KR20130142721A - 써모크로믹 윈도우 및 써모크로믹 복층 윈도우 - Google Patents

써모크로믹 윈도우 및 써모크로믹 복층 윈도우 Download PDF

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Abstract

본 발명은 써모크로믹 윈도우 및 써모크로믹 복층 윈도우에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온도에 따라 태양광의 투과율이 조절되는 써모크로믹 윈도우 및 써모크로믹 복층 윈도우에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성되되, 제 1 상전이 온도를 갖는 제 1 써모크로믹 박막; 및 상기 제 1 써모크로믹 박막 상에 형성되되, 제 2 상전이 온도를 갖는 제 2 써모크로믹 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우을 제공한다.

Description

써모크로믹 윈도우 및 써모크로믹 복층 윈도우{THEMOCHROMIC WINDOW AND THEMOCHROMIC MULTI-LAYER WINDOW}
본 발명은 써모크로믹 윈도우 및 써모크로믹 복층 윈도우에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온도에 따라 태양광의 투과율이 조절되는 써모크로믹 윈도우 및 써모크로믹 복층 윈도우에 관한 것이다.
최근 석유 등의 화학 에너지원의 가격이 급등하면서 새로운 에너지원 개발의 필요성이 커지고 있다. 또한, 이에 못지않게 에너지 절감기술의 중요성도 증대되고 있다. 실제로 일반 가정의 에너지 소비량 중 60% 이상은 냉·난방비로 사용된다. 특히 일반 주택 및 건물에서 창문을 통해 소비되는 에너지는 24%에 이른다.
이에 따라 창문의 기본 기능인 건물의 미관 및 조망 특성을 유지하면서도 창문의 기밀 및 단열 특성을 높여 창문을 통해 소비되는 에너지를 줄이기 위한 다양한 노력이 이루어지고 있으며, 대표적으로 창문의 크기를 조절하는 방법에서부터 고단열 윈도우를 설치하는 방법 등이 실시되고 있다.
고단열 윈도우의 종류에는 복층 글라스에 아르곤(Ar) 가스 등을 주입하여 열 교환 현상을 막는 아르곤 가스 주입 복층 글라스와 로이 (Low-E) 글라스 등이 있다. 이외에도 열적 특성을 지닌 층을 글라스에 코팅하여 태양광을 통한 에너지 유입을 조절하는 글라스 등이 연구되고 있다.
특히, 로이 글라스는 글라스 표면에 금속 또는 금속산화물을 얇게 코팅하여 창을 통해 들어오는 가시광선은 대부분 안으로 투과시켜 실내를 밝게 유지할 수 있도록 하고 적외선 영역의 복사선은 효과적으로 차단하여 겨울철에는 건물 안에서 발생한 난방열이 밖으로 빠져나가지 못하도록 차단하고, 여름철에는 건물 바깥의 열기를 차단하여 냉·난방비를 줄이는 효과가 있으나, 가시광선 이외의 파장에 대해서는 반사를 하는 특성에 의해, 특히 겨울철에 태양에서 나오는 적외선 부분을 실내로 유입시키지 못하고, 계절(온도)에 따라 태양광의 투과율이 조절되지 않는다는 단점을 가지고 있다.
이에 써모크로믹(thermochromic) 효과를 지닌 박막을 글라스 위에 코팅하여 글라스가 어떤 일정한 온도 이상이 되면 가시광선은 들어오지만 근적외선 및 적외선은 차단하여 실내온도가 상승하지 않게 하는 써모크로믹 윈도우에 관한 기술이 개발되고 있다.
특히, 상전이 온도가 68℃로써 비교적 실용 가능한 온도에 가까운 이산화바나듐(VO2)을 글라스에 코팅하여 에너지 효율을 증가시키기 위한 다양한 연구가 진행 중이다.
