KR20110072376A - 확산 렌즈가 구비된 발광 다이오드 조명장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광 다이오드 조명장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발광다이오드인 LED의 상부에 보다 먼 거리까지 빛을 확산시키는 확산 렌즈를 부착하여 발광 다이오드의 개수를 크게 증가시키지 않으면서 밝은 빛을 생성할 수 있게 함과 아울러, 하부에 돌출 형성된 기판결합수단에 의해 확산 렌즈를 인쇄회로기판에 견고하게 결합시키고, 렌즈의 저면 측부에 방열홈을 형성함으로써 렌즈 내부에 놓인 발광 다이오드에서 발생된 열이 보다 용이하게 방출될 수 있게 하여 열에 의한 조명장치의 손상과 천정 부식 등을 방지할 수 있게 한 확산 렌즈가 구비된 발광 다이오드 조명장치에 관한 것이다.

발광 다이오드, 조명장치, 렌즈, 인쇄회로기판

Description

확산 렌즈가 구비된 발광 다이오드 조명장치{LIGHT EMITTING DIODE ILLUMINATOR WITH SPREAD LENS}

본 발명은 발광 다이오드 조명장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발광다이오드인 LED의 상부에 보다 먼 거리까지 빛을 확산시키는 확산 렌즈를 부착하여 LED의 개수를 크게 증가시키지 않으면서 밝은 빛을 생성할 수 있게 함과 아울러, 하부에 돌출 형성된 기판결합수단에 의해 확산 렌즈를 인쇄회로기판에 견고하게 결합시키고, 렌즈의 저면 측부에 방열홈을 형성함으로써 렌즈 내부에 놓인 LED에서 발생된 열이 보다 용이하게 방출될 수 있게 하여 열에 의한 조명장치의 손상과 천정 부식 등을 방지할 수 있게 한 확산 렌즈가 구비된 발광 다이오드 조명장치에 관한 것이다.

일반적으로, 발광 다이오드(LED : Light Emitting Diode)는 반도체의 PN접합 구조를 이용하여 구성되며, 전원의 공급에 의해 다이오드가 도통되면서 빛이 발광하게 되는 소자이다.

이러한 발광 다이오드는 전기에너지를 빛에너지로 변환시키는 효율이 뛰어나 광원으로서의 이용이 증가하고 있으며, 근래에는 이러한 발광 다이오드를 이용한 조명장치들이 다양하게 제안되고 있다.

그러나, 이러한 발광 다이오드는 개별적으로 발산하는 빛이 약하기 때문에, 조명장치로 이용하기 위해서는 원하는 조명등의 밝기에 해당하는 다수개의 발광 다이오드를 인쇄회로기판에 가로 또는 세로로 배치하고, 인쇄회로기판 상부에 놓인 모든 발광 다이오드로 동시에 전원을 인가하여 빛을 발산시켜 사용하였다.

이와 같이 발광 다이오드 조명장치는 원하는 밝기를 구현하기 위해 다수의 발광 다이오드가 한정된 공간에 설치되고 동시에 빛을 발산하게 되는데, 이때 조명장치를 이루는 모든 발광 다이오드에서 동시에 방출되는 열의 양이 상당하여 방열기능이 더욱 중요시된다.

그러나, 보다 밝은 빛을 구현하기 위해 좁은 인쇄회로기판 상에 고밀도로 집적된 발광 다이오드에서 방출되는 열량을 인쇄회로기판 하부에 구비된 방열판에 의해서 방열시키는 데에는 한계가 있으며, 그에 따라 발광시 발생되는 열에 의해 발광 다이오드가 손상되거나, 인쇄회로기판이 손상되어 교체 주기가 짧아지는 문제점이 있었다.

또한, 단순한 표시등 용도로 사용되는 발광 다이오드와는 달리 조명 용도로 사용되는 발광 다이오드의 경우 많은 빛을 발산하여야 하므로 개별적인 발광 다이오드의 소비전력이 크게 되는데, 발광 다이오드 조명장치를 사용하고자 하는 곳에서 요구하는 밝기가 증가하게 될수록 고출력의 발광 다이오드를 사용하게 된다.

