KR100416760B1 - 졸겔공정을 이용한 지르콘산-티탄산 납 후막의 제조방법 - Google Patents
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-
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Abstract
본 발명은 졸겔법을 이용한 지르콘산-티탄산 납 후막의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 방법은 a) 납 전구체를 산 및 디올의 혼합용매에 용해하고 교반하는 단계; b) 지르코늄 및 티타늄 전구체를 각각 산 및 디올의 혼합용매에 용해하고 교반하는 단계; c) 상기 a) 및 b) 단계에서 제조한 용액을 혼합하여 지르콘산-티탄산 납(PZT) 스톡 용액을 제조하는 단계; d) 상기 PZT 스톡 용액을 기판 상에 스핀 코팅하는 단계; 및 e) 열처리 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 졸-겔 공정(sol-gel process)을 이용한 지르콘산-티탄산납(PZT: PbZrxTi1-xO3,여기에서 0<x<1) 후막의 제조에 관한 것으로, 특히 후막의 균열이 없고 전기적 특성에 우수한 치밀한 후막을 형성할 수 있는 PZT 후막 제조방법에 관한 것이다.
세라믹 시료를 제조하기 위한 공정의 하나인 졸-겔 공정은 일반적으로 함수 산화물 졸을 탈수 처리하여 겔화하고, 이 겔을 가열함으로써 무기산화물을 어느 일정 형상 또는 기판 상에 피막된 형태로 제조하는 공정을 일컬으며, 조성물, 미세구조, 파이버 및 후막 제조 등의 분야에 널리 응용되고 있는 공정이다.
한편, PZT 막은 압전체로서 다양한 용도로 사용되며, 벌크에서의 문제점을 박막화하면 해결 가능하다는 이유로 보다 효율적인 PZT 막의 제법에 대한 관심이 날로 증대되고 있다. 구체적으로 튜와 밀란(Y.L. Tu and S.J. Milne,"Process and characterization of Pb(Zr,Ti)O3 films, up to 10 ㎛ thick, produced from a diol route," United Kingdom 1996 MRS)은 디올 계통의 솔벤트를 단지 점성을 높이는 것으로 사용한 방법을 통해 최대 10 ㎛ 두께의 PZT 막을 제조하는 방법을 개시하고 있다.
도 1은 상기 논문에 실린 튜 및 밀란의 방법에 의해 제조된 PZT 막의 X선 회절 분석 결과이고, 도 2a 및 2b는 상기 PZT 막에 대한 표면 및 단면을 주사전자현미경(FE-SEM)으로 분석한 사진이다.도 1의 (a)는 직접삽입법을 이용하여 600℃에서 20초간 예비 소결한 후이고, (b)는 700℃에서 15분간 최종 소결한 후이다. p는 파이로클로아(pyrochlore)를 나타낸다.
도 1에 의하면, 기존의 PZT 막은 방향성이 랜덤하다는 점을 알 수 있고, 또한 도 2a 및 도 2b로부터 후막이 랜덤하게 로셋(rosette) 형태로 성장할 뿐 아니라 단면의 경우 각각의 층이 분리되어 적층된 것을 알 수 있다. 이와 같은 특성으로 인하여 기존의 PZT 후막들은 대부분 백금(Pt) 후막 위에서 결정 및 성장에 어려움을 보여주고 있으며, 설령 성공한다 하더라도 하부층인 SiO2의 두께가 최소 500 nm 이상일 것이 요구되고 있다.
실리콘 옥사이드 층의 두께에 따라 막의 균열을 방지할 수 있다. 즉, 코팅된 막에 열이 전해질 때 열전달의 완충역활을 한다고 할 수 있다. 이 완충층의 존재로 막이 균열없이 자랄 수 있는 것이다. 그러나, 이 막의 두께에 있어 두껍게 하는 것보다 가격 면이나, 기술, 시간적인 측면에서 얇을 수록 유리하다.
이에 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 안정성과 결정성이 우수하여 하부층의 두께가 200 nm 수준으로 얇은 경우에도 1회 500 nm 수준의 두꺼운 막의 형성이 가능하며, 후막의 표면이 치밀하고 열처리시 균열의 염려가 없는 PZT 후막 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1은 종래 기술에 의해 제조된 PZT 후막의 X선 회절 분석 결과이고,
도 2a 및 2b는 상기 도 1의 PZT 후막의 표면 및 단면에 대한 주사전자현미경(FE-SEM) 사진이며,
도 3a 및 3b는 실시예 6에서 제조된 PZT 후막의 X선 회절 분석 결과
도 4a 및 4b는 실시예 6에서 제조된 PZT 후막의 표면 및 단면에 대한 주사전자현미경(FE-SEM) 사진이며,
도 5는 실시예 6에서 제조된 PZT 후막에 대한 전기적 특성 테스트 결과이다.
