KR20030031068A - 활성탄을 이용한 면상발열체 제조방법 및 그 면상발열체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 활성탄을 주재료로 하고 흑연을 부재료로 사용한 면상발열체에 관한 것으로 합성수지 점착제, 유연제, 보호제를 적정 비율 첨가하여 면상발열체로서의 기능을 향상시킨 것으로, 결정자의 직경이 20~50Å인 활성탄과 상기 활성탄 결정자의 직경보다 상대적으로 작은 흑연을 활성탄에 대한 흑연의 중량비가 1.4 내지 2.0으로 혼합하여 활성탄 결정자간의 공백을 메워 열 및 전기전도도가 높은 활성탄흑연을 생성시키는 활성탄흑연 생성단계와; 상기 활성탄 흑연의 점착성을 높이기 위해 활성탄에 대한 점착제의 중량비가 2.0 내지 3.0으로 하여 점착제를 첨가시키는 활성탄흑연 페이스트 생성단계와; 상기 활성탄흑연 페이스트를 바탕지에 도포하는 도포단계와; 상기 도포단계 후에 알루미늄박막 전극을 형성시키는 전극 형성단계;를 포함하여 구성되어 발열체를 형성시키는 것을 특징으로 하는 활성탄을 이용한 면상발열체 제조방법을 기술적 요지로 한다. 이에 따라 제조방법이 간단하여 생산비용이 절감되고 활성탄에 대한 흑연과 점착제의 중량비를 적정하여 유연성이 확보되고 저온에서 고온까지 온도조절이 용이할 뿐만 아니라 발열체로서의 온도상승 속도도 높아 면상발열체로서의 기능을 최적화한 이점이 있다.
Description
본 발명은 활성탄을 주재료로 하고 흑연을 부재료로 사용한 면상발열체에 관한 것으로 합성수지 점착제, 유연제, 보호제를 적정 비율 첨가하여 면상발열체로서의 기능을 향상시킨 것이다.
일반적으로 면상발열체는 면상발열체 본체와 전극, 기타 첨가제로 이루어져 인가된 전원에 의해 상기 면상발열체 본체를 발열시켜 전기요, 바닥재 , 순간온수기등 다양한 분야에 쓰고 있다. 이러한 면상발열체는 선상발열체가 가지는 단점인 열선 단면적이 좁아 발열면적이 협소하여 발열량이 부족하고 고르게 열이 전달되지 못하며 열선의 비용이 높은 문제점을 해결하였다.
종래 기술로서 면상발열체는 상기 면상발열체 본체를 탄소섬유, 카본블랙으로 주로 형성하였다. 이를 소재로 한 면상발열체는 유연성이 부족하고 접거나 구부리는 경우 부서지거나 크랙(crack)현상이 발생되어 전기 전도성에 치명적인 문제가 발생하였다. 이러한 점을 보완하기 위해 합성수지(PVC) 점착제와 에폭시 수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지를 사용하게 되었다.
그러나 상기 수지 점착제의 양이 너무 적은 경우에는 상기 면상발열체 본체에 들어가는 탄소섬유나 카본블랙 결정자들이 제대로 결합되지 않거나 결합된 후 부서져 통전시 열전도도가 떨어져 발열체로서의 효율이 떨어지는 문제점이 있으며 너무 많은 경우에도 상기 결정자들의 결정자간 거리가 넓어져 제대로 통전이 안되는 문제점이 있다. 또한 상기 탄소섬유, 카본블랙은 그 생산하는 공정이 복잡하며 주로 석유화학계열에서 생산되므로 고가인 문제점이 있다.
또한 상기 면상발열체 본체에 탄소섬유나 카본블랙만을 사용하는 경우에는급격한 발열로 인하여 피복된 필름이 녹는 현상이 발생하여 초고온의 발열체 제조시에는 쓰일 수 있으나 발열도료나 매트류 등에는 사용하기 힘든 단점이 있다.
또한 상기 면상발열체를 어느 정도 접거나 구길 수 있는 유연성 확보를 위해 에폭시, 우레탄, 실리콘 수지등의 부가제를 주로 쓰는데 상기 탄소섬유나 카본블랙 페이스트의 중량비에 비해 적절한 양이 투입되지 않으면 부가제가 가진 전기절연성으로 인하여 발열체로서의 기능이 저하되는 문제가 있다.
