KR100514588B1 - 기상 증착 장치용 증발원 - Google Patents

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KR100514588B1
KR100514588B1 KR10-2003-0013274A KR20030013274A KR100514588B1 KR 100514588 B1 KR100514588 B1 KR 100514588B1 KR 20030013274 A KR20030013274 A KR 20030013274A KR 100514588 B1 KR100514588 B1 KR 100514588B1
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Abstract

본 발명에 따른 증발원은 증착 재료를 수용하는 공간을 갖는 하우징; 하우징의 상단에 장착되어 하우징 내의 증착 재료를 가열, 기화시키는 커버; 커버의 하부에 설치된 배플; 및 커버에 형성된 절개부에 장착되며, 하우징으로부터 유입된 재료 증기를 2차 가열하여 포화 증기 상태로 한 후 그 상단에 설치된 기판으로 포화된 재료 증기를 배출시키는 혼합 배출부를 포함한다. 본 발명에서의 혼합 배출부는, 일정 간격을 두고 커버의 절단부 양 선단에 각각 고정된 제 1 및 제 2 수직 부재; 제 1 및 제 2 수직 부재의 상단에 각각 고정되며, 내측을 향하여 연장되어 수직 부재의 전 길이에 걸쳐 상부 개구를 형성하는 상부 부재; 제 1 및 제 2 수직 부재의 하단에 각각 고정되며, 내측을 향하여 연장되어 수직 부재의 전 길이에 걸쳐 하부 개구를 형성하되, 배플과는 소정의 간격을 유지하는 하부 부재를 포함한다. 본 발명은 증발원의 하우징 내부 공간에서 형성된 증착 증기의 밀도가 위치에 따라서 다르게 나타날지라도 또다른 가열 부재인 혼합 배출부 내에서 증착 증기를 2차 가열함으로서 완전한 포화 증기압 상태에서 증착 증기를 배출시키는 기능을 갖는다.

Description

기상 증착 장치용 증발원{Deposition source for a vapor depositing device}
본 발명은 기상 증착 장치에 관한 것으로서, 특히 기판의 전체 표면에 균일한 재료 증착층을 형성할 수 있는 구조를 갖는 기상 증착 장치용 증발원에 관한 것이다.
열적 물리적 기상 증착은 증착 재료로 기판 표면에 발광층, 유기물층 등의 재료층을 형성하는 기술로서, 증착 재료는 증발원 내에 수용되고 기화 온도까지 가열되며, 발생된 증착 재료 증기는 증발원 밖으로 이동한 후 코팅될 기판 상에서 응축된다. 이러한 증착 공정은 10-7 내지 10-2 Torr 범위의 압력 상태의 용기 내에서 기화될 증착 재료를 수용하는 증발원 및 증착 재료가 증착될 기판을 갖고 진행된다.
일반적으로, 증착 재료를 수용하는 증발원(deposition source)은 전류가 벽(부재)들을 통과할 때 온도가 증가되는 전기적 저항 재료로 만들어진다. 증발원에 전류가 인가되면, 그 내부의 증착 재료는 증발원의 벽으로부터의 방사열 및 벽과의 접촉으로부터의 전도열에 의하여 가열된다. 전형적으로, 증발원은 상부가 개방된 박스형이며, 이 개방부는 기판을 향한 증기의 분산(유출)을 허용한다.
이러한 유기물 분말을 보다 균일하게 가열하기 위하여 그리고 미립자 또는 방울들의 파열이 기판에 도달하는 것을 방지하기 위하여 설계된 기상 증착 장치의 연구에 많은 노력이 소요되어 왔다. 단지 증기 출구를 보장하기 위하여 증착 재료와 출구 개구 사이의 복잡한 배플 구조에 대한 많은 설계들이 제안되어 왔다.
도 1은 재료층의 증착을 위한 장치에 사용되는 일반적인 선형 증발원의 횡단면도로서, 하우징, 커버 및 하우징 내에 배플이 설치된 형태의 증발원을 도시한다.
일정 길이를 갖는 선형 증발원(10; linear source)은 공간을 형성하는 하우징(11) 및 하우징(11)의 상단에 설치되고 중앙부에는 길이 방향으로 개구(12A)가 형성된 커버(12)를 포함한다. 커버(12)는 발열 부재로 이루어져 증착 재료(M)를 가열하는 히터로서 작용한다.
