ca、Sr、及び、Baの1又は複数に関係していてもよい。特に、Mは、Ca及び/又はSrに関連し、特に、アルカリ土類元素Mの総モル量に対して少なくとも80%のCaに関連する。従って、ある実施形態では、本発明は、発光材料粒子が(Ca,Sr)AlSiN:Eu2+発光材料を有する上記ガラスを供給する。例として、Ca0.85Sr0.15AlSiN:Eu2+が与えられる。例えば、0.5%のユーロピウムを考えると、化学式は、Ca0.85Sr0.15Eu0.005AlSiNとなり得る。
「CaAlSiN:Eu2+のクラス」なる表現は、代替的又は追加的に、他の要素が部分的に置き換えられ得ることを示していてもよい。例えば、Alは、Gaによって部分的に置き換えられてもよく、Siは、Geによって部分的に置き換えられてもよく、Nは、Oによって部分的に置き換えられてもよい。後者の場合、例えば、SiをAlに幾つか交換することによって、電荷補償が必要となり得る。好ましくは、M要素は、アルカリ土類元素Mの総モル量に対して少なくとも80%のCaであり、他の要素Al、Si、及び、Nは、他の要素によって置き換えられず、又は、各要素に対して、2モル%以下の程度でのみ置き換えられる。
オプションで、CaAlSiN:Eu2+材料は、Mn2+などの更なる発光性イオンを含んでいてもよい。
上述したように、ガラスは、他の発光材料を含んでいてもよい。このため、ある実施形態では、リン酸スズガラスは、1又は複数の他のタイプの埋め込まれた発光材料粒子を更に含む。また、これらのタイプの粒子は、例えば、SEM及び/又はエネルギー分散型X線分析(EDAX)で、ガラス内で区別され得る。このため、ガラスは、2以上の発光材料型の粒子が埋め込まれ得る。
特に、ガラスは、YAl12:Ce3+のクラス由来の埋め込まれた発光材料粒子を含んでいてもよい。
上記発光材料は、適切な量で一緒に混合された場合、青色又は紫外光で励起された際に、白色光をもたらすことができる。上記量及び励起光の色に依存して、光源とガラスとの組み合わせから発せられる光は、暖かい白色、冷たい白色、又は、他の色となり得る。
「YAl12:Ce3+のクラス」なる表現は、Y、Al、及び、Oの1又は複数が他の要素によって少なくとも部分的に置き換えられてもよいことを示している。特に、Yは、Gd、Tb、Luによって少なくとも部分的に置き換えられてもよい。さらに、Alは、Ga又はSiによって少なくとも部分的に置き換えられてもよく、Oは、Nによって少なくとも部分的に置き換えられてもよい。後者の場合、電荷補償が望ましい。特に、AlとOとの交換は、Al及びOそれぞれに対し、2%以下である。Yは、特に、Luによって少なくとも部分的に置き換えられてもよい。このため、ある実施形態では、YAl12:Ce3+のクラスの発光材料は、LuAl12:Ce3+のクラスを有していてもよい。
「発光材料」なる用語は、複数の発光材料を有していてもよい。「発光材料粒子」なる用語は、ある実施形態において、YAl12:Ce3+のクラスの上記粒子とCaAlSiN:Eu2+のクラスの粒子とのように、複数の異なるタイプの発光材料粒子に関連していてもよいが、他の実施形態では、例えば、YAl12:Ce3+、LuAl12:Ce3+、CaAlSiN:Eu2+、及び、例えば(Ca0.9Sr0.1)AlSiN:Eu2+の埋め込まれた粒子をそれぞれ含むガラスに関連していてもよい。
所望であれば、発光材料粒子は、コーティングされてもよい。さらに、リン酸スズガラスの総重量に対する発光材料粒子の総量の重量パーセントは、0.5wt%乃至20wt%の範囲、例えば1wt%乃至15wt%の範囲であってもよい。
リン酸スズガラスは、特に、発光材料粒子の存在下でスズのソースとリン酸塩のソースとをガラス化することによって得ることができる。これは、後述するように、幾つかの態様で実行され得る。ここで、ガラス化は、特に、材料をガラスに変形することを意味する。
