JP6221242B2 - カラーフィルタの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、反射型ディスプレイ用カラーフィルタに関する。

ディスプレイのカラー化に関し、カラーフィルタを用いる手法が一般的に使われている。透過型液晶用カラーフィルタの場合、ブラックマトリクスという格子状の枠が形成されており、枠の中にそれぞれ赤（Ｒ）緑（Ｇ）青（Ｂ）を配列しているものが多い。この場合、バックライト型表示装置を用い、光が背面からカラーフィルタを通って映し出されるので、例えば赤い表示を写したい場合はＲ画素のエリアの光を出して、その他の画素のエリアを消せばよい。また、光量を調整する事で、明るい表示から暗い表示まで表現する事が出来る。また、自発光型表示装置の場合は着色部が光り、加える電圧で光量を調整出来る。

それに対して、反射型ディスプレイ用のカラーフィルタの場合、外からの光を反射して表示する事で、カラー表示を行なうため、ブラックマトリクスを用いると反射光が少なくなり、カラー表示が不鮮明になる欠点がある。その為、ブラックマトリクスを設けず、カラーフィルタを形成する事が好ましい。

ブラックマトリクスや隔壁が無いカラーフィルタを作製する方法として、転写式印刷法が提案されている。（特許文献１参照）

インクジェット法によるインクが混色しないようにする為には、印刷後のインクの流動を抑える必要がある。もしくはインク画素とインク画素の隙間を混色しない程度に空ける必要がある。この為、基材にインク受容層を設け、インクの濡れ広がりを抑える方法が提案されている。（特許文献２参照）

特開２００８−１０５４００号公報 特開２０１２−１６８２４２号公報

特許文献１に記載の方法において、反射ディスプレイ上に印刷する事は、ロール式の印刷方法において困難である。また、さまざまなカラーフィルタパターンを形成する為には版を準備しなければならず、時間がかかる問題があった。

特許文献２に記載の方法において、インク受容層を設ける工程を含む事で、工程が多くなる欠点があった。

しかし、インクジェット法にて印刷する基材表面に、インク受容層が形成されていない場合は、インク着色形状が丸くなりやすい。その為、異なる着色インクの画素間の距離を空けると、インクの着色面積比率が受容層を形成した基材に印刷するときと比べ低くなり、明るい鮮やかな色の表現性能が劣る問題があった。

また、インク受容層が形成されていない場合、インクが表面張力により凸形状となり中心部が濃くなるか、濡れ広がる場合はコーヒーステイン現象により外周部が濃くなる。コーヒーステイン現象とは、液滴の接触線が固定(ｐｉｎｎｉｎｇ)されたまま接触線近傍での溶媒の蒸発速度が増大することに起因し、液滴内において接触線へと向かう流れが生じるため外周部が濃くなる現象の事を指す。この為、インク画素の中央と外周部で色が異なり、発色する為の効率のよい厚さに設定し難く、色調コントロールが難しくなる問題があった。
そこで、本発明は、インクジェット印刷法により高品質な着色画素を容易に形成することのできるカラーフィルタの製造方法、カラー反射型ディスプレイ及びカラーフィルタを提供する。

上記の課題を解決するための手段として、第１の発明は、基材上にカラーフィルタを作製するカラーフィルタの製造方法であって、インクジェット印刷法で１色以上の着色インクを用いて前記基材上に任意の印刷パターンを形成し、乾燥装置を用いて前記印刷パターンに含まれる溶媒成分を揮発させて着色画素を形成し、前記着色画素の表面に、透明接着剤層を有する透明フィルム基材を用いて、前記透明接着剤層の面と前記着色画素の表面とが接着するように圧着し、前記着色画素の面積を拡大することを特徴とするカラーフィルタの製造方法である。

また、第２の発明は、第１の発明のカラーフィルタの製造方法において、前記着色インクに紫外線硬化性材料を含有させ、インクジェット印刷法で前記着色インクを用いた任意のパターンを印刷中もしくは印刷直後に紫外線を照射することにより前記パターンを仮硬化して、前記印刷パターンを形成することを特徴とするカラーフィルタの製造方法である。

