KR20090075037A - 플라즈마 스크러버 및 유해가스 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 공정 등에서 발생하는 유해가스를 배플보드 및 압소버를 구비한 웨트 칼럼을 통과하도록 하여 가스의 유로를 길게 하여 수처리 효율을 상승시키고, 순간 건조부를 이용하여 상대습도를 낮춰 부식성 가스에 의한 장비의 부식을 방지하는 플라즈마의 고열을 이용한 유해가스의 처리가 가능한 플라즈마 스크러버 및 유해가스 처리 방법에 관한 것이다.

본 발명의 플라즈마 스크러버는 유해가스에 와류를 형성하여 반응챔버로 보내주는 매니폴드 및 소정 거리만틈 이격된 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이루어진 플라즈마 토치를 구비한 유해가스 유입챔버, 상기 유해가스 유입챔버의 하부에 연결되어 유해가스 유입챔버를 통과한 가스를 플라즈마 토치에서 발생한 플라즈마의 고열을 이용하여 유해가스를 처리하는 반응챔버, 상기 반응챔버의 하부 또는 일측면에 연결되며 반응챔버에서 처리된 유해가스를 냉각시키는 냉각챔버, 상기 냉각챔버를 통과한 가스가 기다란 유로를 형성하도록 해주는 배플보드와 압소버를 구비하는 웨트 칼럼, 상기 웨트 칼럼의 상부 또는 일측면에 연결되어 웨트 칼럼을 통과한 가스에 외부 공기를 공급하여 상대습도를 낮추는 순간 건조부 및 상기 냉각챔버 및 웨트 칼럼의 하부에 위치하며 냉각챔버 또는 웨트 칼럼에서 발생한 폐수 및 파우더를 포집하여 드레인시키는 드레인 탱크를 포함함에 기술적 특징이 있다.

플라즈마 스크러버(plasma scrubber), PFC, 배플보드(baffle board), 압소버(absorber), 순간 건조부

Description

플라즈마 스크러버 및 유해가스 처리 방법{Plasma scrubber and method for abating toxic gas}

본 발명은 플라즈마 스크러버 및 유해가스 처리 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 유해가스를 와류를 형성시켜 반응챔버로 보내주는 매니폴드, 배플보드와 압소버를 구비한 웨트 칼럼 및 수분 응축을 방지하는 순간 건조부를 구비한 플라즈마 스크러버 및 PFC 가스를 포함한 반도체 공정 등에서 발생하는 유해가스를 효율적으로 처리할 수 있는 플라즈마 스크러버 및 이를 이용한 유해가스 처리 방법에 관한 것이다.

반도체 소자는 산화, 식각, 증착 및 포토 공정 등 다양한 제조공정을 거쳐 제조되며 이들 공정에는 유독성 화학약품 및 화학 가스가 사용된다. 최근에는 기가(Giga)급 반도체 소자가 제조되고 있고 이러한 고집적화에 따라 유해한 화학가스, 예를 들면 C₂F₄, CF₄, C₃F₈, C₄F₁₀, NF₃, SF₆과 같은 과불화 화합물 또는 과불화 탄소 (Per Fluoro Compound, 이하 PFC라 함)의 사용량이 증대되고 있으며 이러한 화학 가스들은 독성이 매우 강해 그대로 대기중에 방출될 경우 인체에 치명적인 영향을 미치거나 커다란 환경문제를 야기시킬 수 있다.

PFC는 매우 안정한 화합물로서 분해되는 시간이 1000∼10000년 이상 걸리기 때문에 지구상에 오랫동안 잔존하며 지구 복사열의 방출을 막아 지구 온난화의 원인이 된다.

따라서, 이러한 유해성분의 함량을 허용농도 이하로 낮추는 무해화 처리과정을 필수적으로 거쳐서 대기중으로 배출시켜야 한다. 상기 무해와 처리과정을 위해 종래에는 건식 또는 습식의 가스 세정이 이루어지고 있으며, 이 중 건식 가스 세정장치는 열분해를 이용하는 방식과 플라즈마(plasma) 방식이 있다.

최근 들어서는 열분해를 이용하는 방식에 비해 액화천연가스(LNG) 및 산소(O₂)를 별도로 필요로 하지 않는 플라즈마 방식이 각광을 받고 있는 추세이다.

PFC 가스를 분해하기 위해서는 높은 온도가 필요하다. 따라서, 플라즈마 스크러버는 높은 열량의 화염을 이용하여 PFC 가스를 처리할 수 있다는 점에서 이점을 갖고 있다. 즉, 플라즈마의 온도는 적어도 1000℃ 이상이 되고, 이 플라즈마에 유해가스를 주입함으로써 이를 분해처리하게 된다.

