KR20050114005A - 탄성을 갖는 전류제어 저항발열 조성물질 및 이조성물질을 이용한 피티씨발열소자의 제조방법 - Google Patents

탄성을 갖는 전류제어 저항발열 조성물질 및 이조성물질을 이용한 피티씨발열소자의 제조방법 Download PDF

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Abstract

카본블랙과 실리카샌드 및 실리콘수지를 제어온도에 합당한 비율로 함유하고, 이 혼합물의 적당한 질량 비율로 접합물질인 부가형 수지를 함유하는 PTC 조성물질과 이 조성물질을 이용한 PTC 발열소자의 제조방법에 의하여, 일정온도를 상승시키면서 저항이 커져서 열팽창에 의해 전류가 줄어들어 발열체의 제어 표면온도를 일정하게 유지시킬 수 있고, 표면전력밀도를 줄이고 발열표면적을 넓게 함으로써 복사(방사)열에 의한 피가열체의 열손실을 극소화할 수 있으며, 고유저항, 접촉저항 및 열팽창계수가 큰 흑연을 함유한 복합무기물질의 이용으로 체적당 발열온도를 균일하게 유지할 수 있고, 흑연에 의한 원적외선 방출량을 최대화하여 공명흡수작용을 통한 온도증폭작용을 제공할 수 있는 발명인 것이다.

Description

탄성을 갖는 전류제어 저항발열 조성물질 및 이 조성물질을 이용한 피티씨발열소자의 제조방법{COMPOSITION MATERIALS FOR CURRENT CONTROL HEATING RESISTOR HAVING ELASTICITY AND METHOD FOR MANUFACTURING PTC HAVING ELASTICITY}
본 발명은 카본블랙을 이용한 PTC(Positive Temperature Coefficient)조성물질 및 이 조성물질을 이용한 PTC 발열소자의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 카본블랙과 실리카샌드 및 실리콘수지를 제어온도에 합당한 비율로 함유하고, 이 혼합물의 적당한 질량 비율로 접합물질인 부가형 수지를 함유하는 PTC 조성물질과 이 조성물질을 이용한 PTC 발열소자의 제조방법에 관한 것이다.
PTC 가열소자는 일반적으로 퓨즈(fuse)와는 달리 반복사용이 가능한 소자로서 폴리 스위치(Poly Switch)라고도 불리우며, 정온도 계수저항 특성을 가진 저항 소자를 말한다. PTC 저항소자는 특정온도에 도달하여 그 저항치가 급격하게 증가하는 특성을 활용한 저항소자로서, PTC 저항소자를 회로에 연결하면 회로에 흐르는 전류의 증가에 따라서 PTC 저항소자의 온도가 증가하게 되고, 전류가 한계치 이상 증가하면 PTC 저항소자의 온도가 특정 온도에 도달하게 되어 저항이 급격하게 증가함으로써 전류의 흐름을 차단하게 된다. 이러한, 특성은 전자기기에 과전류가 흐르는 것을 차단하여 기기를 보호하는 용도로써 널리 사용되고 있다.
일반적으로 PTC라고 하면 티탄산바륨(BaTiO3)계 세라믹을 이용한 PTC와 폴리머(Polymer)를 이용한 PTC가 일반적으로 알려져 있다. 세라믹계 PTC 소자에서는 그 세라믹 본래의 성질에 의해 정상시의 고유저항치에 하한이 있는 점, 고전압, 대전류에 대한 내구성이 한계가 있는 점의 단점이 있고, 또한 가공이 어렵다는 이유로 제한적이다.
따라서 폴리머계 PTC 소자의 수요가 급속하게 증가하고 있다. 폴리머계 PTC를 사용하면 저저항에서 대전류 용량의 용도에서부터 고전압용까지 여러 가지 회로의 보호 소자의 제조가 가능하고 종래의 세라믹계 소자에서는 커버할 수 없었던 영역에서 과전류, 과열보호에 효과적이다. 폴리머계 PTC는 티탄산바륨계 세라믹 PTC 서미스트(Thermister)와 비교해 역사는 짧지만 역으로 말하면 그 응용면에서는 아직 가능성이 많다고 할 수 있어 그 개발이 앞으로의 과제이며, 앞으로 발전가능성이 큰 소자이다. 하지만, 폴리머계 PTC는 사용온도 범위가 낮고, 열전달 속도가 느리며, 납땜 후 저항치가 상승하여 저항 안정성이 낮다는 단점을 갖고 있다.