더욱이 종래에는 소비전력이 0.2W(와트)인 발광 다이오드를 이용하였으나, 한정된 조명장치의 영역 내에 집적할 수 있는 발광 다이오드 개수의 제약으로 인하 여 낮은 출력을 내는 발광 다이오드의 개수를 무한히 증가시킬 수 없어, 근래에는 집적되는 발광 다이오드의 개수를 감소시키면서 동일한 빛을 낼 수 있도록 소비전력이 0.4W(와트)인 고출력의 발광 다이오드를 이용하고 있다.

또한, 발광 다이오드의 개수를 크게 증가시키지 않고도 보다 멀리까지 밝은 빛을 보낼 수 있도록 발광다이오드 상부에 확산 렌즈를 설치하는 것이 제안되었으며, 이러한 확산 렌즈는 접착제나 접착테이프 등에 의해 상기 인쇄회로기판의 상부에 부착되는 것이 일반적이었다.

그러나, 근래에 이용이 증가하고 있는 0.4W 이상 고출력 발광 다이오드의 경우 방출되는 열이 종래의 0.2W 저출력 발광 다이오드보다 많으므로, 확산 렌즈와 인쇄회로기판 사이를 연결하는 접착제나 접착테이프가 녹게 되어 렌즈를 안정적으로 접착시킬 수 없는 문제점이 있었다.

따라서, 고출력 발광 다이오드를 이용하여 보다 밝은 발광 다이오드 조명장치를 구현하기 위해서는, 인쇄회로기판에 보다 견고히 부착되면서도 방열효과가 뛰어난 확산 렌즈가 절실히 요청되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 확산 렌즈 저면에 형성된 기판결합수단을 인쇄회로기판에 관통 형성된 렌즈 결합구에 끼우고 열접합하여 고출력 발광 다이오드에서 발생되는 열에 의해서도 확산 렌즈의 결합력이 약화되지 않으며, 확산 렌즈 하부 둘레에 방열홈을 형성하여 렌즈 내부의 열을 외부로 원활하게 방출시킴으로써, 고출력 발광 다이오드를 이용하여 보다 밝은 발광 다이오드 조명장치를 구현할 수 있는 확산 렌즈가 구비된 발광 다이오드 조명장치를 제공함에 있다.

상기 과제를 이루기 위한 확산 렌즈가 구비된 발광 다이오드 조명장치는, 빛을 방출하는 광원인 발광 다이오드; 상기 발광 다이오드가 다수 개 설치되고 설치된 발광 다이오드들을 구동시키는 패턴이 형성되며, 렌즈 결합구가 관통 형성된 인쇄회로기판; 상기 발광 다이오드에서 발생된 빛을 멀리 확산시키는 투광성 재료로 이루어진 렌즈부와, 상기 렌즈부 저면에서 아래로 연장 형성되어 상기 렌즈 결합구에 끼움 결합되는 기판결합수단이 구비된 확산 렌즈; 상기 인쇄회로기판에 전원을 공급하는 전원공급수단; 및 상기 인쇄회로기판의 저면에 설치되는 방열판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 확산 렌즈는 상기 렌즈부 내부의 열을 렌즈부 외부로 방출시키는 방열홈이 더 구비되며, 상기 방열홈은 상기 렌즈부의 하부 둘레에 관통 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 고출력 발광 다이오드를 이용하여 보다 밝은 발광 다이오드 조명장치를 구현하면서도 확산 렌즈 하부에 기판결합수단과 방열홈을 형성함으로써 확산 렌즈와 인쇄회로기판을 보다 견고히 부착시키면서 우수한 방열효과를 구현할 수 있는 장점이 있다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 확산 렌즈가 구비된 발광 다이오드 조명장치의 분리 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 확산 렌즈가 구비된 발광 다이오드 조명장치(10)는 빛을 방출하는 광원인 발광 다이오드(100)와, 상기 발광 다이오드가 다수 개 설치되고 설치된 발광 다이오드들을 구동시키는 인쇄회로기판(300)과, 상기 발광 다이오드 상부에 설치되어 빛을 확산시켜 외부로 표출되는 광량을 증가시키는 확산 렌즈(200)를 포함하여 구성된다. 이때, 상기 인쇄회로기판에 전원을 공급하기 위한 전원공급수단(미도시)과, 상기 발광 다이오드에서 발출되는 열량을 방열시키기 위해 상기 인쇄회로기판의 저면에 설치되는 방열판(미도시)이 더 구비됨은 물론이다.