また、第３の発明は、第１または第２の発明のカラーフィルタ作製方法において、前記透明接着剤層は３０μｍ以下の膜厚で均一に形成されていることを特徴とするカラーフィルタの製造方法である。

また、第４の発明は、第１ないし第３のいずれかの発明のカラーフィルタ作製方法において、前記着色画素の表面に圧着する力を０．１ＭＰａ〜０．８ＭＰａとすることを特徴とするカラーフィルタの製造方法である。

第１の発明によれば、インク受容層が形成されていない基材に印刷した着色画素の表面を透明接着剤層が付与された透明フィルム基材を用いて、着色画素表面と透明フィルム基材の透明接着剤層面とを圧着することで、印刷後の着色画素面積よりも大きな画素形状を形成することができ、かつ画素毎の面積も揃える事が出来る。また、着色画素内の色ばらつきも平坦化され、さらに、着色画素内の画素割れも防ぐことができる。

第２の発明によれば、インクの濡れ広がりが大きい基材や表面張力の低いインクに対しても、紫外線硬化させる事で安定した着色画素形状を形成でき、形状のばらつきが小さく安定した、カラーフィルタを作製することが出来る。

第３の発明によれば、カラーフィルタ厚さを透明フィルムの圧着後に均一に出来、着色画素面積のばらつきが小さいカラーフィルタを作製出来る。

第４の発明によれば、カラーフィルタ画素が透明フィルムの圧着後に割れず、印刷位置も変化しないカラーフィルタを作製出来る。

本発明の実施形態を示すものであり、カラー用画素の説明図（上面図） 本発明の実施形態を示すものであり、印刷液滴配置の説明図（上面図） 本発明の実施形態を示すものであり、インクジェット印刷機の説明図（等角図） 本発明の実施形態を示すものであり、カラーフィルタ層構成の説明図（側面図）

以下、本発明の詳細な形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るカラー用画素の説明図（上面図）である。

インクジェット法により印刷されるカラーフィルタの着色部のそれぞれは、反射型ディスプレイの画素電極のパターンと対応した配列で印刷を行う。つまり、カラーフィルタの着色部は、画素電極のパターンに対応するように印刷され、１画素（以下、カラー表示画素１）は、複数のサブ画素エリア２により構成されることになる。例えば、図１ではカラー表示画素１の１／４の大きさをサブ画素エリア２とする。具体的には、１５０ｐｐｉの解像度を持つ反射型ディスプレイパターンの場合、駆動パターンは１６９μｍピッチである。この時、カラーフィルタを使用してカラーを表現する際には、画素電極に対応して印刷したサブ画素エリア２を使用し、カラー表示画素１に示すエリアにて、１画素のカラー表示を行なう。

図２は、本発明の実施形態に係る印刷液滴配置の説明図（上面図）である。

本発明では基材にインクジェットインクを受容する層が形成されていない。その為、ある程度解像度が低く着色画素の面積を大きく出来る場合は、四角形状に近い形になるように複数個のインクジェット吐出液滴を配列し、形成する事が好ましい。具体的には、１００μｍを超える着色画素を形成する場合、図２に示すように、サブ画素エリア２内の４隅にインク液滴３を配置した後に、サブ画素エリア２内の中央部に、４隅に配置したインク液滴３の面積よりも大きいインク液滴４を配置する。ただし、インクジェットの最小液滴による着色画素面積は、インクジェットヘッドの性能によるものと、インクの物性（粘度、表面張力等）、インクと基材の接触角が主な要因として作用し、決定される。

解像度が高く、画素面積が小さい場合は、画素形状は円形状で構わない。その際、異なる着色画素の隙間が混色しない程度に狭くすると、発色性能が上がる為、好ましい。

次に本発明に用いるインクジェット装置の一実施形態を図面を用いて説明する。図３は、本発明の実施形態に係るカラーフィルタの製造方法におけるインクジェット印刷機の説明図である。