따라서, 본 발명은 전술한 종래의 PTC 가열소자의 단점을 극복하기 위한 것으로서, 저항범위와 사용온도 범위가 광범위하고, 사용가능한 전류범위도 커서 다양한 용도에서 안정적이고 효율적인 자동온도 조절이 가능한 발열소자이며, 다양한 형태 및 크기를 제조할 수 있으며, 탄성을 지닌 발열체이므로, 균열(CRACK)이 발생하지 않고 충격에서 안전한 발열소자를 공급하기 위한 전류제어 저항발열 조성물질 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 일 양태로서 카본블랙과 실리카샌드를 발열체의 표면 제어온도에 합당한 비율로 함유하고, 이 혼합물의 적당한 질량 비율로 접합물질인 부가형수지(예:페놀수지)를 함유하며, 절연성 탄성물질(예:실리콘수지)을 첨가하는 PTC조성물질을 제공한다.
일 구체예에 있어서, 본 발명에 따른 PTC조성물질은 사용온도 범위가 약 50~300℃가 되도록 하기 위하여 카본블랙과 실리카샌드(35~45mesh), 접합물질의 혼합 및 절연성 탄성물질(예:실리콘수지)로 이루어진다. 이때, 흑연분말과 실리카샌드의 혼합비율은 질량비를 기준으로 제어온도에 따라 약 5~30:500:100의 비율로 혼합되며 실리콘수지는 흑연대비 100~300%를 첨가하게 된다. 그리고, 상기 혼합된 흑연과 실리카샌드가 예를 들어, 주조 및 조성물 성형시, 접합력을 유지하면서 상기 모래와 함께 흑연을 부(-)의 특성에서 정(+)의 특성을 전환시킬 수 있도록 하기 위하여 접합물질의 혼합비는 상기 흑연과 실리카샌드가 배합된 총 질량에 대하여 약 50~70%의 비율로 일정하게 혼합되게 된다.
여기서, 실리카샌드를 혼합하는 이유는 약 400~600℃ 이상의 온도에서 정(+)의 특성을 갖는 흑연을 저온(약 50~300℃)에서도 정(+)의 특성을 갖도록 하기 위한 것이다.
다른 일 양태로, 본 발명은 카본블랙과 실리카샌드를 발열체의 표면 제어온도에 합당한 비율로 혼합 교반하는 단계, 이 교반된 조성물에 접합물질인 부가형 수지를 적당한 비율로 배합하는 단계, 이와 같이 배합된 조성물질에 탄성 및 절연물질을 첨가하는 단계, 이와 같은 조성물질을 상압상태에서 주물틀에 넣고 성형하는 단계, 인가단자선을 매입하는 단계, 프레싱 단계 및 그 결과 얻어지는 성형물을 열경화처리하는 단계를 포함하는 카본 블랙을 이용한 PTC발열소자의 제조방법을 제공한다.
일 구체예에 있어서, 상기 발열체의 표면 제어온도에 따라 약 5~30:500~100의 합당한 비율로 혼합되며, 또한 이때 부가형수지 및 실리콘수지의 함량은 부가형수지는 실리콘수지 대비 60%, 실리콘수지는 부가형수지 대비 150~200%로 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.
특정 구체 예에 있어서, 표면제어온도가 250℃인 경우에 흑연 대비 실리카샌드를 40%비율, 페놀수지는 실리콘수지 대비 60%, 실리콘수지는 167%로 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 발열체의 표면제어온도가 250℃일 경우 발열체의 체적이 가로 180㎜, 세로 180㎜, 높이 9㎜일때 흑연 17g, 실리카샌드 250g, 부가형수지(페놀수지)60g, 실리콘수지 100g이 바람직하다.
