KR20170087113A - 에너지 하베스팅 링 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에너지 하베스팅 링에 관한 것으로서, 일례로서, 손가락과 접촉되는 내부링과, 내부링에 결합되는 외부링을 포함하며, 내부링의 외주면과 외부링의 내주면에는 마찰면을 형성시키고, 내부링과 외부링에 선택적으로 하베스터(Harvester), 에너지 저장소 및 특정기능을 수행하는 기능회로를 내장시킨다. 또한 다른 예로서, 손가락과 접촉되는 내부링과, 내부링에 이격되어 결합되는 외부링을 포함하며, N극성과 S극성을 갖는 다수의 영구자석과 코일을 포함하는 하베스터(Harvester), 에너지 저장소 및 특정기능을 수행하는 기능회로를 내부링과 외부링에 선택적으로 내장시킨다. 본 발명에 따르면, 필요시 사용자의 간단한 회전 조작 또는 가압 등을 통해 독립적으로 에너지를 생성할 수 있으므로 배터리 충전이 필요없을 뿐 아니라 사용상 편의성을 향상시킬 수 있다. 궁극적으로 배터리 충전이 필요없는 진정한 웨어러블 디바이스의 구현이 가능하다.

Description

에너지 하베스팅 링{ENERGY HARVESTING RING}
본 발명은 에너지 하베스팅 링에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 링(Ring)에서 독립적으로 에너지를 생성하는 에너지 하베스팅 링에 관한 것이다.
최근, 정보 통신 기술의 화두 중 하나는 사물인터넷(Internet of Things; IoT)일 것이다. 사물인터넷은 각종 사물에 센서와 통신 기능을 내장시켜 인터넷에 연결하는 기술이다. 구글의 웨어러블 컴퓨터, 구글 글라스, 나이키의 건강관리용 스마트 팔찌인 퓨얼밴드가 그 대표적인 예이다. 세계 각 분야의 유수의 기업들이 사물인터넷 서비스 개발 및 상용화에 노력하고 있으며, 이에 사물인터넷 기능이 포함된 단순 생활용품에서부터 무인자동차에 이르기까지 모든 제품에 대한 생산 및 연구가 활발히 이루어지고 있다. 결국, 주변 환경이 급속하게 자동화되고 있다.
그런데, 사물인터넷 기능이 포함된 많은 제품들이 이동성을 갖고 있으며, 이에 사물인터넷은 항상 배터리 문제를 어떻게 해결할 것인지가 또 다른 이슈가 되고 있다. 즉, 배터리는 스마트폰 등의 사용 제약뿐 아니라, 사물인터넷의 센서 등의 구동에도 결정적인 제약 사항으로 작용한다. 인터넷 망이나 전력망에 연결이 가능한 센서를 제외하면, 개별 센서들의 전력 문제는 일차적으로 배터리로 해결할 수 밖에 없다. 결국, 배터리는 관리의 부담과 사물인터넷 정보의 신뢰성에 대한 문제를 안겨 준다.
이와 같이, 사물인터넷과 관련하여 배터리 및 전력 충전과 관련된 새로운 이슈들이 생겨나고 있다. 아직까지는, 충전을 위해서는 각각의 기기를 별도의 충전 어댑터 등에 연결하거나 무선 충전을 수행해야 한다. 각 스마트기기가 고도화되면서 전력 소모량도 함께 증가하였기 때문에, 배터리 관련 기술이 과거에 비해서 비약적으로 발전했음에도 불구하고 최근의 무선 단말기들은 적어도 하루나 이틀에 한번은 유선 케이블 또는 무선 방식을 통해 전력을 충전시켜야 한다.
이에 최근, 일상적으로 버려지고 있는 다양한 형태의 에너지를 수집하여 이를 전력 에너지로 변환하는 기술에 대한 관심이 커지고 있다. 이와 관련된 기술이 에너지 하베스팅(energy harvesting)이다. 에너지 하베스팅은 주변에서 버려지는 에너지를 수확(harvest)하여 사용할 수 있는 전기에너지로 변환하고 이용하는 것을 의미한다. 에너지 하베스팅의 주요 에너지원은 진동, 사람의 움직임, 빛, 열 및 전자기파 등이다. 일례로서, RF 에너지 하베스팅은 전파를 수신하여 이를 전력 에너지로 변환하는 기술이다. RF 에너지 하베스팅은 다양한 무선 단말기가 일상 생활 속에서 빈번하게 사용되고 있는, 특히 도시 환경에서 유용하게 사용될 수 있다.