상기 발광 다이오드(100)는 조명장치(10)에서 구현하고자 하는 조도를 구현할 수 있을 정도의 복수개가 인쇄회로기판(300)에 설치되어 구성된다. 이때 0.4W 고출력 다이오드를 다수 개 설치하여 구성될 수 있음은 물론, 0.2W 저출력 다이오드를 더 많이 설치하여 구성될 수도 있다.

상기 인쇄회로기판(300)은 다수 개의 발광 다이오드를 구동하기 위한 전극 회로가 패턴으로 형성되어 있으며, 상기 발광 다이오드가 놓이는 다수 개의 다이오드 결합구가 인쇄회로기판을 관통하여 형성된다.

도 2는 본 발명에 따른 렌즈 결합구가 형성된 원형 인쇄회로기판의 평면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 렌즈 결합구가 형성된 사각형 인쇄회로기판의 평면도이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 인쇄회로기판(300)의 전체적인 형상은 원형 또는 사각형 등 발광 다이오드 조명장치가 사용되는 용도에 적합한 형태로 이루어질 수 있으며, 상기 다이오드 결합구는 인쇄회로기판의 형태를 따라 가로 및 세로로 열 지어 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 다이오드 결합구의 주위에는 렌즈 결합구(310)가 인쇄회로기판을 관통하여 형성된다. 이때, 상기 렌즈 결합구(310)는 후술하는 확산 렌즈의 하부에 구비된 기판결합수단(220)이 결합되는 홀로서, 확산 렌즈가 견고히 결합될 수 있도록 상기 다이오드 결합구 주변의 네 모퉁이에 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 인쇄회로기판의 다이오드 결합구 주위에는 발광 다이오드 제작시 용이한 결합이 이루어질 수 있도록 확산 렌즈가 설치될 위치가 인쇄되는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명에 따른 기판결합수단이 구비된 확산 렌즈의 정단면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 기판결합수단과 방열홈이 구비된 확산렌즈의 정면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 기판결합수단과 방열홈이 구비된 확산렌즈의 저면도이다.

상기 확산 렌즈(200)는 도 4에 도시된 바와 같이, 발광 다이오드에서 발생된 빛을 멀리 확산시킬 수 있는 렌즈부(210)와, 상기 인쇄회로기판에 견고히 고정시키기 위해 하부에 구비된 기판결합수단(220)을 포함하여 구성된다.

이때, 상기 렌즈부(210)는 투광성을 지니는 아크릴 재료 등으로 구성되는 것이 바람직하며, 상기 렌즈부의 하부 중앙에는 상기 발광 다이오드가 놓이게 되는 안착부(211)와, 상기 발광 다이오드에서 발생된 빛을 보다 균일하게 확산시키기 위한 확산부(212)로 이루어진 홈이 내측으로 형성된다.

상기 안착부(211)는 인쇄회로기판에 고정되어 있는 발광 다이오드의 상부가 안정적으로 위치하도록 넓은 사각형의 홈으로 이루어지고, 상기 확산부(212)는 빛이 모든 각도에서 균일하게 확산되도록 상기 안착부(211) 상부에서 연장된 반원형의 홈으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 기판결합수단(220)은 상기 렌즈부의 저면에서 아래로 연장 형성된 지지부로 구성되며, 상기 확산 렌즈가 인쇄회로기판에 안정적으로 결합될 수 있도록 확산 렌즈 저면에 상호 90°의 각도를 이루며 형성된 4개의 지지부로 구성되는 것이 바람직하다.

