JP2017523575A - 封止型固体電池 - Google Patents
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Abstract
Description
[0001] 本出願は、全体的にすべての目的で参照することによって本明細書に組み込まれている2014年8月13日出願の米国特許仮出願第62/036,715号の優先権を主張するものである。
[0027] 電気化学電池は、電解質のそれぞれの表面に配置される電極(カソードおよび電極)を含むことができる。電極および電解質はそれぞれ、基板上に配設される積層された構造体を作製するために互いの上面に成層可能な固体膜とすることができる。ポリマー封止剤材料が、電池スタックの上および周囲に塗布され得、水分バリアが、封止剤材料の上に形成されて、それによって、水分が電池に到達するのを防止することができる。カソードおよびアノードに電気的に結合される導電性端子がそれぞれ、基板の第2の側に形成可能である。したがって、電池は、対応する実装パッドにフリップチップ実装され、それによって、電池からの電力を受け取ることができる他の電子部に接続され得る。
[0035] 図1は、外部リーダ180とワイヤレスで通じている身体に装着可能なデバイス110を含むシステム100のブロック略図である。身体装着可能なデバイス110は、身体表面に取り付けられるように形成されるポリマー材料120で作られている。例として、ポリマー材料120は、眼球の角膜の表面に接触装着されるように形成され得る。基板130が、電源140、コントローラ150、生体相互作用電子部160、および通信アンテナ170などの電子構成要素についての実装場所を提供するために、ポリマー材料120に埋め込まれる。生体相互作用電子部160は、コントローラ150によって動作する。電源140は、作動電圧をコントローラ150および/または生体相互作用電子部160に供給する。アンテナ170は、身体に装着可能なデバイス110におよび/または身体に装着可能なデバイス110から、情報を伝えるようにコントローラ150によって動作する。アンテナ170、コントローラ150、電源140、および生体相互作用電子部160はすべて、埋め込まれた基板130において位置付けられ得る。身体に装着可能なデバイスが、コンタクトレンズと同様に眼球の接触装着されるように構成されている用途においては、それを、本明細書において眼科用電子部プラットフォームと称すこともできる。
[0036] ポリマー材料120は、所望の身体装着場所と相互に面する(interface)ように構成されている外表面を含むように形状付けられ得る。たとえば、ポリマー材料120は、歯に装着可能な表面、頭部に装着可能な表面、耳に装着可能な表面、皮膚に装着可能な表面、および眼球に装着可能な表面などを含むことができる。身体に装着可能なデバイス110はまた、移植可能な構成を含む、生体内の試料体液にアクセスするように、他の身体場所に装着されるように構成されたフォームファクタで実装され得る。たとえば、ポリマー材料120は、平滑であってよく、デバイス110が皮膚の下および/または皮膚の中に移植される用途に適している生体適合性コーティングを含んでよい。ポリマー材料120は、電子部をデバイス110内に部分的または全体的に封入することができる。いくつかの例においては、身体に装着可能なデバイス110は、歯、皮膚表面、粘膜に、皮下領域上に、間質領域内に、または生体内体液検体濃度が測定され得る別の領域において、装着されるように構成された装着表面を含むことができる。
[0039] 基板130は、生体相互作用電子部160、コントローラ150、電源140、およびアンテナ170を実装するのに適している1つまたは複数の表面を含む。基板130は、(たとえば、基板130においてパターニングされる導電性端子に対するフリップチップ実装による)チップベースの回路機構のための実装プラットフォームとして、および/または導電性材料(たとえば、金、白金、パラジウム、チタン、銅、アルミニウム、銀、金属、他の導電性材料、これらの組合せなど)をパターニングするためのプラットフォームとしての両方に使用されて、電極、相互接続部、接続パッド、アンテナなどを作製することができる。いくつかの例においては、実質的に透明な導電性材料(たとえば、インジウムスズ酸化物)が、回路機構、電極などを形成するために、基板130においてパターニングされ得る。たとえば、アンテナ170は、堆積、フォトリソグラフィ、電気めっきなどによって、基板130において金または別の導電性材料のパターンを形成することによって製作可能である。同様に、コントローラ150と生体相互作用電子部160との間、およびコントローラ150とアンテナ170との間の相互接続部151、157はそれぞれ、基板130において導電性材料の適切なパターンを堆積させることによって形成可能である。フォトレジスト、マスク、堆積の技法、および/または電気めっき技法の使用を含むが、これらに限定されない微細加工技法の組合せが、基板130においてそのような材料をパターニングするのに採用可能である。