도 1은 글라스 기판의 일면에 VO2로 이루어진 써모크로믹 박막을 코팅한 경우 상전이 전/후 온도에 따른 태양광의 투과율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 써모크로믹 박막을 글라스에 코팅함으로써, 상전이 온도 전/후로 태양광의 투과율, 특히 적외선 영역에서의 투과율이 변함을 알 수 있고, 이에 의해 건물 등의 냉·난방 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
그러나, 이와 같은 투과율 변화는 하나의 상전이 온도에서만 이루어지므로 태양광을 효과적으로 차단하지 못한다는 단점이 있다. 특히, 여름철 낮 시간대(peak time)에서의 태양광 차단 효과가 미미하다는 단점을 갖는다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 온도에 따라 태양광의 투과율을 다변화시킬 수 있는 써모크로믹 윈도우 및 써모크로믹 복층 윈도우를 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성되되, 제 1 상전이 온도를 갖는 제 1 써모크로믹 박막; 및 상기 제 1 써모크로믹 박막 상에 형성되되, 제 2 상전이 온도를 갖는 제 2 써모크로믹 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우을 제공한다.
여기서, 상기 써모크로믹 윈도우는, 상기 제 2 써모크로믹 박막 상에 형성되는 하나 이상의 써모크로믹 박막을 더 포함하되, 상기 하나 이상의 써모크로믹 박막은 제 1 상전이 온도 및 제 2 상전이 온도와 상이하며, 서로 다른 각각의 상전이 온도를 갖는다.
또한, 상기 써모크로믹 윈도우는, 상기 제 1 써모크로믹 박막과 제 2 써모크로믹 박막 사이에 형성되되, 550㎚의 파장에서 1.7 ~ 2.7의 굴절율을 갖는 중간층을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 중간층의 광학적 두께(optical thickness)는 0.25 ~ 0.8인 것이 바람직하다.
또한, 상기 중간층은 SiO, ZnS, TiO2, ZrO2, HFO2, Sb2O3, 및 Gd2O3 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 제 1 써모크로믹 박막 및 제 2 써모크로믹 박막은 이산화바나듐(VO2), 산화티타늄(Ⅲ)(Ti2O3), 산화나이오븀(NbO2), 황화니켈(NiS), 란탄늄 바륨 망간옥사이드(La(1-x)BaxMnO3), 및 란탄늄 칼슘 망간옥사이드(La(1-x)CaxMnO3) 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제 1 써모크로믹 박막 및 제 2 써모크로믹 박막은 동일한 써모크로믹 물질로 이루어지되, 상기 써모크로믹 물질에 동일한 도펀트가 서로 다른 농도로 도핑되어 서로 다른 상전이 온도를 가질 수 있다.
여기서, 상기 제 1 써모크로믹 박막 및 제 2 써모크로믹 박막은 이산화바나듐(VO2)로 이루어지고, 상기 도펀트는 Mo, W, Cr, Ni, 및 Zr 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
그리고, 상기 도펀트는 W인 경우, 상기 W은 1 ~ 2 %의 농도 범위 내에서 서로 다른 농도로 상기 제 1 써모크로믹 박막 및 제 2 써모크로믹 박막에 도핑되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 제 1 기판; 상기 제 1 기판과 이격되어 설치되는 제 2 기판; 및 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 위치하는 중공층을 포함하며, 상기 제 1 기판 또는 제 2 기판의 적어도 어느 일 면에는, 제 1 상전이 온도를 갖는 제 1 써모크로믹 박막; 및 상기 제 1 써모크로믹 박막 상에 형성되되, 제 2 상전이 온도를 갖는 제 2 써모크로믹 박막이 형성되는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 복층 윈도우를 제공한다.
또한, 상기 써모크로믹 복층 윈도우는, 상기 제 1 써모크로믹 박막과 제 2 써모크로믹 박막 사이에 형성되되, 550㎚의 파장에서 1.7 ~ 2.7의 굴절율을 갖는 중간층을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 중공층은 불활성 기체를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상전이 온도가 서로 다른 제 1 써모크로믹 박막과 제 2 써모크로믹 박막이 텐덤(tandem)형으로 적층되게 구성됨으로써, 태양광 에너지 차단 효율 및 건물 등의 냉·난방 에너지 활용 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 550㎚의 파장에서 1.7 ~ 2.7의 굴절율을 가지는 중간층에 의해 태양광이 반사되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 글라스 기판의 일면에 VO2로 이루어진 써모크로믹 박막을 코팅한 경우 상전이 전/후 온도에 따른 태양광의 투과율 변화를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우의 개략적인 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우의 개략적인 단면도.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우의 온도에 따른 투과율 변화를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 복층 윈도우의 개략적인 단면도.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 써모크로믹 윈도우 및 써모크로믹 복층 윈도우에 대해 상세히 설명한다.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우의 개략적인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 써모크로믹 윈도우는 기판(100), 제 1 써모크로믹 박막(200), 제 2 써모크로믹 박막(300)을 포함하여 이루어질 수 있다.
