JP3226220B2 - カラーフィルターおよびその製造方法 - Google Patents

カラーフィルターおよびその製造方法

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JP3226220B2
JP3226220B2 JP1762891A JP1762891A JP3226220B2 JP 3226220 B2 JP3226220 B2 JP 3226220B2 JP 1762891 A JP1762891 A JP 1762891A JP 1762891 A JP1762891 A JP 1762891A JP 3226220 B2 JP3226220 B2 JP 3226220B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、カラー液晶表示装置等
に使用されるカラーフィルターに関し、とくに透明電極
膜に特徴を有するカラーフィルターに関する。
【0002】
【従来の技術】液晶表示装置は、透明電極を設けたガラ
ス等の透明な基板を1ないし10μm程度のギャップを
設けてその間に液晶物質を封入し、配向させ、電極間に
電圧を印加または比印加することによって形成される透
明部分と不透明部分によって画像を表示している。カラ
ー液晶表示装置はいずれかの透明電極基板上に光の三原
色に対応する赤(R)、緑(G)、青(B)の三色のカ
ラーフィルターを設けており、液晶のシャッター作用に
よって3原色を加色して所望の色を表示している。
【0003】カラー液晶表示装置用のカラーフィルター
は、一般に透明基板、ブラックマトリックス、着色層、
保護膜、透明導電膜等により構成されており、RGBの
三原色の位置に対向する電極あるいは薄膜トランジスタ
を形成した透明基板とを1μmないし10μmの間隔を
保持し液晶物質を封入して液晶表示装置を形成してい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】カラーフィルターは図
6に1部の断面図を示すようにガラス41などの透明基
板上に光を遮光し隣接する着色層を区画するブラックマ
トリックス42を形成した後に、顔料分散法、染色法、
電着法、印刷法等によってR、G、Bの三原色を所定の
形状とした着色層43を形成し、着色層上には着色層を
保護する目的で保護膜44を形成し、更に保護膜の上に
は、液晶を駆動するための透明電極45が形成されてい
る。一般的なパーソナルコンピュータ用の対角が10イ
ンチの表示装置の場合には、R、G、Bの各画素につい
て640×400個ないしは640×480個という膨
大な数の微細なの画素から構成されている。
【0005】カラー液晶表示装置には、液晶の駆動方法
によって単純マトリックス方式とアクティブマトリック
ス方式があるが、最近ではパーソナルコンピュータなど
の表示装置用には画質に優れ、それぞれの画素を確実に
制御することが可能であり、また動作速度も速いアクテ
ィブマトリックス方式の採用が進められている。
【0006】アクティブマトリックス方式の液晶表示装
置では各画素毎に薄膜トランジスタ(TFT)素子をガ
ラス基板上に形成し、各素子のスイッチング作用によっ
て各画素の液晶のシャッター作用を制御している。これ
らの素子の対極には一様な透明電極が形成されている。
【0007】透明電極には、一般に酸化錫、酸化インジ
ウムおよびITOと称するこれらの複合酸化物が使用さ
れている。透明電極の成膜方法には、蒸着、イオンプレ
ーティング、スパッタリング等の各種の方法があるが、
カラーフィルターの透明電極の基体となる保護膜は合成
樹脂で形成されているので保護膜の耐熱性の面から比較
的低温での成膜が可能な方法が求められている。このた
めにカラーフィルター用の透明電極の製造にはスパッタ
リングが広く用いられている。また、透明電極の電気抵
抗が高いと液晶の駆動には高い電圧が必要となったり、
所望の画素以外の部分の液晶を駆動することが起こった
り、あるいは必要な画素を正確に駆動することが困難と
なったり、応答速度が遅くなるなど好ましくない現象が