다음으로 상기 면상발열체로서의 기능을 하기 위해서는 전원부에 의해 통전이 되도록 하여야 하므로 전극대가 필수적으로 필요하게 된다. 종래 널리 쓰이는 전극대로 구리, 은사 기타 금속선을 사용하고 있다.
상기 구리 전극대는 무게 대비 열전도율이 그다지 크지 않을 뿐만 아니라 전자기장의 영향으로 전자파가 발생하여 신체에 해를 입힐 수도 있다. 또한 상기 구리 전극대는 어느 정도 두께가 있어서 상기 면상발열체 본체면과의 두께 차이로 인해 발열체 내부에 산소가 유입되어 스파크가 발생하여 상기 면상발열체의 안정도에 치명적인 문제가 되고 있다.
또한 전선 형태의 전극대는 발열체를 구부리거나 접을 경우 단선되는 경우가 많이 발생하며 비용이 증가되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 활성탄에 대한 흑연과 점착제의 중량비를 적정하여 열 및 전기전도도를 최적화 하고 유연성을 좋게 한 활성탄을 이용한 면상발열체 제조방법 및 그 면상발열체의 제공을 목적으로 한다.
도 1 - 본 발명에 따른 활성탄을 이용한 면상발열체 단면도.
도 2 - 본 발명에 따른 활성탄을 이용한 면상발열체의 성분비에 따른 온도 상승시간 실험결과.
도 3 - 본 발명에 따른 활성탄을 이용한 면상발열체의 성분비에 따른 온도 상승시간 실험결과.
도 4 - 본 발명에 따른 활성탄을 이용한 면상발열체 제조 순서에 대한 블럭도.
<도면에 대한 사용된 주요부호에 대한 설명>
100 : 면상발열체 본체
200 : 전극층
300 : 보호층
상기 목적달성을 위한 본 고안은, 결정자의 직경이 20~50Å인 활성탄과 상기 활성탄 결정자의 직경보다 상대적으로 작은 흑연을 활성탄에 대한 흑연의 중량비가 1.4 내지 2.0으로 혼합하여 활성탄 결정자간의 공백을 메워 열 및 전기전도도가 높은 활성탄흑연을 생성시키는 활성탄흑연 생성단계와; 상기 활성탄 흑연의 점착성을 높이기 위해 활성탄에 대한 점착제의 중량비가 2.0 내지 3.0으로 하여 점착제를 첨가시키는 활성탄흑연 페이스트 생성단계와; 상기 활성탄흑연 페이스트를 바탕지에 도포하는 도포단계와; 상기 도포단계 후에 알루미늄박막 전극을 형성시키는 전극 형성단계;를 포함하여 구성되어 발열체를 형성시키는 것을 특징으로 하는 활성탄을 이용한 면상발열체 제조방법을 기술적 요지로 한다.
또한 상기 활성탄흑연 생성단계는, 원적외선 방사 물질을 첨가하여 원적외선 방사 발열체를 형성시키는 단계를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 활성탄흑연 페이스트 생성단계는, 상기 면상발열체의 유연성을 증가시키기 위해 활성탄에 대한 중량비가 0.0~1.0으로 하여 부가제를 첨가시키는 단계를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 전극 형성단계 후에, 상기 면상발열체를 보호하기 위한 보호층을 형성시키는 보호층 형성단계로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 결정자의 직경이 20~50Å인 활성탄과 상기 활성탄의 결정자 크기보다 상대적으로 작은 흑연을 활성탄에 대한 중량비가 1.4 내지 2.0으로 되고 상기 활성탄에 대한 중량비가 2.0 내지 3.0으로 한 점착제를 혼합한 활성탄흑연 페이스트와; 상기 활성탄흑연 페이스트를 도포한 바탕지와; 상기 바탕지 상층에 형성된 알루미늄박막 전극층;을 포함하여 구성되어 발열체가 되는 것을 특징으로 하는 활성탄을 이용한 면상발열체를 또한 기술적 요지로 한다.
