KR20200127433A - 전지용 포장재료 및 이의 제조방법 - Google Patents

전지용 포장재료 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20200127433A
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Abstract

본 출원의 일 실시상태에 따른 전지용 포장재료는, 금속층; 상기 금속층 상에 구비된 금속 산화물층; 및 상기 금속 산화물층 상에 구비된 크롬 산화물층을 포함한다.

Description

전지용 포장재료 및 이의 제조방법{PACKAGING MATERIAL FOR BATTERY AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 출원은 전지용 포장재료 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
종래, 다양한 타입의 전지가 개발되어 있지만, 모든 전지에 있어서, 전극이나 전해질 등의 전지 소자를 봉지(封止)하기 위해 포장재료가 불가결한 부재로 되어 있다. 종래, 전지용 포장으로서 금속제의 포장재료가 사용되었다.
한편, 최근, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 컴퓨터, 카메라, 휴대전화 등의 고성능화에 따라, 전지에는 다양한 형상이 요구되고, 또한 박형화나 경량화가 요구되고 있다. 그러나, 종래 다용되었던 금속제 전지용 포장재료로는, 형상의 다양화에 추종하는 것이 어렵고, 게다가 경량화에도 한계가 있다는 결점이 있다.
전지를 외부 환경으로부터 보호하여 안정성을 확보하고 고성능화, 박형화, 경량화를 위하여 기재/금속층/실란트층이 순차 적층된 필름형 적층체가 주목 받고 있다. 그러나, 이러한 필름형 포장재료는 금속제의 포장 재료에 비해 얇아서, 성형시에 핀홀이나 크랙이 발생하기 쉽다는 결점이 있으며, 특히 금속층과 기재, 또는 금속층과 실란트층 사이의 이종 접합면에서 다량의 크랙과 박리 현상이 발생하는 단점을 가지고 있다. 일반적으로, 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 금속 표면의 인산-크론산염 처리 방식이 통용되고 있으나, 충분한 수준의 접합면에서의 접합력을 보여주지 못하고 있다.
따라서, 당 기술분야에서는 전술한 이종 물질간의 결합력을 증가시킬 수 있는 제조방법에 대한 연구가 필요하다.
일본공개특허 제2008-287971호
본 출원은 전지용 포장재료 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 출원의 일 실시상태는,
금속층;
상기 금속층 상에 구비된 금속 산화물층; 및
상기 금속 산화물층 상에 구비된 크롬 산화물층
을 포함하는 전지용 포장재료를 제공한다.
또한, 본 출원의 다른 실시상태는,
금속층 상의 표면에 물 산화(water oxidation) 처리를 수행하는 단계; 및
상기 물 산화(water oxidation) 처리된 표면에 크로메이트(chromate) 처리를 수행하는 단계
를 포함하는 전지용 포장재료의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 출원의 다른 실시상태는, 상기 전지용 포장재료를 포함하는 전지를 제공한다.
본 출원의 일 실시상태에 따르면, 금속층 표면에 물 산화(water oxidation) 처리 및 크로메이트(chromate) 처리를 순차적으로 수행함으로써, 금속층과 밀봉 수지층 간의 접착력을 향상시킬 수 있고, 전지용 포장재료의 내화학성을 향상시킬 수 있다.
도 1 및 2는 본 출원의 일 실시상태에 따른 전지용 포장재료를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 3은 본 출원의 비교예 1에 따른 포장재료를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 4는 본 출원의 비교예 2에 따른 포장재료를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 5는 본 출원의 비교예 3에 따른 포장재료를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 6은 본 출원의 일 실시상태로서, 실시예 1 내지 3에 따른 전지용 포장재료의 표면의 SEM 이미지를 나타낸 도이다.
도 7은 본 출원의 비교예 1 내지 3에 따른 전지용 포장재료의 표면의 SEM 이미지를 나타낸 도이다.
도 8은 본 출원의 일 실시상태에 따른 전지용 포장재료의 박리강도를 측정하는 방법을 개략적으로 나타낸 도이다.
이하 본 출원에 대하여 상세히 설명한다.
종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원에서는 기재와 금속층, 또는 금속층과 실란트층 사이의 이종 접합면에서의 이종 물질 간의 결합력을 증가시키고자 하였다. 이를 위하여, 본 출원에서는 외피 접착력을 강화시키기 위하여 금속층의 표면에 물 산화(water oxidation) 처리 및 크로메이트(chromate) 처리를 순차적으로 적용하였다.