이때, 상기 기판결합수단(220)은 인쇄회로기판에 형성된 상기 렌즈 결합구(310)에 끼워져 결합된다. 그에 따라, 상기 기판결합수단은 인쇄회로기판의 두께에 따라 길이를 달리 형성할 수 있으나, 상기 렌즈 결합구에 결합된 상태에서 인쇄 회로기판의 외부로 많이 노출되지 않을 정도의 길이를 갖도록 대략 1.8㎜의 길이로 구성되는 것이 바람직하다.

그리고, 이와 같이 기판결합수단이 렌즈 결합구에 결합된 상태에서 상기 확산 렌즈의 저면은 인쇄회로기판의 상면과 접하게 되어, 상기 발광 다이오드에서 방출되는 빛이 분산되지 않고 확산 렌즈의 확산부를 통해 확산하게 된다.

또한, 상기 기판결합수단(220)은 렌즈 결합구에 끼워진 후 열처리되어 인쇄회로기판에 열접합된다. 이와 같이 확산 렌즈가 접착제 등의 접착력이 아니라, 상기 기판결합수단에 의해 인쇄회로기판의 렌즈 결합구에 끼워지고 열접합됨으로써, 고출력 발광 다이오드에서 발생되는 열에 의해 확산 렌즈가 인쇄회로기판으로부터 쉽게 분리되는 것을 방지할 수 있게 된다.

또한, 상기 확산 렌즈(200)의 하부에는 도 5에 도시된 바와 같이 발광 다이오드에서 발생된 열을 확산 렌즈 외부로 방출할 수 있는 방열홈(230)이 더 형성되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 기판결합수단이 렌즈 결합구에 결합되어 상기 확산 렌즈의 저면이 인쇄회로기판의 상면에 접하는 상태에서는 상기 안착부와 확산부를 이루는 홈에 수납된 발광 다이오드, 특히 고출력 발광 다이오드에서 발생된 열이 확산 렌즈 외부로 방출되지 않게 된다.

그에 따라, 상기 발광 다이오드에 의해 발생된 후 렌즈 내부에 머물게 되는 열에 의해 확산 렌즈나 발광 다이오드의 손상을 야기할 수 있게 되지만, 상기 방열홈을 형성함으로써, 상기 확산 렌즈와 인쇄회로기판간의 결합을 약화시키지 않으면 서 렌즈 내부의 열을 외부로 방출시킬 수 있게 된다.

이때, 상기 방열홈(230)은 확산 렌즈 하부의 둘레에서 상기 안착부와 확산부를 이루는 홈에 이르도록 관통되어 형성되며, 도 6에 도시된 바와 같이 기판결합수단 사이의 공간에 다수 개 형성되는 것이 바람직하다.

이때, 상기 방열홈(230)은 다양한 크기로 형성될 수 있으나, 확산 렌즈와 인쇄회로기판의 결합에 지장을 주지 않음은 물론, 상기 발광 다이오드에서 발생된 빛이 외부로 분산되는 것을 최소화할 수 있도록 폭이 대략 2.5㎜ 정도로 형성되는 것이 바람직하다.

도 7은 본 발명에 따른 확산 렌즈가 결합된 발광 다이오드 조명장치의 사시도이다.

도 7을 참조하면, 확산 렌즈가 결합된 발광 다이오드 조명장치(10)는 인쇄회로기판(300)에 설치된 다수의 발광 다이오드 상부에 각각의 확산 렌즈(200)가 위치하고, 각 확산 렌즈(200)는 기판결합수단에 의해 인쇄회로기판의 렌즈 결합구에 삽입된 후 열접합되어 견고하게 결합됨으로써, 고출력 발광 다이오드를 이용할 경우에도 확산 렌즈가 인쇄회로기판에서 쉽게 떨어지지 않아 제품의 교체주기를 증가시킬 수 있게 된다.