다른 일 구체예에 있어서, 표면제어온도를 250℃보다 높이고자 하는 경우에는 실리카샌드 대비 흑연에 대한 배합비율을 상향조절하고, 표면제어온도를 250℃보다 낮추고자 하는 경우에는 흑연비율을 실리카샌드 대비를 하향조절하면 된다.
또한, 표면온도 50℃를 기준으로 하향조절 및 상향조절시 배합비율을 실리카샌드 대비 카본블랙을 20% 비율로 가감조절한다. 여기서, 부가형수지(페놀수지)는 실리콘수지 60%, 실리콘수지는 167%로 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 발열체의 표면제어온도가 200℃일 경우 발열체의 체적이 가로 180㎜, 세로 180㎜, 높이 9㎜일때 흑연 13.6g, 실리카샌드 250g, 부가형수지(페놀수지)60g, 실리콘수지 100g이면 적당하다.
또 다른 구체예에 있어서, 상기 조성 발열체의 일정한 유전율 및 강도를 유지하기 위해 대략 3~4.5㎏f/㎤정도의 압력을 가하는 것이 좋다.
다른 구체예에 있어서, 성형은 조성물질의 전기적 저항에 따라 단면적 대비 세로의 길이가 일정한 주물틀에 조성물질을 주입하여 실시한다. 성형형태는 사용되는 장소, 구조, 및 면적에 따라 크기 및 형태 조절이 가능하며, 표면에 탑재되는 황토, 원목, 옥돌 등에 따라서, 그 효과를 배가할 수 있다. 건축물의 바닥, 천정, 벽체 등의 고정형과 파티션이나 온풍기, 다리미, 헤어드라이어, 건조기, 공업용 가열소자 등의 이동형에 모두 사용가능하다.
다른 구체예에 있어서, 조성물질의 경화처리는 성형틀속에서 열부가처리인 것이 좋고, 부가시 온도는 200 내지 250℃로 속성경화하는 것이 바람직하며, 경화물의 표면온도가 150 내지 180℃가 되면 1차경화가 완료된다. 2차경화시는 성형틀 해체후 200℃상태에서 건조실에서 약 2시간 정도 경화 후 완전히 식힌 후 전류테스트를 거친 다음 생산과정이 마무리된다.
상기와 같은 본 발명의 PTC 조성물질을 구성하는 카본블랙의 물성에 대하여 살펴보면, 카본블랙의 겉보기 밀도는 1.5 내지 1.6g/㎤이고, 겉보기 기공율은 20 내지 30%이며, 휨강도는 19.6㎬이고, 휨탄성율은 4.9 내지 11.7㎬, 전기저항은 5 내지 12μΩm, 열전도율은 104.5 내지 242.4W/mk, 열팽창계수는 1 내지 3.5×10-6/℃인 것이다. 또한 흑연의 저항율은 8.0(Ω.m)로서, 구리의 1.7241×10-8(Ω.m)에 비해 월등히 큰 바, 종래의 구리를 이용한 PTC보다 본 발명의 흑연을 이용한 복합무기물 PTC의 열성 저항률이 월등하다.
이와 같은 카본블랙을 이용한 본 발명의 PTC 발열소자는 주변온도에 따라 저항값이 반응하여 추우면 발열량이 높아지고, 내부온도가 상승하면 다시 발열량이 적어지는 경제적이고 효율적인 센서방식의 무기물질 전열소자이다. 이러한 자동온도조절작용에 따라 과열이나 과전압에 대한 자동보호작용을 나타내고, 또한 공기중의 산소와 산화반응을 일으키지 않으며, 대기오염의 원인이 되는 산화가스를 발생시키지도 않는다는 특징을 갖고 있다.
본 발명에 따른 카본블랙을 이용한 PTC 소자의 작동원리는 이론적으로 한정하려는 것은 아니지만, 이 가열소자는 온도상승과 함께 저항체가 열팽창에 의해 유전율의 감소를 가져와 전류의 일정한 감소를 가져오며 제어온도(50~300℃)로 상승하면 전류의 감소가 멈추고 표면온도의 증감에 따라 일정한 전류의 범위에서 증감작용을 하면서 전류는 수렴한다.