起きるので電気抵抗の低いITO膜が求められている。
【0008】スパッタリングによって析出するITO膜
は基板の温度によって析出物の結晶形態が異なり、とく
に析出面の温度を300℃ないし350℃の温度とすれ
ば析出するITO膜の結晶性が改善されて比抵抗が小と
なるので、低抵抗膜を得るために基板面をこのような温
度とすることが行われている。
【0009】ところが、ガラス基板のような耐熱性の基
材の面に直接にITO膜を成膜する場合には350℃程
度の温度はなんら問題とならないが、カラーフィルター
の保護膜上にITO膜を形成する場合には、基板の温度
の上昇には制約がある。すなわち、保護膜および着色層
の材料が有機物であるので耐熱性の大きな有機物を使用
した場合であっても200℃程度の温度が限界であっ
て、300℃以上に加熱することは不可能である。
【0010】そこで、液晶駆動用の電気抵抗の低いIT
O膜を得るためには、低温度で形成した比抵抗が高い膜
の膜厚を厚くすることによって実質的な電気抵抗を小さ
くすることも考慮されるが、膜厚を厚くすると光の透過
特性にも変化を生じたり、応力の増大によって外観が変
化することが起こり、さらには製造費用の増大やスルー
プットの低下等が起こるので、カラーフィルターには好
ましくない。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明者らは上記した問
題点を解決する手段を検討した結果、カラーフィルター
の各色の画素を区画するとともに、液晶の駆動用のTF
T等のトランジスタあるいは電極を遮光するためにガラ
ス基板上に形成されているブラックマトリックスを導電
体として利用することによりITO膜の実質的な電気抵
抗を減少させるものである。
【0012】カラーフィルターに形成されるブラックマ
トリックスは、クロム、ニッケル、アルミニウム、タン
グステン等の金属薄膜あるいはカーボンブラックなどの
遮光材料を混合した合成樹脂で形成されており、導電性
を有しているので、所定の箇所においてITO膜と電気
的な接続を形成することによって、ITO膜の電気抵抗
を減少させることを見いだしたものである。
【0013】本発明のカラーフィルターの製造は、ガラ
ス基板上にブラックマトリックスおよび着色層を形成し
た後に接続部を設けた保護膜を形成することによって行
う。接続部の形成はエッチングなどの各種の方法によっ
て形成することが可能であるが、フォトマスクを使用し
て露光するのみで微細なパータンを形成することができ
る光硬化性の透明な樹脂を使用するとレジストを使用す
ることなく所定の接続部を形成することが可能となるの
で好ましい。このような目的で使用することができる光
硬化性の樹脂としては、光感光性を有しており樹脂の硬
度が大きいものであれば、多くのものを用いることが可
能であるが、光重合性アクリレートオリゴマーに一つの
分子内に複数の官能基を有する多官能光重合性アクリレ
ートモノマーを添加した感光性アクリル樹脂を用いるこ
とにより、樹脂の橋かけ度を高めて剛直で硬度が大きい
膜質とすることができ保護膜上に透明電極を形成しても
クラックやしわが発生しない。
【0014】上記の光重合性アクリレートオリゴマーと
しては、分子量1000〜2000程度のものが好まし
く、ポリエステルアクリレートまたは、フェノールノボ
ラックエポキシアクリレート、o−クレゾールノボラッ
クエポキシアクリレート等のエポキシアクリレートある
いは、ポリウレタンアクリレート、ポリエーテルアクリ
レート、オリゴマアクリレート、アルキドアクリレー
ト、ポリオールアクリレート、メラミンアクリレート等
をあげることができ、多官能光重合性アクリレートモノ
マーとしては、1,4ブタンジオールジアクリレート、
ジエチレングリコールジアクリレート、ネオペンチルグ
リコールジアクリレート、ペンタエリスリトールトリア
クリレート、トリメチロールプロパントリアクリレー
ト、ペンタエリスリトールアクリレート、ジペンタエリ
スリトールヘキサアクリレート等が挙げられる。
【0015】さらに、上記のような光重合性アクリレー