다음에는 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 확산 렌즈가 구비된 발광 다이오드 조명장치의 작용을 설명한다.

발광 다이오드를 이용하여 35W의 조명장치를 구현하기 위해 다수 개의 고출력 발광 다이오드를 인쇄회로기판에 설치하고, 각 발광 다이오드의 상부에 확산 렌 즈를 설치한다.

이때, 상기 확산 렌즈의 저면에서 연장된 기판결합수단은 인쇄회로기판에 형성된 렌즈 결합구에 끼워진 후 열처리되어 기판결합수단이 인쇄회로기판에 열접합된다. 그에 따라 상기 확산 렌즈의 저면은 인쇄회로기판 상면에 접하게 되며, 확산 렌즈 하부 둘레에 형성된 방열홈을 통하여 확산 렌즈의 내부와 외부가 관통된다.

도 8(a) 및 도 8(b)는 본 발명에 따라 확산 렌즈 유무에 따른 조도를 비교한 그래프이다.

이때, 도 8(a)는 확산 렌즈를 부착하지 않을 경우를 나타내며, 도 8(b)는 확산 렌즈를 부착하였을 경우를 나타낸다. 그래프에서 35W는 발광 다이오드 조명장치가 부착된 지점을 나타내고, 그에 따라 높이는 이러한 발광 다이오드 조명장치로부터 떨어진 거리를 나타낸다.

도 8(a)를 참조하면, 확산 렌즈가 구비되지 않은 경우에는 35W의 발광 다이오드 조명장치를 작동시켰을 경우에도 조명장치로부터 1m 떨어진 지점에서는 970lx(룩스), 2m 떨어진 지점에서는 330lx, 그리고 3m 떨어진 지점에서는 180lx의 밝기만을 나타내게 되어 올바른 조명장치로서 기능할 수 없게 됨을 알 수 있다.

즉, 확산 렌즈가 구비되지 않은 경우에는 소비 전력을 절감시키면서 발광 다이오드 자체의 수명에 따라 오래도록 사용할 수 있으나, 조도가 현저하게 떨어지므로 기존 HQI(Hydrargyrum quartz iodide) 램프를 대체하여 사용할 수 없게 된다.

그러나, 도 8(b)를 참조하면, 확산 렌즈가 구비된 경우에는 35W 발광 다이오드 조명장치를 작동시켰을 경우, 조명장치로부터 1m 떨어진 지점에서는 원래의 의 도와 같이 3500lx의 밝기를 나타내고, 2m 떨어진 지점에서는 1100lx, 그리고 3m 떨어진 지점에서는 560lx의 밝기를 나타내게 되어 올바른 조명장치로 이용할 수 있음 알 수 있다.

즉, 확산 렌즈를 발광 다이오드 상부에 설치하여 조도를 현저하게 향상시킬 뿐만 아니라, 기판결합수단에 의해 인쇄회로기판에 견고하게 결합되어 고출력 발광 다이오드 사용시 접착제가 녹아서 확산 렌즈가 이탈되는 것을 방지할 수 있고, 발광 다이오드의 빛이 균일하게 확산되어 시력을 보호할 수 있게 된다.

또한, 단순히 확산 렌즈만을 구비하였을 경우에는 발광 다이오드 및 확산 렌즈 내부가 60~70℃에 이르게 되며, 이러한 열에 의해 발광 다이오드와 저항의 수명이 짧아지게 되고, 조명장치 내부에 설치된 인버터의 외형이 변형될 수 있으나, 본 발명에 따라 확산 렌즈 하부 둘레에 방열홈이 형성되어 렌즈 내부의 열을 외부로 분산시킴으로써 렌즈 내부의 온도를 낮출 수 있게 된다.