이와 같은 본 발명의 카본블랙을 이용한 PTC 가열소자의 장점은 다음과 같다.
(1) 바이오(BIO)적 기능 - 원적외선 발생, 음이온 발생, 탈취제거, 습기제거, 무전자파, 수맥없음
(2) 전기적 기능 - 자기 전류 제어, 누전 흡수, 자기온도제어, 0.03 내지 0.12 정도의 낮은 전력밀도(보통 와트 밀도는 0.5W/㎤ 내지 25W/㎤)
(3) 전자적 기능 - 전자파 차폐 기능
(4) 구성 소재로서의 기능 - 장소, 구조 및 면적에 따른 크기 조절 기능, 표면에 황토, 원목, 옥돌 등에 따라 그 효과를 배가할 수 있음. 고정형(바닥, 천장, 벽체등), 이동형(파티션, 온풍기등)모두 가능
(5) 시공의 편리성 - 난방을 위한 부대 장치가 전혀 필요없으며, 특별한 건축지식이나 전기적 지식없이 시방서에 따라 누구나 설치 가능
(6) 제품의 안전성 - 표면온도 50 내지 300℃ 정도의 낮은 온도에 의한 설치면적 대비 효율증대
(7) 제품의 내구성 - 무기물질로 구성되어 있어 건축수명과 함께 함
(8) 제품의 효율성 - 자연대류시 원적외선 복사(방사)방식을 이용하기 때문에 열효율을 최대로 하고, 공간난방의 시간을 최소화할 수 있음
(9) 에너지절감 - 난방을 위한 화석연료(석유, 가스 등)를 사용하지 않으며, 내연기관의 열효율은 30 내지 40% 정도이고 전극설 PTC의 열효율은 약 90% 정도로 단위면적당 보일러 대비 효율이 월등함.
실시예 1
카본블랙을 PTC 발열소자(표면온도 250℃) 1의 제조
카본블랙 17g과 실리카샌드(35~45mech) 250g, 부가형수지(페놀수지)60g, 실리콘수지 100g 첨가한 뒤 교반하였다. 충분히 교반한 혼합물을 가로 180㎜×세로 180㎜×높이 9㎜의 주물틀에 넣고 280℃의 온도로 가열하여 성형1차 경화시켰다. 그 결과 15℃일때 초기전류 1.85A 상태에서 15분 후 표면온도가 평균 250℃이며, 이때 전류가 1.24A 인 PTC 발열소자를 수득하였다(도1).
실시예 2
실시예 2에 따라 제조된 PCT 발열소자의 성능
실시예 1 에서 수득한 카본블랙을 이용한 PTC에 자연대류 조건하에 전압 220V(단상)으로 표면온도 15℃일때 초기전류 1.85A상태에서 15분후 표면온도가 250℃이며 이때 전류가 1.24A상태에서 저항 범위는 100mΩ내지 300mΩ으로 나타났고, 약 30분이 경과한 후 표면온도가 250℃에 계속 유지되었다. 그 후 표면온도의 자동제어 상태를 확인하기 위하여 시간 경과에 따른 전류변화를 측정한 결과 약 180분 후 1.25A로 미세한 상승 후 다시 1.24A로 감소 후 전류가 일정하였다.
실시예3
카본블랙을 함유하는 PTC 발열소자(표면온도 300℃)2의 제조
카본블랙 40g과 실리카샌드(35~45mesh) 400g, 부가형수지(페놀수지)150g, 실리콘수지 150g을 첨가한 뒤 교반하였다. 충분히 교반한 혼합물을 가로 200㎜×세로370㎜×높이 6㎜의 주물틀에 넣고 280℃의 온도로 가열하여 성형1차 경화시켰다. 그 결과 15℃일때 초기전류 3.41A상태에서 15분 후 표면온도가 평균 300℃이며 이때, 전류가 2.47인 PTC발열소자를 수득하였다(도 2).