他の態様では、本発明は、埋め込まれた発光材料粒子を含むリン酸スズガラスの製造方法であって、特に、CaAlSiN:Eu2+のクラス由来の発光材料を有する発光材料粒子の存在下でスズのソースとリン酸塩のソースとをガラス化するステップを有するリン酸スズガラスの製造方法を提供する。例えば、スズのソースとリン酸塩のソースとは、液体ガラスが得られるまで加熱されてもよい。次いで、発光材料粒子が加えられる。冷却の際、しばしば急速な温度降下により、ガラスが形成される。
代替的又は追加的に、スズのソースとリン酸塩のソースとは、発光材料粒子の存在下で、液体ガラスが得られるまで加熱され得る。冷却の際、しばしば急速な温度降下により、ガラスが形成される。
特定の実施形態では、スズのソースとリン酸塩のソースとが、リン酸スズガラス粒子として供給される。これは、最初に、リン酸スズガラスが生成され、例えば、すりつぶしによって、得られたガラスが粒子化されることを示していてもよい。このようにして得られたガラス粒子は、出発粒子として使用されてもよく、上記定義された方法及び方法の実施形態によって、本発明のガラスにガラス化されてもよい。特に、スズのソースは、酸化スズ(特にSnO)及びシュウ酸スズ(SnC、即ち、シュウ酸化第一スズ)の1又は複数を有する。さらに、とりわけ、リン酸塩のソースは、P及びNHPOの1又は複数を有する。
上記ガラスは、特に、光源の光の光変換のために使用されてもよい。従って、ガラスは、光変換ユニットとして使用されてもよい。この態様では、UV光及び/又は青色光が、例えば、可視光に(部分的に)変換されてもよい。発光材料は、所望の色点及び他の所望の光学的特性を与えるために選択され得る。UV光が使用される場合、例えば、青色発光材料が(追加的に)付与され得る。
従って、特に、光源は、UV乃至青色範囲から選択される波長を有する光源光を供給するように構成される。「光源」なる用語は、複数の光源に関連していてもよい。オプションで、UV光源及び青色光源などの異なるタイプの光源が付与されてもよい。オプションで、色点を更に調整するために、追加的な光源が付与されてもよい。例えば、リン酸スズガラスが赤色発光材料を有するという事実に関わらず、1又は複数の青色光源に加えて、緑色発光、及び/又は、赤色発光光源が付与されてもよい。
従って、他の態様において、本発明は、光源及び光変換ユニットを有する照明ユニットであって、光変換ユニットが、上記リン酸スズガラスを有し、光源が、光源光を供給するように構成され、光変換ユニットが、光源光の少なくとも一部を可視光に変換するように構成された照明ユニットを供給する。リン酸スズガラスに埋め込まれた発光材料粒子は、ある実施形態では、0.5μm乃至15μmの範囲内の粒子サイズ寸法を持っていてもよい。特に、埋め込まれた粒子の50%は、0.5μm乃至15μmの範囲内、例えば1μm乃至10μmの範囲内の粒子サイズ寸法を持っていてもよい。
特に、例えば、寸法などの設計の側面の観点だけでなく、安定性の観点からも、光源は、ソリッドステート光源(即ち、ソリッドステート発光ダイオードLED)を有する。あるいは、光源は、レーザダイオードを有していてもよい。
リン酸スズガラスは、光源から離れて、又は、光源に極めて近接して、又は、光源と物理的に接触して配置されてもよい。ある実施形態では、光源は、LEDダイを具備するソリッドステート光源であり、リン酸スズガラスは、当該LEDダイと物理的に接触している。これは、寸法及び効率の観点で有用であろう。ある実施形態では、ガラスは、ダイに直接接着されている。オプションで、光結合ペーストが、ダイとリン酸スズガラスとの間に付与されてもよい。