또한 상기 점착제는, PVC, MEK중 어느 하나를 선택적으로 사용하는 것이 바람직하다.
또한 상기 활성탄흑연 페이스트는, 상기 면상발열체의 유연성을 증가시키기 위해 활성탄에 대한 중량비가 0.0~1.0으로 하여 부가제를 더 첨가시키는 것이 바람직하다.
또한 상기 알루미늄 전극층은, 상기 알루미늄 전극층 상층에 상기 면상발열체를 보호하기 위한 보호층이 더 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 활성탄흑연은, 원적외선 방사 물질을 첨가하여 원적외선 방사 발열체가 형성되는 것이 바람직하다.
이에 따라 제조방법이 간단하여 생산비용이 절감되고 활성탄에 대한 흑연과 점착제의 중량비를 적정하여 유연성이 확보되고 저온에서 고온까지 온도조절이 용이할 뿐만 아니라 발열체로서의 온도상승 속도도 높아 면상발열체로서의 기능을 최적화한 이점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 활성탄을 이용한 면상발열체 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 활성탄을 이용한 면상발열체의 성분비에 따른 온도 상승시간 실험결과이고, 도 3은 본 발명에 따른 활성탄을 이용한 면상발열체의 성분비에 따른 온도 상승시간 실험결과이고, 도 4는 본 발명에 따른 활성탄을 이용한 면상발열체 제조 순서에 대한 블럭도이다.
본 발명에 따른 면상발열체는 면상발열체 본체(100)와 전극층(200), 보호층(300)을 포함하여 구성된다.
상기 면상발열체 본체(100)는 활성탄을 주재료로 하고 흑연을 부재료로 하여 점착제를 첨가시켜 바탕지에 도포하여 형성한다.
상기 활성탄은 탄소 중에서도 무정형탄소에 속하며 숯 또는 석탄을 증류 가공하여 내부 표면적을 넓힌 무정형의 탄소 집합체로서 주위의 액체나 기체를 강하게 흡착하여 정화시키는 특징이 있다. 그래서 활성탄은 일반적으로 상, 하수도 폐수정화, 공기정화, 악취제거, 탈색, 탈취, 용제회수, 가스제거, 소각장 다이옥신 제거등에 주로 이용되어 왔다.
본 발명자는 탄소의 특성인 고탄성, 고인장강도, 가벼움, 열·전기전도도 우수성, 내식성, 내약품성을 가진 특성 중에서 열·전기전도도가 우수한 특성을 이용하였다. 또한 본 발명에서 사용되는 활성탄의 특성으로 저가의 비용, 공기정화작용, 악취제거작용, 가스제거작용과 흑연의 특성인 열·전기전도도의 우수성을 이용하였다.
상기 활성탄의 결정자의 직경은 20~50Å정도로 결정자 상호간의 거리가 큰 반면 상기 흑연의 결정자의 크기는 3.35Å로 결정자 상호간의 거리가 상당히 작은 거리를 유지한다. 활성탄만을 면상발열체 재료로 사용한 경우에는 결정자간의 거리가 너무 커서 저항이 증가하여 통전이 제대로 이루어지지 않아 열 및 전기전도도가 낮아 발열이 제대로 이루어지지 않게 된다.
따라서 상기 활성탄의 결정자 직경보다 상대적으로 작고 열 및 전기전도도도 우수한 흑연을 혼합하게 되면, 결정자간의 거리가 큰 활성탄 사이의 공백을 흑연 결정자가 메우면서 통전이 용이하여 전체 발열체에 대한 열 및 전기전도도가 상대적으로 향상되는 결과를 낳게 된다.
또한 상기 활성탄은 일반적으로 350℃에서 산화가 시작되며 상기 흑연은 400~500℃에서 산화가 시작되므로 고온에서도 사용이 가능하며 제품화시 전기요, 순간온수기, 바닥재 등 보온의 기능을 요구하는 곳에서는 안전하게 사용할 수 있다. 이러한 활성탄과 흑연의 고온 발열성을 이용하면 실생활에서의 보온기구관련제품에 사용이 가능하고 산업용에서 열을 필요로 하는 열풍기, 건조기 등의 분야에서도 응용이 가능하다.