본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여,
a) 납 전구체를 산 및 디올의 혼합용매에 용해하고 교반하는 단계;
b) 지르코늄 및 티타늄 전구체를 각각 산 및 디올의 혼합용매에 용해하고 교반하는 단계;
c) a) 및 b) 단계에서 제조한 용액을 혼합하여 지르콘산-티탄산 납(PZT) 스톡 용액을 제조하는 단계;
d) 상기 PZT 스톡 용액을 기판 상에 스핀 코팅하는 단계; 및
e) 열처리 하는 단계를 포함하는 지르콘산-티탄산 납(PZT) 후막을 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 c) 단계에서 a) 및 b) 단계에서 제조한용액을 혼합한 후 가수분해하여 PZT 스톡 용액을 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 b) 단계에서 티타늄 전구체를 산 용액에 먼저 혼합한 후 지르코늄 전구체 및 디올과 혼합할 수 있다.
본 발명의 또다른 실시예에 의하면, 상기 b) 단계에서 티타늄 전구체와 지르코늄 전구체를 함께 산 및 디올 용액에 혼합할 수 있다.
본 발명의 또다른 실시예에 의하면, 상기 b) 단계에서 티타늄 전구체를 산 및 디올 용액에 먼저 혼합한 후, 역시 산 및 디올에 혼합된 지르코늄 전구체와 혼합할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 각각의 용액을 제조한 단계에서 증류 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 e) 열처리 단계는
1) 350-400℃ 공기 분위기에서 베이킹하는 단계;
2) 550-650℃ 공기 분위기에서 프리어닐링하는 단계; 및
3) 650-700℃ 공기 분위기에서 최종 어닐링하는 단계로 이루어진다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 1) 내지 2) 단계를 1회 이상 반복할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 납 전구체는 납산화물(PbO), 아세트산납 삼수화물(Pb(OAc)23H2O) 및 2-에틸 헥산산 납으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 티타늄 전구체는 Ti(i-OPr)4또는 Ti(i-OBt)4(여기서 i-OPr 및 i-OBt는 각각 이소프로필기와 이소부틸기를 의미함)일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 지르코늄 전구체는 Zr(n-OPr)4또는 Zr(n-OBt)4(여기서 n-OPr 및 n-OBt는 1-프로필기와 1-부틸기를 의미함)일 수있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 산 용매는 아세트산, 디올 계통의 용매로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 디올 용매는 1,3-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 1,2-프로판디올 및 에틸렌글리콜로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 지르콘산-티탄산납 스톡용액의 농도는 0.1 ~ 2 M의 범위일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 각각의 전구체 용액은 불활성 대기하 상온(25℃) 내지 350℃의 범위에서 제조될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 금속 전구체가 1,3-프로폭사이드로 리간드 치환 반응된 것일 수 있다.
이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 표준적인 졸-겔 공정의 범주 내 뿐만이 아니라 금속 리간드의 치환 반응을 통해 용액의 우수한 안정성과 결정성을 바탕으로 전기적 특성이 우수한 PZT 후막을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명에 있어서 주안점은 금속 리간드 각각을 안정화하여 용액 상에서 좀 더 치밀한 후막을 제조할 수 있는 분위기를 조성하는데 있다. 또한 이 용액 체계를 이용하면 기존의 문제가 되는 후막의 균열 현상과 한계적인 후막의 제한 조건을 극복할 수 있다. 기존에 알려진 용액 시스템의 경우 백금 전극에 사용하는 경우 SiO2층이 최소 500nm 이상이 필요하였으나, 본 발명에 의한 공정을 사용하면 200nm 수준의 두께만 되어도 후막을 성장시킬 수 있으며, 용액의 안정성 또한 우수하다.
용액을 만드는 분위기는 불활성 분위기, 즉 질소 또는 아르곤 분위기가 바람직하며, 증류는 생략하거나, 각각의 용액제조 단계 혹은 마지막 단계에서 수행해 줄 수 있다. 증류를 하게 되면 디올 용매 외에 기타 금속의 리간드로부터 기인한 알콜과 안정화제로 첨가된 아세트산을 제거하기 위한 것이다.