トオリゴマーに多官能光重合性アクリレートモノマーを
添加した光重合性の樹脂に比べて光重合性アクリレート
オリゴマーとエポキシ樹脂との混合物に一つの分子内に
複数の官能基を有する多官能光重合性アクリレートモノ
マーを添加した感光性アクリル樹脂を用いることによ
り、樹脂の橋かけ度を高めて剛直で硬度が大きい膜質と
することができ保護膜上に厚い透明電極を形成してもク
ラックやしわが発生しないだけでなく着色層の隣接する
R、G、B間に形成される凹部およびR、G、Bの部分
に高さの違いが生じていても、保護膜の表面の凹凸がき
わめて少ない平坦性の良好な保護膜が得られる。
【0016】このような目的で使用可能な光重合性アク
リレートオリゴマーとしては、分子量1000〜200
0程度のものが好ましく、ポリエステルアクリレートま
たは、フェノールノボラックエポキシアクリレート、o
−クレゾールノボラックエポキシアクリレート等のエポ
キシアクリレートあるいは、ポリウレタンアクリレー
ト、ポリエーテルアクリレート、オリゴマアクリレー
ト、アルキドアクリレート、ポリオールアクリレート、
メラミンアクリレート等をあげることができる。
【0017】エポキシ樹脂としては以下に〔化1〕およ
び〔化2〕で構造式を示すフェノールノボラック型のエ
ポキシ樹脂あるいはクレゾールノボラック型のエポキシ
樹脂をあげることができる。
【0018】
【化1】
【0019】また、多官能光重合性アクリレートモノマ
ーとしては、1,4ブタンジオールジアクリレート、ジ
エチレングリコールジアクリレート、ネオペンチルグリ
コールジアクリレート、ペンタエリスリトールトリアク
リレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、
ペンタエリスリトールアクリレート、ジペンタエリスリ
トールヘキサアクリレート等が挙げられる。
【0020】保護膜の形成方法は透明基板上に設けた着
色層上に、光重合性アクリレートオリゴマー、フェノー
ルノボラック型のエポキシ樹脂、多官能光重合性アクリ
レートモノマーに重合開始剤、エポキシ硬化剤を添加し
た感光性樹脂をスピンナー法、ロール法、スプレイ法、
スクリーン印刷法などの任意の塗布方法によって塗布し
た後に所定の電気的接続部のパターンが描かれたマスク
を載置して紫外線を照射して必要な箇所を硬化し、紫外
線が照射されなかった部分の未硬化の感光性樹脂を溶剤
で溶解除去することによって所定の領域のみに橋かけ度
を高めた剛直で硬度が大きい膜質とした樹脂の保護膜を
形成することができる。
【0021】次いで、接続部を形成した保護膜上にIT
O膜をスパッタリングによって成膜すると接続部にはブ
ラックマトリックスが露出しているので、ITO膜はブ
ラックマトリックス上にも堆積し、保護膜上に成膜され
るITO膜と一体に形成され、その結果ITO膜のみの
場合に比べて実質的にITO膜の電気抵抗を下げること
が可能となる。
【0022】
【作用】カラーフィルターの各色の画素を区画するとと
もに、液晶の駆動用のTFT等のトランジスタあるいは
電極を遮光するためにガラス基板上に形成されているブ
ラックマトリックスを導電体として利用することにより
ITO膜の実質的な電気抵抗を減少させるものであり、
着色層上に形成する保護膜上にブラックマトリックスが
露出した部分を設けてITO膜を通常の方法で成膜する
ことによってブラックマトリックスとITO膜との導電
接続を実現したことによってITO膜の電気抵抗を低下
させることができる。以下に本発明の実施例を示し、更
に詳細に説明する。
【0023】
【実施例】本発明のカラーフィルターを図面を参照して
説明する。図1は、本発明のカラーフィルターの平面図
であり、図2は図1をA−A線で切断部分平面図であ
る。カラーフィルター1はガラス基板2上に金属クロム
などからなるブラックマトリックス3が形成されてお
り、ブラックマトリックスを境界にしてR(赤)、G
(緑)、B(青)の3原色からなる着色層4が形成され
ており、着色層上には着色層を保護する透明な合成樹脂
からなる保護膜5が形成されている。保護膜上にはIT
O膜6が設けられているが、ブラックマトリックス上に