이와 같이, 에너지 하베스팅은 자연에 존재하는 에너지를 전기 에너지로 변환하여 사용하는 기술로서, 바람, 물, 진동, 온도, 태양광선 등의 자연 에너지를 전기에너지로 변환하는 것뿐만 아니라 사람이나 교량의 진동, 실내 조명광, 자동차의 폐열, 방송 전파 등과 같이 주변에 버려지는 에너지도 전기 에너지로 변환하여 사용하도록 하는 기술이다. 이를 이용하면, 전자 기기들을 충전할 필요 없이 주변의 에너지를 이용하여 독립적으로 구동시킬 수 있다.
한편, 웨어러블 디바이스의 비즈니스적인 성공은 해당 디바이스가 기존 디바이스에서 충족하지 못하는 특정 속성이 있느냐의 여부에 달려있다고 해도 과언이 아니다. 이에 최근, 미래에 가장 성공가능성이 높은 웨어러블로는 넥밴드형 웨어러블과 스마트 링(smart ring)을 꼽고 있다. 기존 '웨어러블'하면 스마트워치가 이를 대변하고 있었으나, 스마트워치가 스마트폰과 다른 특정 속성이 없다는 점에서 결코 성공했다고는 할 수 없다.
그런데, 이러한 넥밴드형 웨어러블과 스마트 링이 아무리 독창적인 속성을 가지고 있고 착용이 편하다고 하더라도 결국에는 배터리 충전 문제를 안고있는 것은 마찬가지이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1545212호(공고일 2015.08.21.)
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 링의 회전시 마찰에 의해 발생되는 온도차(제베크 효과)를 이용하거나, 링의 회전시 자기력선과 코일이 교차되도록 하거나, 링을 직접 가압 또는 열을 매개로 한 기계적인 변형을 통해 링에서 독립적으로 에너지를 생성할 수 있도록 하는 에너지 하베스팅 링을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 에너지 하베스팅 링은, 손가락과 접촉되는 내부링; 및 상기 내부링에 결합되는 외부링을 포함하며, 상기 내부링의 외주면과 상기 외부링의 내주면에는 마찰면을 형성시키고, 상기 내부링과 상기 외부링에 선택적으로 하베스터(Harvester), 에너지 저장소 및 특정기능을 수행하는 기능회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 하베스터는 이중층 페로브스카이트 구조를 가지는 열전 물질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 하베스터는 압전 물질을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 압전 물질의 주변에는 열가변 물질이 형성되는 것이 바람직하다.
상기 내부링은 제1내부링과, 제1내부링과 결합되는 제2내부링으로 구분되어 분리 및 결합이 가능한 것을 특징으로 한다.
상기 제1내부링은 제1플랜지보다 직경이 작은 제1결합턱과, 제1결합턱보다 직경이 작은 제2결합턱을 구비하고, 상기 제2내부링은 제2플랜지보다 직경이 작고, 그 외경이 제1결합턱의 외경과 같고 그 내경이 제2결합턱의 외경과 같은 제3결합턱을 구비하며, 상기 제2내부링는 제2결합턱의 외경과 내경에 각각 부합되는 외경과 내경을 갖는 제4결합턱을 구비하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 에너지 하베스팅 링은, 손가락과 접촉되는 내부링; 및 상기 내부링에 이격되어 결합되는 외부링을 포함하며, 하베스터로서, N극성과 S극성을 갖는 다수의 영구자석을 내부링 또는 외부링에 설치하고 상기 영구자석에 대응하여 코일을 외부링 또는 내부링에 설치하며,
에너지 저장소 및 특정기능을 수행하는 기능회로를 상기 내부링 또는 상기 외부링에 선택적으로 내장시킨 것을 특징으로 한다.