실시예4
카본블랙을 함유하는 PTC 발열소자(표면온도 50℃)3의 제조
카본블랙 11g과 실리카샌드(35~45mesh) 200g, 부가형수지(페놀수지)50g, 실리콘수지 100g을 첨가한 뒤 교반하였다. 충분히 교반한 혼합물을 가로 180㎜×세로180㎜×높이 9㎜의 주물틀에 넣고 280℃의 온도로 가열하여 성형1차 경화시켰다. 그 결과 15℃일때 초기전류 0.21A상태에서 15분 후 표면온도가 평균 50℃이며 이때, 전류가 0.09인 PTC발열소자를 수득하였다(도 3).
실시예5
카본블랙을 함유하는 PTC 발열소자(표면온도 300℃)4의 제조
카본블랙 17g과 실리카샌드(35~45mesh) 250g, 부가형수지(페놀수지)60g, 실리콘수지 100g을 첨가한뒤 교반하였다. 충분히 교반한 혼합물을 직경 200㎜×두께 6㎜의 주물틀에 넣고 280℃의 온도로 가열하여 성형1차 경화시켰다. 그 결과 20℃일때 초기전류 2.01A상태에서 10분 후 표면온도가 평균 300℃이며 이때, 전류가 1.35인 PTC발열소자를 수득하였다.
전술한 바와 같은 다양한 흑연전극술 PTC의 성능을 종합하여 종래의 세라믹 PTC 및 폴리머 PTC와 비교하여 볼때(표1), 본 발명의 흑연전극설 PTC가 사용온도 범위, 사용전류범위, 가능한 외형 크기면에서 다양하고, 전류의 정(+)특성 차이도 작아 다양한 이용분야에 안전하게 사용할 수 있는 발열소자임을 알 수 있었다.
표1. 카본블랙 PTC와 세라믹 PTC와 폴리머 PTC의 차이점
항 목 세라믹 PTC 폴리머 PTC 카본블랙 PTC
특 징 금속도포 금속도포 복합 무기물질 형성
사용온도 범위 300℃사용 가능 90℃이상 불가 50℃ 내지 300℃
열전달 속도 빠르다 느리다 체적별가변
사용전류 범위 약 2A 약 10A 0.01A 내지 50A
외형 크기 작다 작다 다양
전기적 신뢰성 양호 보통 양호
가공성 어렵다 좋다 좋다
저항 안정성 납땜 후 저항치안정 납땜 후 저항치상승 납땜 후 저항치안정
전류의 정(+)특성차이 크다 크다 작다
이상과 같이 제조된 본 발명의 카본블랙 PTC 발열소자는 일정온도를 상승시키면서 저항이 커져서 열팽창에 의해 전류가 줄어들어 발열체의 제어 표면온도를 일정하게 유지시킬 수 있고, 표면전력밀도를 줄이고 발열표면적을 넓게 함으로써 복사(방사)열에 의한 피가열체의 열손실을 극소화할 수 있으며, 고유저항, 접촉저항 및 열팽창계수가 큰 흑연을 함유한 복합무기물질의 이용으로 체적당 발열온도를 균일하게 유지할 수 있고, 흑연에 의한 원적외선 방출량을 최대화하여 공명흡수작용을 통한 온도증폭작용을 제공할 수 있다.
또한, 종래의 합금 PTC는 정/부 구간의 폭이 큰 반면(약2배 이상), 본 발명의 탄성을 갖는 전류제어 저항발열 조성물질의 정부 구간 폭이 매우 작아 소모전력이 현저히 적으며, 이에 따라 합금 PTC의 수명은 2년 내지 3년에 불과하나 본 발명에 따른 탄성을 갖는 전류제어 저항발열 조성물질의 최소 수명은 5년 이상이다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예로서만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
도 1은 본 발명의 특정 구체 예에 따른 카본블랙을 함유하는 PTC 발열소자를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 카본블랙을 함유하는 PTC 발열소자의 표면온도 300℃일때 전류의 변화를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 카본블랙을 함유하는 PTC 발열소자의 표면온도 50℃일때 전류의 변화를 도시한 그래프이다.