하지만, 종래의 플라즈마 스크러버는 유해가스의 무해화의 효능이 상당히 떨어지는 문제점이 있었는 바 PFC 가스를 포함한 유해가스를 보다 확실히 제거하기 위한 플라즈마 스크러버가 절실히 요구되고 있으며, 유해가스에 의한 장비의 부식 을 방지해야 할 필요가 있다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 반도체 공정 등에서 발생하는 유해가스를 효과적으로 처리하기 위한 것으로서, 유해가스를 와류를 형성하여 반응챔버로 보내주는 매니폴드를 통해 유해가스의 열분해를 용이하게 하고, 배플보드와 압소버를 구비한 웨트 칼럼을 통해 가스의 유로를 길게하여 가스가 물과 접촉하는 면적 및 시간을 늘려 수용성 가스 및 파우더의 제거를 효율적으로 하며, 외부 공기를 공급하여 상대습도를 낮춰주는 순간 건조부를 통해 부식성 가스에 의한 배기 덕트 및 배관의 부식을 방지할 수 있는 플라즈마 스크러버 및 유해가스 처리 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 유해가스에 와류를 형성하여 반응챔버로 보내주는 매니폴드 및 소정 거리만틈 이격된 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이루어진 플라즈마 토치를 구비한 유해가스 유입챔버; 상기 유해가스 유입챔버의 하부에 연결되어 유해가스 유입챔버를 통과한 가스를 플라즈마 토치에서 발생한 플라즈마의 고열을 이용하여 유해가스를 처리하는 반응챔버; 상기 반응챔버의 하부 또는 일측면에 연결되며 반응챔버에서 처리된 유해가스를 냉각시키는 냉각챔버; 상기 냉각챔버를 통과한 가스가 기다란 유로를 형성하도록 해주는 배플보드와 압소버를 구비하는 웨트 칼럼; 상기 웨트 칼럼의 상부 또는 일측면에 연결되어 웨트 칼럼을 통과한 가스에 외부 공기를 공급하여 상대습도를 낮추는 순간 건조부; 및 상기 냉각챔버 및 웨트 칼럼의 하부에 위치하며 냉각챔버 또는 웨트 칼럼에서 발생한 폐수 및 파우더를 포집하여 드레인시키는 드레인 탱크를 포함하는 플라즈마 스크러버에 의해 달성된다.

본 발명의 플라즈마 스크러버는 유해가스 유입챔버의 상부 또는 일측면에 유해가스 유입구 및 플라즈마 생성가스 유입구를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 플라즈마 스크러버는 웨트 칼럼의 상부 또는 일측면에 물을 분사시키는 분사노즐을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 배플보드는 배플보드를 관통하는 다수개의 구멍을 가질 수 있다.

상기 압소버는 테프론으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 플라즈마 스크러버는 드레인 탱크의 내벽을 테프론으로 코팅하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 목적은 플라즈마 토치에 의해 플라즈마를 발생시키는 제1단계; 상기 플라즈마의 고열에 의해 유입된 유해가스를 처리하는 제2단계; 상기 가스를 급냉시키는 제3단계; 상기 가스를 배플보드 및 압소버를 구비한 웨트 칼럼을 통과시켜 수용성 가스를 처리하고 파우더를 포집하는 제4단계; 및 외부 공기를 공급하여 상대습도를 낮추는 제5단계를 포함하는 유해가스 처리 방법에 의해 달성된다.

상기 제1단계는 플라즈마의 발생을 위해 질소(N₂)를 유입하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2단계는 열분해된 유해가스의 재결합을 방지하기 위해 스 팀(H₂O)과 공기를 공급하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명의 플라즈마 스크러버 및 유해가스 처리 방법은 고온의 플라즈마를 이용하여 PFC 가스를 포함한 반도체 공정 등에서 발생하는 유해가스의 처리 효율을 향상시킬 수 있고, 배플보드 및 압소버를 구비한 웨트 칼럼에 가스를 통과시킴으로써 수용성 가스의 처리 효율을 향상시킴과 아울러 파우더를 효율적으로 제거할 수 있으며, 외부 공기를 공급하여 상대습도를 낮춰주는 순간 건조부를 통해 부식성 가스로부터 배기 덕트 및 배관의 부식을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 종래의 건습식 혼합형 가스 스크러버에 필요한 LPG, LNG 등의 연료가스를 사용하지 않으므로 비교적 장치 구성이 간단하고 가격이 저렴하며 안전하다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 플라즈마 스크러버의 사시도이고 도 2는 본 발명의 플라즈마 스크러버의 구성도이다.