しかしながら、リン酸スズガラスは、光源から離れて配置されてもよい。特に、本発明は、光ボックスを有し、光源が光ボックス内に含まれ、光変換ユニットが光ボックスの光透過性窓である、上記のような照明ユニットの実施形態も提供する。この実施形態における光ボックスの光透過性窓は、(埋め込まれた発光材料粒子を具備する)リン酸スズガラスを有する。当該技術分野における当業者にとって明らかであるように、光ボックスは、1又は複数の異なるタイプの光源光をオプションで有する、複数の光源を有していてもよい。
従って、本発明は、特に、赤色発光無機窒化ケイ素発光材料、及び、オプションで、黄色無機(YAG、LuAG族)などの、リン酸スズガラスに埋め込まれた1又は複数の他の発光材料を有するLEDアプリケーションを提供し、これにより、赤色及びオプションで黄色発光材料の両方を1つの無機マトリクス内に供給する。
ここで、「実質的に全ての放射」又は「実質的に含む」などで使用される「実質的に」なる用語は、当該技術分野における当業者によって理解されるであろう。「実質的に」なる用語は、「全体的に」、「完全に」、「全ての」などのを有する実施形態も含み得る。従って、実施形態において、形容詞的な「実質的に」は除去されてもよい。可能であれば、「実質的に」なる用語は、90%以上、95%以上、特に99%以上、より具体的には99.5%以上、100%をも含んでいてもよい。「有する」なる用語は、「有する」なる用語が「からなる」を意味する実施形態をも含む。
さらに、明細書及び請求項中の第1、第2、第3などの用語は、類似の要素を区別するために用いられるのであって、必ずしも、順序又は時系列を述べるものではない。よく使われる用語は、適切な条件下で交換可能であり、ここで説明される本発明の各実施形態は、ここで説明又は図示されている順序とは異なる順序で動作され得ることが理解されるべきである。
ここでの装置は、他と同様、動作中のものが説明されている。当該技術分野における当業者に明らかであるように、本発明は、動作方法又は動作中の装置に限定されない。
上記の実施形態は、本発明を限定するものではなく、例示するものであり、当該技術分野における当業者は、添付の請求項の範囲を逸脱することなく、多くの代替的な実施形態を設計可能であることに留意すべきである。請求項中、括弧内の任意の参照符号は、請求項を限定するものとして解釈されるべきでない。「有する」なる動詞及びその活用形の使用は、請求項に規定された要素又はステップ以外の要素又はステップの存在を除外しない。要素の前にある冠詞「a」又は「an」は、かかる要素が複数存在することを除外しない。本発明は、幾つかの個別の要素を有するハードウェアや、適切にプログラムされたコンピュータにより実施されてもよい。幾つかの手段を規定している装置クレームでは、これらの幾つかの手段は、全く同一のハードウェア部品によって実現されてもよい。特定の特徴が相互に異なる従属請求項において規定されているという単なる事実は、これらの特徴の組み合わせが好適に用いられないということを示すものではない。
さらに、本発明は、明細書で説明される、及び/又は、添付の図面に示される、1又は複数の特徴を有するシステム又は装置に適用される。
本発明の実施形態が、対応する参照符号が対応する部分示す添付の概略図を参照して、ほんの一例として、説明される。
図1a及び図1bは、リン酸スズガラスの幾つかの実施形態を概略的に示している。 図2a及び図2bは、照明ユニットの幾つかの実施形態を概略的に示している。 図3は、発光材料が埋め込まれたリン酸スズガラスのSEM写真を示している。 各図は必ずしも縮尺通りではない。
図1aは、埋め込まれた発光材料粒子10を含むリン酸スズガラス100であって、発光材料粒子10が、CaAlSiN:Eu2+のクラス由来の発光材料を有するリン酸スズガラス100を概略的に示している。符号11は、これらの特定のクラスの(CaAlSiN:Eu2+)粒子を示すために用いられている。
ガラスは、例えば、0.2mm乃至10mm、例えば0.5mm乃至10mmの高さhを有する板として供給され得る。かかる板は、第1の面101と、対向する第2の面102とを(互いにhの距離を空けて)有していてもよい。