[0043] 電源140は、電池146を充電するために周囲エネルギーをハーベストする(harvest)ように構成され、次いで、この電池146は、DC電力141を供給して、コントローラ150および生体相互作用電子部160に電力供給する。たとえば、無線周波数エネルギーハーベスティングアンテナ142が、入射する無線放射線からエネルギーを捕捉することができる。追加としてまたは代替として、ソーラーセル(「光起電セル」)は、入ってくる紫外線、可視光、および/または赤外線の放射からエネルギーを捕捉することができる。さらには、慣性環境電力システム(inertial power scavenging system)が、身体に装着可能なデバイス110の動きからエネルギーを捕捉するために含められ得る。エネルギーハーベスティングアンテナ142は、任意選択により、外部リーダ180に情報を伝えるのにも使用される二重目的アンテナとすることができる。つまり、通信アンテナ170とエネルギーハーベスティングアンテナ142の機能は、同じ物理的構成要素により達成可能である。
[0045] コントローラ150は、DC供給電圧141が、コントローラ150に供給されるとき、オンにされ得、コントローラ150の中の論理部は、生体相互作用電子部160およびアンテナ170を動作させる。コントローラ150は、身体に装着可能なデバイス110の生物学的環境と相互作用するよう生体相互作用電子部160を動作させるように構成された論理回路機構を含むことができる。例として、検体生体センサ162など、1つまたは複数の構成要素が、生物学的環境から入力を取得するのに使用され得る。追加としてまたは代替として、画素アレイ164など、1つまたは複数の構成要素が、生物学的環境に出力を提供するのに使用され得る。
[0054] 外部リーダ180は、身体に装着可能なデバイス110との間でワイヤレス信号171を送信および受信するためのアンテナ188(または複数のアンテナ群)を含む。外部リーダ180はまた、メモリ182と通じているプロセッサ186を備えるコンピューティングシステムを含む。メモリ182は、プロセッサ186によって読取り可能な磁気ディスク、光学ディスク、有機メモリ、および/または任意の他の揮発性(たとえば、RAM)もしくは不揮発性(たとえば、ROM)ストレージシステムを含むことができるが、これらに限定されない非一時的コンピュータ可読媒体とすることができる。メモリ182は、(たとえば、検体生体センサ162からの)センサ読取り値、(たとえば、身体に装着可能なデバイス110および/または外部リーダ180の挙動を調節するための)プログラム設定値など、データ表示を記憶するためのデータストレージ183を含むことができる。メモリ182はまた、プロセッサ186によって実行するためのプログラム命令184を含むことができ、このプログラム命令184は、外部リーダ180に、命令184によって指定される方法を実行させる。たとえば、プログラム命令184は、外部リーダ180に、身体に装着可能なデバイス110から伝えられる情報(たとえば、検体生体センサ162からのセンサ出力)を取り出すことを可能にするユーザインターフェースを提供させることができる。外部リーダ180はまた、身体に装着可能なデバイス110との間でワイヤレス信号171を送信および受信するようにアンテナ188を動作させるための1つまたは複数のハードウェア構成要素を含むことができる。たとえば、発振器、周波数インジェクタ、エンコーダ、デコーダ、増幅器、フィルタなどが、プロセッサ186からの命令に従って、アンテナ188を駆動させることができる。