상기 활성탄과 상기 흑연의 결합 즉 활성탄흑연에 의한 발열체는 현재 널리 쓰이는 탄소블랙이나 팽창된 흑연에 의한 발열체보다 저렴할 뿐만 아니라 제조공정 또한 간단하다. 상기 활성탄은 불에 탈 수 있는 물질이라면 무엇이라도 활성탄의 원료가 될 수 있으며, 이에 이용되는 원료로는 야자각, 갈탄숯, 유연탄숯, 목탄, 무연탄숯 및 석탄계열 원료를 주로 사용하므로 비용이 매우 적게든다.
상기 활성탄흑연을 결합해 주는 점착제로는 비닐합성수지(PVC 수지)와 MEK(메칠에칠케톤), 아세톤(이하부터 수지점착제로 명칭 통일)을 주로 사용하며 활성탄에 대한 적절한 중량비로 믹서 등에 의해 골고루 잘 섞은 활성탄흑연 페이스트를형성하는 것이 바람직하다. 이는 상기 활성탄흑연의 점도를 증가시켜 결정자가 잘 결합되게 하여 전체 면상발열체 제작에 있어서 작업의 효율을 도모하고 품질이 우수한 제품을 만들기 위해서 사용한다.
상기 점착제 중 비닐합성수지는 화학적 변화를 잘 일으키지 않고 배합비에 따라 연질의 것에서 부터 경질에 이르기 까지 만들 수 있는 특성을 가진다. 또한 상기 비닐합성수지는 녹는점이 225℃이고 전기절연성 및 열안정 효과가 뛰어나 활성탄흑연에 의한 발열체 제조시 고온에서도 안정되게 이용할 수 있으며 롤 가공이나 압출가공이 용이하여 얇은 시트 및 판상으로 제조가 가능하여 면상발열체 제조에 적용이 쉽다.
상기 점착제 중 MEK는 임계온도가 260℃, 발화점이 404℃로 합성수지의 바인더제로 우수하며, 에폭시계, 우레탄계의 용제로 사용된다. 따라서 본 발명에서 상기 MEK는 상기 활성탄흑연의 점착제로서 점도조절에 이용되므로 본 발명에서 발열체의 유연성 조절을 위해 첨가하는 에폭시, 우레탄, 실리콘의 용제로 매우 적합하다.
또한 상기 면상발열체 본체(100)에는 원적외선 방사물질인 세라믹, 황토, 숯, 천연석 분말 등을 소량 섞게 되면 상기 면상발열체가 발열되면서 다량의 원적외선이 방사되어 원적외선 방사 발열체로 하여 다양한 목적에 사용할 수 있다.
이렇게 형성된 활성탄흑연 페이스트는 흡수성과 부착력이 뛰어난 바탕지 즉 부직포나 직물류에 도포하여 상기 면상발열체 본체(100)를 완성시킨다.
다음으로 상기 전극층(200)은 상기 면상발열체 본체(100) 상면 양단에 두개의 전극대로 형성되고 바람직하게는 알루미늄을 박막 즉 알루미늄 호일의 형태로 가공하여 부착시킨다. 알루미늄 박막은 다른 금속류에 비해 저비용이며 면적대비 전기전도도가 높을 뿐만 아니라 무게도 가볍다. 또한 알루미늄 박막은 종래 전극대가 가지는 문제점인 전자파를 전혀 발생시키지 않아 본 발명에서 전극대로 사용하는 것이 매우 바람직하다.
상기와 같이 전극층이 형성된 면상발열체를 형성한 후 상기 면상발열체 본체(100)를 보호하고 상기 전극층(200)을 절연하기 위해 보호층(300)을 입히는 것이 바람직하다.