그에 따라, 발광 다이오드 및 확산 렌즈 내부의 온도를 45~55℃로 낮출 수 있게 되어 발광 다이오드와 저항의 사용 수명을 보장할 수 있게 되고, 종래 HQI 램프를 대체하여 사용할 수 있게 된다. 또한, 조명장치에서 발생되는 열을 줄임으로써 열에 의한 천정 부식 등을 방지할 수 있게 되어 교체 주기를 증기시킴과 아울러 건물 내부의 인테리어도 보호할 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

도 1은 본 발명에 따른 확산 렌즈가 구비된 발광 다이오드 조명장치의 분리 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 렌즈 결합구가 형성된 원형 인쇄회로기판의 평면도.

도 3은 본 발명에 따른 렌즈 결합구가 형성된 사각형 인쇄회로기판의 평면도.

도 4는 본 발명에 따른 기판결합수단이 구비된 확산 렌즈의 정단면도.

도 5는 본 발명에 따른 기판결합수단과 방열홈이 구비된 확산 렌즈의 정면도.

도 6은 본 발명에 따른 기판결합수단과 방열홈이 구비된 확산 렌즈의 저면도.

도 7은 본 발명에 따라 확산 렌즈가 결합된 발광 다이오드 조명장치의 사시도.

도 8(a) 및 도 8(b)는 본 발명에 따라 확산 렌즈 유무에 따른 조도를 비교한 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 - 발광 다이오드 조명장치 100 - 발광 다이오드

200 - 확산 렌즈 210 - 렌즈부

211 - 안착부 212 - 확산부

220 - 기판결합수단 230 - 방열홈

300 - 인쇄회로기판 310 - 렌즈 결합구

Claims (7)

1. 발광 다이오드 조명장치에 있어서,

   빛을 방출하는 광원인 발광 다이오드;

   상기 발광 다이오드가 다수 개 설치되고 설치된 발광 다이오드들을 구동시키는 패턴이 형성되며, 렌즈 결합구가 관통 형성된 인쇄회로기판;

   상기 발광 다이오드에서 발생된 빛을 멀리 확산시키는 투광성 재료로 이루어진 렌즈부와, 상기 렌즈부 저면에서 아래로 연장 형성되어 상기 렌즈 결합구에 끼움 결합되는 기판결합수단이 구비된 확산 렌즈;

   상기 인쇄회로기판에 전원을 공급하는 전원공급수단; 및

   상기 인쇄회로기판의 저면에 설치되는 방열판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 확산 렌즈가 구비된 발광 다이오드 조명장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 렌즈부는,

   저면 중앙에 형성되어 상기 발광 다이오드가 놓이며 넓은 사각형의 홈으로 이루어진 안착부; 및

   상기 안착부 상부에서 렌즈부 내측으로 연장 형성된 반원형의 홈으로 이루어진 확산부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 확산 렌즈가 구비된 발광 다이오드 조명장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 기판결합수단은 확산 렌즈 저면에 상호 90°의 각도를 이루며 형성된 4개의 지지부로 구성되는 것을 특징으로 하는 확산 렌즈가 구비된 발광 다이오드 조명장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 기판결합수단은 렌즈 결합구에 끼워진 상태에서 열처리되어 상기 인쇄회로기판에 열접합되는 것을 특징으로 하는 확산 렌즈가 구비된 발광 다이오드 조명장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 확산 렌즈는 상기 렌즈부 내부의 열을 렌즈부 외부로 방출시키는 방열홈이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 확산 렌즈가 구비된 발광 다이오드 조명장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 방열홈은 상기 렌즈부의 하부 둘레에서 상기 안착부와 확산부를 이루는 홈에 이르도록 관통 형성되며, 상기 기판결합수단 사이의 공간에 형성되는 것을 특징으로 하는 확산 렌즈가 구비된 발광 다이오드 조명장치.
7. 제6항에 있어서,

   상기 방열홈은 2~3㎜의 폭을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 확산 렌즈가 구비된 발광 다이오드 조명장치.

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