[0057] 実際には、電源140は、エネルギーハーベスティングアンテナ142および整流器/調整器144を使用して、受け取った無線周波数放射線からのエネルギーをハーベストするように機能することができ、ハーベストされたエネルギーは、電池146を充電するのに使用され得る。たとえば、無線周波数放射線は、アンテナ142のリード上の無線周波数電気信号を引き起こす場合がある。整流器146は、アンテナリードに接続されて、無線周波数電気信号をDC電圧に変換することができ、このDC電圧は、電池146に印加されて、充電電流を生み出すことができる。次いで、電池146は、供給電圧(すなわち、DC電力141)を出力して、コントローラ150のハードウェア論理部を動作させ、また電気化学センサ162に電力供給することができる。DC供給電圧141は、ほぼ1.2ボルト、ほぼ3ボルトなど、デジタル論理回路機構を駆動させるのに適している電圧とすることができる。いくつかの例においては、外部リーダ180(または周囲放射線など、別のソース)から無線周波数放射線を受け取ることにより、供給電圧141は、センサ162、およびコントローラ150のハードウェア論理部に供給されることになり、それによって、身体に装着可能なデバイス110がアクティブ化される。電力供給される一方、センサ162、およびコントローラ150のセンサインターフェース152は、検体濃度を示す電流を生成し、測定するように、およびその結果を伝えるように構成されている。
[0060] 図2Aは、例示的な眼球に装着可能なデバイス210(または眼科用電子部プラットフォーム)の上面図である。図2Bは、図2Aに示す例示的な眼球に装着可能なデバイスの外観図である。図2Aおよび図2Bの相対的な寸法は、必ずしも、縮尺通りとは限らず、例示的なデバイス210の構成を記載する際の単なる説明の目的として提供されているにすぎないことが分かる。眼球に装着可能なデバイス210は、湾曲した円盤として形状付けられるポリマー材料220から形成可能である。眼球に装着可能なデバイス210は、ポリマー材料220に埋め込まれている基板230において実装されたループアンテナ270、コントローラ250、および電気化学電池260を含む。眼球に装着可能なデバイス210はまた、デバイス210を包囲する涙液膜の検体濃度の測定結果を取得するのに使用される電気化学センサを含むことができる。
[0072] 図3Aは、薄膜電池300の例示的な構成を示している。図3Bは、薄膜電池340の別の例示的な構成を示している。内部構造を示すために、図3Aおよび図3Bは、電池300、340の横断面図を示している。図3Aおよび図3Bによって示される構成は、縮尺通りには描かれておらず、理解を容易にするために提供されている。たとえば、いくつかの外観が、例示を容易にするために誇張され得る。電池300、340は、検体の涙液膜濃度を検出するための眼球に装着可能なデバイス(たとえば、上記図2A〜図2Dに関連して説明した眼球に装着可能なデバイス210)、身体に装着可能もしくは移植可能なデバイス、または比較的薄いフォームファクタおよび/もしくはサイズ/重量の制約を伴う別の電子デバイスに含められ得る。
[0086] 図4A、図4B、および図4Cは、例示的な封止型電池400を示している。図5A、図5B、および図5Cは、別の例示的な封止型電池500を示している。図4A〜図5Cに説明する例示的な封止型電池はそれぞれ、基板において配設される電池セルを含む。電池セルは、カソード膜と接触している電解質膜、および電解質膜とは接触しているが、カソード膜とは接触していないアノード膜を含む。電池スタックは、図3Aおよび図3Bに関連して説明する例示的な薄膜電池300、340のいずれかの形態をとることができる。封止型電池のそれぞれはまた、電池が配設される側から、基板の反対側に位置付けられる1対の導電性実装パッドを含み、一方は、カソードに電気的に結合され、他方は、アノードに電気的に結合されている。加えて、例示的な封止型電池は、電池スタックを基板との間に封入するポリマー封止剤材料と、封止剤材料において配設される水分バリアとを含む。
[0096] 本明細書に説明する封止型薄膜電池は、多様な製作方法によって形成され得る。2つの例示的な方法を、図6A〜図7Gに関連して説明する。これらの図に示す製作の段階が、縮尺通りに描かれていないこと、ならびにいくつかの段階の順序が、いくつかの例において、相互交換可能であること、および/またはいくつかの段階が、全体的に省略可能であることが分かる。封止型薄膜電池は、身体に装着可能および/もしくは移植可能なデバイス、またはリモートセンサ、付着剤、衣類などの他の制約されたフォームファクタデバイスに組込み可能である。さらに後述するように、封止型薄膜電池は、普通なら、電池の電極および/または電解質を劣化させることになり得る水分が電池に侵入するのを水分バリアが防止するので、水分を含む環境において特に有利である可能性がある。たとえば、これらの電池は、図2に説明する眼球に装着可能なデバイス210などの眼球に装着可能なデバイス、または別の身体に装着可能なデバイスに一体化可能である。