기판(100)은 제 1 써모크로믹 박막(200) 및 제 2 써모크로믹 박막(300)의 지지 기재로서, 바람직하게는 소다라임(soda-lime)계 건축용 글라스가 사용될 수 있다.
제 1 써모크로믹 박막(200)은 기판(100) 상에 형성되며, 제 1 상전이 온도를 갖는다.
제 2 써모크로믹 박막(300)은 제 1 써모크로믹 박막(200) 상에 형성되며, 제 1 상전이 온도와는 다른 제 2 상전이 온도를 갖는다.
여기서, 써모크로믹 박막은 특정 온도(상전이 온도)에서 상전이되는 써모크로믹 현상에 의해 결정구조가 바뀌어 물리적 성질(전기 전도도, 적외선 투과율 등)이 급격히 변화함으로써, 특정 온도 이상의 온도에서 적외선을 차단 또는 반사하는 특성을 갖는다.
제 1 써모크로믹 박막(200)과 제 2 써모크로믹 박막(300)은 이산화바나듐(VO2), 산화티타늄(Ⅲ)(Ti2O3), 산화나이오븀(NbO2), 황화니켈(NiS), 란탄늄 바륨 망간옥사이드(La(1-x)BaxMnO3), 및 란탄늄 칼슘 망간옥사이드(La(1-x)CaxMnO3) 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
그리고, 제 1 상전이 온도를 갖는 제 1 써모크로믹 박막(200)과 제 2 상전이 온도를 갖는 제 2 써모크로믹 박막(300)은 동일한 써모크로믹 물질로 이루어지되, 동일한 도펀트(dopant)가 서로 다른 농도로 도핑(doping)됨으로써 형성될 수 있다.
바람직하게는, 제 1 써모크로믹 박막(200) 및 제 2 써모크로믹 박막(300)은 VO2 로 이루어지고, 이때 도핑되는 도펀트는 Mo, W, Cr, Ni, 및 Zr 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 특히, 도펀트가 W 인 경우 W 은 1 ~ 2 %의 농도 범위 내에서 제 1 써모크로믹 박막(200)과 제 2 써모크로믹 박막(300)에 서로 다른 농도로 도핑될 것이다.
그러나, 이에 구애됨 없이 동일한 써모크로믹 물질에 서로 상이한 도펀트를 도핑하거나, 상이한 써모크로믹 물질에 동일 또는 상이한 도펀트를 사용하는 등과 같이, 제 1 써모크로믹 박막(200)과 제 2 써모크로믹 박막(300)의 상전이 온도를 달리할 수 있으면 다양한 방법이 사용될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 써모크로믹 윈도우가 기판 상에 상전이 온도가 서로 다른 제 1 써모크로믹 박막(200)과 제 2 써모크로믹 박막(300)이 텐덤(tandem)형으로 적층되게 구성됨으로써, 태양광 에너지 차단 효율 및 건물 등의 냉·난방 에너지 활용 효율을 향상시킬 수 있다.
즉, 제 2 상전이 온도가 제 1 상전이 온도보다 낮다고 가정하면, 제 2 상전이 온도 이상 제 1 상전이 온도 이하에서는 제 2 써모크로믹 박막만이 상전이 되어 태양광을 차단하다가, 온도가 더 상승하여 제 1 상전이 온도 이상이 되면 제 1 써모크로믹 박막도 상전이 되어 제 1 써모크로믹 박막 및 제 2 써모크로믹 박막이 태양광을 차단하므로, 온도에 따라 태양광 차단 효율을 향상시킬 수 있고, 또한 이에 의해 건물 등의 냉·난방 에너지 활용 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 온도에 따른 태양광의 투과율을 더욱 다변화시켜 태양광 차단 효율 및 건물 등의 냉·난방 에너지 활용 효율을 더욱 향상시키기 위해, 본 발명의 써모크로믹 윈도우는 기판(100) 상에 상전이 온도가 서로 다른 복수의 써모크로믹 박막이 형성될 수 있다.