본 발명의 플라즈마 스크러버는 유해가스 유입챔버(100), 반응챔버(200), 냉각챔버(300), 드레인 탱크(400), 배플보드(510, baffle board)와 압소버(520, absorber)를 구비한 웨트 칼럼(500, wet column) 및 순간 건조부(600)를 포함하여 이루어진다.

유해가스 유입챔버(100)는 유해가스 유입구(190)를 통해 유입된 유해가스를반응챔버(200)로 와류를 형성하며 유입시키는 매니폴드(110, manifold) 및 애노드(anode) 전극(120)과 캐소드(cathode) 전극(130)이 소정 거리만큼 이격되어 설치되어 있는 플라즈마 토치를 포함하여 이루어진다.

도면에 도시하지 않았으나 DC 파워 서플라이는 플라즈마 토치의 애노드 전극과 캐소드 전극에 고전압을 인가함으로써 플라즈마의 생성을 유도하게 된다.

반도체 공정 등에서 발생하는 PFC 등의 유해가스는 유해가스 유입챔버의 상부 또는 일측면에 존재하는 유해가스 유입구(190)를 통해 유입되며 그 밖에도 질소(N₂)와 같은 플라즈마 생성 가스를 유입시키기 위한 플라즈마 생성 가스 유입 구(150)가 유해가스 유입챔버의 상부 또는 일측면에 존재한다.

반응챔버(200)는 유해가스 유입챔버(100)의 하부에 위치하며 플라즈마 토치에서 발생하는 플라즈마의 고열을 이용하여 유해가스를 처리하는 챔버이다. 유해가스는 플라즈마의 고열에 의해 열분해, 이온화, 연소 등에 의해 무해한 가스로 변환되게 된다.

냉각챔버(300)는 반응챔버(200)의 하부 또는 일측면에 위치하며 지속적으로 물을 뿌려주어 부식성 가스로부터 내벽을 보호함은 물론 고온의 가스를 1차적으로 냉각시켜 준다. 상기 냉각챔버(300) 내의 상부 또는 일측면에는 물을 분사하기 위한 분사노즐(330)을 1개 이상 포함한다.

상기 분사노즐(330)에서 분사된 미세 물입자는 냉각챔버(300)의 내벽에 피막을 형성하여 부식성 가스로부터 냉각챔버의 벽을 보호해주는 역할을 하며 수용성 유해가스 및 파우더 등을 포집하여 그 하부에 설치된 드레인 탱크(400)로 보내주는 역할을 한다.

상기 냉각챔버(300)를 통과한 가스는 웨트 칼럼(500)으로 유입되는데 웨트 칼럼에는 배플보드(510) 및 압소버(520)가 존재하여 가스의 유로를 길게 함으로써 수용성 가스가 물과 접촉하는 시간과 면적을 증가시켜 유해가스의 처리 효율을 극대화시킨다.

상기 배플보드(510)는 칼럼 내부의 일측면에 설치되며 복수개의 배플보드를 교대로 형성시키는 것이 바람직하나 1개를 설치할 수도 있다.

한편, 배플보드(510)에는 배플보드를 관통하는 다수개의 구멍(도시하지 않 음)이 존재할 수도 있다. 이 구멍을 통해 물이 분사되도록 함으로써 물이 균일하게 분사되도록 한다.

상기 압소버(520)는 웨트 칼럼의 내부 공간을 메우도록 설치되며 압소버 자체에 존재하는 구멍을 통해 가스가 흘러가도록 하여 가스의 유로를 길게 하여 접촉면적과 접촉시간을 늘려 줌으로써 수용성 가스와 파우더의 제거 효율을 상승시킨다.

상기 압소버(520)는 폴리 프로필렌 또는 테프론 등으로 이루어지며 부식성 가스에 의한 부식을 방지하기 위해서는 테프론으로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 대략 수mm 내지 수cm 크기의 구형, 원통형, 사면체, 육면체, 팔면체, 이십면체 등의 형상으로 이루어질 수 있으나 그 크기 및 형태에 제한이 있는 것은 아니다.

한편, 웨트 칼럼(500)의 하부에는 받침판(540)이 존재하여 압소버가 밑으로 떨어지는 것을 방지해준다. 이러한 받침판(540)은 칼럼과 일체형으로 형성될 수도 있다.

상기 웨트 칼럼(500)의 상부 또는 일측면에는 분사노즐(530)이 1개 이상 있으며 물을 미세입자로 분사하여 수용성 가스를 처리하고 파우더를 포집하여 하부의 드레인 탱크로 보내주게 된다. 또한 상기 웨트 칼럼(500)의 내벽은 테프론으로 코팅할 수 있다.