は保護膜が形成されていない接続部7があり、保護膜上
にITO膜を成膜すると保護膜が設けられていない接続
部にITO膜が成膜され、その結果ブラックマトリック
スとITO膜との電気的接続が形成される。また、接続
部の形状は円、長方形等の任意の形状とすることができ
る。接続部を設ける箇所はITO膜の電気抵抗の分布を
均一化するためにカラーフィルターに平均的に分布して
いることが必要であり、各画素毎に設けることが好まし
い。接続部の形成箇所の1例を図3を参照して示すと、
ブラックマトリックス21の一部に各画素22毎に接続
部23を形成している。
【0024】また、本発明のカラーフィルターを製造す
る方法を図4を参照して示すと、ブラックマトリックス
31および着色層32を形成したガラス基板33(A)
上に、保護膜34の材料を塗布(B)し、接続部35を
露光しないようなフォトマスク36を設けて紫外線37
を照射して露光(C)した後に、現像によって未露光部
分38を除去する(D)。そして透明導電性膜39を成
膜して接続部において透明導電性膜とブラックマトリッ
クスとの間の導電性接続を形成する。以上のように保護
膜として光硬化性の透明な樹脂を使用するとレジストを
使用することなくフォトマスクを使用して露光するのみ
で微細なパータンを形成することができるので好まし
い。このような目的で使用することができる光硬化性の
樹脂としては、樹脂の硬度が大きいものであれば、多く
のものを用いることが可能であり、光重合性アクリレー
トオリゴマーに多官能光重合性アクリレートモノマーを
添加した感光性樹脂は、硬化後の特性に優れているので
好ましい。
【0025】光重合性アクリレートオリゴマーとして
は、ポリエステルアクリレートまたは、フェノールノボ
ラックエポキシアクリレート、o−クレゾールノボラッ
クエポキシアクリレート等のエポキシアクリレートある
いは、ポリウレタンアクリレート、ポリエーテルアクリ
レート、オリゴマアクリレート、アルキドアクリレー
ト、ポリオールアクリレート、メラミンアクリレート等
をあげることができ、多官能光重合性アクリレートモノ
マーとしてはモノマーとしては、1,4ブタンジオール
ジアクリレート、ジエチレングリコールジアクリレー
ト、ネオペンチルグリコールジアクリレート、ペンタエ
リスリトールトリアクリレート、トリメチロールプロパ
ントリアクリレート、ペンタエリスリトールアクリレー
ト、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート等があ
げられる。
【0026】また、光重合性アクリレートモノマーある
いはオリゴマーにカルボキシル基等の酸性基をもたせる
とアルカリ水溶液によって現像することが可能となるの
で、有機溶剤による現像に比べて取り扱い、廃液処理が
容易であり、経済性および安全性の面で好ましい。
【0027】さらに光重合性樹脂中に開始剤としてベン
ゾフェノンあるいは、イルガキュアー184、イルガキ
ュアー907、イルガキャアー651(いずれもチバガ
イギー社商品名)、ダロキュアー(メルク社商品名)な
どを固形分比1〜3%程度添加してもよい。
【0028】とくに好適な光重合性アクリレートオリゴ
マーと多官能性光重合性モノマーの配合比(重量%)は 配合例1 フェノールノボラックエポキシアクリレート…60% トリメチロールプロパントリアクリレート …17% ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート…20% イルガキュアー184 …3% 配合例2 O−クレゾールノボラックエポキシアクリレート…60% ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート …38% イルガキュアー184 …2% 配合例3 ポリウレタンアクリレート …50% ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート …48% イルガキュアー651 …2% 配合例4 メラミンアクリレート …70% トリメチロールプロパントリアクリレート …27% イルガキュアー184 …2% 等をあげることができる。