[0098] 図6A、図6B、図6C、図6D、図6E、図6F、および図6Gは、封止型電池を形成し、電池をデバイスに実装するための例示的な製作方法の段階を示している。図6Aに示す封止型電池は、基板610において配設される電池スタック620を含む。電池スタック620は、電解質材料の膜によって互いとは分離されるアノード材料とカソード材料の膜を含む薄膜電池とすることができる。たとえば、電池スタック620は、図3Aおよび図3Bに関連して説明する電池スタックのいずれかと同じであっても、または類似していてもよい。図6Aに示すように、電池スタック620は、基板620において配設され、ポリマー封止剤材料630によって封入される。ポリマー封止剤材料630は、電池を製作後、電池スタック620の上に塗布される低温ポリマーとすることができる。ポリマー封止剤材料630は、アプリケータを使用して、封止剤材料630に物理的に塗布することによって、ポリマー封止剤をスピンコーティングすることによって、ポリマー封止剤をスプレーすることによって、および/または他の技法によって、電池スタック620の上にコーティング可能である。複数の電池が、共通の基板において形成され、次いで、基板をダイシングおよびスクライビングすることによって分離される例においては、電池は、ポリマー封止剤材料630を塗布する前に分離され得る。
[00107] 図7A、図7B、図7C、図7D、図7E、図7F、および図7Gは、封止型電池の別の例示的な製作方法を示している。図7Aは、第1の側712および第2の側714を有する基板710を示している。1対の穴720、722(または1対の陥凹部)が、基板710の第1の側712の中に形成される。穴720、722は、レーザアブレーション、深堀り反応性イオンエッチング、または別の技法によって形成可能である。穴720、722は、薄化の後、基板710の最終的な厚さよりも深くまで侵入することができる。したがって、一旦、薄化されると、2つの穴720、722は、基板710の全厚を通して延びることになる。穴720、722はまた、基板710全体を通して(すなわち、第2の側714まで)延びることもできる。穴720、722は、第1の側712(および第2の側714)に実質的に垂直な側壁を有することができ、それにより、基板710の中を通る最短路が提供される。
[00116] 図8は、封止型薄膜電池を製造するための例示的な製作方法800の流れ図である。方法800は、共通の基板において複数の電池を平行して製作することを含むことができる。
[00127] 様々な電子部プラットフォームを、眼球に装着可能なデバイスまたは眼科用デバイスとして、例として本明細書には説明しているが、封止型薄膜電池の構成についての開示されたシステムおよび技法が、同様に他の文脈でも適用可能であることが分かることが分かる。たとえば、測定結果が、体内でおよび/もしくは比較的小さい試料容量から得られる、または小さいフォームファクタ(たとえば、移植可能な生体センサ、または他の電子部プラットフォーム)に制約される文脈では、そのような測定結果に使用されるデバイスに電力供給するために、本明細書に説明する電池システムおよび方法を採用することができる。加えて、いくつかの例は、衣類、付着パッチ、もしくは品物をタグ付けするおよび/または識別するのに使用される他の小さいフォームファクタデバイスに封止型薄膜電池を組み込むこと、測定結果を得ること、ならびに/あるいはワイヤレス信号を介して他のデバイスと通信することを含むことができる。1つの例においては、移植可能な医療用デバイスは、生体適合性材料に封入される、および宿主生物内に移植される封止型電池を含むことができる。移植可能な医療用デバイスは、検体濃度測定結果(たとえば、アンペロメトリック電流読取り値)の表示を出力するように構成された回路を含むことができる。読取りおよび/または制御デバイスは、移植可能な医療用デバイスと通信して、測定結果を得ることができる。
Claims (20)
- 第1の側および第2の側を有する基板と、
前記基板の前記第1の側に配設された電池スタックであって、カソード層、アノード層、および電解質層を含み、前記カソード層および前記アノード層のうちの第1の層が、前記基板の前記第1の側に配設され、前記電解質層が、前記カソード層と前記アノード層との間に配設される、電池スタックと、
