KR20140002983A - 나노미터 두께의 박막으로 구성된 3차원 격자 트러스 구조체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노미터 두께의 박막으로 구성된 3차원 격자 트러스 구조체와 그 제조방법에 관한 것으로, (a) 수지 와이어를 이용하여 3차원 격자 트러스 구조체를 제조하는 단계와, (b) 상기 3차원 격자 트러스 구조체의 표면에 금속을 코팅 또는 도금하여 금속 튜브를 형성하는 단계 및 (c) 상기 금속 튜브 내부의 수지를 에칭하여 제거하는 단계를 포함하는 3차원 격자 트러스 구조체의 제조방법과, 와이어의 벽 두께는 100 ~ 500 nm이고, 트러스 요소의 길이는 100 ~ 1000 ㎛이며, 3차원 격자 트러스 구조체의 전체 크기는 1 ~ 100 mm로 이루어져 3중의 멀티스케일로 구성되는 3차원 격자 트러스 구조체를 제공하여 무게 대비 우수한 강도를 얻을 수 있다.

Description

나노미터 두께의 박막으로 구성된 3차원 격자 트러스 구조체와 그 제조방법{THREE DIMENSIONAL LATTICE TRUSS STRUCTURES WITH NANO-METER THICK WALLS AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 3차원 격자 트러스 구조체와 그 제조방법에 관한 것으로, 특히, 3중의 멀티스케일로 구성되어 극저밀도를 가지면서도 강도 및 강성도가 우수한 나노미터 두께의 박막으로 구성된 3차원 격자 트러스 구조체와 그 제조방법에 관한 것이다.

종래에는 경량 구조재로 발포 금속(metal foam)이 주로 사용되어 왔다. 이러한 발포 금속은 액체 또는 반고체 상태의 금속 내부에 기포를 발생시키는 방법(폐쇄형)이나, 스폰지와 같은 개방형 발포 수지를 주형으로 하여 주조하는 방법(개방형)에 의해 제조되는 것이 일반적이다. 그러나 발포 금속은 내부 형상이 불규칙적이기 때문에 필연적으로 약한 부분이 존재하고, 이에 따라 강도, 강성 등의 기계적 물성이 상대적으로 열악하여 공학적인 용도로의 실용화에 한계가 있었다.

이에, 최근에는 발포 금속을 대체하는 소재로서 주기적인 트러스 구조를 갖는 개방형 경량 구조체가 개발되었다. 이러한 개방형 경량 구조체는 정밀한 수학적/역학적 계산을 통해 최적의 강도 및 강성도를 갖도록 설계된 트러스 구조로 이루어지기 때문에 기계적 물성이 우수하다.

여기서, 트러스 구조의 형태로는 정사면체와 정팔면체가 조합된 형태의 옥테트(Octet) 트러스(R. Buckminster Fuller, 1961, US Patent 2,986,241)가 가장 일반적이다. 옥테트 트러스는 트러스의 각 요소가 서로 정삼각형을 이루고 있어 강도와 강성도 면에서 우수하다.

또한, 최근에는 옥테트 트러스를 변형한 카고메(Kagome) 트러스(S.Hyun, A.M.Karlsson, S.Torquato, A.G.Evans, 2003. Int. J. of Solids and Structures, Vol.40, pp.6989~6998)가 발표되었다. 이 경우, 같은 단면을 가진 가늘고 긴 부재로 트러스를 구성할 때 구조체를 이루는 전체 부재의 길이가 같다면, 카고메 트러스를 구성하는 트러스 요소의 길이가 옥테트 트러스를 구성하는 트러스 요소의 1/2에 불과하기 때문에 트러스 구조체의 주요 파단 현상인 좌굴이 보다 효과적으로 억제되고, 좌굴이 일어나더라도 그 붕괴 과정이 훨씬 안정적이다. 참고적으로, 도 1에는 3차원 카고메 트러스 다층 구조체를 도시하였다.

한편, 트러스 형태의 다공질 경량 구조체를 제조하는 방법으로는 다음과 같은 방법들이 공지되어 있다.

첫째, 수지로 트러스 구조를 만들고, 이것을 주형으로 하여 금속을 주조하여 제조하는 방법(S. Chiras, D.R. Mumm, N. Wicks, A.G. Evans, J.W. Hutchinson, K. Dharmasena, H.N.G. Wadley, S. Fichter, 2002, International Journal of Solids and Structures, Vol.39, pp.4093~4115)(이하, ‘공지기술 1’이라 함)이 있다.