図1bは、第2のタイプ又はクラスの発光材料粒子10を有する、同じ実施形態を概略的に示している。セリウムがドープされたYAGなどの、これらの他のクラスの発光粒子は、符号12で示されている。
リン酸スズガラス100は、光変換ユニット、又は、光変換ユニットの一部として使用されてもよい。かかる光変換ユニットは、符号150で示されている。図2a及び図2bとの整合性のため、リン酸スズガラス100は、光変換ユニット150としても示されている。
図2bは、光源200と、光変換ユニット150(上記参照)とを有する照明ユニット1の実施形態を概略的に示している。光変換ユニット150は、リン酸スズガラス100を有する。ここで、この概略的な図では、ガラス100が光変換ユニットである。光源200は、光源光205を供給するように構成されている。光変換ユニット150、より具体的にはリン酸スズガラス100、さらに具体的には埋め込まれた発光材料は、光源光205の少なくとも一部を可視光105に変換するように構成されている。発光材料の可視光105と、光変換ユニット150の下流にオプションで残っている(即ち、吸収されなかった光源光205)とは、(照明ユニット)光5として示されている。
図2aにおいて、光源200は、LEDダイ210を具備するソリッドステート光源である。一例として、リン酸スズガラス100は、LEDダイ210と物理的に接触している。例えば、リン酸スズガラス100は、LEDダイ210に直接接着されてもよい。オプションで、光結合ペーストがLEDダイ210とリン酸スズガラス100との間に配置されてもよい。
オプションで、リン酸スズガラス100は、光源200から離れていてもよい。かかる実施形態の例は、図2bにおいて概略的に示されている。図2bは、光ボックス30を有する照明ユニット1の実施形態を概略的に示している。光源200、又は、少なくともその発光部分が、光ボックス30内に含まれている。光変換ユニット150は、ここでは、光ボックス30の光透過性窓31である。上記のように、リン酸スズガラス100は、複数の発光材料タイプを有していてもよい。
さらに、照明ユニット1は、ここでは、リン酸スズガラス100と第2のガラス100´とによって示される、複数の(リン酸スズ)ガラス100を有していてもよく、第2のガラス100´は、リン酸スズガラスであってもよいが、他のガラスであってもよい。あるいは、照明ユニットは、上記リン酸スズガラスと、(リン酸スズガラス100以外の)1又は複数の他の発光材料を有するガラスと、オプションでリン酸スズガラスとを有していてもよい。
さらに、窓31は、(マイクロレンズ光学MLO層のような)拡散器又はコリメータなどの符号35で示されるオプションの他の光学系を有していてもよい。光ボックス30の内部は、符号32で示されている。光ボックス30は、(窓31を除いた実施形態において)反射表面を有していてもよい。
図3は、リン酸スズガラス100のSEM図を示している。全体図は、埋め込まれた発光材料粒子10が明らかに存在している透光性のリン酸スズガラス100を示している。実際、結晶端/結晶面を含む異なるタイプの発光材料粒子が見える。
赤色及び黄色発光材料粒子が分散されたリン酸スズガラスは、化学分析によって容易に検出される。例えば、SEM及びEDAX測定を参照して下さい。
実験
例1
リン酸スズガラスが、るつぼ中でミルされ、カルシウムアルミニウム窒化ケイ素発光材料と混合された。当該混合の粉末圧縮が加熱炉において熱処理された。結果物は、赤色粒子がリン酸スズの透明なガラスマトリクス中に分散されたペレットであった。当該ペレットは、青色LED上で試験され、青色光が、少なくとも部分的に赤色光に変換された。
例2