본 발명에 의한 방법은 종래의 방법과 달리 각각의 전구체를 단일 전구체(single-precursor)로서 사용하여 보다 안정하고 낮은 온도에서 상형성이 가능하게 하였다. 그 결과 본 발명에 의한 방법은 저온 공정(550℃)에 이용될 수 있는 장점도 있다.
본 발명이 갖는 이와 같은 특징은 각각의 전구체의 리간드가 한 가지로써 용매와 유사한 형태를 가지고, 졸-겔 사슬이 균일하고 안정한 형태를 취하고 있는 단일 전구체이기 때문이다. 따라서, 본 발명의 방법은 기존의 알려진 용액을 안정화시킨 용액에 비하여 용액의 안정성과 내구성이 증가되었으며 또한 후막 표면의 미세 구조의 치밀도를 향상시킬 수 있고, 후막의 습윤성(wet-ability)이 우수하여 후막표면에 나타나는 줄무늬와 같은 현상도 없다.
특히, PZT 후막을 제조할 때 가장 큰 문제가 되는 것은 후막 표면이 들고 일어나는 크랙인데, 본 발명의 경우 이러한 문제점이 해결될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 들어 PZT 후막 제조 방법을 보다 구체적으로 설명한다.
<실시예 1>
납전구체로서 아세트산납 삼수화물, 지르코늄 전구체로서 지르코늄 n-프로폭사이드(zirconium n-propoxide) 및 티타늄 전구체로서 티타늄 이소프로폭사이드(titanium iso-propoxide)를 준비하였다.
먼저, 질소 분위기 하에서 아세트산납 삼수화물 23.44g을 아세트산 5 ml 및 1,3-프로판디올 20 ml에 부가하고 교반하면서 4시간 동안 150 ℃ 이상으로 가열하여 디올이외 금속의 리간드에서 기인한 알콜과 안정화제로 첨가된 아세트산을 증류시켰다.
지르코늄 n-프로폭사이드 12.57 g과 티타늄 이소프로폭사이드 9.05 g을 각각 아세트산 10 ml에 부가하여 안정화시킨 다음 두 전구체 용액을 혼합하고 여기에 1,3-프로판디올 20 ml를 부가하고 교반하면서 4시간 동안 150 ℃ 이상으로 가열하여 디올 이외에 금속의 리간드에서 기인한 알콜과 안정화제로 첨가된 아세트산을 증류시켰다.
이상과 같이 준비한 납 전구체 용액 20 ml 및 지르코늄-티타늄 전구체 용액40 ml을 함께 혼합하여 교반하면서 4시간 동안 150 ℃ 이상으로 가열한 다음 가수분해하고 여과하여 1M 농도의 지르콘산-티탄산 납(PZT) 스톡용액을 얻었다.
<실시예 2>
납전구체로서 납산화물(PbOx), 지르코늄 전구체로서 지르코늄 n-프로폭사이드(zirconium n-propoxide) 및 티타늄 전구체로서 티타늄 이소프로폭사이드(titanium iso-propoxide)를 준비하였다.
먼저, 질소 분위기 하에서 납산화물 11.15g을 아세트산 5 ml 및 1,3-프로판디올 10 ml에 부가하고 교반하면서 4시간 동안 150 ℃ 이상으로 가열하여 디올 이외에 금속의 리간드에서 기인한 알콜과 안정화제로 첨가된 아세트산을 증류시켰다.
지르코늄 n-프로폭사이드 12.57 g과 티타늄 이소프로폭사이드 9.05g을 함께 아세트산 10ml에 부가하여 안정화시킨 다음 1,3-프로판디올 20ml를 부가하고 교반하면서 4시간 동안 150 ℃ 이상으로 가열하여 디올 이외 금속의 리간드에서 기인한 알콜과 안정화제로 첨가된 아세트산을 증류시켰다.
이상과 같이 준비한 납 전구체 용액 15ml 및 지르코늄-티나늄 전구체 용액 40 ml을 함께 혼합하여 교반하면서 4시간 동안 150 ℃ 이상으로 가열한다음 가수분해하고 여과하여 1 M 농도의 지르콘산-티탄산 납(PZT) 스톡용액을 얻었다.
<실시예 3>
납전구체로서 납산화물(PbOx), 지르코늄 전구체로서 지르코늄 n-프로폭사이드(zirconium n-propoxide) 및 티타늄 전구체로서 티타늄이소프로폭사이드(titanium iso-propoxide)를 준비하였다.