둘째, 얇은 금속판에 주기적인 구멍을 뚫어 그물 형태로 만들고, 이를 절곡하여 트러스 중간층을 구성한 후 상부와 하부에 면판을 각각 부착하는 방법(D.J. Sypeck and H.N.G. Wadley, 2002, Advanced Engineering Materials, Vol.4, pp.759~764)(이하, ‘공지기술 2’라 함)이 있다. 이 경우, 2층 이상의 다층 구조로 만들고자 할 때에는 상부 면판 위에 상술한 바와 같이 절곡하여 제조된 트러스 중간층을 부착하고, 그 위에 다시 면판을 부착하는 방법을 사용한다.

셋째, 수직한 두 방향의 와이어로 그물 형태의 철망을 짜고, 이것을 적층하여 접합하는 방법(D.J. Sypeck and H.G.N. Wadley, 2001, J. Mater. Res., Vol.16, pp.890~897)(이하, ‘공지기술 3’이라 함)이 있다.

그러나 공지기술 1은 제조 공정이 복잡하여 고가의 비용이 소요되고, 주조성이 우수한 금속의 경우에만 제조가 가능하기 때문에 적용 범위가 협소할 뿐 아니라 그 결과물은 주조 조직의 특성상 결함이 많고 강도가 부족한 경향이 있다. 또한, 공지기술 2는 얇은 금속판에 구멍을 뚫는 과정에서 재료의 손실이 많고, 트러스 중간층을 하나로 구성할 경우에는 특별한 문제가 없으나 트러스 중간층을 다수 적층하고자 할 때에는 접합부가 지나치게 많아져 접합 비용과 강도면에서 불리한 단점이 있다. 한편, 공지기술 3의 경우에도 형성된 트러스가 기본적으로 정사면체나 피라미드와 같은 이상적인 구조가 아니어서 기계적인 강도가 열등하고, 공지기술 2와 동일한 방식으로 적층하여 서로 접합해야 하기 때문에 접합부가 지나치게 많아져 접합 비용과 강도면에서 불리하다.

도 2는 공지기술 3을 이용하여 제조된 구조체를 도시한 도면이다.

보다 구체적으로, 공지기술 3은 제조비용을 절감할 수 있다고 알려져 있으나, 도 2에 도시된 바와 같이 단순히 두 방향의 철사를 섬유를 짜듯이 조합하기 때문에 상술한 3차원 옥테트 트러스나 3차원 카고메 트러스와 같이 기계적 물성 또는 전기적 물성 등이 최적화된 이상적인 구조가 아니고, 접합할 부분이 너무 많아 비용이나 강도면에서 불리한 것이다.

이에, 본 발명자 중 강기주를 포함한 2인은 상술한 공지기술들의 문제점을 해결하고자 공간상에서 서로 60도 또는 120도의 방위각을 갖는 6방향의 연속된 와이어 군을 서로 교차시킴으로써 이상적인 카고메 트러스 또는 옥테트 트러스와 유사한 형태의 3차원 다공질 경량 구조체와 그 제조 방법을 개발하였고, 이에 관한 내용은 본 출원인이 선출원한 등록특허 제0708483호에 구체적으로 개시되어 있다.

또한, 동 발명자들은 3차원 다공질 경량 구조체를 더욱 효과적으로 제조할 수 있는 방법으로서, 연속된 와이어를 먼저 나선형으로 성형한 후 이를 회전하며 삽입함으로써 조립하는 나선형 와이어로 직조된 3차원 다공질 경량 구조체와 그 제조 방법을 제안하였고, 이에 관한 내용은 본 출원인이 선출원한 등록특허 제1029183호에 구체적으로 개시되어 있다.

도 3은 상기 등록특허 제1029183호에서 도 1의 3차원 카고메 트러스와 유사한 형태를 나선형 와이어로 조립한 구조체를 도시한 도면이다.

도 3에 도시된 카고메 트러스와 유사한 형태를 가지면서 나선형 와이어로 구성된 3차원 다층 트러스 구조체는 기계적 물성이 우수하고, 연속 공정에 의해 대량 생산할 수 있는 등 종래에 비해 여러 가지 이점을 가지고 있다.

그러나 상술한 3차원 다층 트러스 구조체를 통상적으로 널리 사용되는 직육면체 형태로 제작하게 되면 가장자리에 존재하는 단위셀의 모양이 온전하지 못하여 미관상 좋지 않고, 기계적 강도면에서도 불리한 점이 있을 뿐 아니라 와이어 사이의 간섭으로 인해 와이어의 배치 밀도를 높이는 데 한계가 존재한다.