第2の実験では、ガラス粒子と、赤色発光粒子11と、黄色発光粒子12(YAG:Ce)とが混合及び圧縮された。熱処理後、再度ペレットが形成され、青色LED上で試験された。発光材料が混合されたガラスマトリクス(混合物)によって、暖かい白色光が生成された。
例3
赤色発光材料をホストするため、及び、発光材料の組み合わせをホストするために、全ての種類のガラスが、その能力を試験された。全ての調査されたガラスから、リン酸スズガラスのみが適した特定を持つことが分かった。
例えば、リン酸テルルガラスが準備されたが、全て色が付いた(黄色/橙色)。これらのTは、300℃よりも低くはなかった。リン酸テルルガラスの測定された最も低いT°は、347℃であった。
このアプリケーションのために作られたリン酸スズガラスは、1.5乃至1.7の間の耐火係数を持つ。
例4
酸化スズ(II)(SnO)粉末10と、リン酸アンモニウム単結晶粉末(NHPO)とが、リン酸スズガラスの準備のために用いられた。SnO粉末及びNHPO粉末は、混合され、加熱炉中で加熱された。水及びアンモニアが蒸気となって排出された。しばらく後、ガラスが、冷たい鉄の板上に成型された。色のない透明なガラスマトリクスが、凍結し、これらのサンプルのTは、190℃乃至200℃の間であった。Tは、300℃近くであった。

Claims (15)

  1. CaAlSiN:Eu2+のクラス由来の発光材料を有する発光材料粒子が埋め込まれたリン酸スズガラス。
  2. 前記発光材料粒子が、発光性の(Ca,Sr)AlSiN:Eu2+を有する、請求項1記載のリン酸スズガラス。
  3. 1又は複数の他のタイプの埋め込まれた発光材料粒子を有する、請求項1又は2に記載のリン酸スズガラス。
  4. Al12:Ce3+のクラス由来の発光材料を有する発光材料粒子が埋め込まれた、請求項3記載のリン酸スズガラス。
  5. 前記リン酸スズガラスが、発光材料粒子の存在下で、スズのソースとリン酸塩のソースとをガラス化することによって得られる、請求項1乃至4のいずれか1項に記載のリン酸スズガラス。
  6. 前記リン酸スズガラスの総重量に対する発光材料粒子の総量の重量パーセントが、0.5wt%乃至20wt%の範囲にある、請求項1乃至5のいずれか1項に記載のリン酸スズガラス。
  7. CaAlSiN:Eu2+のクラス由来の発光材料を有する発光材料粒子の存在下で、スズのソースとリン酸塩のソースとをガラス化するステップを有する、発光材料粒子が埋め込まれたリン酸スズガラスの製造方法。
  8. 前記スズのソースが、酸化スズ及びシュウ酸スズの1又は複数を有し、前記リン酸塩のソースが、P及びNHPOの1又は複数を有する、請求項7記載の方法。
  9. 前記スズのソースと前記リン酸塩のソースとが、リン酸スズガラス粒子として供給される、請求項7記載の方法。
  10. 光源と、光変換ユニットとを有し、前記光変換ユニットが、請求項1乃至6のいずれか1項に記載のリン酸スズガラスを有し、前記光源が、光源光を供給し、前記光変換ユニットが、前記光源光の少なくとも一部を可視光に変換する、照明ユニット。
  11. 前記光源が、ソリッドステート光源を有する、請求項10記載の照明ユニット。
  12. 前記光源が、紫外乃至青色の範囲から選択される波長を有する光源光を供給する、請求項10又は11に記載の照明ユニット。
  13. 前記光源が、LEDダイを具備するソリッドステート光源であり、前記リン酸スズガラスが、前記LEDダイと物理的に接触している、請求項10乃至12のいずれか1項に記載の照明ユニット。
  14. 前記リン酸スズガラスが、前記光源から離れている、請求項10乃至12のいずれか1項に記載の照明ユニット。
  15. 光ボックスを有し、前記光源が、前記光ボックスの中に含まれ、前記光変換ユニットが、前記光ボックスの光透過性窓である、請求項14記載の照明ユニット。
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