塗布装置の装置構成として、基材２０を載せ、１方向に精度良く搬送する搬送ステージ３０と、基材に塗布する為のインクジェットインクが供給されたインクジェットヘッド１０と、該インクジェットヘッド１０を基材から一定高さを保持し、搬送方向に直交移動することが可能なインクジェットヘッドユニット６０が備えられている。インクジェットヘッドは、インクを吐出する複数のノズルを備えており、このノズルは、インクジェットヘッドをカラーフィルタ層の着色画素パターン（以下、単に画素パターンとする）に対して相対的に走査する走査方向に対して所定の等間隔になるように配置されている。さらにインクジェットヘッド１０のノズルからインクジェットインクを吐出制御するためのインクジェットヘッド制御盤１１が備えられている。インクジェットヘッドノズル９０から基材までの距離を３００μｍ〜２０００μｍとすることによって、塗布精度良く塗布可能となる。距離が３００μｍ以下であると、インクジェットヘッドと電子ペーパー基材が接触する危険性が高まり、２０００μｍ以上であると、吐出飛行曲がり（ミスディレクション）が発生し易い。また、インクジェットヘッドのノズルの吐出性を回復する為のメンテナンス装置１２が備えられている。このメンテナンス装置１２はノズル面をウエスやフィルム等でワイピングの実施や液を吐出する為のポット等が備えられており、一般的なインクジェットヘッドのメンテナンス機構１２が利用可能である。塗布カラー電子ペーパーの画素パターンの位置を決める為に、アライメント用カメラと画像処理ユニットが備えられていると好ましい。

本発明にあっては、図３に示したインクジェット塗布装置を用い、複数のノズルを備えたインクジェットヘッドを前記画素パターンに対して相対的に走査し、前記基材面に対し、インクジェットインクを吐出して供給し、インクジェットインク層すなわちカラーフィルタ層が形成される。なお、本発明にあっては、複数のノズルを備えたインクジェットヘッドを前記画素パターンに対して相対的に走査される。図３に示すように、基材側を走査してもかまわないし、インクジェットヘッド側を走査してもかまわない。また、基材とインクジェットヘッドの両方を操作してもかまわない。

本発明における着色インクの材料は、着色顔料、樹脂、分散剤、溶媒を用いる。また、フッ素を加え、撥液性を持たせても良い。インクの顔料は赤色、緑色、青色の３種類を使う事が好ましいが、どれか１種類か２種類でもよく、黄色、水色、紫色を用いてもよい。また、色の組み合わせは限定されない。

着色剤として使用する顔料の具体例としては、Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｒｅｄ９、１９、３８、４３、９７、１２２、１２３、１４４、１４９、１６６、１６８、１７７、１７９、１８０、１９２、２１５、２１６、２０８、２１６、２１７、２２０、２２３、２２４、２２６、２２７、２２８、２４０、２５４、Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｂｌｕｅ １５、１５：６、１６、２２、２９、６０、６４、Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｇｒｅｅｎ７、３６、Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｒｅｄ ２０、２４、８６、８１、８３、９３、１０８、１０９、１１０、１１７、１２５、１３７、１３８、１３９、１４７、１４８、１５３、１５４、１６６、１６８、１８５、 Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｏｒａｎｇｅ３６、 Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｖｉｏｌｅｔ２３などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。さらに、これらは要望の色相を得るために２種類以上を混合して用いても構わない。

着色インクの材料の樹脂としては、カゼイン、ゼラチン、ポリビニールアルコール、カルボキシメチルアセタール、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、メラニン樹脂などが用いられ、色素との関係にて適宜選択されるものである。 耐熱性や耐光性が要求される際にはアクリル樹脂が好ましいものである。

樹脂への色素の分散を向上させるために、分散剤を用いてもよく、分散剤として、非イオン性界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなど、また、イオン性界面活性剤としては、例えば、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ポリ脂肪酸塩、脂肪酸塩アルキルリン酸塩、テトラアルキルアンモニウム塩など、その他に、有機顔料誘導体、ポリエステルなどがあげられる。 分散剤は一種類を単独で使用してもよく、また、二種類以上を混合して使用してもよい。