본 출원의 일 실시상태에 따른 전지용 포장재료는, 금속층; 상기 금속층 상에 구비된 금속 산화물층; 및 상기 금속 산화물층 상에 구비된 크롬 산화물층을 포함한다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 금속층은 전지용 포장재료의 강도 향상 이외에, 전지 내부에 수증기, 산소, 광 등이 침입하는 것을 방지하기 위한 배리어층으로서 기능할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 금속층은 알루미늄을 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 금속층의 두께는 10㎛ 내지 200㎛ 일 수 있고, 20㎛ 내지 100㎛ 일 수 있다. 상기 금속층의 두께가 10㎛ 미만인 경우에는 내구성 불량이 발생할 수 있고, 200㎛를 초과하는 경우에는 생산 원가가 상승할 수 있으므로 바람직하지 않다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 후술하는 제조방법과 같이 상기 금속 산화물층은 상기 금속층 상의 표면에 물 산화(water oxidation) 처리를 수행함으로써 형성할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 금속층은 알루미늄을 포함하고, 상기 금속 산화물층은 알루미늄 산화물을 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 금속 산화물층의 두께는 0.9㎛ 내지 3.6㎛일 수 있다. 상기 금속 산화물층의 두께가 0.9㎛ 미만인 경우에는 내구성 불량이 발생할 수 있고, 3.6㎛를 초과하는 경우에는 생산 원가가 상승할 수 있으므로 바람직하지 않다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 금속 산화물층 내 금속 원자 함량에 대한 산소 원자 함량의 비율은 1.9 내지 2.5 일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 후술하는 제조방법과 같이 상기 크롬 산화물층은 상기 물 산화(water oxidation) 처리된 표면에 크로메이트(chromate) 처리를 수행함으로써 형성할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 크롬 산화물층은 수십 Å의 극히 얇은 두께를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 크롬 산화물층의 두께는 2nm 내지 8nm일 수 있다. 상기 크롬 산화물층의 두께가 2nm 미만인 경우에는 내구성 불량이 발생할 수 있고, 8nm를 초과하는 경우에는 생산 원가가 상승할 수 있으므로 바람직하지 않다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 전지용 포장재료는 상기 크롬 산화물층 상에 구비된 밀봉 수지층을 추가로 포함할 수 있다.
상기 밀봉 수지층은 전지용 포장재료의 최내층에 해당하고, 전지의 조립시에 밀봉 수지층끼리 열용착하여 전지 소자를 밀봉하는 층이다. 상기 밀봉 수지층은 단층일 수 있고, 2층 이상의 다층일 수도 있다. 상기 밀봉 수지층을 다층 구조로 하는 경우, 각 층은 각각 상이한 수지로 형성될 수 있다. 또한, 상기 다층 구조의 경우의 각 층은, 접착제를 이용하여 적층시킬 수 있고, 접착제 없이 직접 적층시킬 수도 있다.
상기 밀봉 수지층은 금속층에 직접 접합될 수 있다. 상기 밀봉 수지층을 구성하는 수지로서는, 폴리올레핀, 산변성 폴리올레핀, 이들의 혼합물 등을 들 수 있다.
상기 폴리올레핀으로서는, 저밀도, 중밀도, 고밀도 폴리에틸렌, 직쇄상 저밀도 폴리에틸렌, 호모 폴리프로필렌 및 프로필렌과 에틸렌 또는 다른 α 올레핀의 랜덤 또는 블록 공중합체 등을 들 수 있다. 상기 산변성 폴리올레핀은 카복실산에 의해 상기 폴리올레핀을 변성한 것이다. 상기 변성에 사용되는 카복실산으로서는, 말레산, 아크릴산, 이타콘산, 크로톤산, 무수 말레산 등을 들 수 있다. 이 중에서도 산변성 폴리올레핀이 바람직하고, 산변성 폴리프로필렌이 보다 바람직하다.
상기 밀봉 수지층의 두께는 3㎛ 내지 40㎛ 일 수 있고, 20㎛ 내지 40㎛ 일 수 있다. 또한, 상기 밀봉 수지층은 필요에 따라, 무기 필러, 가소제, 열안정제, 광안정제, 발수제, 흡수제, 활재, 커플링제, 안료, 염료 등의 각종 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 금속층의 금속 산화물층이 구비된 면의 반대면에, 기재 수지층이 추가로 구비될 수 있다.
상기 기재 수지층은 전지용 포장재료의 최외층을 형성하는 층이다. 상기 기재 수지층은 단층일 수 있고, 2층 이상의 다층일 수도 있다. 상기 밀봉 수지층을 다층 구조로 하는 경우, 각 층은 각각 상이한 수지로 형성될 수 있다. 또한, 상기 다층 구조의 경우의 각 층은, 접착제를 이용하여 적층시킬 수 있고, 접착제 없이 직접 적층시킬 수도 있다.
