KR20220093529A - 파우치형 전지케이스 실링장치 및 이에 의한 파우치형 이차전지 실링방법 - Google Patents

파우치형 전지케이스 실링장치 및 이에 의한 파우치형 이차전지 실링방법 Download PDF

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KR20220093529A
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Abstract

구체적으로 파우치형 전지를 제조할 때 라미네이트 시트로 이루어진 전지 케이스의 외주변을 열과 압력을 가하여 실링을 하는 과정에 있어서, 상기 라미네이트 시트를 압착하는 상부 실링블럭이 상기 라미네이트 시트에 가압을 하는 방향을 조절할 수 있는 파우치형 전지케이스 실링장치 및 이에 의한 파우치형 이차전지 실링방법에 관한 것이다.

Description

파우치형 전지케이스 실링장치 및 이에 의한 파우치형 이차전지 실링방법{Pouch-type battery case sealing device and sealing method of pouch-type secondary battery thereby}
본원발명은 파우치형 전지케이스 실링장치 및 이에 의한 파우치형 이차전지 실링방법에 관한 것이다. 구체적으로 파우치형 전지를 제조할 때 라미네이트 시트로 이루어진 전지 케이스의 외주변을 열과 압력을 가하여 실링을 하는 과정에 있어서, 상기 라미네이트 시트를 압착하는 상부 실링블럭이 상기 라미네이트 시트에 가압을 하는 방향을 조절할 수 있는 파우치형 전지케이스 실링장치 및 이에 의한 파우치형 이차전지 실링방법에 관한 것이다.
모바일 기기와 전기자동차 등의 에너지원으로 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다. 특히, 높은 에너지 밀도와 높은 방전 전압을 갖는 리튬 이차전지에 대한 수요가 높다.
리튬 이차전지는 형상 및 소재에 따라, 금속 소재로 이루어진 원통형 이차전지 또는 각형 이차전지; 라미네이트 시트로 이루어진 파우치형 전지 등으로 구분할 수 있다. 파우치형 전지는 높은 집적도로 적층되어 중량당 에너지 밀도가 높으며, 제조비용이 낮고 형태 변형이 용이한 장점 때문에 다양한 디바이스에 사용되고 있다.
파우치형 전지는 통상적으로 외부 피복층, 금속 차단층, 및 내부 접착층을 포함하는 라미네이트 시트를 성형하여 전지케이스로 사용한다. 상기 라미네이트 시트에 형성된 수납부에 전극조립체와 전해액을 내장하고 실링하여 파우치형 전지를 제조한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 파우치형 전지(50)는 파우치형 하부(11)와 상부(12)로 구성된 전지케이스(10)의 수납부(13)에 전극조립체(20)가 내장된다. 전극조립체(20)는 양극과 음극 탭들(21, 22)이 두 개의 전극 리드(31, 32)에 각각 용접되어 전지케이스(10) 외부로 노출된다. 그리고 전극리드(31, 32)의 상부와 하부에는 한 쌍의 절연 필름(41, 42)을 개재시킨 상태에서 케이스(10) 외주변을 실링한다.
케이스(10)의 외주변은 길이 방향으로 긴 직육면체 형태의 실링툴에 의해서 라미네이트 시트의 내부 접착층이 가열 용융 및 압착되면서 실링이 된다.
도 2는 특허문헌 1에 따른 파우치형 전지 실링장치(500)의 분해 사시도이다. 파우치형 전지의 외주변은 홀더(100)와 실링블럭(200) 사이에 배치된다. 승강수단(110)에 의해서 승강이 가능한 홀더(100)가 하강하면서 파우치형 전지 외주변을 가열, 융착함으로써 실링이 이루어진다. 상기 홀더(100)와 승강수단(110)은 고정되어 있거나, 한쪽 방향으로만 틸팅이 가능한 형태이다.
과거에는 상기 홀더(100)와 승강수단(110)이 고정이 되었다. 최근 들어 이차전지에 대한 수요가 급증하고 이에 따라서 각 단계별 공정 시간을 단축하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. 과거의 경우, 상기 승강수단(100)에 고정된 상기 홀더(100)가 라미네이트 시트 외주변을 충분히 가압하여 실링을 하였다. 상기 홀더를 상기 실링블럭(200)의 방향을 따라서 틸팅이 가능하게 개선함으로써, 가압을 빠르고 균일하게 수행하려는 시도가 있다. 그럼에도 불구하고 하나의 방향으로만 틸팅함으로써, 오히려 파우치형 이차전지의 불량 발생이 줄어들지 않고 수율 또한 저하되는 문제가 지속되고 있다.
