KR20220141230A - 양자점 함유 수지 성형체 및 이의 제조방법 - Google Patents

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KR20220141230A
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Abstract

본 발명은 캡슐화 수지로 캡슐화된 양자점을 포함하여 사출 성형 공정을 통해 제조가 가능하고, 빛을 최대한 소멸없이 확산시켜 휘도를 향상시킬 수 있는 양자점 함유 수지 성형체 및 이의 제조방법을 개시한다.

Description

양자점 함유 수지 성형체 및 이의 제조방법{Resin molded article containing quantum dot and fabrication method thereof}
본 발명은 양자점 함유 수지 성형체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
양자점(QD: Quantum Dot)은 수 나노미터 크기를 갖는 초미세 반도체 입자를 말한다. 상기 양자점은 빛에 노출되면 불안정한 상태의 전자가 전도대에서 가전자대로 내려오면서 특정 파장의 빛을 방출한다.
통상 양자점은 입자가 작을수록 짧은 파장의 빛이 발생하고, 입자가 클수록 긴 파장의 빛을 방출한다. 따라서 양자점의 크기를 조절하면 원하는 파장의 가시광선을 표현하고, 여러 크기의 양자점을 이용하여 다양한 색을 동시에 구현할 수도 있다. 따라서, 양자점의 크기를 제어하여 원하는 천연색을 구현할 수 있으며, 색재현율이 좋고 휘도 또한 양호하여 차세대 광원으로 주목받고 있다.
상기 양자점은 수 나노미터의 크기를 갖기 때문에 서로 간의 뭉침 현상이 발생하여 경화성 수지 내에 균일한 분산을 이루기가 어려워 발광 균일성이 크게 저하된다. 특히, 양자점의 외부로부터 침투하는 수분이나 공기(즉, 산소)와 접촉하여 광 변환 효율이 급격히 저하되며, 디스플레이의 수명이 저하되는 문제가 있다.
KR 10-2017-0041767 A에서는 양자점을 용매에 분산한 양자점액에, 수지 및 금속 비누를 혼합하여 양자점이 분산된 수지가 성형된 펠렛 형태의 수지 성형품을 개시하고 있다. 그러나 이러한 방법은 성형시 양자점의 손상이 발생하여 양자점이 갖는 효과의 확보가 어려운 문제가 있다.
KR 10-2017-0041767 A (2018. 08. 29)
본 발명에서는 사출 또는 압출 성형 공정에서 발생하는 양자점의 손상없이 성형이 가능하도록 양자점을 캡슐화하여 종래 사출 또는 압출 성형 공정에 적용하더라도 양자점의 손상이 없는 수지 성형체를 제작할 수 있었다.
또한, 본 발명의 목적은 양자점 함유 수지 성형체 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 베이스 수지 내 캡슐화 수지로 캡슐화된 양자점이 분산된 수지 성형체를 제공한다.
상기 베이스 수지는 아크릴계 수지, 스티렌-아크릴계 공중합 수지, 스티렌계 수지, 스티렌-아크릴로니트릴계 수지, 폴리카보네이트 수지, 사이클릭올레핀계 수지, 및 폴리노르보르넨 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이다.
상기 캡슐화 수지는 베이스 수지의 Tm(용융 온도)대비 높은 Tg(유리전이 온도)를 가지며, 가교화된 아크릴계 수지, 및 가교화된 실리콘계 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이다.
또한, 상기 캡슐화 수지는 광경화형 또는 열경화형 수지일 수 있다.
또한, 상기 수지 성형체는 광확산제를 더욱 포함한다. 이때 광확산제는 실리카, 탈크, 티타니아, 산화칼슘, 산화아연, 및 알루미나를 포함하는 무기계 입자; 폴리(메타)아크릴계, 폴리스티렌계, 실리콘계, 폴리우레탄계, 에폭시계 수지가 가교 또는 미가교 유기계 입자; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함한다.
이때 상기 수지 성형체는 비드, 파우더, 펠렛 및 필라멘트 중에서 선택된 1종일 수 있다.