먼저, 질소 분위기 하에서 납산화물 11.15g을 아세트산 5 ml 및 1,3-프로판디올 10 ml에 부가하고 교반하면서 4시간 동안 150 ℃ 이상으로 가열하여 디올 이외 금속의 리간드에서 기인한 알콜과 안정화제로 첨가된 아세트산을 증류시켰다.
지르코늄 n-프로폭사이드 12.57g을 아세트산 5ml 및 1,3-프로판디올 15ml 혼합용액에 부가한 다음 교반하면서 증류시켰다.
티타늄 이소프로폭사이드 9.05g을 아세트산 5ml 및 1,3-프로판디올 15ml 혼합용액에 부가한 다음 교반하면서 증류시켰다.
이상과 같이 준비한 납 전구체 용액 15ml, 지르코늄 전구체 용액 20ml 및 티타늄 전구체 용액 20ml을 함께 혼합하여 교반하면서 4시간 동안 150 ℃ 이상으로 가열한 다음 가수분해하고 여과하여 1M 농도의 지르콘산-티탄산 납(PZT) 스톡용액을 얻었다.
<실시예 4>
가수분해 과정을 생략한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 1M 농도의 지르콘산-티탄산 납(PZT) 스톡용액을 얻었다.
<실시예 5>
상기에 기술한 모든 증류과정을 생략한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 1M 농도의 지르콘산-티탄산 납(PZT) 스톡용액을 얻었다.
이하에서는 상기 실시예 1 내지 5에서 준비한 PZT 스톡용액을 사용하여 PZT후막을 제조하였다.
<실시예 6>
실시예 1에서 제조한 1M PZT 스톡용액을 Pt(270nm)/Ti(30nm)/SiO2(200nm)/Si 재질 기판 상에 250 nm 두께로 스핀코팅하였다. 350 내지 400 ℃의 공기 분위기에서 베이킹 한 후 550 내지 650℃의 산소분위기에서 RTP(rapid thermal process)로 프리어닐링하였다. 상기 과정을 수회 반복하여 3㎛ 두께의 PZT 후막을 얻었다. 이를 650 내지 700℃의 산소분위기에서 RTP(rapid thermal process)로 최종 어닐링하였다.
<실시예 7>
초기에 PTO(PbTiO3) 씨드 층을 1회 코팅한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 후막을 형성하였다.
그 다음 150 ~ 300 ℃에서 프리 베이킹 한 후 350 ~ 400 ℃에서 베이킹을 실시하였다. 550 내지 650℃의 산소분위기에서 RTP(rapid thermal process)로 프리어닐링하고, 상기 과정을 10회 반복하여 3200nm 두께의 PZT 후막을 얻었다. 이를 650 내지 700℃의 산소분위기에서 RTP(rapid thermal process)로 최종 어닐링하였다.
<실시예 8>
프리어닐링을 질소 로(N2Furnace)에서 실시한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 PZT 후막을 얻었다.
<실시예 9>
프리어닐링을 공기 분위기하 핫 플레이트를 이용하여 실시한 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법으로 PZT 후막을 얻었다.
실시예 6에서 제조한 PZT 후막의 1차 어닐링 후 및 최종 어닐링 후 X선 회절분석 결과를 각각 도 3a 및 도 3b로 나타내었다. 도 3a 및 도 3b를 도 1과 비교하면, 도 1의 경우 후막의 결정 방향성이 랜덤한 방향으로 성장하였으나(31도 부근에서 (110) 피크 생성), 도 3a 및 3b의 경우 (100)방향의 한 방향으로 주로 성장하였다. 즉, 기 발표된 논문 자료의 경우 후막의 성장 경향성이 랜덤하나, 본 발명의 경우에는 후막이 (100) 방향으로 주로 성장하는 것을 알 수 있다. 이러한 경향성에 비추어 볼 때 본 발명에 의해 제조되는 PZT 후막은 보존력(retention) 등 기타 전기적인 특성이 유리하리라는 것을 알 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 실시예 6의 최종 어닐링이 완료된 후막의 표면 및 단면에 대하 주사전자 현미경(FE-SEM) 사진이다. 전술한 논문에 발표된 자료인 도 2a 및 도 2b의 표면이 로셋 형태로 성장함을 보이며, 단면의 경우도 각각의 층이 분리되어 적층된 형상을 보이고 있으나, 본 발명에 의한 도 4a 및 도 4b의 경우는 후막 표면이 치밀하고 그레인의 크기가 작으며 단면의 경우 또한 치밀하게 성장하는 것을 알 수 있다.