상기 기재 수지층을 형성하는 수지에 대해서는, 절연성을 구비하는 것이라면 특별히 한정되지 않지만, 예컨대, 폴리에스테르, 폴리아미드, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 불소 수지, 폴리우레탄, 이들의 혼합물 등을 들 수 있다.
상기 폴리에스테르로서는, 예컨대, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌나프탈레이트, 공중합 폴리에스테르, 폴리카보네이트 등을 들 수 있지만, 이들로 한정되는 것은 아니다.
상기 폴리아미드로서는, 예컨대, 나일론 6, 나일론 66, 나일론 6과 나일론 66의 공중합체, 나일론 610, 폴리메타크실릴렌아디파미드(MXD6) 등을 들 수 있지만, 이들로 한정되는 것은 아니다.
상기 기재 수지층은, 1축 또는 2축 연신된 수지 필름으로 형성되어 있더라도 좋고, 또한 연신되지 않은 수지 필름으로 형성하더라도 좋다. 상기 연신된 수지 필름, 특히 2축 연신된 수지 필름은, 배향 결정화하는 것에 의해 내열성이 향상되어 있으므로, 기재 수지층으로서 적합하게 사용될 수 있다. 또한, 상기 기재 수지층은, 상기 소재를 금속층 상에 코팅하여 형성되어 있더라도 좋다.
상기 기재 수지층의 두께는 5㎛ 내지 40㎛ 일 수 있고, 10㎛ 내지 35㎛ 일 수 있으며, 15㎛ 내지 30㎛ 일 수 있다. 상기 기재 수지층의 두께가 너무 얇으면, 핀 홀이 발생할 우려가 있다.
본 출원의 일 실시상태에 따른 전지용 포장재료를 하기 도 1 및 2에 개략적으로 나타내었다. 보다 구체적으로, 하기 도 1은 금속층(10); 상기 금속층(10) 상에 구비된 금속 산화물층(20); 및 상기 금속 산화물층(20) 상에 구비된 크롬 산화물층(30)을 포함하는 전지용 포장재료를 나타낸 것이다. 또한, 하기 도 2는 금속층(10); 상기 금속층(10) 상에 구비된 금속 산화물층(20); 및 상기 금속 산화물층(20) 상에 구비된 크롬 산화물층(30)을 포함하고, 상기 크롬 산화물층(30) 상에 밀봉 수지층(40)을 추가로 포함하며, 상기 금속층(10)의 하부에 기재 수지층(50)을 추가로 포함하는 전지용 포장재료를 나타낸 것이다
본 출원의 일 실시상태에 따른 전지용 포장재료는, 금속층 상의 표면에 물 산화(water oxidation) 처리를 수행하는 단계; 및 상기 물 산화(water oxidation) 처리된 표면에 크로메이트(chromate) 처리를 수행하는 단계를 포함한다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 물 산화(water oxidation) 처리는 pH 9.0 내지 12.0, 및 55℃ 이상의 온도의 조건에서 3초 내지 120초 동안 수행될 수 있다.
상기 물 산화(water oxidation) 처리조건을 만족함으로써, 1분 내로 전해액 침지 전후에 박리강도가 유지되거나 증가하는 특성을 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 물 산화(water oxidation) 처리조건으로서, pH 9.0 이상인 경우 표면 처리액의 온도가 90℃ 이상이라면, 1분 내로 전해액 침지 전후에 박리강도가 유지 또는 증가하는 표면 특성을 가질 수 있다. 또한, 상기 물 산화(water oxidation) 처리조건으로서, pH 12.0인 경우에는 6초의 짧은 시간으로 동일한 표면특성을 얻을 수 있다. 또한, 상기 물 산화(water oxidation) 처리조건으로서, pH 11인 경우에는 온도가 55℃ 이상이라면 1분 내로 전해액 침지 전후에 박리강도가 유지 또는 증가하는 표면 특성을 가질 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 물 산화(water oxidation) 처리방법은 구체적으로 증류수에 염기성 물질(수산화나트륨 등)을 첨가하여 pH를 9 이상으로 만든 것을 처리용액으로 사용할 수 있다. 상기 처리용액을 55℃ 이상으로 가열한 다음, 처리 대상 금속 기재를 용액 속에 침지하여 3초 내지 120초 동안 처리할 수 있다. 이 때, 물 산화 처리에 의한 기포가 다량 발생하는데, 기포에 의한 표면 가리움 효과를 방지하기 위하여 기재는 수직으로 세워서 처리하는 것이 바람직하다. 처리 후 기재 표면을 N2 Blower를 이용하여 건조시킬 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 크로메이트(chromate) 처리는 구체적으로 널리 알려진 크로메이트(Chromate) 표면처리 용액(SURFCOAT NR-X)을 사용할 수 있다. 물 산화 처리가 끝난 기재에 표면처리 용액을 1.5 g/m2 내지 11 g/m2 두께로 도포하고 100℃ 이상의 건조로를 통해 용매(물)를 증발시킬 수 있다. 이 때, 용액 도포방법은 롤(roll)을 이용한 그라비아 코팅(Gravure Coating)이 적합하다.