前記電池スタックの上および周囲に形成されたポリマー封止剤層と、
前記基板の前記第2の側に位置付けられた第1の導電性パッドであって、前記カソード層に電気的に結合される、第1の導電性パッドと、
前記基板の前記第2の側に位置付けられた第2の導電性パッドであって、前記アノード層に電気的に結合される、第2の導電性パッドと
を備える封止型電池。 - 前記ポリマー封止剤層が、前記ポリマー封止剤層と前記基板との間の前記電池スタックを完全に封入するように、前記基板の前記第1の側に沿って終端する実質的に連続した層である、請求項1に記載の封止型電池。
- 前記ポリマー封止剤層が、生体適合性材料である、請求項1に記載の封止型電池。
- 前記ポリマー封止剤層において配設されて、それによって、水分が前記ポリマー封止剤層および前記電池スタックに到達するのを抑制する水分バリア
をさらに備える、請求項1に記載の封止型電池。 - 前記水分バリアが、金属またはセラミック材料から形成された箔を含む、請求項4に記載の封止型電池。
- 前記水分バリアが、当該封止型電池の側面に沿って延在し、それによって、前記水分バリアと前記基板との間の前記電池スタックを実質的に封入するように形成される、請求項4に記載の封止型電池。
- 前記水分バリアが、前記ポリマー封止剤材料によって前記電池スタックとは分離される、請求項4に記載の封止型電池。
- 前記カソード層と前記第1の導電性パッドとを結合する電気路が、第1のビアを含み、前記第1のビアが、前記基板を貫通する第1の開口を少なくとも部分的に占める導電性材料を含み、
前記アノード層と前記第2の導電性パッドとを結合する電気路が、第2のビアを含み、前記第2のビアが、前記基板を貫通する第2の開口を少なくとも部分的に占める導電性材料を含む、
請求項1に記載の封止型電池。 - 前記カソード層が、カソード活性層と、前記第1の導電性パッドに電気的に結合されたカソード電流コレクタ層とを含み、前記カソード電流コレクタ層が、前記基板の前記第1の側に配設された導電性材料を含み、前記カソード活性層が、前記カソード電流コレクタ層において配設され、
前記アノード層が、アノード活性層と、前記第2の導電性パッドに電気的に結合されたアノード電流コレクタ層とを含み、前記アノード活性層が、前記電解質層において配設されたリチウム金属を含み、前記アノード電流コレクタ層が、前記アノード活性層において配設された導電性材料を含む、請求項1に記載の封止型電池。 - 前記電解質層が、リチウムリン酸窒化物を含む、請求項1に記載の封止型電池。
- 前記基板、前記カソード層、前記電解質層、前記アノード層、および前記ポリマー封止剤層のそれぞれの厚さによって定められる全厚を有し、前記全厚が、約80マイクロメートル未満である、請求項1に記載の封止型電池。
- 身体に装着可能な表面を有するように形成されたポリマー材料と、
前記ポリマー材料内に埋め込まれた封止型電池と
を備え、
前記封止型電池は、
第1の側および第2の側を有する基板と、
前記基板の前記第1の側に配設された電池スタックであって、カソード層、アノード層、および電解質層を含み、前記カソード層および前記アノード層のうちの第1の層が、前記基板の前記第1の側に配設され、前記電解質層が、前記カソード層と前記アノード層との間に配設される、電池スタックと、
前記電池スタックの上および周囲に形成されたポリマー封止剤層と、
前記基板の前記第2の側に位置付けられた第1の導電性パッドであって、前記カソード層に電気的に結合される、第1の導電性パッドと、
前記基板の前記第2の側に位置付けられた第2の導電性パッドであって、前記アノード層に電気的に結合される、第2の導電性パッドと
を備える、身体に装着可能なデバイス。 - 前記ポリマー材料に埋め込まれた電子部をさらに備え、前記電子部が、前記封止型電池によって電力供給されるように構成されている、請求項12に記載の身体に装着可能なデバイス。
- 前記ポリマー材料内に少なくとも部分的に埋め込まれた電子部基板と、
前記電子部基板において配設された1対の導電性実装パッドであって、前記封止型電池の前記第1の導電性パッドおよび前記第2の導電性パッドに対応するように配置される、1対の導電性実装パッドとをさらに備え、
前記封止型電池は、前記第1の導電性パッドおよび前記第2の導電性パッドがそれぞれ、前記1対の導電性実装パッドのうちのそれぞれの導電性実装パッドに位置合わせされるように、前記1対の導電性実装パッドにおいて配設される、