한편, 커버(12)의 열에 의하여 생성된 재료 증기가 개구(12A)를 통하여 곧바로 피증착원인 기판(도시되지 않음)으로 배출되는 것을 방지하기 위하여 배플(13)이 하우징(11) 내에 설치된다. 배플(13)은 재료 증기의 흐름을 1차 차단한 후, 그 흐름을 변경시키게 되며, 흐름이 변경된 재료 증기는 개구(12A)를 통하여 피증착원으로 배출된다.
이와 같은 구조의 증발원(10)은 증착 장치 내에서 다수개 조합되어 증발 시스템을 형성할 수도 있으며, 또는 하나의 증발원만이 이용될 수도 있다. 또한, 기판(S) 하부에서 도 1의 화살표 방향으로 선형 왕복 이동하여 기판(S) 전체 표면에 증착막을 형성하게 된다. 이와는 반대로, 증발원(10)이 고정된 상태에서 기판(S)이 선형 왕복 이동하도록 구성함으로서 하여도 기판(S) 표면에 증착막이 형성된다.
전술한 바와 같이, 증발원(10)의 한 구성 부재인 커버(12)에 전원이 인가되면 커버(12)에서 열이 발생하고, 하우징(11) 내부에 수용된 증착 재료(M)는 이 커버(12)로부터의 방사열에 의하여 가열된다. 증착 재료(M)는 임계 온도 이상에서 증기화되며, 증착 재료의 증기는 배플(13)과 커버(12) 사이의 공간 및 커버(12)에 형성된 개구(12A)를 통하여 배출되어 증발원(10) 상부에 위치한 기판(S)으로 유동한다.
증착 재료의 가열 과정에서, 하우징(11) 내에 수용된 모든 증착 재료(M)를 균일하게 기화시키는 것을 기대하기는 어려우며, 그 구체적인 이유는 다음과 같다.
먼저, 가열원(heating source)인 커버(12)로부터 열을 공급받은 증착 재료중 하우징(11)의 벽 부재에 인접한 재료로 공급된 열의 일부는 하우징(11) 벽 부재로 전달되며, 따라서 증착 재료(M)의 중앙부에서의 온도가 더 높게 나타나게 된다.
또다른 이유로는, 열을 발생시키기 위하여 일반적으로 커버(12)의 양 종단에 전류가 인가된다. 전류 인가점으로부터 비교적 멀리 떨어진 커버의 중앙부에서의 저항은 양 종단부에서의 저항보다 크게 나타나며, 따라서 저항이 큰 커버의 중앙부에서의 온도가 더 높아지게 된다. 결국 증착 재료(M)의 중앙부에서의 온도가 더 높게 나타나게 된다.
이와 같은 이유로 인하여 하우징(11)의 벽 부재에 인접한 증착 재료에는 상대적으로 적은 열이 공급된다. 따라서 증착 재료(M)는 불균일하게 가열될 수 밖에 없으며, 결국 하우징(11) 내부 공간에서의 증착 재료의 증기 밀도는 위치에 따라서 차이가 나게 된다.
도 1의 선 A-A를 따라 절취한 상태의 단면도인 도 2는 하우징(11) 내부 공간에서 형성된 재료 증기의 밀도가 위치에 따라서 다른 상태를 도시하고 있다. 전술한 바와 같이, 배플(13) 하부인 하우징(11) 중앙부에서는 재료 증기의 밀도가 높은 반면에, 하우징(11) 양측부에서 발생된 재료 증기의 밀도는 상대적으로 적게 나타난다.
도 1에서는 증발원과 기판과의 관계 및 기판 표면의 위치에 따라 증착막이 서로 다른 두께를 갖고 형성된 상태를 함께 도시하고 있으며, 이와 같은 증착막 두께의 불균일은 소자의 신뢰성에 큰 영향을 미치게 된다.