【0029】さらに、光重合性アクリレートオリゴマー
と多官能性光重合性モノマーにエポキシ樹脂を含有する
組成物の配合比(重量%)は、 配合比5 フェノールノボラックエポキシアクリレート …40% フェノールノボラック型エポキシ樹脂 …18% トリメチロールプロパントリアクリレート …17% ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート …20% イルガキュアー184 …3% UVE1014(GE社製) …2% 配合比6 O−クレゾールノボラックエポキシアクリレート…38% クレゾールノボラック型エポキシ樹脂 …18% ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート …38% イルガキュアー184 …2% UVE1014(GE社製) …2% 配合比7 ポリウレタンアクリレート …35% フェノールノボラック型エポキシ樹脂 …13% ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート …48% UVE1014(GE社製) …2% イルガキュアー651 …2% 配合比8 メラミンアクリレート …49% フェノールノボラック型エポキシ樹脂 …20% トリメチロールプロパントリアクリレート …27% UVE1014(GE社製) …2% イルガキュアー184 …2% 等をあげることができる。
【0030】実施例1 赤色、緑色及び青色の顔料を、それぞれ下記に示したよ
うな組成割合(重量%)で感光性樹脂に分散させて、赤
色、緑色及び青色の着色感光性樹脂を作製する。
【0031】 (1)赤色感光性樹脂 ピラゾロンレッド(赤色顔料) …10 ポリビニルアルコール/5%スチルバゾリウムキノリウム … 5 (感光性樹脂) 水 …85 (2)緑色感光性樹脂 リオノールグリーン 2Y−301(緑色顔料) … 9 ポリビニルアルコール/5%スチルバゾリウムキノリウム … 5 (感光性樹脂) 水 …86 (3)青色感光性樹脂 ファストドゲンブルー(青色顔料) … 3 ポリビニルアルコール/5%スチルバゾリウムキノリウム … 5 (感光性樹脂) 水 …92 基板には、厚さ1.1mmのガラス基板(旭硝子(株)
製AL材)を充分に洗浄して用い、ガラス基板に、金属
クロムをスパッタリングにより厚さ120nmとなるよ
うに成膜した。この実施例で製造したストライプ状の画
素を有するカラーフィルターの各部の位置関係の詳細図
である図5に示すように、フォトエッチングにより開口
寸法が縦280μm×横75μm、ピッチが縦330μ
m×横110μmのブラックトリックスパターンを形成
した。
【0032】その上に、赤色感光性樹脂を1.2μmの
膜厚になるように塗布し、その後温度70℃で30分間
オ−ブン中で乾燥させ、水銀ランプを用いて露光し、水
によるスプレー現像を1分間行い、赤色画素を形成すべ
き領域に赤色のレリーフ画像を形成し、さらに150℃
で30分間、加熱硬化させた。
【0033】同様の工程を繰り返して、緑色画素を形成
すべき領域に緑色のレリーフ画素を形成し、青色画素を
形成すべき領域に青色のレリーフ画素を形成して着色層
を形成した。以上により、隣接画素ピッチ110μm、
線巾85μmのストライプ状着色画素を形成した。
【0034】続いて光硬化性アクリレートオリゴマーと
して、o−クレゾールノボラックエポキシアクリレート
(分子量1500〜2000)を50重量部、多官能重
合性モノマーとして、ジペンタエリスリトールヘキサア
クリレート(日本化薬(株)製DPHA)を50重量部
混合し、さらに重合開始剤としてイルガキュアー(チバ
ガイギー社(株)製)2重量部を混合した配合物を、エ
チルセルソルブアセテート200重量部中に溶解させ、
その溶液10gを用いてスピンコーターで前記着色層上
に2.0μmの厚さに塗布した。
【0035】接続部パターンが設けられたフォトマスク
を配置したプロキシミティーアライナーによって、2.