본 출원의 일 실시상태에 따르면, 금속층 표면에 물 산화(water oxidation) 처리 및 크로메이트(chromate) 처리를 순차적으로 수행함으로써, 금속층과 밀봉 수지층 간의 접착력을 향상시킬 수 있고, 전지용 포장재료의 내화학성을 향상시킬 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 따르면, 금속층 표면에 물 산화(water oxidation) 처리를 수행함으로써, 상기 금속층 표면에 나노 포러스(nano porous) 구조를 형성하여, 상기 크롬 산화물층 및 밀봉 수지층의 사이, 또는 상기 금속층 및 기재 수지층의 사이에 구비될 수 있는 접착제와 물리적 결합(hooking)을 유도하게 된다. 이에 따라, 금속층 표면에 크로메이트(chromate) 처리를 단독으로 수행하는 경우보다 더욱 밀봉 수지층과의 계면 접착력을 향상시킬 수 있다.
물 산화(water oxidation) 처리를 수행하는 경우에는, 표면에 포러스(Porous) 구조가 형성되어 접착제와 물리적 결합을 강화하는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 크로메이트(Chromate) 처리를 수행하는 경우에는 산화크롬 피막을 형성하여 전해질에 의한 접착제 박리를 화학적으로 방지하는 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 본 출원의 일 실시상태에서는, 이들을 동시에 수행함으로써 전해액 속에서 접착제와 금속층의 접착력을 물리, 화학적으로 강화하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 출원의 일 실시상태는 상기 전지용 포장재료를 포함하는 전지를 제공한다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 전지는 상기 전지용 포장 재료를 이용하여 형성한 포장 용기 내에, 양극, 음극, 전해질 등의 전지 소자를 수용하고, 각 전극으로부터의 리드선을 개구부로부터 바깥쪽으로 도출시킨 상태에서, 그 개구부를 가열 밀봉한 구조를 갖는 것이다.
상기 전지는 일차전지, 이차전지 중 어느 것이더라도 좋다. 특히, 이차전지인 경우, 예컨대, 리튬이온 전지, 리튬이온 폴리머 전지, 납 축전지, 니켈-수소 축전지, 니켈-카드뮴 축전지, 니켈-철 축전지, 니켈-아연 축전지, 산화은-아연 축전지, 금속공기 전지, 다가 양이온 전지, 콘덴서, 커패시터 등일 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 명세서에 기재된 실시상태를 예시한다. 그러나, 이하의 실시예에 의하여 상기 실시상태들의 범위가 한정되는 것을 의도하는 것은 아니다.
< 실시예 >
< 실시예 1>
증류수에 수산화나트륨(Sodium Hydroxide Pellet GR, 덕산)을 녹여 pH 10으로 조절하여 물 산화(water oxidation) 용액을 준비하였다. 크로메이트(Chromate) 처리용액은 SURFCOAT NR-X 원액과 증류수를 2 : 8의 비율로 혼합하여 준비하였다. 물 산화(Water oxidation) 용액을 가열하되 끓지 않도록 90℃ 내지 100℃ 사이로 온도를 조절하였다. 물 산화(Water oxidation) 용액 속에 알루미늄 기재(두께 40㎛)를 수직으로 세워서 30초간 침지하고 꺼내어 N2 Blower를 이용하여 표면을 완전히 건조시켰다.
이어서, 크로메이트(chromate) 처리용액을 물 산화 처리된 기재 위에 1.5 g/m2 내지 11 g/m2이 되도록 도포한 후 120℃ 건조 오븐에서 용매를 증발시켜 표면처리를 완료하였다.
실시예 1의 구조는 하기 도 1과 같다.
Depth Profile 분석 결과, 상기 실시예 1에서 Al 산화물층 내 (O/Al)비율은 1.9 내지 2.0의 값을 가졌다.