특허문헌 1은 잉여부가 용접되어 있는 전지셀로서 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재되어 있는 분리막을 포함하는 구조의 전극조립체; 및 상기 전극조립체를 수납한 상태로 외주변이 밀봉된 밀봉 잉여부를 포함하는 구조의 전지케이스;를 포함하고 있고, 상기 전지케이스는 전극조립체에 대면하는 부위로부터 제 1 수지층, 금속층 및 제 2 수지층이 순차적으로 적층되어 있는 구조의 라미네이트 시트로 이루어져 있으며, 상기 밀봉 잉여부는 라미네이트 시트 중의 서로 대면하는 제 1 시트부와 제 2 시트부가 접합된 구조로 이루어져 있고, 상기 밀봉 잉여부의 적어도 일부는, 제 1 시트부의 제 1 수지층과 제 2 시트부의 제 1 수지층에 의해 만들어진 수지층 융착부와, 상기 제 1 시트부의 금속층 단부와 제 2 시트부의 금속층 단부에 의해 만들어진 금속층 용접부를 포함하고 있다.
특허문헌 1은 시트부의 상/하부에 제1, 2 실링툴을 개시하고 상기 실링툴들이 소정의 각도 기울어지도록 회전하는 기술을 개시하고는 있으나, 이는 앞에서 언급한 한 방향으로만 틸팅하는 구성이며, 더욱이 특허문헌 1은 전체 실링부가 아닌 일부 실링부를 더 가압하는 수단으로서 본원발명에서 해결하고자 하는 전체 실링부의 균일한 실링을 위한 구성에 대해서는 해결책이 될 수 없다.
특허문헌 2는 이차 전지 포장재를 실링하기 위하여 사용되는 실링(sealing) 장치에 관한 것으로서, 제1 실링툴, 제1 실링툴과 마주보며 실링을 수행하는 제2 실링툴, 제1 실링툴의 단부에 부착된 제1 당김 유닛, 및 제1 당김 유닛에 대응하여 제2 실링툴의 단부에 부착된 제2 당김 유닛을 포함하고, 실링 과정에서 제1 당김 유닛은 제1 실링툴의 단부를 제2 실링툴 방향으로 당기고, 제2 당김 유닛은 제2 실링툴의 단부를 제1 실링툴 방향으로 당기고 있다.
특허문헌 3은 발명은 전극조립체 수납부의 외주변에 실링 잉여부가 형성되어 있는 전지셀에서 실링 잉여부를 전극조립체 수납부의 방향으로 절곡하는 장치로서, 상기 실링 잉여부의 외측 단부 부위가 지그의 외변을 넘어 돌출된 상태로 전지셀이 장착되는 셀 고정 지그; 상기 실링 잉여부의 전극조립체 수납부와 접하는 내측 단부 부위를 지면에 대해 수직인 제 1 방향으로 하향 가압하여 절곡점을 형성하는 가이드 부재; 및 상기 절곡점을 기준으로 실링 잉여부의 외측 단부 부위가 제 1 방향에 대향하는 제 2 방향으로 절곡되도록, 제 2 방향으로 이동하면서 실링 잉여부의 외측 단부 부위를 상향 가압하는 절곡 부재;를 포함하고 있고, 상기 실링 잉여부의 외측 단부 부위가 제 2 방향으로 절곡된 상태에서, 상기 가이드 부재는 가압 전 위치로 복귀하고, 상기 절곡 부재는 제 1 방향 및 제 2 방향에 직교하는 제 3 방향으로 회전하여 실링 잉여부의 외측 단부 부위를 제 3 방향으로 추가 절곡하도록 작동한다.
특허문헌 4는 축전체 및 그 패키지의 구조에 관한 것으로서, 전극 단자 4,5의 밑을 어댑터 10에서 고정한 축전체 셀을 서로 결합되는 2개의 틀 21 내에 수납하고, 틀 21에 의해 어댑터 10을 가압 협지하고 어댑터 10을 지점으로서 축전부 2를 틀 21에 대해서 플로팅시키고, 이것에 의해 축전체 셀 취급을 용이화해 틀 21으로 위치 맞춤을 한다.
특허문헌 2 내지 4는 실링툴을 자유자재로 움직이기 위한 구성이 없으므로 본원발명에서 해결하고자 하는 문제점을 전혀 인식하지 못하고 있는 것으로 보인다.
이와 같이 본원발명에서 중요한 문제로 인식하고 있는 파우치형 전지의 실링에 있어서, 짧은 시간에 실링면에 균일하게 작동하여 실링 효율을 높일 수 있는 기술은 아직까지 제시되지 않았다.