이에, 동 발명자들은 등록특허 제1155267호에서 나선형 와이어로 제작이 가능하면서도 카고메 트러스와 다른 형태를 갖는 새로운 3차원 다공질 경량 구조체의 제조 방법을 제안하였다. 참고적으로, 도 4 내지 도 8에는 상기 등록특허 제1155267호에서 개시된 구조체를 도시하였으며, 도 9에는 도 3, 도 4 내지 도 8의 나선형 와이어로 조립된 다층 트러스 구조체의 단위셀을 도시하였다. 이와 별도로 본 발명자 중 강기주를 포함한 3인은 나선형 와이어를 조립하여 구성할 수 있으면서도 와이어 교차점에서 단 2개만의 와이어가 만나는 구조를 가짐으로써 보다 작은 나선 반경을 갖는 나선형 와이어로 제작할 수 있는 새로운 3차원 격자 트러스 구조체와 그 제조 방법을 특허출원 제10-2010-0059690호에서 제안하였다. 도 10은 그 대표적인 예를 나타내고 있다.

이상에서 설명한 3차원 격자 트러스 구조체 또는 유사 구조체들은 공극률(porosity) 50% 내지 99% 수준의 다공성을 갖는다.

이와 관련하여, 2011년 11월 Science 지(紙) (T.A. Schaedler, et al., Science, Vol.334. pp.962-965 November 18, 2011.)에는 공극률이 훨씬 높은 (최고 99.99% 수준) 새로운 개념의 3차원 격자 트러스 구조체인 “micro-lattice”(http://www.gizmag.com/ultralight-micro-lattice-material/20537/)가 소개되었다. 이러한 micro-lattice의 경우 공극률이 높은 만큼 밀도가 극도로 낮아 물의 1/1000 수준이다. 도 11은 이와 같은 micro-lattice의 제조 공정을 나타내고 있다.

도 11을 참고하여 micro-lattice의 제조방법을 설명하면, 먼저, 자외선에 노출되면 고체화되는 액상의 감광성 수지(photo monomer)에 작은 구멍이 다수 뚫려 있는 마스크(mask)를 통하여 자외선을 조사한다. 마스크를 통과한 다수의 빔(beam) 형태의 자외선이 감광성 수지를 통과하면 이 자외선에 노출된 부분이 고체화된다. 일단 고체화되면 액상보다 밀도가 높아지기 때문에 빛의 전반사(total reflection) 에 의하여 자외선이 분산되지 않고 직진하는 소위 “self propagating” 현상이 발생한다. 이러한 과정을 공간 내 여러 방향으로 반복하여 고체 수지 격자(lattice)를 형성한 후 액상 수지를 제거한다. 남은 고체 수지 격자의 표면에 니켈 합금인 NiP를 자가촉매(auto-catalyst) 도금한 후 고체 수지를 화학 에칭으로 제거하여 완성한다.

도 12는 상술한 바와 같은 방법으로 제조된 micro-lattice의 구조를 나타내고 있다. 도 12에 도시된 바와 같이 micro-lattice의 전체 외형은 수십 mm 수준의 입방체지만 수백 micro-meter의 트러스 요소로 구성되며, 이 트러스 요소는 두께 100 nano-meter 수준의 벽을 갖는 튜브 형태를 가진다. 이와 같은 다중스케일(multi-scale)의 계층구조(hierarchical structure)는 가볍고 높은 강도를 얻는 방법으로 잘 알려져 있다(T. Bhat, T.G. Wang, L.J. Gibson. SAMPE J. Vol.25 (1989) pp.43, R. Lakes. Nature Vol.361 (1993) pp.511.).

상술한 micro-lattice는 반도체 제조공정으로 잘 확립된 일종의 리소그라피(lithography) 기술에 기반을 두고 있으며, 극저밀도와 상대적으로 높은 강도와 강성 등의 장점이 있으나 자외선을 사용하는 만큼 가늘고 긴 자외선 빔의 침투 깊이가 최대 수십 mm에 불과하여 큰 크기의 제품을 제조하기 곤란하고, 면외(out-of-plane) 방향으로만 주사되는 자외선에 의하여 트러스 요소가 만들어지기 때문에 면내(in-plane) 방향으로의 트러스 요소가 결여되어 구조적 안정성이 떨어지는 단점이 있다. 도 13은 micro-lattice의 구조와 단위셀 그리고 단위셀 압축하중을 받을 때 붕괴 형상에 대한 개략도이다. 도 13에 도시된 바와 같이 단위셀에 점선으로 표시된 위치에 면내(in-plane) 방향의 트러스 요소가 존재하지 않기 때문에 트러스 요소의 수평방향 변형을 억제할 수가 없어 쉽게 굽혀지는 현상이 발생한다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 튜브 형태의 박막으로 이루어지는 3차원 격자 트러스 구조체와, 이를 강도의 저하 없이 대형으로 제조할 수 있는 3차원 격자 트러스 구조체의 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서,

본 발명은 (a) 수지 와이어를 이용하여 3차원 격자 트러스 구조체를 제조하는 단계와, (b) 상기 3차원 격자 트러스 구조체의 표면에 금속을 코팅 또는 도금하여 금속 튜브를 형성하는 단계 및 (c) 상기 금속 튜브 내부의 수지를 에칭하여 제거하는 단계를 포함하는 나노미터 두께의 박막으로 구성된 3차원 격자 트러스 구조체의 제조방법을 제공한다.