또한, 깊이 방향 조성 분석 결과, 1.2㎛ 내지 1.8㎛의 깊이에서 산소 원자 함량이 급격하게 낮아지므로, A1 산화물층의 두께는 1.2㎛ 내지 1.8㎛의 범위를 가지는 것을 알 수 있다.
일반적으로, 크롬 산화물층은 수십 Å의 극히 얇은 두께를 가진다. 중량법을 통해 측정된 실시예 1에서 크롬 산화물층의 두께는 3nm 내지 5nm 였다.
< 실시예 2>
실시예 1에서, 물 산화(water oxidation) 처리시간을 60초로 변경한 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
< 실시예 3>
실시예 1에서, 물 산화(water oxidation) 처리시간을 10초로 변경한 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
< 실시예 4>
실시예 1에서, 물 산화(water oxidation) 처리시간을 120초로 변경한 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
< 비교예 1>
표면처리를 수행하지 않은 알루미늄 기재를 준비하였다.
비교예 1의 구조는 하기 도 3과 같다.
< 비교예 2>
실시예 1에서, 물 산화(water oxidation) 처리를 수행하지 않고, 크로메이트(chromate) 처리만을 수행하였다.
비교예 2의 구조는 하기 도 4와 같다.
< 비교예 3>
실시예 1에서, 크로메이트(chromate) 처리를 수행하지 않고, 물 산화(water oxidation) 처리만을 수행하였다.
비교예 3의 구조는 하기 도 5와 같다.
< 실험예 1>
상기 실시예 1 내지 4, 및 비교예 1 내지 3의 박리강도를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다. 또한, 실시예 1 내지 3에 따른 전지용 포장재료의 표면의 SEM 이미지를 하기 도 6에 나타내었고, 비교예 1 내지 3에 따른 전지용 포장재료의 표면의 SEM 이미지를 하기 도 7에 나타내었다.
상기 박리강도 측정은 TA.XT.PLUS Texture Analyser(Stable Micro Systems 社) 장비를 사용하였다. 접착력 측정 방법은 Al의 표면처리된 면과 PP를 폴리올레핀계 접착제(XP01B, Mitsui 社)로 합착 후 7일간 건조한 다음, 하기 도 8과 같이 상, 하부에 집게로 물린 다음 상부 집게를 잡아당겨 박리가 일어날 때까지 인가되는 힘을 측정하였다.
전해액 침지 후 박리강도 측정은 상기 합착 완료된 샘플(Sample)을 전해액 속에 추가로 7일간 침지한 다음 꺼내어 같은 방법으로 박리 강도를 측정하였다.
[표 1]
Figure pat00001
상기 결과와 같이, 본 출원의 일 실시상태에 따르면, 금속층 표면에 물 산화(water oxidation) 처리 및 크로메이트(chromate) 처리를 순차적으로 수행함으로써, 금속층과 밀봉 수지층 간의 접착력을 향상시킬 수 있고, 전지용 포장재료의 내화학성을 향상시킬 수 있다.
10: 금속층
20: 금속 산화물층
30: 크롬 산화물층
40: 밀봉 수지층
50: 기재 수지층

Claims (10)

  1. 금속층;
    상기 금속층 상에 구비된 금속 산화물층; 및
    상기 금속 산화물층 상에 구비된 크롬 산화물층
    을 포함하는 전지용 포장재료.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 금속층은 알루미늄을 포함하는 것인 전지용 포장재료.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 금속층의 두께는 10㎛ 내지 200㎛인 것인 전지용 포장재료.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 금속 산화물층은 알루미늄 산화물을 포함하는 것인 전지용 포장재료.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 금속 산화물층의 두께는 0.9㎛ 내지 3.6㎛인 것인 전지용 포장재료.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 금속 산화물층 내 금속 원자 함량에 대한 산소 원자 함량의 비율은 1.9 내지 2.5인 것인 전지용 포장재료.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 크롬 산화물층 상에 구비된 밀봉 수지층을 추가로 포함하는 것인 전지용 포장재료
  8. 금속층 상의 표면에 물 산화(water oxidation) 처리를 수행하는 단계; 및
    상기 물 산화(water oxidation) 처리된 표면에 크로메이트(chromate) 처리를 수행하는 단계
    를 포함하는 전지용 포장재료의 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 물 산화(water oxidation) 처리는 pH 9.0 내지 12.0, 및 55℃ 이상의 온도의 조건에서 3초 내지 120초 동안 수행되는 것인 전지용 포장재료의 제조방법.
  10. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항의 전지용 포장재료를 포함하는 전지.
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