상기 보호층(300)은 폴리에틸렌 필름으로 압착라미네이팅하거나 절연성 수지 피막을 도포하여 형성시킨다. 상기 보호 필름의 경우에 내열성과 가스투과성, 방습성을 가진 PE(폴리에칠렌), PP(폴리프로필렌), 발포 PS시트, PC(폴리카보네이트), PA(폴리아미드), PET(폴리에스터), PU(폴리우레탄), 불소수지 필름을 사용할 수 있으며 완전밀착을 위하여 라미네이팅기를 사용한다. 상기 절연성 수지 피막을 도포하는 경우 상기 부가제를 상기 면상발열체 본체(100)에 완전하게 밀착시키고 전기절연성을 확보한다.
이상과 같은 물질로 면상발열체를 제조한 경우 면상발열체로서의 기능, 즉 유연성과 발열성이 최적화되기 위한 조건을 실험결과로 부터 살펴보고자 한다.
도 2는 상기 활성탄에 대한 상기 점착제의 중량비가 1:2인 경우에 활성탄에 대한 흑연 중량비에 따른 온도 상승시간을 나타내고 있다. 예시된 바와 같이 상기 활성탄에 대한 흑연의 중량비가 0.1~0.4인 경우에는 20℃까지 온도상승 하는데 과다한 시간이 소요되는 결과를 초래하였다. 이는 상기 중량비에서는 흑연의 첨가가 결정자간의 거리를 줄이는데 큰 역할을 하지 못했기 때문이다.
따라서 흑연의 중량비를 조금 더 증가시켜 활성탄에 대한 중량비를 0.4~1.4까지 증가 시켰다. 그 실험결과 온도 상승시간은 빨라졌지만 50℃까지 상승하는데 대략 30분 정도 소요되어 발열체로서 사용하기에는 아직도 부족한 면이 있다.
흑연의 중량비를 좀 더 증가시켜 활성탄에 대한 흑연의 중량비를 1.4 내지 2.0으로 하였다. 이러한 조건하에서는 전체 면상발열체의 전기저항이 대폭 줄어들어 그 실험결과 50℃까지의 온도 상승율이 최대 4분 57초 까지 단축되어 전기요나 바닥재로 사용하는데에는 충분하다.
도 3은 활성탄에 대한 상기 점착제의 중량비가 1:3인 경우에 활성탄에 대한 흑연 중량비에 따른 온도 상승시간을 나타내고 있다. 예시된 바와 같이 상기 활성탄에 대한 흑연의 중량비가 0.1~0.6인 경우에는 20℃까지 온도상승 하는데 과다한 시간이 소요되는 결과를 초래하였다. 이는 상기 중량비에서는 흑연의 첨가가 결정자간의 거리를 줄이는데 큰 역할을 하지 못했기 때문이다.
따라서 흑연의 중량비를 조금 더 증가시켜 활성탄에 대한 중량비를 0.6~1.4까지 증가 시켰다. 그 실험결과 온도 상승시간은 빨라졌지만 50℃까지 상승하는데 대략 2시간이나 넘게 소요되어 발열체로서 사용하기에는 상당히 부족하다.
흑연의 중량비를 좀 더 증가시켜 활성탄에 대한 흑연의 중량비를 1.4 내지 2.0으로 하였다. 이 실험결과 50℃까지의 온도 상승율이 최대 14분 58초 까지 단축되어 이 중량비에서는 저온형 발열체로 되어 사용목적에 따라 사용자가 사용할 수있다.
도 2와 도 3은 상기 수지점착제가 활성탄에 대한 중량비가 2.0인 경우와 3.0인 경우가 예시되어 있다. 수지점착제의 중량비가 증가할수록 온도 상승율이 낮아지는 것을 알 수 있다. 이는 활성탄과 흑연 결정자 사이에 상기 수지점착제가 침투하여 상기 활성탄과 흑연의 결정자간 거리가 증가함에 따라 전기저항이 증가하여 열, 전기전도도가 떨어져 온도 상승이 그만큼 늦어지는 결과를 초래하였다.
그렇다고 해서 상기 수지점착제를 2.0보다 적은 양을 사용하게 되면 활성탄과 흑연의 점도를 떨어뜨려 건조 후나 전원을 가했을 때 부서지거나 크랙이 갈 수 있다. 그리고 3.0보다 높은 중량비에 대해서는 온도 상승율이 너무 낮아 발열체로 쓰이기에는 부족한 점이 있다.