대한민국 공개특허공보 제2016-0073097호 (2016.06.24) ('특허문헌 1') 대한민국 등록특허공보 제1816333호 (2018.01.02) ('특허문헌 2') 대한민국 등록특허공보 제2088214호 (2020.03.06) ('특허문헌 3') 일본 공개특허공보 제2006-278263호 (2006.10.12) ('특허문헌 4')
본원발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 실링시 파우치형 이차전지 외주변의 실링면에 균일하게 작동하여 실링 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 실링 시간 또한 단축할 수 있는 파우치형 전지케이스 실링장치 및 이에 의한 파우치형 이차전지 실링방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해서 본원발명은 상부실링블럭, 하부실링블럭을 포함하는 파우치형 전지케이스 실링장치에 있어서, 상기 파우치형 전지케이스의 실링면은 X-Y 평면에 배치되고, 상기 상부실링블럭과 상기 하부실링블럭은 Y축에 평행하게 배치되며, 상기 상부실링블럭은 Z축 방향으로 상하이동하는 고정축에 고정되어 Z축 방향으로 상하이동하고, 상기 상부실링블럭과 상기 고정축은 고관절 형태의 결합부에 의해서 결합되는 파우치형 전지케이스 실링장치를 제공한다.
상기 결합부는 상기 상부실링블럭의 중앙에 배치될 수 있으며, 상기 상부실링블럭은 상기 Z축을 기준으로 XY 평면에 대한 틸팅 운동을 할 수 있다. 한편, 상기 상부실링블럭은 상기 Z축을 중심으로 회전운동을 하지 못하도록 주변에 가이드가 형성될 수 있다.
상기 결합부는, 상기 고정축에서 연장되고 말단이 구 형태인 제1삽입부; 상기 상부실링블럭에 고정되며, 상기 제1삽입부가 삽입되어 고정되는 제1지지부;를 포함하거나,
상기 결합부는, 상기 상부실링블럭에서 연장되고 말단이 구 형태인 제2삽입부; 상기 고정축의 말단에 배치되며, 상기 제2삽입부가 삽입되어 고정되는 제2지지부;를 포함할 수 있다.
상기 고정축은 상기 결합부를 중심으로 상기 Z축에 대한 세차운동과 같은 형태로 움직일 수 있다.
본원발명은 또한 상기 고관절 형태의 결합부가 2개 이상의 관절에 의한 결합부로 대치되는 파우치형 전지케이스 실링장치를 제공한다.
본원발명의 다른 양태로는 상기 파우치형 전지 실링장치를 이용하여 파우치형 전지를 실링하는 방법을 제공한다.
본원발명의 또 다른 양태로는 상기 파우치형 전지 실링장치를 이용하여 실링한 파우치형 전지를 제공한다.
본원발명은 또한 상기 과제의 해결 수단을 조합할 수 있는 가능한 조합으로도 제공이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원발명은 파우치형 이차전지의 실링시 파우치형 이차전지 외주변의 실링면에 균일하게 작동하여 실링 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 실링 시간 또한 단축할 수 있는 파우치형 전지케이스 실링장치 및 이에 의한 파우치형 이차전지 실링방법을 제공할 수 있다.
본원발명에 따른 실링장치는 짧은 시가에 균일한 실링면을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 실링의 불량률 또한 낮출 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 파우치형 전지의 분해 사시도이다.
도 2는 특허문헌 1에 따른 파우치형 전지 실링장치의 분해 사시도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 하나의 축만을 기준으로 틸팅 운동을 하는 파우치형 전지 실링장치의 모식도이다.
도 4는 본원발명의 제1실시예에 따른 파우치형 전지 실링장치의 모식도이다.
도 5는 본원발명의 제2실시예에 따른 파우치형 전지 실링장치의 모식도이다.
도 6의 결합부의 다른 예시이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 구성요소를 한정하거나 부가하여 구체화하는 설명은, 특별한 제한이 없는 한 모든 발명에 적용될 수 있으며, 특정한 발명에 대한 설명으로 한정되지 않는다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 "또는"은 별도로 언급되지 않는 한 "및"을 포함하는 것이다. 그러므로 "A 또는 B를 포함하는"은 A를 포함하거나, B를 포함하거나, A 및 B를 포함하는 상기 3가지 경우를 모두 의미한다.
이하, 본원발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 3은 종래 기술에 따른 하나의 축만을 기준으로 틸팅 운동을 하는 파우치형 전지 실링장치(1000)의 모식도이다.