着色インクに使用する溶剤種としてはインクジェット印刷における適性の表面張力範囲３５ｍＮ／ｍ以下で、且つ、沸点が１３０℃以上のものが好ましい。表面張力が３５ｍＮ／ｍ以上であるとインクジェット吐出時のドット形状の安定性に著しい悪影響を及ぼし、また、沸点が１３０℃以下であるとノズル近傍での乾燥性が著しく高くなり、その結果、ノズル詰まり等の不良発生を招くので好ましくない。具体的には、２−メトキシエタノール、２−エトキシエタノール、２−ブトキシエタノール、２−エトキシエチルアセテート、２−ブトキシエチルアセテート、２−メトキシエチルアセテート、２−エトキシエチルエーテル、２−（２−エトキシエトキシ）エタノール、２−（２−ブトキシエトキシ）エタノール、２−（２−エトキシエトキシ）エチルアセテート、２−（２−ブトキシエトキシ）エチルアセテート、２−フェノキシエタノール、ジエチレングリコールジメチルエーテルなどを挙げることができるが、これらに限定されるものではなく、上記要件を満たす溶剤なら用いることができる。また、必要に応じて２種類以上の溶剤を混合して用いても構わない。

サブ画素エリア２内の４隅にインク液滴３を配置し、サブ画素エリア２内の中央部に４隅に配置したインク液滴３よりも大きい面積を持つインク液滴４を配置した後に、インクに含まれる溶媒を蒸発させる為に、乾燥を実施する。乾燥手段には加熱、送風、減圧、光照射、電子線照射の何れかの方法を用いることができ、また、その２種類以上を組み合わせて用いてもよい。

図４は、本発明の実施形態に係るカラーフィルタ層構成の説明図である。

基材８上にインクジェット印刷法により着色画素７を形成した後、透明接着剤層６を有する透明フィルム基材５を、透明接着剤層６の面が着色画素７の表面に接着するように、ラミネート装置を用いて圧着する。

透明フィルム基材５としては、透明接着剤層６が形成された透明フィルムが好ましい。透明接着剤層６の厚みは５μｍ〜３０μｍが好ましい。透明接着剤層６が５μｍ以下の場合、カラーフィルタ層と透明フィルムが剥離しやすく、３０μｍ以上の場合、透明度が下がる、画素の平坦化が少なくなる等の問題が起きやすい。

加える圧力としては、０．１ＭＰａから０．８ＭＰａが好ましい。０．１ＭＰａ以下であると、カラーフィルタ層と透明フィルムの密着が不十分になり、剥離破損しやすい。０．８ＭＰａ以上であると、着色画素の拡大率は大きくなるが、基材自体の変形が大きく、カラーフィルタの歪みが発生する原因となりやすい。圧着速度は、１〜１０ｍｍ／ｓｅｃが好ましい。それ以上遅いとカラーフィルタ作製に時間がかかり過ぎてしまい、速すぎるとカラーフィルタ層が形成された基材と透明フィルム間に位置ずれや滑りが発生し、カラーフィルタ画素にせん断応力が加わり形がおきやすい。

インク受容層が形成されていない基材に対して、インクジェット法により画素形成した後、透明接着剤層６が付与された透明フィルム基材５を用いて、透明フィルム基材５の透明接着剤層６と着色画素７の表面とを圧着することにより、１）印刷後の着色画素面積より大きな画素形状を形成することができ、また、２）それぞれの着色画素毎の面積の均一化、３）着色画素内の画素中央部と画素端部の着色画素内の色ばらつきの平坦化、４）着色画素内の画素割れを防ぐことができるといった効果を奏する。また、透明フィルム基材５は表面保護フィルムとしての機能を併せて持つ。圧着後における、隣り合う異なる色の着色画素同士の間の距離を５μｍ以下とすると、特に鮮やかで明るいカラーフィルタ、従ってカラー反射型ディスプレイを実現することができる。

印刷後の着色画素７の面積を算出する方法としては、顕微鏡写真で撮影した着色画素を画像処理して２値化する方法で行う。また、印刷した着色画素の色度測定は、着色画素中央部と着色画素端部を、顕微分光光度計（オリンパス株式会社製「ＯＳＰ−ＳＰ２００」、測定スポット径：２０μｍ）を用いて透過光による測定を行い、Ｃ光源での色度（ｘ，ｙ）を算出する。