즉, 제 1 써모크로믹 박막(200) 상에 형성되는 제 2 써모크로믹 박막(300) 상에 제 1 상전이 온도 및 제 2 상전이 온도와 상이하며, 서로 다른 각각의 상전이 온도를 갖는 하나 이상의 써모크로믹 박막이 더 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 써모크로믹 윈도우는 도 3에 도시된 바와 같이 제 1 써모크로믹 박막(200)과 제 2 써모크로믹 박막(300) 사이에 형성되는 중간층(inter layer)(400)을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
중간층(400)은 550㎚의 파장에서 1.7 ~ 2.7의 굴절율을 가지며, 반사방지(anti-reflection)층 및 제 2 써모크로믹 박막(300)에 가해진 열이 바로 제 1 써모크로믹 박막(100)으로 직접적으로 전도되는 것을 방지하는 차단층의 역할을 수행한다.
즉, 중간층(400)이 1.7 ~ 2.7의 굴절율을 가짐으로써, 기판(100) 내지 써모크로믹 박막들(200, 300)과의 굴절율 차에 의해 태양광의 반사를 방지할 수 있다. 또한, 중간층(400)이 제 1 써모크로믹 박막(200)과 제 2 써모크로믹 박막(300) 사이에 위치함으로써, 제 2 써모크로믹 박막(300)에 가해진 열이 직접적으로 제 1 써모크로믹 박막(200)으로 전도되는 것을 차단하여, 제 1 써모크로믹 박막(200)이 상전이되는 온도를 중간층(400)에 의해 제어할 수 있다.
이와 같은, 중간층(400)은 SiO, ZnS, TiO2, ZrO2, HFO2, Sb2O3, 및 Gd2O3 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
그리고, 중간층(400)의 광학적 두께는 0.25 ~ 0.8인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.5 ~ 0.8일 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 기판, 기판 상에 형성되되 W이 0.5% 도핑되어 제 1 상전이 온도를 갖는 제 1 VO2 박막, 제 1 VO2 박막 상에 형성되는 중간층, 중간층 상에 형성되되 W이 1% 도핑되어 제 2 상전이 온도를 갖는 제 2 VO2 박막으로 이루어진 써모크로믹 윈도우의 온도에 따른 투과율 변화를 나타낸 그래프이다.
일반적으로, 써모크로믹 물질에 도핑되는 도펀트의 도핑비(doping ratio)가 높을수록 상전이 온도는 급속하게 낮아지게 된다.
도 4에 나타난 바와 같이, 온도가 제 2 상전이 온도 이상 제 1 상전이 온도 미만이어서 제 2 VO2 박막만이 상전이 된 경우는, 제 1 VO2 박막과 제 2 VO2 박막이 상전이 되지 않은 경우보다 2500㎚의 파장을 기준으로 했을 때, 약 22%의 태양광을 차단하는 효과를 가짐을 알 수 있다. 그러나, 온도가 제 1 상전이 온도 이상이어서 제 1 VO2 박막 및 제 2 VO2 박막이 상전이 모두 상전이 된 경우는, 제 1 VO2 박막과 제 2 VO2 박막이 상전이 되지 않은 경우보다 2500㎚의 파장을 기준으로 했을 때, 약 32%의 태양광을 차단하는 효과를 가짐을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 써모크로믹 복층 윈도우의 개략적인 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 써모크로믹 복층 윈도우는 제 1 기판(500), 제 2 기판(600), 및 중공층(700)을 포함하되, 제 1 기판(500) 또는 제 2 기판(600)의 적어도 어느 일 면에는 제 1 상전이 온도를 갖는 제 1 써모크로믹 박막(210); 및 제 1 써모크로믹 박막(210) 상에 형성되되, 제 2 상전이 온도를 갖는 제 2 써모크로믹 박막(310)이 형성되어 이루어질 수 있다.