이 경우, 상기 (b) 단계의 도금 과정에서 상기 금속 튜브는 서로 접합될 수 있다.

또한, 본 발명은 상술한 바와 같은 방법으로 제조되는 나노미터 두께의 박막으로 구성된 3차원 격자 트러스 구조체를 제공한다.

아울러, 본 발명은 다수의 와이어가 교차된 트러스 요소로 구성되는 3차원 격자 트러스 구조체에 있어서, 상기 다수의 와이어는 내부가 빈 튜브 형태인 것을 특징으로 하는 나노미터 두께의 박막으로 구성된 3차원 격자 트러스 구조체를 제공한다.

이 경우, 상기 다수의 와이어의 벽 두께는 100 ~ 500 nm이고, 상기 트러스 요소의 길이는 100 ~ 1000 ㎛이며, 상기 3차원 격자 트러스 구조체의 전체 크기는 1 ~ 100 mm로 이루어져 3중의 멀티스케일로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 수백 나노미터의 벽 두께를 갖는 튜브 형태의 와이어가 교차된 수백 마이크로미터 크기의 트러스 요소로 이루어지는 수십 밀리미터의 3차원 격자 트러스 구조체를 제공하여 밀도가 극히 낮으면서도 강도 및 강성도가 우수한 3차원 격자 트러스 구조체를 얻을 수 있다.

또한, 수지 와이어를 이용하여 3차원 격자 트러스 구조체를 제조하고, 이러한 3차원 격자 트러스 구조체의 표면에 금속을 코팅한 후 금속 내부의 수지를 에칭함으로써 면내 방향의 트러스 요소까지 완전하게 구현할 수 있다.

도 1은 3차원 카고메 트러스 다층 구조체를 도시한 도면,
도 2 내지 도 8은 종래기술에 따라 제조된 다층 구조체를 도시한 도면,
도 9는 도 3 내지 도 8의 나선형 와이어로 조립된 다층 트러스 구조체의 단위셀을 도시한 도면,
도 10은 종래기술에 따라 제조된 다층 구조체를 도시한 도면,
도 11은 종래기술에 따른 micro-lattice의 제조방법을 도시한 도면,
도 12는 종래기술에 따라 제조된 micro-lattice의 구조를 도시한 도면,
도 13은 종래기술에 따라 제조된 micro-lattice의 구조와 단위셀 그리고 단위셀 압축하중을 받을 때 붕괴 형상에 대한 개략도,
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노미터 두께의 박막으로 구성된 3차원 격자 트러스 구조체의 제조방법을 도시한 도면,
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 3차원 격자 트러스 구조체와 그 확대도.

이하에서는, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙여 설명한다.

도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노미터 두께의 박막으로 구성된 3차원 격자 트러스 구조체의 제조방법을 도시한 도면이고, 도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 3차원 격자 트러스 구조체와 그 확대도이다.

도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노미터 두께의 박막으로 구성된 3차원 격자 트러스 구조체의 제조방법은 폴리머 미세선(수지 와이어)을 이용하여 3차원 격자 트러스 구조체를 제조하는 단계와, 상기 3차원 격자 트러스 구조체의 표면에 금속을 코팅하는 단계 및 코팅된 금속 내부의 폴리머를 에칭하는 단계로 이루어지는 바 이하 각 공정에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.

먼저, 수지 와이어를 이용하여 3방향 이상의 연속된 와이어군으로 이루어지는 폴리머 트러스 구조체(100)를 제조한다.