以下、本発明に関わる具体的実施例について説明する。

[実施例１]
実施例として、フィルム製カラーフィルタ基材の作製方法について述べる。
２４０ｍｍ×３００ｍｍサイズにカットした、ポリエチレンテレフタレート(ＰＥＴ)フィルム基材の表面を純水にて洗浄、エアーにて乾燥した。

ＰＥＴフィルム基材をインクジェット印刷機に設置し、ＰＥＴフィルム基材の所定の場所４箇所に反射型ディスプレイとの貼り合せ時に目印となるアライメントマークを印刷した。次に相対的な位置関係が分かる位置にカラーフィルタ画素となるように、格子状のパターンに印刷を行なった。印刷に用いたインクは、顔料３％、合成樹脂２２％、シクロヘキサノン５％、ジエチレングリコールジメチルエーテル７０％とした。顔料としては、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）を用いた。アライメントマークの印刷インクは赤を使用した。

着色画素ピッチは、２００μｍとした。２００μｍ枠の中に１８０μｍ角以上の着色面積を持たせるため、印刷後、１滴直径４０μｍの円形状となる液滴を１８０μｍ角の４隅に配置するため、４隅の液滴の中心間距離を１４０μｍ空けて印刷した。１滴の液量はおよそ１０ｐｌとした。そして、４隅の中央に８滴分の液量（約８０ｐｌ）を吐出し、画素形状を形成した。異なるインク赤、緑、青をそれぞれ印刷した。

カラーフィルタ層を形成したＰＥＴフィルム基材を８０度で５分間熱乾燥した。

厚さ２０μｍの透明アクリル接着剤付きで厚さ３０μｍのＰＥＴフィルムを、カラーフィルタ画素の表面にラミネート装置を用い、圧着した。圧着した圧力は０．４ＭＰａとした。圧着速度は３ｍｍ/ｓｅｃとした。

まず、顕微鏡写真の着色画素を画像処理し２値化し、着色画素の面積を算出した。フィルム基材で着色画素表面を圧着しない場合、２００μｍ枠の中に１６０μｍ角の着色面積であった。一方、着色画素圧着後の画素形状を測定したところ、画素の着色面積は１９８μｍ角に拡大しており、混色せずに着色画素面積が大きいカラーフィルタを作製した。

次に、顕微鏡写真の着色画素を画像処理し２値化したデータを用いて、各々の着色画素毎の面積のばらつきを算出した。本発明を実施することにより、ＲＧＢ全ての着色画素において、着色画素毎の面積のばらつきは、４８０画素で±２％以内となり、目視で色ムラも見えない綺麗なカラーフィルタパターンを形成する事ができる。

次に、顕微分光光度計を用いて着色画素内の画素中央部と画素端部の色度測定を行い、画素中央部と画素端部の色ばらつきを算出した。インク受容層上に着色画素を形成した場合、着色画素中央部と端部の測定値の差が、Ｒｅｄにおいてはｘ値で０．０５、Ｇｒｅｅｎにおいてはｙ値で０．０３、Ｂｌｕｅにおいてはｙ値で０．０３であった。一方、本発明のように、インク受容層が形成されていない基材に対して、インクジェット法により画素形成した後、透明フィルム基材を圧着することにより、着色画素中央部と端部の測定値の差が、Ｒｅｄにおいてはｘ値、Ｇｒｅｅｎにおいてはｙ値、Ｂｌｕｅにおいてはｙ値で算出した結果、ＲＧＢ全ての着色画素において０．０１以下になった。これにより、目的の色となるインクの濃さをコントロールする事が出来る。作製したカラーフィルタと反射型表示パネルを組み合わせた場合、着色画素の中央部と端部の測定値の差が０．０１以上では、色ムラが発生したが、本発明の着色画素の中央部と端部の測定値の差が０．０１以下では、色ムラの発生は観察されなかった。

さらに、着色画素の顕微鏡観察した結果、着色画素表面をフィルム基材に圧着しない場合は、着色画素内に画素割れが発生した。一方、本発明のように、フィルム基材で圧着することにより、着色画素内には画素割れは観察されなかった。

[実施例２]
基材にインクジェット装置にて格子状のパターンに印刷を行なった。印刷に用いたインクは、顔料２％、合成樹脂２３％、シクロヘキサノン５％、ジエチレングリコールジメチルエーテル７０％とした。