請求項13に記載の身体に装着可能なデバイス。 - 前記ポリマー材料が、凹表面および凸表面を有し、前記凹表面が、角膜の表面の上に取外し可能に装着されるように構成され、前記凸表面は、前記凹表面がそのように装着されるときの眼瞼の動きと適合できるように構成されている、請求項12に記載の身体に装着可能なデバイス。
- 前記ポリマー封止剤層が、前記ポリマー封止剤層と前記基板との間の前記電池スタックを完全に封入するように、前記基板の前記第1の側に沿って終端する実質的に連続した層である、請求項12に記載の身体に装着可能なデバイス。
- 前記封止型電池が、
前記ポリマー封止剤層において配設されて、それによって、水分が前記ポリマー封止剤層および前記電池スタックに到達するのを抑制する水分バリア
をさらに備える、請求項12に記載の身体に装着可能なデバイス。 - 前記カソード層と前記第1の導電性パッドとを結合する電気路が、第1のビアを含み、前記第1のビアが、前記基板を貫通する第1の開口を少なくとも部分的に占める導電性材料を含み、
前記アノード層と前記第2の導電性パッドとを結合する電気路が、第2のビアを含み、前記第2のビアが、前記基板を貫通する第2の開口を少なくとも部分的に占める導電性材料を含む、
請求項12に記載の身体に装着可能なデバイス。 - 基板の第1の側に電池スタックを形成するステップであって、(i)カソード電流コレクタ層を、前記カソード電流コレクタ層が前記基板の前記第1の側の少なくとも第1の領域を占めるように、前記基板の前記第1の側に形成すること、(ii)前記カソード電流コレクタ層においてカソード活性層を形成すること、(iii)前記カソード活性層において電解質層を形成すること、(iv)前記電解質層においてアノード活性層を形成すること、および(v)前記アノード活性層においてアノード電流コレクタ層を形成することを含み、前記アノード電流コレクタ層の一部分は、前記アノード活性層を越えて延在し、前記アノード電流コレクタ層が前記基板の前記第1の側の少なくとも第2の領域を占めるように、前記基板の前記第1の側に配設される、ステップと、
前記基板に第1の開口および第2の開口を形成するステップであって、前記第1の開口が、前記基板の前記第2の側から前記カソード電流コレクタの少なくとも一部分を露出させ、前記第2の開口が、前記基板の前記第2の側から前記アノード電流コレクタの少なくとも一部分を露出させる、ステップと、
前記第1の開口および前記第2の開口のそれぞれの少なくとも一部分を導電性材料で充填して、それによって、前記基板を貫通するそれぞれの電気経路を作製するステップと、
前記第1の開口内で前記導電性材料に電気的に結合される第1の導電性パッドを、前記第1の導電性パッドが前記カソード電流コレクタ層に電気的に結合されるように、前記基板の前記第2の側に形成するステップと、
前記第2の開口内で前記導電性材料に電気的に結合される第2の導電性パッドを、前記第2の導電性パッドが前記アノード電流コレクタ層に電気的に結合されるように、前記基板の前記第2の側に形成するステップと、
電池スタックの上および周囲にポリマー封止剤層を塗布して、それによって、前記ポリマー封止剤層と前記基板との間の前記電池スタックを封入するステップと
を含む、方法。 - 前記ポリマー封止剤層の上に水分バリアを塗布して、それによって、水分が前記ポリマー封止剤層および前記電池スタックに到達するのを抑制するステップと、
前記基板と、前記第1の導電性パッドおよび前記第2の導電性パッドに対応するように配置された1対の導電性実装パッドの上に前記基板上に配設された封止型電池スタックであって、それにより、前記第1の導電性パッドおよび前記第2の導電性パッドがそれぞれ、前記1対の導電性実装パッドのうちのそれぞれの導電性実装パッドに位置合わせされる、封止型電池スタックとを位置付けるステップであって、前記1対の導電性実装パッドが、前記1対の導電性実装パッドを介して電力供給されるように構成された電子部に電気的に結合されている、ステップと、
前記1対の導電性実装パッドのうちのそれぞれの導電性実装パッドに前記第1の導電性パッドおよび前記第2の導電性パッドをボンディングするステップと、
身体に装着可能な表面を含むポリマー材料内に、前記導電性実装パッドと、前記導電性実装パッドに電気的に結合された前記電子部と、前記基板および前記基板上に配設された電池スタックとを封入するステップと
をさらに含む、請求項19に記載の方法。
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