한편, 시간이 경과함에 따라 배플(13) 하부에 있는 증착 재료의 소모량(기화량)이 그 양측부에서의 증착 재료의 소모량보다 많아지며, 하우징(11) 내부에 투입된 증착 재료의 두께가 위치에 따라 다르게 나타난다. 결국, 이러한 상황에서는 장치의 가동을 중지하고 하우징(11) 내의 증착 재료를 평탄화시키거나 또는 증착 재료(M)를 보충하는 등의 장치의 가동 효율을 저하시키는 공정을 수행할 수 밖에 없다.
본 발명은 증발원을 이용하여 기판 표면에 증착막을 형성하는 과정에서 발생하는 상술한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 증발원에서 1차 형성된 재료 증기를 포화 증기 상태로 하여 외부로 배출시켜 기판의 전체 표면에 균일한 증착막을 형성할 수 있는 기상 증착 장치용 증발원을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 증발원은 증착 재료를 수용하는 공간을 갖는 하우징; 하우징의 상단에 장착되어 하우징 내의 증착 재료를 가열, 기화시키는 커버; 커버의 하부에 고정된 배플; 및 커버에 형성된 절개부에 장착되며, 하우징으로부터 유입된 재료 증기를 2차 가열하여 포화 증기 상태로 한 후 그 상단에 설치된 기판으로 포화된 재료 증기를 배출시키는 혼합 배출부를 포함한다.
본 발명에서의 혼합 배출부는, 일정 간격을 두고 커버의 절단부 양 선단에 각각 고정된 제 1 및 제 2 수직 부재; 제 1 및 제 2 수직 부재의 상단에 각각 고정되며, 내측을 향하여 연장되어 수직 부재의 전 길이에 걸쳐 상부 개구를 형성하는 상부 부재; 제 1 및 제 2 수직 부재의 하단에 각각 고정되며, 내측을 향하여 연장되어 수직 부재의 전 길이에 걸쳐 하부 개구를 형성하되, 배플과는 소정의 간격을 유지하는 하부 부재를 포함한다.
본 발명은 증발원의 하우징 내부 공간에서 형성된 증착 증기의 밀도가 위치에 따라서 다르게 나타날지라도 또다른 가열 부재인 혼합 배출부 내에서 증착 증기를 2차 가열함으로서 완전한 포화 증기압 상태에서 증착 증기를 배출시키는 기능을 갖는다.
첨부된 도면을 참고로 한 바람직한 실시예의 상세한 설명에 의하여 본 발명은 보다 완전하게 이해될 것이다.
도 3은 본 발명에 따라 구성된 증발원의 정단면도, 도 4는 도 3의 선 B-B를 따라 절취한 상태의 정면도로서, 본 발명에 따른 증발원(20) 역시 기본적으로 증착 재료를 수용하기 위한 공간을 갖는 하우징(21), 하우징(21)의 상단에 장착되어 증착 재료를 가열, 기화시키는 커버(22)및 커버(22)의 하부에 고정된 수평의 배플 (23)을 포함한다.
본 발명에 따른 증발원(20)의 가장 큰 특징은 공간부가 형성되어 있는 혼합 배출부(30)를 커버(22)에 장착한 것이다. 혼합 배출부(30)는 도 1에 도시된 일반적인 증발원의 커버에 형성된 개구의 위치에 형성되며, 따라서 하우징(21)에서 형성된 재료 증기를 외부로 배출시키는 통로의 기능을 수행한다.
이하에서는 도 3 및 도 5를 통하여 혼합 배출부의 구성을 보다 상세히 설명한다.
도 5는 도 3의 혼합 배출부와 배플만을 도시한 단면도로서, 커버(22)의 중앙부에 길이 방향을 따라서 설치된 혼합 배출부(30)는 간격을 두고 커버(22)의 절단부 양 선단에 각각 고정된 제 1 및 제 2 수직 부재(31-1, 31-2)로 구성되며, (도 3을 기준으로) 전후단은 밀폐된 상태이다. 각 수직 부재(31-1, 31-2)의 상단 및 하단에는 상부 부재(32-1, 32-2) 및 하부 부재(33-1, 33-2)가 내측을 향하여 연장된 상태로 고정되어 있으며, 각 하부 부재(33-1, 33-2)와 배플(23) 사이에는 어느 정도의 간격이 형성된다.