따라서 상기 활성탄흑연의 발열에 의해 1차적으로 온도가 상승되고, 상기 활성탄흑연에 결합하는데 사용된 합성수지 점착제를 교반하여 활성탄 흑연의 온도를 조절할 수 있다. 여기에 선택적으로 상기 면상발열체의 유연성을 조절하기 위해 부가제를 첨가시키는 것이 바람직한데 에폭시, 우레탄, 실리콘등을 상기 활성탄에 대한 중량비를 0.0~1.0으로 조절하여 사용자의 환경에 맞는 발열체의 제조가 가능하다.
상기 구성에 의한 본 발명은 이에 따라 제조방법이 간단하여 생산비용이 절감되고 활성탄에 대한 흑연과 점착제의 중량비를 적정하여 유연성이 확보되고 저온에서 고온까지 온도조절이 용이할 뿐만 아니라 발열체로서의 온도상승 속도도 높아면상발열체로서의 기능을 최적화한 이점이 있다.
Claims (9)
- 결정자의 직경이 20~50Å인 활성탄과 상기 활성탄 결정자의 직경보다 상대적으로 작은 흑연을 활성탄에 대한 흑연의 중량비가 1.4 내지 2.0으로 혼합하여 활성탄 결정자간의 공백을 메워 열 및 전기전도도가 높은 활성탄흑연을 생성시키는 활성탄흑연 생성단계와;상기 활성탄 흑연의 점착성을 높이기 위해 활성탄에 대한 점착제의 중량비가 2.0 내지 3.0으로 하여 점착제를 첨가시키는 활성탄흑연 페이스트 생성단계와;상기 활성탄흑연 페이스트를 바탕지에 도포하는 도포단계와;상기 도포단계 후에 알루미늄박막 전극을 형성시키는 전극 형성단계;를 포함하여 구성되어 발열체를 형성시키는 것을 특징으로 하는 활성탄을 이용한 면상발열체 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 활성탄흑연 생성단계는,원적외선 방사 물질을 첨가하여 원적외선 방사 발열체를 형성시키는 단계를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 활성탄을 이용한 면상발열체 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 활성탄흑연 페이스트 생성단계는,상기 면상발열체의 유연성을 증가시키기 위해 활성탄에 대한 중량비가 0.0~1.0으로 하여 부가제를 첨가시키는 단계를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 활성탄을 이용한 면상발열체 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 전극 형성단계 후에,상기 면상발열체를 보호하기 위한 보호층을 형성시키는 보호층 형성단계로 이루어짐을 특징으로 하는 활성탄을 이용한 면상발열체 제조방법.
- 결정자의 직경이 20~50Å인 활성탄과 상기 활성탄 결정자의 직경보다 상대적으로 작은 흑연을 활성탄에 대한 중량비가 1.4 내지 2.0으로 되고 상기 활성탄에 대한 중량비가 2.0 내지 3.0으로 한 점착제를 혼합한 활성탄흑연 페이스트와;상기 활성탄흑연 페이스트를 도포한 바탕지와;상기 바탕지 상층에 형성된 알루미늄박막 전극층;을 포함하여 구성되어 발열체가 되는 것을 특징으로 하는 활성탄을 이용한 면상발열체.
- 제 5에 있어서, 상기 점착제는,PVC, MEK중 어느 하나를 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 하는 활성탄을 이용한 면상발열체.
- 제 5항에 있어서, 상기 활성탄흑연 페이스트는,상기 면상발열체의 유연성을 증가시키기 위해 활성탄에 대한 중량비가 0.0~1.0으로 하여 부가제를 더 첨가시킨 것을 특징으로 하는 활성탄을 이용한 면상발열체.
- 제 5항에 있어서, 상기 알루미늄 전극층은,상기 알루미늄 전극층 상층에 상기 면상발열체를 보호하기 위한 보호층이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 활성탄을 이용한 면상발열체.
- 제 5항에 있어서, 상기 활성탄흑연은,원적외선 방사 물질을 첨가하여 원적외선 방사 발열체가 형성되는 것을 특징으로 하는 활성탄을 이용한 면상발열체.
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