0KWの超高圧水銀ランプによって紫外線を10秒間照
射した。 続いて温度25℃の1,1,2,2-テトラクロ
ロエタンからなる現像液中に1分間浸漬して、塗布膜の
未硬化部分のみを除去した。以上により、着色画素を完
全に覆うピッチ110μm、線巾95μmのストライプ
状保護膜パターンおよびピッチ110μm、線巾15μ
mのストライプ状接続部パターンを得た。
【0036】次に、得られた保護膜を形成した基板を直
流マグネトロンスパッタリング装置のロード室から基板
の加熱室に入れ、基板の温度を200℃に加熱し、10
-6torrまで減圧した後にアルゴンの圧力を5.0×10
-3torr、酸素の圧力を4.0×10-5torrの分圧となる
ように製膜室に反応ガスを導入した。
【0037】スパッタリング装置のITOのターゲット
と陽極の間には直流電圧0.4kV、電流3.5Aを印
加して、ターゲットと基板との距離を90mmとし、1
分間スパッタリングをして、厚さ20nmの透明電極を
形成した。
【0038】得られた透明電極の面積抵抗は9Ω/□で
あり、400nmないし700nmの光の平均透過率は
92%であった。
【0039】比較例1 保護膜を紫外線で硬化する際に、接続部を形成するフォ
トマスクを設けずに硬化を行ったことを除いては実施例
1と同様の方法によってカラーフィルターを製造した。
【0040】次に、得られた保護膜を形成した基板を直
流マグネトロンスパッタリング装置のロード室から基板
の加熱室に入れ、基板の温度を200℃に加熱し、10
-6torrまで減圧した後にアルゴンの圧力を5.0×10
-3torr、酸素の圧力を4.0×10-5torrの分圧となる
ように製膜室に反応ガスを導入した。
【0041】スパッタリング装置のITOのターゲット
と陽極の間には直流電圧0.4kV、電流3.5Aを印
加して、ターゲットと基板との距離を90mmとし、1
0分間スパッタリングをして、厚さ200nmの透明電
極を形成した。
【0042】得られた透明電極の面積抵抗は23Ω/□
であり、400nmないし700nmの光の平均透過率
は85%であった。
【0043】比較例2 保護膜を紫外線で硬化する際に、接続部を形成するフォ
トマスクを設けずに硬化を行ったことを除いては実施例
1と同様の方法によってカラーフィルターを製造した。
【0044】次に、実施例1の透明電極の成膜条件と同
様の条件で、実施例1と同じ厚さの20nmのITO膜
を形成したところ、得られた透明電極の面積抵抗は25
0Ω/□であった。
【0045】
【発明の効果】カラーフィルターの各色の画素を区画す
るとともに、液晶の駆動用のTFT等のトランジスタあ
るいは電極を遮光するためにガラス基板上に形成されて
いるブラックマトリックスを導電体として利用し、ブラ
ックマトリックスとITO膜との間に電気的接続を形成
しITO膜の実質的な電気抵抗を減少させるものであ
り、膜厚の薄いITO膜を形成した場合であって十分な
導電性を得ることができるので、ITO膜の増大によっ
て生じる透過率の低下あるいはITO膜の膜厚の増大に
ともなって生じる形態の変化等の問題を解消することが
でき、特性の優れたカラーフィルターを得ることができ
る。また、ITO膜厚を薄くすることができるため、成
膜工程のスループット向上およびターゲット材料費の低
減といった製造上の利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のカラーフィルターの一部の平面図を示
す図。
【図2】本発明のカラーフィルターの一部の断面図を示
す図。
【図3】本発明のカラーフィルターの接続部の配置を示
す図。
【図4】本発明のカラーフィルターの製造過程を示す
図。
【図5】実施例のカラーフィルターの各部の位置関係を
示す詳細図。
【図6】カラーフィルターの断面図を示す図
【符号の説明】
1…カラーフィルター、2…ガラス基板、3…ブラック
マトリックス、4…着色層、5…保護膜、6…ITO
膜、7…接続部、31…ブラックマトリックス、32…
着色層、33…ガラス基板、34…保護膜、35…接続
部、36…フォトマスク、37…未露光部、38…透明
導電性膜、41…ガラス、42…着色層、43…保護
膜、44…透明電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 堤 成太郎 東京都新宿区市谷加賀町一丁目1番1号 大日本印刷株式会社内 (72)発明者 飯田 満 東京都新宿区市谷加賀町一丁目1番1号 大日本印刷株式会社内 (56)参考文献 特開 平2−146502(JP,A) 特開 昭62−79421(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 カラーフィルターにおいて、透明基板上
    に導電性材料で形成されたブラックマトリックス、およ
    びストライプ状の画素を有し、各画素およびブラックマ
    トリックス上に連続した透明電極を有すると共に、透明
    電極とブラックマトリックスとの間には、各画素毎にス
    トライプ状の電気的接続部が形成されており、電気的接
    続部がストライプ状の画素ピッチに対して14%以下の
    幅で、かつ透明電極の400nm〜700nmにおける
    光の平均透過率が92%以上であることを特徴とするカ
    ラーフィルター。
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