써모크로믹 복층 윈도우가 이와 같이 구성됨으로써, 태양광 에너지 차단 효율 및 냉·난방 에너지 활용 효율을 향상시킴과 아울러, 우수한 방음, 방풍, 방열 특성을 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 써모크로믹 복층 윈도우는 제 1 써모크로믹 박막(210)과 제 2 써모크로믹 박막(310) 사이에 형성되되, 550㎚의 파장에서 1.7 ~ 2.7의 굴절율을 갖는 중간층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
중간층(미도시)에 대한 설명은 상술한 바와 동일하므로 생략한다.
중공층(700)은 제 1 기판(500)과 제 2 기판(600)이 이격됨에 따라 제 1 기판(500)과 제 2 기판(600) 사이에 형성된다.
중공층(700)에 채워지는 기체로는 일반적으로 건조공기가 사용되고 있으나, 더 높은 단열성능을 위해서는 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체가 사용될 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 기판 200, 210: 제 1 써모크로믹 박막
300, 310: 제 2 써모크로믹 박막 400: 중간층
500: 제 1 기판 600: 제 2 기판
700: 중공층

Claims (12)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되되, 제 1 상전이 온도를 갖는 제 1 써모크로믹 박막; 및
    상기 제 1 써모크로믹 박막 상에 형성되되, 제 2 상전이 온도를 갖는 제 2 써모크로믹 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 써모크로믹 윈도우는,
    상기 제 2 써모크로믹 박막 상에 형성되는 하나 이상의 써모크로믹 박막을 더 포함하되,
    상기 하나 이상의 써모크로믹 박막은 제 1 상전이 온도 및 제 2 상전이 온도와 상이하며, 서로 다른 각각의 상전이 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 써모크로믹 윈도우는,
    상기 제 1 써모크로믹 박막과 제 2 써모크로믹 박막 사이에 형성되되, 550㎚의 파장에서 1.7 ~ 2.7의 굴절율을 갖는 중간층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 중간층의 광학적 두께(optical thickness)는 0.25 ~ 0.8인 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 중간층은 SiO, ZnS, TiO2, ZrO2, HFO2, Sb2O3, 및 Gd2O3 중 어느 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 써모크로믹 박막 및 제 2 써모크로믹 박막은 이산화바나듐(VO2), 산화티타늄(Ⅲ)(Ti2O3), 산화나이오븀(NbO2), 황화니켈(NiS), 란탄늄 바륨 망간옥사이드(La(1-x)BaxMnO3), 및 란탄늄 칼슘 망간옥사이드(La(1-x)CaxMnO3) 중 어느 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 써모크로믹 박막 및 제 2 써모크로믹 박막은 동일한 써모크로믹 물질로 이루어지되,
    상기 써모크로믹 물질에 동일한 도펀트가 서로 다른 농도로 도핑되어 서로 다른 상전이 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제 1 써모크로믹 박막 및 제 2 써모크로믹 박막은 이산화바나듐(VO2)로 이루어지고,
    상기 도펀트는 Mo, W, Cr, Ni, 및 Zr 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 도펀트는 W이고,
    상기 W은 1 ~ 2 %의 농도 범위 내에서 서로 다른 농도로 상기 제 1 써모크로믹 박막 및 제 2 써모크로믹 박막에 도핑되는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 윈도우.
  10. 제 1 기판;
    상기 제 1 기판과 이격되어 설치되는 제 2 기판; 및
    상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 위치하는 중공층을 포함하며,
    상기 제 1 기판 또는 제 2 기판의 적어도 어느 일 면에는,
    제 1 상전이 온도를 갖는 제 1 써모크로믹 박막; 및
    상기 제 1 써모크로믹 박막 상에 형성되되, 제 2 상전이 온도를 갖는 제 2 써모크로믹 박막이 형성되는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 복층 윈도우.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 써모크로믹 복층 윈도우는,
    상기 제 1 써모크로믹 박막과 제 2 써모크로믹 박막 사이에 형성되되, 550㎚의 파장에서 1.7 ~ 2.7의 굴절율을 갖는 중간층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 복층 윈도우.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 중공층은 불활성 기체를 포함하는 것을 특징으로 하는 써모크로믹 복층 윈도우.
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