웨트 칼럼(500)은 복수개의 칼럼을 가지는 것이 바람직한데 도 1 및 도 2에는 두 개의 칼럼을 가진 웨트 칼럼을 나타내었다. 복수개의 칼럼을 위, 아래로 배 치하는 직렬형도 가능하나 장비의 부피를 최소화하고 가스 유로를 길게 하기 위해서는 칼럼을 나란히 배치하는 병렬형이 바람직하며 이 경우 하나의 칼럼을 통과한 가스가 그 다음 칼럼으로 흘러갈 수 있도록 해주는 가스 통로(550)가 존재하거나 칼럼의 일측면에 가스가 통할 수 있는 구멍을 뚫어 주는 것도 가능하다.

순간 건조부(600)는 외부 공기 유입구(610)를 통해 외부 공기를 유입함으로써 웨트 칼럼을 통과한 가스의 상대습도를 낮춰 준다. 이를 통해 수분 응축을 방지하여 수분에 의한 부식성 가스에 의한 배기 덕트 또는 배관의 부식을 방지하는 역할을 한다.

또한 배기압력이 강하될 경우를 대비하여 안전 설정 제한치를 감지하여 자동적으로 클로징(closing)이 가능한 액츄에이터(actuator) 밸브(도시하지 않음)를 장착하여 만일의 위험에 대비하도록 한다.

드레인 탱크(400)는 냉각챔버(300) 및 웨트 칼럼(500)의 하부에 위치하며 수처리 후 발생된 폐수 및 파우더를 포집하여 드레인시키는 역할을 한다. 이를 위해 드레인 펌프 및 순환 펌프를 설치할 수 있다.

상기 드레인 탱크는 스테인레스 스틸로 제작될 수 있으며 부식 방지를 위해 그 내벽을 테프론으로 코팅하는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명에 따른 유해가스 처리 방법의 흐름도를 나타낸 것이다.

먼저, DC 파워 서플라이에 의해 플라즈마 토치의 애노드 전극과 캐소드 전극에 고전압을 인가하여 플라즈마를 생성시킨다(S01 단계). 이를 위해 불활성 가스, 질소(N₂) 등의 플라즈마를 생성할 수 있는 가스를 통과시켜 고온까지 가열시키면 가스가 이온화하게 되는데 이와 같은 방법으로 다양한 종류의 반응성 입자를 생성함으로써 플라즈마를 형성하게 된다.

다음, 상기 플라즈마의 고열을 이용하여 반응챔버 내에서 유해가스를 처리한다(S02 단계). 유해가스의 처리란 주로 플라즈마의 고열을 이용한 열분해를 의미하나 이 밖에도 플라즈마의 고열에 의한 원자상태로의 해리, 이온화 등을 포함하여 유해가스를 무해한 가스로 변화시키는 공정을 의미한다.

한편, 열분해 내지 이온화된 유해가스의 재결합을 방지하기 위해 스팀(H₂O)과 공기를 유입시킬 수 있다.

도 4는 일례로서, CF₄가스의 처리 상태를 나타낸 개념도이다. 플라즈마 생성 가스로 N₂를 유입시키고 분해 내지 이온화된 가스의 재결합을 방지하기 위해 스팀(H₂O)과 공기를 유입시킨 경우, CF₄는 플라즈마 토치의 아크 고열에 분해 내지 이온화되어 반응챔버 내에는 C⁺,C, F^-, F, F₂, N, N⁺, N₂, H⁺, H, OH^- 등의 이온, 라디칼, 여기 분자 및 원자 등이 혼재하는 상태가 된다.

이러한 이온, 라디칼, 여기 분자 및 원자 등은 CO₂나 HF 가스와 같은 상태로 변환되어 배기되거나 물에 용해되어 드레인 탱크로 드레인되게 된다.

다음, 반응 후 고온의 가스를 급냉하고 파우더를 포집한다(S03 단계). 이를 통해 부식성 가스로부터 장비의 내벽을 보호함은 물론 파우더 등을 포집한다. 급냉시 발생한 폐수 및 포집된 파우더는 드레인 탱크로 유입되어 제거된다.

다음, 배플보드와 압소버를 구비한 웨트 칼럼에 통과시켜 수용성 가스 및 파우더를 포집하여 파우더의 비산을 방지한다(S04 단계). 배플보드와 압소버는 가스의 유로를 길게하여 가스의 접촉면적 및 접촉시간을 늘려주어 가스의 제거 효율을 늘려주면서도 장비가 차지하는 공간은 오히려 감소시킬 수 있다.