着色画素ピッチは、１７０μｍとした。１７０μｍ枠の中に１５０μｍ角以上の着色面積を持たせるため、印刷後、１滴直径４０μｍの円形状となる液滴を１５０μｍ角の４隅に配置するため、４隅の液滴の中心間距離を１１０μｍ空けて印刷した。１滴の液量はおよそ１０ｐｌとした。そして、４隅の中央に６滴分の液量（約６０ｐｌ）を吐出し、画素形状を形成した。異なるインク赤、緑、青をそれぞれ印刷した。

カラーフィルタ層を形成したＰＥＴフィルムを８０度で５分間熱乾燥した。

厚さ１０μｍの透明アクリル接着剤付きのＰＥＴフィルムを、カラーフィルタ画素の表面にラミネート装置を用い、圧着した。圧着した圧力は０．８ＭＰａとした。圧着速度は１ｍｍ/ｓｅｃとした。

着色画素の評価については、実施例１と同様に評価した。

フィルム基材で着色画素表面を圧着しない場合、１７０μｍ枠の中に１４０μｍ角の着色面積であった。一方、着色画素圧着後の画素形状を測定したところ、画素の着色面積は１７０μｍ角に拡大しており、混色せずに着色画素面積が大きいカラーフィルタを作製した。この場合において、隣り合う異なる色の着色画素同士の間の距離は０μｍである。

次に、各々の着色画素毎の面積のばらつきを算出した結果、ＲＧＢ全ての着色画素において、着色画素毎の面積のばらつきは、４８０画素で±２％以内となった。

次に、顕微分光光度計を用いて、着色画素内の画素中央部と画素端部の色ばらつきを算出した。インク受容層が形成されていない基材に対して、フィルム基材を圧着することにより、着色画素中央部と端部の測定値の差が、Ｒｅｄにおいてはｘ値、Ｇｒｅｅｎにおいてはｙ値、Ｂｌｕｅにおいてはｙ値で算出した結果、ＲＧＢ全ての着色画素において０．０１以下になった。

さらに、着色画素の顕微鏡観察した結果、着色画素表面を透明フィルム基材に圧着しない場合は、着色画素内に画素割れが発生した。一方、本発明のように、透明フィルム基材で圧着することにより、着色画素内には画素割れは観察されなかった。

本発明は、電子ペーパー等の反射型表示装置に適用可能である。

１ …カラー表示画素（４個のサブ画素）
２ …サブ画素エリア
３ …サブ画素内に印刷した、４隅の着色インク液滴
４ …サブ着色インク液滴
５ …透明フィルム基材
６ …透明接着剤層
７ …着色画素
８ …基材
１０…インクジェットヘッド
１１…インクジェットヘッド制御基盤
１２…インクジェットヘッドメンテナンス機構
２０…基材
３０…搬送ステージ
４０…インクジェット塗布装置
５０…乾燥部
６０…インクジェットヘッドユニット
７０…インクタンク

Claims (4)

1. 基材上にカラーフィルタを作製するカラーフィルタの製造方法であって、
   インクジェット印刷法で１色以上の着色インクを用いて前記基材上に任意の印刷パターンを形成し、
   乾燥装置を用いて前記印刷パターンに含まれる溶媒成分を揮発させて着色画素を形成し、
   前記着色画素の表面に、透明接着剤層を有する透明フィルム基材を用いて、前記透明接着剤層の面と前記着色画素の表面とが接着するように圧着し、前記着色画素の面積を拡大することを特徴とするカラーフィルタの製造方法。
2. 前記着色インクに紫外線硬化性材料を含有させ、
   インクジェット印刷法で前記着色インクを用いた任意のパターンを印刷中もしくは印刷直後に紫外線を照射することにより前記パターンを仮硬化して、前記印刷パターンを形成することを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタの製造方法。
3. 前記透明接着剤層は３０μｍ以下の膜厚で均一に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のカラーフィルタの製造方法。
4. 前記着色画素の表面に圧着する力を０．１ＭＰａ〜０．８ＭＰａとすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のカラーフィルタの製造方法。

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