제 1 및 제 2 수직 부재(31-1, 31-2)의 상부 부재들(32-1, 32-2) 사이 그리고 하부 부재(33-1, 33-2) 사이에는 일정한 간격이 형성되며, 이 간격들은 제 1 및 제 2 수직 부재(31-1, 31-2), 상부 부재(32-1, 32-2) 및 하부 부재(33-1, 33-2)에 의하여 형성된 공간(CS; 이하, 편의상 "혼합 배출부 공간"으로 칭함)과 외부를 연결하는 개구로서 작용한다. 이하의 설명에서는 편의상 상부 부재(32-1, 32-2) 사이의 간격을 "상부 개구(H2)"로, 하부 부재(33-1, 33-2) 사이의 간격은 "하부 개구(H3)"로 각각 칭한다.
상술한 구조를 갖는 혼합 배출부(30)는 커버(22)와 마찬가지로 발열 부재로 이루어지며, 외부의 전원 인가 수단에 의하여 전원이 인가되면 열이 발생된다. 이와 같은 혼합 배출부(30)를 구비한 증발원의 기능상 특징을 설명하면 다음과 같다.
하우징(21) 상부의 커버(22) 및 혼합 배출부(30)에 전원이 인가되면 발열 부재인 커버(22)로부터의 방사열은 하우징(21) 내부에 수용된 증착 재료(M)를 가열하며, 증착 재료는 임계 온도 이상에서 증기화된다. 증착 재료(M)의 증기는 혼합 배출부(30)의 하부 부재(33-1, 33-2)와 배플(23) 사이의 간격 및 혼합 배출부(30)의 하부 개구(H3)를 통하여 혼합 배출부 공간(CS)으로 유입된다.
전술한 바와 같이, 혼합 배출부(30)를 구성하는 부재들은 발열 부재로 이루어져 있기 때문에 전원 인가에 따라 혼합 배출부(30)에서도 열이 발생하며, 따라서 비교적 체적이 작은 혼합 배출부 공간(CS)으로 유입된 증착 증기는 재차 열을 흡수하게 된다. 결과적으로, 배플(23)에 의한 증착 재료의 불균일한 가열 때문에 하우징(21) 내에서 위치에 따라 증착 증기 밀도에 차이가 날지라도 증착 증기가 비교적 좁은 혼합 배출부 공간(CS) 내에 유입되어 다시 한번 가열되기 때문에 혼합 배출부 공간(CS)의 전 영역은 포화 증기압 상태가 된다. 포화 증기압 상태의 증착 증기가 혼합 배출부(30)의 상부 개구(H2)를 통하여 기판(S) 표면으로 배출됨으로서 기판(S) 표면에는 전체적으로 균일한 두께의 증착막이 형성된다.
본 발명에 따른 증발원은 이러한 효과 이외에도 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 혼합 배출부(30)의 하부 부재(33-1, 33-2)와 배플(23) 사이에 형성된 간격은 그 높이가 작기 때문에 하우징(21) 내에서 발생된 증착 증기는 느린 유속으로 혼합 배출부 공간(CS)으로 유입된다. 단위 시간당 하우징(21) 내에서 발생되는 증착 증기의 양이 혼합 배출부 공간(CS)으로 배출되는 증착 증기의 양보다 많기 때문에 하우징(21) 내부 공간 역시 포화 증기압 상태가 된다.
또한, 혼합 배출부(30)의 하부 부재(33-1, 33-2)와 배플(23) 사이에 형성된 간격이 매우 작기 때문에 배플(23)에서 발생한 열이 하우징(21) 외부로의 방열이 거의 이루어지지 않게 되며, 따라서 하우징(21) 내부의 전 영역은 동일한 온도를 유지할 수 있다. 결국, 하우징(21) 내에 투입된 증착 재료(M)는 전 영역에 걸쳐 균일하게 기화되며, 시간이 경과하여도 하우징(21) 내의 증착 재료(M)는 균일한 두께를 유지할 수 있다.
이하에서는, 가장 바람직한 혼합 배출부의 형상에 대해서 설명한다.
1. 혼합 배출부(30)의 각 수직 부재(31-1, 31-2)가 커버(22)의 표면과 이루는 각(θ1)은 0°내지 180°의 범위이다. θ1이 180°보다 클 경우, 각 수직 부재(31-1, 31-2)의 상부 일부가 혼합 배출부 공간(CS)에 위치하게 되며, 이는 재료 증기의 흐름을 방해하는 요인으로 작용한다.