상기 내부링과 상기 외부링 사이에 베어링이 구비되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 기능회로는, 센서와, 마이크로 프로세서와, 통신부를 포함한다. 이 때, 상기 통신부는, 근거리통신모듈과 이동통신모듈을 포함하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 에너지 하베스팅 링에 따르면, 필요시 사용자의 간단한 회전 조작 또는 가압 등을 통해 독립적으로 에너지를 생성할 수 있으므로 배터리 충전이 필요없을 뿐 아니라 사용상 편의성을 향상시킬 수 있다. 궁극적으로 배터리 충전이 필요없는 진정한 웨어러블 디바이스의 구현이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 에너지 하베스팅 링의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 에너지 하베스팅 링의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 에너지 하베스팅 링의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 에너지 하베스팅 링의 조립도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 에너지 하베스팅 링의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 에너지 하베스팅 링의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 에너지 하베스팅 링의 제어회로블록도이다.
본 발명은 링의 회전 또는 가압을 통해 에너지를 생성하는 에너지 하베스팅 링에 관한 것이다. 본 발명에서는 제베크 효과를 이용하여 링에서 독립적으로 에너지를 생성하거나, 발전기 원리를 이용하여 링에서 독립적으로 에너지를 생성하거나, 압전 물질을 이용하여 링에서 독립적으로 에너지를 생성한다. 본 발명의 에너지 하베스팅 링은 내부링과 외부링으로 구성되어 있다. 일례로서, 내부링의 외주면과 외부링의 내주면 마찰에 의해 발생되는 열을 이용하여 에너지를 생성할 수 있다. 다른 예로서, 내부링과 외부링에 내설된 영구자석과 코일의 쇄교를 통해 에너지를 생성할 수 있다. 또 다른 예로서, 링에 내설된 압전 물질을 직접 가압하거나, 압전 물질에 열을 공급하여 기계적인 변형이 발생되도록 하여 에너지를 생성할 수 있다. 한편, 본 발명의 에너지 하베스팅 링에는 생성된 전류를 저장하는 에너지 저장소가 내설되며, 특정기능을 수행하는 기능회로가 내설된다.
이하, 본 발명의 에너지 하베스팅 링에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 구성에 있어 동일기능을 수행하는 구성에 대해서는 동일 참조번호를 부여하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 에너지 하베스팅 링의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 에너지 하베스팅 링의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 에너지 하베스팅 링은, 손가락과 접촉되는 내부링(1)과, 내부링(1)에 결합되는 외부링(2)을 포함한다.
내부링(1)의 외주면과 외부링(2)의 내주면에는 마찰면을 형성시키고 있다. 즉, 본 실시예에서는 내부링(1)의 외주면과 외부링(2)의 내주면의 마찰에 의해 발생되는 열을 이용하여 에너지를 생성한다.
내부링(1)과 외부링(2)에는 하베스터(3), 에너지 저장소(4) 및 특정기능을 수행하는 기능회로(5)가 내장되어 있다. 본 실시예에서는 내부링(1)에 하베스터(3), 에너지 저장소(4) 및 기능회로(5)를 내장시키고 있으나, 외부링(2)에도 내장이 가능하다.
한편, 하베스터(3)는 마찰면에 근접하게 배치되며, 내부링(1)에 방사상으로 다수 배치되게 된다. 다수의 하베스터(3)는 상호 접속되어 에너지 저장소(4)에 접속되게 된다.
하베스터(3)는 구체적으로 이중층 페로브스카이트 구조를 가지는 열전 물질(31)을 포함할 수 있다.
열전 물질(31)을 이용한 에너지 하베스팅은 열전 물질(31)의 양측으로 온도차를 주어 제베크 효과(Seebeck Effect)에 의한 기전력을 발생시켜 전력을 생성하는 것이다. 이러한 에너지 하베스팅의 성능은 제베크 계수가 높을수록 우수하다. 제베크 계수는 오믹 저항을 낮게 할수록 커지므로, 전기 전도도에 비례하지만, 반면 상기 제베크 계수는 온도차가 클수록 커지므로, 열전도도에 반비례하게 된다. 따라서, 열전 물질(31)이 전기 전도도가 높고 열전도도가 낮을수록 에너지 하베스팅의 성능이 우수하다.
열전 물질(31)로서, 이중층 페로브스카이트 구조를 가지는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 YBaMn2O6-δ 화합물, NdBaMn2O6-δ 화합물, 또는 PrBaMn2O6-δ 화합물을 포함할 수 있다.
여기서, 이트륨(Y), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr)을 대체하여, 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 유로퓸(Eu), 터븀(Tb), 에르븀(Er), 또는 이들의 혼합물을 이용할 수 있으며, 또한 바륨(Ba)을 대체하여, 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 라듐(Ra) 또는 이들의 혼합물을 이용할 수 있으며, 그리고 망간(Mn)을 대체하여, 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 또는 이들의 혼합물을 이용할 수 있다.