Claims (11)

  1. 카본블랙과 실리카샌드를 발열체의 표면 제어온도에 합당한 비율로 함유하고, 이 혼합물의 적당한 질량 비율로 접합물질인 부가형수지를 함유하며, 절연성 탄성물질을 첨가하는 탄성을 갖는 전류제어 저항발열 조성물질.
  2. 제1항에 있어서,
    사용온도 범위가 약 50~300℃가 되도록 하기 위하여 카본블랙과 실리카샌드(35~45mesh), 접합물질의 혼합 및 절연성 탄성물질로 이루어지며, 흑연분말과 실리카샌드의 혼합비율은 질량비를 기준으로 제어온도에 따라 약 5~30:500:100의 비율로 혼합되며 실리콘수지는 흑연대비 100~300% 첨가되는 것을 특징으로 하는 탄성을 갖는 전류제어 저항발열 조성물질.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 혼합된 흑연과 실리카샌드가 주조 및 조성물 성형시, 접합력을 유지하면서 상기 모래와 함께 흑연을 부(-)의 특성에서 정(+)의 특성을 전환시킬 수 있도록 하기 위하여 접합물질의 혼합비는 상기 흑연과 실리카샌드가 배합된 총 질량에 대하여 약 50~70%의 비율로 일정하게 혼합되는 것을 특징으로 하는 탄성을 갖는 전류제어 저항발열 조성물질.
  4. 카본블랙과 실리카샌드를 발열체의 표면 제어온도에 합당한 비율로 혼합 교반하는 단계, 이 교반된 조성물에 접합물질인 부가형 수지를 적당한 비율로 배합하는 단계, 이와 같이 배합된 조성물질에 탄성 및 절연물질을 첨가하는 단계, 이와 같은 조성물질을 상압상태에서 주물틀에 넣고 성형하는 단계, 인가단자선을 매입하는 단계, 프레싱 단계 및 그 결과 얻어지는 성형물을 열경화처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 카본블랙을 이용한 PTC발열소자의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 발열체의 표면 제어온도에 따라 약 5~30:500~100의 합당한 비율로 혼합되며, 또한 이때 부가형수지 및 실리콘수지의 함량은 부가형수지는 실리콘수지 대비 60%, 실리콘수지는 부가형수지 대비 150~200%로 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 카본블랙을 이용한 PTC발열소자의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    표면제어온도가 250℃인 경우에 흑연 대비 실리카샌드를 40%비율, 페놀수지는 실리콘수지 대비 60%, 실리콘수지는 167%인 것을 특징으로 하는 카본블랙을 이용한 PTC발열소자의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    표면제어온도를 250℃보다 높이고자 하는 경우에는 실리카샌드 대비 흑연에 대한 배합비율을 상향조절하고, 표면제어온도를 250℃보다 낯추고자 하는 경우에는 흑연비율을 실리카샌드 대비를 하향조절하는 것을 특징으로 하는 카본블랙을 이용한 PTC발열소자의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    표면온도 50℃를 기준으로 하향조절 및 상향조절시 배합비율을 실리카샌드 대비 카본블랙을 20% 비율로 가감조절하며, 부가형수지는 실리콘수지 60%, 실리콘수지는 167%로 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 카본블랙을 이용한 PTC발열소자의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    조성 발열체의 일정한 유전율 및 강도를 유지하기 위해 대략 3~4.5㎏f/㎤정도의 압력을 가하는 것을 특징으로 하는 카본블랙을 이용한 PTC발열소자의 제조방법.
  10. 제5항에 있어서,
    성형은 조성물질의 전기적 저항에 따라 단면적 대비 세로의 길이가 일정한 주물틀에 조성물질을 주입하여 실시하는 것을 특징으로 하는 카본블랙을 이용한 PTC발열소자의 제조방법.
  11. 제5항에 있어서,
    조성물질의 경화처리는 성형틀속에서 열부가처리인 것이 좋고, 부가시 온도는 200 내지 250℃로 속성경화하는 것을 특징으로 하는 카본블랙을 이용한 PTC발열소자의 제조방법.
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