2. 혼합 배출부(30)의 각 상부 부재(32-1, 32-2)가 수직 부재(31-1, 31-2)의 연장선과 이루는 각(θ2)은 그 범위가 0°내지 90°이다. θ2가 0°보다 작을 경우, 즉 각 상부 부재(32-1, 33-2)가 혼합 배출부 공간(CS) 외측에 위치하는 경우 증착 재료 증기의 넓은 범위의 확산이 이루어져 바람직하지 않다. 또한 θ2가 90°보다 클 경우에는, 각 상부 부재(32-1, 32-2)가 혼합 배출부 공간(CS)에 위치하게 되며, 이또한 재료 증기의 흐름을 방해하는 요인으로 작용한다.
3. 혼합 배출부 공간(CS)의 폭(W1)을 혼합 배출부 상부 개구(H2)의 폭(W2) 및 하부 개구 (H3)의 폭(W3)보다 크게 구성하는 것이 바람직하다. 만일, 혼합 배출부 공간(CS)의 폭(W1)이 혼합 배출부 상부 개구(H2)의 폭(W2) 및 하부 개구(H3)의 폭(W3)과 동일하거나 작다면, 혼합 배출부 공간(CS) 내로 유입된 재료 증기가 완전하게 포화되지 못한 상태로 배출될 수 밖에 없기 때문이다.
4. 혼합 배출부 공간(CS)을 완전한 포화 증기압 상태로 유지하기 위해서는 혼합 배출부 상부 개구(H2)의 폭(W2)을 하부 개구(H3)의 폭(W3)보다 작게 하는 것이 효과적이다. 유입되는 재료 증기의 양보다 배출되는 재료 증기가 많을 수록 포화 증기압 상태를 유지할 수 있기 때문이다.
5. 전술한 바와 같이, 혼합 배출부(30)의 하부 부재(33-1, 33-2)와 배플(23) 사이에 형성된 간격을 통하여 하우징(21) 내의 증착 증기가 혼합 배출부 공간(CS)으로 유입된다. 만일, 배플(23)의 폭(W)이 혼합 배출부 공간(CS)의 폭(W1)보다 작다면, 혼합 배출부 공간(CS)으로 유입되는 증착 증기의 유동 경로가 짧아지게 된다. 따라서 그렇지 않은 경우보다 단위 시간당 보다 많은 양의 증착 재료 증기가 혼합 배출부 공간(CS)으로 유입되어 혼합 배출부 공간(CS)에서의 포화 증기압 상태를 유지하기 어렵게 된다. 또한, 이러한 조건에서는 배플(23)에서 발생한 열 중 많은 양의 열이 혼합 배출부의 하부 개구(H3)를 통하여 방열이 되기 때문에 본 발명에서는 배플(23)의 폭(W)을 혼합 배출부 공간(CS)의 폭(W1)보다 크게 구성하였다.
6. 도 6은 혼합 배출부의 하부 개구(H3)의 형상을 도시한 도면으로서, 도 6(a)는 중앙부의 폭(W3-1)이 양측부의 폭(W3-2)보다 작게 형성된 상태를, 도 6(b)는 중앙부의 폭(W3-1)이 양측부의 폭(W3-2)보다 큰 상태를 각각 도시한다. 어떠한 요인, 구체적으로 말하면 하우징(21) 내에서 발생된 증착 증기의 밀도가 중앙부와 양측부에서 다를 경우, 혼합 배출부 공간(CS)으로 유입되는 증착 증기의 양은 위치에 따라 다르게 나타난다. 따라서, 혼합 배출부 공간(CS)의 균일한 포화 증기압 상태를 유지하기 위하여 혼합 배출부 하부 개구(H3)의 어느 위치에서도 동일한 양의 증차 재료 증기가 유입되는 것이 바람직하며, 따라서, 본 발명에서는 혼합 배출부 하부 개구(H3)의 폭(W3)을 위치에 따라 달리 하였다. 만일, 하우징(21) 중앙부에서의 증기 밀도가 클 경우 하부 개구 (H3)의 중앙부의 폭(W3-1)을 양측부의 폭(W3-2)보다 작게 하고(도 6(a)), 이와 반대로 하우징(21) 양측부에서의 증기 밀도가 클 경우 하부 개구(H3)의 중앙부의 폭(W3-1)을 양측부의 폭(W3-2)보다 크게 함으로서(도 6(b)) 하부 개구(H3)의 전 길이에 걸쳐 동일한 양의 증기가 혼합 배출부 공간(CS)으로 유입될 수 있다.