그리고, 내부링(1)과 외부링(2)은 내부링(1)의 외경과 외부링(2)의 내경의 미세한 단차를 통해 강제 끼움방식(상호 압입)을 이용하여 결합시킬 수도 있고, 또한 강제 분리시킬 수도 있으며, 조립을 통해 내부링(1)과 외부링(2)을 결합시킬 수도 있다. 조립이 이루어지는 경우에 대해서는 도 4에서 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 에너지 하베스팅 링의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상기한 실시예에서 제시한 에너지 하베스팅 링과의 차이점은 하베스터(3)로서, 압전 물질(32)을 이용한다는 것이다.
즉, 하베스터(3)는 압전 물질(32)을 포함할 수 있으며, 마찰에 의해 발생된 열을 압전 물질(32)에 인가함으로써 압전 물질(32)의 기계적인 변형을 유도하여 에너지를 생성한다. 한편, 압전 물질(32)의 기계적인 변형을 위해, 압전 물질(32) 주변에는 열가변 물질(33)이 형성되어 있다. 열가변 물질(33)은 압전 물질(32)보다 큰 열팽창계수를 갖고 있으며, 예를 들어 열팽창계수가 2x10-4/℃ 이상인 것이 바람직하다. 이에, 열가변 물질(33)의 팽창력에 의해 압전 물질(32)에 압전 효과가 발생하게 된다. 즉, 마찰에 의해 발생되는 열을 매개체로 하여 압전 효과를 극대화시키는 것이다.
이와 같이, 압전 물질(32)은 기계적 변형에 의해 전류가 생성되는 물질로서 그 물질에 제한은 없으며, 예를 들면, P(VDF-TrFE), PVDF, P(VDF-TrFE-CFE), PZT, PTO, BTO, BFO, KNbO3, NaNbO3, GeTe, ZnO, ZnSnO3, GaN등 일 수 있다.
본 실시예에서는 열을 이용하여 압전 물질(32)의 기계적인 변형을 유도하고 있으나, 외부링(2)의 회전 또는 가압에 의해 압전 물질(32)의 기계적인 변형을 유도할 수도 있다. 이를 위해 링은 가압에 의한 변형이 가능한 정도의 탄성을 갖는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 에너지 하베스팅 링의 조립도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 에너지 하베스팅 링은, 제1내부링(11)과, 제1내부링(11)과 결합되는 제2내부링(12)과, 제1내부링(11)과 제2내부링(12) 사이에 끼워지는 외부링(2)을 포함한다.
제1내부링(11)은 제1플랜지(111)보다 직경이 작은 제1결합턱(112)과, 제1결합턱(112)보다 직경이 작은 제2결합턱(113)을 구비하고 있으며, 제2내부링(12)은 제2플랜지(121)보다 직경이 작고, 그 외경이 제1결합턱(112)의 외경과 같고, 그 내경이 제2결합턱(113)의 외경과 같은 제3결합턱(122)을 구비하고 있다. 또한, 제2내부링(12)는 제2결합턱(113)의 외경과 내경에 각각 부합되는 외경과 내경을 갖는 제4결합턱(123)을 구비하고 있다. 상기 외부링(2)의 내경은 제1결합턱(112) 및 제3결합턱(122)의 외경과 같다.
이와 같이, 외부링(2)의 양측에서 제1내부링(11)과 제2내부링(12)을 삽입함으로써 제1내부링(11)과 제2내부링(12)에 형성된 결합턱들간의 결합에 의해 링이 완성된다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 에너지 하베스팅 링의 사시도이고, 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 에너지 하베스팅 링의 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 에너지 하베스팅 링은, 손가락과 접촉되는 내부링(1)과, 내부링(1)에 이격되어 결합되는 외부링(2)을 포함한다.
내부링(1)에는 N극성과 S극성을 갖는 다수의 영구자석(6)이 내설되어 있으며, 외부링(2)에는 코일(7)이 내설되어 있다. 즉, 본 실시예에서는 내부링(1)에 내설된 영구자석(6)과 외부링(2)에 내설된 코일(7)의 쇄교를 통해 에너지를 생성한다. 즉, 본 실시예에서는 하베스터(3)로서 영구자석(6)과 코일(7)을 이용한다.