본 발명에서 폴리머 트러스 구조체(100)는 본 출원인이 선출원한 등록특허 제0708483호에 개시된 구조체 뿐 아니라 와이어를 서로 직조하여 제조되는 모든 구조체를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 폴리머 미세선은 본 출원인이 선출원한 등록특허 제1029183호, 제1155267호, 또는 특허출원 제10-2010-0059690호에 개시된 바와 같이 나선 형태로 미리 성형되거나, 특허출원 제10-2009-0081357호에 개시된 바와 같이 방향에 따라 직선과 나선 형태가 혼용될 수 있으며, 이와 더불어 등록특허 제0566729호에서와 같이 직선 형태만으로 구성되거나 등록특허 제0944326호에서와 같이 유연한 상태로 사용할 수도 있다. 한편, 상술한 바와 같은 폴리머 트러스 구조체(100)는 본 출원인이 선출원한 등록특허 제1114153호에 개시된 직조기(200)를 이용하여 제조되는 것도 물론 가능하다.

다음 공정으로, 상술한 바와 같이 수지 와이어를 이용하여 제작된 폴리머 트러스 구조체(100)의 표면에 금속을 코팅 또는 도금한다. 이 경우, 금속의 코팅 또는 도금은 공지된 방법을 모두 이용할 수 있으나, 여기서는 설명의 편의를 위해 니켈 합금인 NiP를 자가촉매(auto-catalyst) 도금한 형태만을 예시하였다. 한편, 이처럼 폴리머 트러스 구조체(110)의 표면에 금속을 도금하면 도금 과정에서 금속 튜브가 서로 접합되기 때문에 별도의 접착 과정이 불필요하며, 이에 따라 공정이 보다 간소화되는 것은 물론 공정비용도 최소화할 수 있다.

마지막으로, 상술한 바와 같이 코팅 또는 도금된 금속 내부에 존재하는 수지를 화학 에칭으로 제거하면 본 발명에 따른 3차원 격자 트러스 구조체(110), 즉, 극저밀도 금속 구조체가 완성된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 3차원 격자 트러스 구조체를 도 15에 나타내었다.

도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3차원 격자 트러스 구조체(110)는 내부가 빈 튜브 형태를 가지게 되어 밀도가 최소화될 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따르면 수백 나노미터의 벽 두께를 갖는 튜브 형태의 와이어가 교차되어 수백 마이크로미터 크기의 트러스 요소를 이루고, 이러한 트러스 요소가 모여 수십 밀리미터의 3차원 격자 트러스 구조체를 형성함으로써 멀티스케일(multi-scale)의 계층구조(hierarchical structure)를 가져 가벼우면서도 높은 강도를 얻을 수 있다.

이 경우, 무게 대비 최적의 강도를 얻기 위해서 와이어의 벽 두께는 100 ~ 500 nm, 트러스 요소의 길이는 100~1000 mm, 또한 구조체 전체의 외형 크기는 1 ~ 100 mm 수준으로 제어되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따르면 이미 안정적인 구조를 갖는 3차원 격자 트러스 구조체를 기반으로 하기 때문에 면내(in-plane) 방향으로의 트러스 요소까지 그대로 구현할 수 있어 무게 대비 우수한 강도를 나타낸다.

뿐만 아니라, 도금 과정에서 금속 튜브가 서로 접착되므로 별도의 접착 과정이 불필요하고, 그 결과 공정을 간소화하고 제조비용도 절감할 수 있다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

따라서 본 발명의 범위는 상술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위, 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 폴리머 트러스 구조체
110 : 3차원 격자 트러스 구조체
200 : 직조기

Claims (5)

1. (a) 수지 와이어를 이용하여 3차원 격자 트러스 구조체를 제조하는 단계와;
   (b) 상기 3차원 격자 트러스 구조체의 표면에 금속을 코팅 또는 도금하여 금속 튜브를 형성하는 단계; 및
   (c) 상기 금속 튜브 내부의 수지를 에칭하여 제거하는 단계;
   를 포함하는 나노미터 두께의 박막으로 구성된 3차원 격자 트러스 구조체의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 (b) 단계의 도금 과정에서 상기 금속 튜브가 서로 접합되는 것을 특징으로 하는 3차원 격자 트러스 구조체의 제조방법.
3. 다수의 와이어가 교차된 트러스 요소로 구성되는 3차원 격자 트러스 구조체에 있어서,
   상기 다수의 와이어는 내부가 빈 튜브 형태인 것을 특징으로 하는 나노미터 두께의 박막으로 구성된 3차원 격자 트러스 구조체.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 다수의 와이어의 벽 두께는 100 ~ 500 nm이고, 상기 트러스 요소의 길이는 100 ~ 1000 ㎛이며, 상기 3차원 격자 트러스 구조체의 전체 크기는 1 ~ 100 mm로 이루어져 3중의 멀티스케일로 구성되는 것을 특징으로 하는 나노미터 두께의 박막으로 구성된 3차원 격자 트러스 구조체.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 방법으로 제조되는 나노미터 두께의 박막으로 구성된 3차원 격자 트러스 구조체.

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