이상과 같은 본 발명은 증발원의 하우징 내부 공간에서 형성된 증착 증기의 밀도가 위치에 따라서 다르게 나타날지라도 또다른 가열 부재인 혼합 배출부 내에서 증착 증기를 가열함으로서 완전한 포화 증기압 상태에서 증착 증기를 배출시킬 수 있어 기판 표면에 균일한 상태의 증착막을 형성할 수 있게 된다.
도 1은 유기물 증착을 위한 장치에 사용되는 일반적인 선형 증발원의 횡단면도.
도 2는 도 1의 선 A-A를 따라 절취한 상태의 단면도로서, 증발원과 기판과의 관계 및 기판 표면의 위치에 따라 증착 재료층의 두께 차이를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 선형 증발원과 기판과의 관계를 나타낸 도면.
도 4는 도 3의 선 B-B를 따라 절취한 상태의 단면도.
도 5는 혼합 배출부와 배플만을 도시한 단면도.
도 6은 혼합 배출부 하부 개구의 형상을 도시한 도면.

Claims (10)

  1. 증착 재료를 수용하는 공간을 갖는 하우징;
    하우징의 상단에 장착되어 증착 재료를 가열, 기화시키는 커버;
    커버의 하부에 설치된 배플; 및
    상기 커버에 형성된 절개부에 장착되며, 상기 하우징으로부터 유입된 재료 증기를 2차 가열하여 포화 증기 상태로 한 후 그 상단에 설치된 기판으로 포화된 재료 증기를 배출시키는 혼합 배출부를 포함하는 증착 장치용 증발원.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합 배출부는,
    일정간격을 두고 커버 절단부 양 선단에 각각 고정된 제1 및 제2 수직부재,
    상기 제 1 및 제 2 수직 부재의 상단에 각각 고정되며, 내측을 향하여 연장되어 수직 부재의 전 길이에 걸쳐 상부 개구를 형성하는 상부 부재;
    상기 제 1 및 제 2 수직 부재의 하단에 각각 고정되며, 내측을 향하여 연장되어 수직 부재의 전 길이에 걸쳐 하부 개구를 형성하되, 상기 배플과는 소정의 간격을 유지하는 하부 부재를 포함하는 증착 장치용 증발원.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 혼합 배출부를 구성하는 각 부재는 전원 인가시 열을 발생하는 발열 부재로 이루어진 증착 장치용 증발원.
  4. 제 2 항에 있어서, 혼합 배출부의 각 수직 부재가 커버의 표면과 이루는 각은 그 범위가 0° 내지 180°인 증착 장치용 증발원.
  5. 제 2 항에 있어서, 혼합 배출부의 각 상부 부재가 수직 부재의 연장선과 이루는 각은 0°내지 90°범위인 증착 장치용 증발원.
  6. 제 2 항에 있어서, 혼합 배출부 공간의 폭은 혼합 배출부 상부 개구의 폭 및 하부 개구의 폭보다 크게 이루어진 증착 장치용 증발원.
  7. 제 2 항에 있어서, 혼합 배출부 상부 개구의 폭은 하부 개구의 폭보다 작은 증착 장치용 증발원.
  8. 제 2 항에 있어서, 배플의 폭은 혼합 배출부 공간의 폭보다 크게 이루어진 증착 장치용 증발원.
  9. 제 2 항에 있어서, 혼합 배출부는 그 하부 개구의 중앙부의 폭이 양측부의 폭보다 작게 구성된 증착 장치용 증발원.
  10. 제 2 항에 있어서, 혼합 배출부는 그 하부 개구의 중앙부의 폭이 양측부의 폭보다 크게 구성된 증착 장치용 증발원.
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