내부링(1)과 외부링(2)에는 에너지 저장소(4) 및 특정기능을 수행하는 기능회로(5)를 내장시킬 수 있다. 본 실시예에서는 외부링(2)에 에너지 저장소(4) 및 기능회로(5)를 내장시키고 있으나, 내부링(1)에도 내장이 가능하다.
한편, 영구자석(6)을 내부링(1)의 내주면과 동일면상으로 노출시켜 손가락에 직접 접촉시키는 것도 바람직하다.
그리고, 내부링(1)과 외부링(2) 사이에 베어링을 형성시켜 내부링(1)과 외부링(2)의 이격상태를 유지한 상태에서 외부링(2)의 회전이 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 에너지 하베스팅 링의 제어회로블록도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 에너지 하베스팅 링에 구성된 제어회로는, 에너지를 생성하는 하베스터(3)와, 하베스터(3)에서 생성된 에너지를 저장하는 에너지 저장소(4)와, 에너지 저장소(4)로부터 에너지를 공급받아 특정기능을 수행하는 기능회로(5)를 포함한다.
여기에, 외부링(2)에는 기능회로(5) 동작을 위해 사용자 조작을 지원하는 사용자 조작부(미도시)가 형성될 수 있다.
기능회로(5)는 센서(51)와 마이크로 프로세서(52)와 통신부(53)를 포함한다. 통신부(53)는 근거리통신모듈 및 이동통신모듈을 포함할 수 있다. 기능회로(5)는 특정기능에 대응하여 회로를 구성할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 제어회로는 외부링(2)의 회전에 의해 발생된 열 또는 쇄교에 의하거나 가압 또는 열에 의한 기계적 변형에 의해 전류가 생성되면, 생성된 전류는 에너지 저장소(4)에 저장되고, 사용자 조작에 대응하여 특정기능을 수행하게 된다.
여기서, 특정기능으로는, 전자식 도어락의 전자키 기능(암호화 기술 및 근거리 통신 기술을 포함), 데이터 송수신 기능(근거리 통신 기술 및 이동통신모듈을 포함), 제스처 기능을 통한 데이터 제어 기능(블루투스 모듈 및 센서 기술 포함) 등 다양한 기능을 수행할 수 있다.
이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.
1 : 내부링
2 : 외부링
3 : 하베스터
4 : 에너지 저장수
5 : 기능회로

Claims (10)

  1. 손가락과 접촉되는 내부링; 및
    상기 내부링에 결합되는 외부링을 포함하며,
    상기 내부링의 외주면과 상기 외부링의 내주면에는 마찰면을 형성시키고,
    상기 내부링 또는 상기 외부링에 선택적으로 하베스터(Harvester), 에너지 저장소 및 특정기능을 수행하는 기능회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 링.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하베스터는 이중층 페로브스카이트 구조를 가지는 열전 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 링.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하베스터는 압전 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 링.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 압전 물질의 주변에는 열가변 물질이 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 링.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부링은 제1내부링과, 제1내부링과 결합되는 제2내부링으로 구분되어 분리 및 결합이 가능한 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 링.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1내부링은 제1플랜지보다 직경이 작은 제1결합턱과, 제1결합턱보다 직경이 작은 제2결합턱을 구비하고,
    상기 제2내부링은 제2플랜지보다 직경이 작고, 그 외경이 제1결합턱의 외경과 같고 그 내경이 제2결합턱의 외경과 같은 제3결합턱을 구비하며,
    상기 제2내부링는 제2결합턱의 외경과 내경에 각각 부합되는 외경과 내경을 갖는 제4결합턱을 구비하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 링.
  7. 손가락과 접촉되는 내부링; 및 상기 내부링에 이격되어 결합되는 외부링을 포함하며,
    하베스터로서, N극성과 S극성을 갖는 다수의 영구자석을 내부링 또는 외부링에 설치하고 상기 영구자석에 대응하여 코일을 외부링 또는 내부링에 설치하며,
    에너지 저장소 및 특정기능을 수행하는 기능회로를 상기 내부링 또는 상기 외부링에 선택적으로 내장시킨 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 링.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 내부링과 상기 외부링 사이에 베어링이 구비되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 링.
  9. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 기능회로는, 센서, 마이크로 프로세서, 및 통신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 링.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 통신부는, 근거리통신모듈과 이동통신모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 링.
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