파우치형 전지 실링장치(1000)는 상부실링블럭(1100) 및 하부실링블럭(1200)을 포함한다. 종래 기술에 따른 파우치형 전지 실링장치(1000)는 물론 본원발명에 따른 파우치형 전지 실링장치(2000, 3000)도 동일하게 실링이 이루어지는 파우치형 전지 케이스의 외주부는 상기 상부실링블럭(1100, 2100, 3100) 및 하부실링블럭(1200, 2200, 3200) 사이에 위치한다.
또한, 상기 파우치형 전지케이스의 실링면은 X-Y 평면에 배치되고, 상기 상부실링블럭(1100, 2100, 3100)과 상기 하부실링블럭(1200, 2200, 3200)은 Y축에 평행하게 배치되며, 상기 상부실링블럭(1100, 2100, 3100)은 Z축 방향으로 상하이동하는 고정축(1110, 2110, 3110)에 고정되어 Z축 방향으로 상하이동하고, 상기 상부실링블럭(1100, 2100, 3100)과 상기 고정축(1110, 2110, 3110)은 결합부(1120, 2120, 3120)에 의해서 결합된다.
종래 기술에 따른 파우치형 전지 실링장치(1000)는 상기 결합부(1120)가 1축 형태의 결합으로만 이루어져 있다. 따라서 상기 상부실링블럭(1100)은 결합부(1120)의 중심부를 중심으로 YZ 평면에 평행한 면에서 회전운동만을 한다. 상기 회전운동은 X축을 중심으로 하는 스핀운동으로도 언급할 수 있다.
반면에 본원발명의 제1실시예 및 제2실시예에 따른 파우치형 전지 실링장치(2000, 3000)은고관절 형태의 결합부(2120, 3120)에 의해서 결합된다.
상기 결합부(2120, 3120)는 상기 상부실링블럭(2100, 3100))의 중앙에 배치될 수 있으며, 상기 상부실링블럭(2100, 3100)은 상기 Z축, 정확하게는 상기 결합부(2120, 3120)의 중심을 기준으로 XY 평면에 대한 틸팅 운동을 할 수 있다. 이때의 틸팅 운동은 Z축을 중심으로 하는 회전운동을 바람직하지 않기 때문에 상기 상부실링블럭(2100, 3100)이 상기 Z축을 중심으로 회전운동을 하지 못하도록 주변에 가이드(도면 미도시)가 형성될 수 있다.
상기 상부실링블럭(2100, 3100)은 X축을 중심으로 한 스핀운동, Y축을 중심으로 하는 스핀운동 2가지가 될 수 있다. 따라서 본원발명에 따른 파우치형 전지 실링장치는 종래의 장치(500, 1000)에 대비하여 더 효율적인 실링이 가능하며, 이를 통해서 공정 시간을 단축할 수 있다.
상기 결합부(2120)는 상기 고정축(2110)에서 연장되고 말단이 구 형태인 제1삽입부(2124); 상기 상부실링블럭(2100)에 고정되며, 상기 제1삽입부(2124)가 삽입되어 고정되는 제1지지부(2126)를 포함할 수 있다. 도 4는 상기 제1삽입부(2124) 및 상기 제1지지부(2126)의 확대도 A를 별도로 표시하였다. 상기 제1삽입부(2124)와 상기 제1지지부(2126)는 억지끼움 결합에 의해서 결합될 수 있으며, 이들 사이에는 별도의 윤활유가 부가될 수 있다.
상기 결합부(3120)는 상기 상부실링블럭(3100)에서 연장되고 말단이 구 형태인 제2삽입부(3124); 상기 고정축(3110)의 말단에 배치되며, 상기 제2삽입부(3124)가 삽입되어 고정되는 제2지지부(3126)를 포함하는 형태로도 구성될 수 있다. 도 5는 상기 제2삽입부(3124) 및 상기 제2지지부(3126)의 확대도 B를 별도로 표시하였다. 상기 제2삽입부(3124)와 상기 제2지지부(3126)는 억지끼움 결합에 의해서 결합될 수 있으며, 이들 사이에는 별도의 윤활유가 부가될 수 있다.
한편, 상기 고정축(2110, 3110)은 상기 결합부(2120, 3120)를 중심으로 상기 Z축에 대한 세차운동과 같은 형태로 움직일 수 있다. 이는 상기 상부실링블럭(2100, 3100)을 상기 하부실링블럭(2200, 3200)에 대해서 틸팅된 방향으로 더 가압하기 위한 것이다. 세차운동을 위해서 Z축으로부터 t각도만큼 기울어졌을 때의 고정축(2120, 3120)의 중심축이 R이 되며 상기 R이 상부의 원을 따라 세차운동을 할 수 있다. 상기 고정축(2120, 3120)의 상단부 구동과 관련한 상하, 틸트, 세차에 대한 부분은 구체적으로 한정하지 않았으며, 도면에 미도시 하였고, 이러한 구성은 통상의 기술자가 필요에 따라서 선택할 수 있는 것이다.