다음, 외부 공기를 유입시켜 상대습도를 낮춘다(S05 단계). 이를 통해 수분의 응축을 방지하여 수분에 의한 부식성 가스에 의한 배기 덕트 및 배관의 부식을 방지한다.

본 발명의 플라즈마 스크러버는 수천 내지 수만℃에 달하는 고온의 플라즈마를 사용한 열분해 방식이기 때문에 PFC 가스의 분해 효율이 우수하며 종래의 혼합식 가스 스크러버에 비해 장비 가격이 저렴하다.

또한, 장치 구성이 비교적 간단하며 LNG(LPG)와 같은 연료가스의 사용에 의한 다양한 안전장치를 구비할 필요가 없다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

본 발명은 고온의 플라즈마를 이용하여 PFC 가스의 처리 효율을 향상시킬 수 있고, 배플보드 및 압소버를 구비한 웨트 칼럼에 가스를 통과시킴으로써 수용성 가스의 처리 효율을 향상시킴과 아울러 파우더의 비산을 방지할 수 있으며, 순간 건조부를 통해 부식성 가스로부터 배기 덕트 및 배관의 부식을 방지함으로써 반도체 공정은 물론 기타의 공정 등에서 발생하는 PFC 가스를 포함하는 유해가스를 효율적으로 제거하는데 사용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 플라즈마 스크러버의 사시도이다.

도 2는 본 발명의 플라즈마 스크러버의 구성도이다.

도 3은 본 발명의 유해가스 처리 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 4는 CF₄가스의 처리 상태를 나타낸 개념도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 유해가스 유입챔버 200 : 반응챔버

300 : 냉각챔버 400 : 드레인 탱크

500 : 웨트 칼럼 510 : 배플보드

520 : 압소버 530 : 분사노즐

600 : 순간 건조부 610 : 외기 유입구

Claims (9)

1. 유해가스에 와류를 형성하여 반응챔버로 보내주는 매니폴드 및 소정 거리만틈 이격된 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이루어진 플라즈마 토치를 구비한 유해가스 유입챔버;

   상기 유해가스 유입챔버의 하부에 연결되어 유해가스 유입챔버를 통과한 가스를 플라즈마 토치에서 발생한 플라즈마의 고열을 이용하여 유해가스를 처리하는 반응챔버;

   상기 반응챔버의 하부 또는 일측면에 연결되며 반응챔버에서 처리된 유해가스를 냉각시키는 냉각챔버;

   상기 냉각챔버를 통과한 가스가 기다란 유로를 형성하도록 해주는 배플보드와 압소버를 구비한 웨트 칼럼;

   상기 웨트 칼럼의 상부 또는 일측면에 연결되어 웨트 칼럼을 통과한 가스에 외부 공기를 공급하여 상대습도를 낮춰주는 순간 건조부; 및

   상기 냉각챔버 및 웨트 칼럼의 하부에 위치하며 냉각챔버 또는 웨트 칼럼에서 발생한 폐수 및 파우더를 포집하여 드레인시키는 드레인 탱크

   를 포함하는 플라즈마 스크러버.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 유해가스 유입챔버의 상부 또는 일측면에 유해가스 유입구 및 플라즈마 생성가스 유입구를 더 포함하는 플라즈마 스크러버.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 웨트 칼럼의 상부 또는 일측면에 물을 분사시키는 분사노즐을 더 포함하는 플라즈마 스크러버.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 배플보드는 배플보드를 관통하는 다수개의 구멍을 가진 플라즈마 스크러버.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 압소버는 테프론으로 이루어진 플라즈마 스크러버.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 드레인 탱크의 내벽은 테프론 코팅이 되어 있는 플라즈마 스크러버.
7. 플라즈마 토치에 의해 플라즈마를 발생시키는 제1단계;

   상기 플라즈마의 고열에 의해 유입된 유해가스를 처리하는 제2단계;

   상기 가스를 급냉시키는 제3단계;

   상기 가스를 배플보드 및 압소버를 구비한 웨트 칼럼을 통과시켜 수용성 가스를 처리하고 파우더를 포집하는 제4단계; 및

   외부 공기를 공급하여 상대습도를 낮추는 제5단계

   를 포함하는 유해가스 처리 방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 제1단계는 플라즈마의 발생을 위해 질소(N₂)를 유입하는 단계를 더 포함하는 유해가스 처리 방법.
9. 제7항에 있어서,

   상기 제2단계는 열분해된 유해가스의 재결합을 방지하기 위해 스팀(H₂O)과 공기를 공급하는 단계를 더 포함하는 유해가스 처리 방법.

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