도 5는 실시예 6에서 제조한 후막의 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 20V에서 거의 포화(saturation) 되고 있으며, 52/48의 조성임에도 높은 잔류 분극 값을 보이고 있다.
이외에도 본 발명에 의해 제조된 PZT 후막은 다음과 같은 특징을 갖는다.
본 발명에 의한 PZT 후막은 550℃에서도 결정성이 뛰어나므로 저온 공정에도 유리하게 적용될 수 있다. 또한 본 발명을 이용하여 후막을 제조할 때 유리한 점은 열처리시 크랙이 거의 발생하지 않는다는 것이다. 기존의 발표된 논문들은 대부분 백금(Pt) 후막 위에서 결정화 및 성장에 어려움을 보여주고 있으며, 성공한 경우에도 하부층은 SiO2의 두께가 최소 500nm를 요구하고 있다. 하지만 본 발명에 의한 방법을 사용하여 후막을 제조하는 경우 SiO2의 두께가 200nm 수준인 경우에도 후막 형성이 가능하여 안정성과 결정성이 우수하다는 것을 알 수 있다.
본 발명은 졸겔법에 의한 PZT 후막 제조시 금속 리간드 각각을 안정화함으로써 보다 치밀하고 균열 현상을 억제하며, 우수한 안정성, 결정성 및 전기적 특성을 지닌 PZT 후막을 얻을 수 있다.
Claims (17)
- a) 납 전구체를 산 및 디올의 혼합용매에 용해하고 교반하는 단계;b) 지르코늄 및 티타늄 전구체를 각각 산 및 디올의 혼합용매에 용해하고 교반하는 단계;c) a) 및 b) 단계에서 제조한 용액을 혼합하여 지르콘산-티탄산 납(PZT) 스톡 용액을 제조하는 단계;d) 상기 PZT 스톡 용액을 기판 상에 스핀 코팅하는 단계; 및e) 열처리 하는 단계를 포함하는 지르콘산-티탄산 납(PZT) 후막을 제조하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 c) 단계에서 a) 및 b) 단계에서 제조한 용액을 혼합한 후 가수분해하여 PZT 스톡 용액을 제조하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 b) 단계에서 티타늄 전구체를 산 용액에 먼저 혼합한 후 지르코늄 전구체 및 디올과 혼합하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 b) 단계에서 티타늄 전구체와 지르코늄 전구체를 함께 산 및 디올 용액에 혼합하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 b) 단계에서 티타늄 전구체를 산 및 디올 용액에 먼저 혼합한 후, 역시 산 및 디올에 혼합된 지르코늄 전구체와 혼합하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 각각의 용액을 제조한 단계에서 증류 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 e) 단계는,1) 350-400℃ 공기 분위기에서 베이킹하는 단계;2) 550-650℃ 공기 분위기에서 프리어닐링하는 단계; 및3) 650-700℃ 공기 분위기에서 최종 어닐링하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 1) 내지 2) 단계를 1회 이상 반복하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 납 전구체는 납산화물(PbOx), 아세트산납 삼수화물(Pb(OAc)23H2O) 및 2-에틸 헥산산 납으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 티타늄 전구체는 Ti(i-OPr)4또는 Ti(i-OBt)4(여기서 i-OPr 및 i-OBt는 각각 이소프로필기와 이소부틸기를 의미함)인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 지르코늄 전구체는 Zr(n-OPr)4또는 Zr(n-OBt)4(여기서 n-OPr 및 n-OBt는 1-프로필기와 1-부틸기를 의미함)인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 산 용매는 아세트산 및 디올 계통의 용매로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 디올 용매는 1,3-프로판디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 1,2-프로판디올 및 에틸렌글리콜로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 디올 용매가 에틸렌글리콜인 경우 납전구체로서는 2-에틸헥산산납을, 지르코늄 전구체로서는 Zr(n-OBr)4를, 산 용매로는 2-에틸헥산산을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 지르콘산-티탄산납 스톡용액의 농도는 0.1 ~ 2 M의 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 각각의 전구체 용액은 불활성 대기하 상온(25℃) 내지 350℃의 범위에서 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 금속 전구체가 1,3-프로폭사이드로 리간드 치환 반응된 것을 특징으로 하는 방법.
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