본원발명은 또한 상기 고관절 형태의 결합부(2120, 3120)가 2개 이상의 관절에 의한 결합부(4120)로 대치될 수 있다. 이러한 2개 이상의 관절에 의한 결합부의 대표적인 예시를 도 6에 나타내었다. 도 6에서 C와 C'은 각각 상부실링블럭과 고정축 또는 고정축과 상부실링블럭에 결합되는 부분이다.
본원발명의 다른 양태로는 상기 파우치형 전지 실링장치를 이용하여 파우치형 전지를 실링하는 방법을 제공한다. 본원발명의 또 다른 양태로는 상기 파우치형 전지 실링장치를 이용하여 실링한 파우치형 전지를 제공한다.
본원발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
10 : 전지케이스
11 : 하부
12 : 상부
13 : 수납부
20 : 전극조립체
21, 22 : 전극 탭
31, 32 : 전극리드
41, 42 : 절연필름
50 : 파우치형 전지
100 : 홀더
110 : 승강수단
200 : 실링블럭
300 : 이격 부재
500 : 종래기술에 따른 파우치형 전지 실링장치
1000 : 종래기술에 따른 파우치형 전지 실링장치
2000 : 본원발명의 제1실시예에 따른 파우치형 전지 실링장치
3000 : 본원발명에 제2실시예에 따른 파우치형 전지 실링장치
1100, 2100, 3100 : 상부실링블럭
1200, 2200, 3200 : 하부실링블럭
1110, 2110, 3110 : 고정축
1120, 2120, 3120, 4120 : 결합부
2124, 3124 : 제1삽입부, 제2삽입부
2126, 3126 : 제1지지부, 제2지지부
R : 세차운동을 위해서 z축으로부터 t각도만큼 기울어졌을 때의 고정축의 중심축
A, B : 결합부의 확대도

Claims (10)

  1. 상부실링블럭, 하부실링블럭을 포함하는 파우치형 전지케이스 실링장치에 있어서,
    상기 파우치형 전지케이스의 실링면은 X-Y 평면에 배치되고,
    상기 상부실링블럭과 상기 하부실링블럭은 Y축에 평행하게 배치되며,
    상기 상부실링블럭은 Z축 방향으로 상하이동하는 고정축에 고정되어 Z축 방향으로 상하이동하고,
    상기 상부실링블럭과 상기 고정축은 고관절 형태의 결합부에 의해서 결합되는 파우치형 전지케이스 실링장치.
  2. 제1항에 있어서 ,
    상기 결합부는 상기 상부실링블럭의 중앙에 배치되어 있는 파우치형 전지케이스 실링장치.
  3. 제1항에 의해서
    상기 상부실링블럭은 상기 Z축을 기준으로 XY 평면에 대한 틸팅 운동을 할 수 있는 파우치형 전지케이스 실링장치.
  4. 제1항에 의해서
    상기 상부실링블럭은 상기 Z축을 중심으로 회전운동을 하지 못하도록 주변에 가이드가 형성된 파우치형 전지케이스 실링장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 결합부는,
    상기 고정축에서 연장되고 말단이 구 형태인 제1삽입부;
    상기 상부실링블럭에 고정되며, 상기 제1삽입부가 삽입되어 고정되는 제1지지부;
    를 포함하는 파우치형 전지케이스 실링장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 결합부는,
    상기 상부실링블럭에서 연장되고 말단이 구 형태인 제2삽입부;
    상기 고정축의 말단에 배치되며, 상기 제2삽입부가 삽입되어 고정되는 제2지지부;
    를 포함하는 파우치형 전지케이스 실링장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고정축은 상기 결합부를 중심으로 상기 Z축에 대한 세차운동과 같은 형태로 움직임이 가능한 파우치형 전지케이스 실링장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고관절 형태의 결합부가 2개 이상의 관절에 의한 결합부로 대치되는 파우치형 전지케이스 실링장치.
  9. 제1항 내지 제8항에 중 어느 한 항에 따른 파우치형 전지 실링장치를 이용하여 파우치형 전지를 실링하는 방법.
  10. 제1항 내지 제8항에 중 어느 한 항에 따른 파우치형 전지 실링장치를 이용하여 실링한 파우치형 전지.
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