또한, 본 발명은 베이스 수지 및 캡슐화된 양자점을 성형기에 투입한 후 성형 공정을 통해 수지 성형체를 제조하는, 수지 성형체의 제조방법을 제공한다.
이때 상기 성형 공정은 사출 성형 공정 또는 압출 성형 공정일 수 있다.
또한, 상기 캡슐화된 양자점은
a) 극성 용매 및 비극성 용액을 준비하는 단계;
b) 얻어진 용액에 캡슐화 수지용 전구체, 양자점 및 경화제를 첨가하여 조성물을 제조하는 단계; 및
c) 상기 조성물에 광 또는 열을 조사하여 가교를 수행하여 양자점을 캡슐화하는 단계;를 포함하여 제조한다.
또한, 상기 사출 또는 압출 성형기에 광확산제를 더욱 첨가할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 수지 성형체로 제조된 백라이트 유닛용 부품을 제공한다.
본 발명에 따른 양자점 함유 수지 성형체는 양자점을 캡슐화 수지로 캡슐화함으로써 양자점을 그 어떤 손상없이 펠렛 등의 성형체로 성형화할 수 있다.
그 결과. 사출 또는 압출 공정의 온도에서도 양자점의 특성을 잃지 않고 균일한 분산이 가능하여, 종래 양자점 적용시 발생하던 응집 및 양자 효율 감소 문제를 해소하여, 백라이트 유닛의 부품으로 적용시 양자점에 의한 효과를 극대화할 수 있다.
본 발명은 수지 성형체는 베이스 수지 내 캡슐화 수지로 캡슐화된 양자점이 분산된 구조를 갖는다. 이를 통해 양자점 함유 수지 성형체는 성형 공정 시 양자점의 손상에 따른 양자 효율 감소 및 응집이 발생하는 문제를 해소할 수 있다.
본 발명에서 캡슐화 수지에 의해 캡슐화된 양자점이라 함은, 종래 "캡슐"이 의미하는 "단순 코팅 또는 도막과 같은 코팅층"의 형태는 아니며, 복수 개의 양자점이 가교화된 캡슐화 수지 내부에 분산된 상태로 존재하는 것을 의미한다.
수지 성형체
양자점 함유 수지 성형체는 사출 또는 압출 성형 공정을 통해 제조되며, 이때 성형 공정은 통상 수지의 Tm 이상에서 수행하여 용융 수지 형태로 제조한다. 이러한 용융된 수지에 양자점을 그대로 투입하는 것이 아니라, 상기 온도, 즉 수지의 Tm 보다 높은 Tg를 갖는 수지로 양자점을 캡슐화하여 상기 양자점을 고온(즉, 용융 수지)으로부터 보호할 수 있다.
본 명세서에서 수지 성형체의 매트릭스로서 사용하는 수지는 베이스 수지이고, 양자점을 캡슐화하는 수지는 캡슐화 수지로 명명한다.
만약, 베이스 수지의 Tm 보다 낮은 Tg의 재질로 양자점을 캡슐화하게 되면, 성형 공정 도중 캡슐화 수지가 용융되어 일부 손상된 양자점만이 분산된 구조를 갖는다. 이에, 본 발명에서는 베이스 수지의 Tm 보다 높은 Tg를 갖는 수지를 캡슐화 수지로 사용하고, 보다 바람직하기로 상기 캡슐화 수지는 가교화된 형태로 적용될 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 베이스 수지는 Tm이 약 230 내지 250℃의 범위를 가지고, 투명하면서도 강도가 우수한 재질이 가능하며, 일례로 투명, 반투명, 백색 또는 유색의 수지 등이 이용될 수 있으며, 구체적으로 아크릴계 수지, 스티렌-아크릴계 공중합 수지, 스티렌계 수지, 스티렌-아크릴로니트릴계 수지, 폴리카보네이트 수지, 사이클릭올레핀계 수지, 및 폴리노르보르넨수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 바람직하다.
아크릴계 수지는 메틸메타크릴레이트, 에틸메타크릴레이트, 부틸메타크릴레이트, 2-에틸헥실메타크릴레이트 등의 메타크릴산알킬에스테르; 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 부틸아크릴레이트 등의 아크릴산알킬에스테르; 시클로헥실메타크릴레이트, 2-메틸시클로헥실메타크릴레이트, 디시클로펜타닐메타크릴레이트 등의 메타크릴산시클로알킬에스테르; 시클로헥실아크릴레이트, 2-메틸시클로헥실아크릴레이트 등의 아크릴산시클로알킬에스테르; 페닐메타크릴레이트, 벤질메타크릴레이트 등의 메타크릴산아릴에스테르; 페닐아크릴레이트, 벤질아크릴레이트 등의 아크릴산아릴에스테르 중에서 선택되는 어느 하나의 단독 중합체 또는 이들의 공중합체인 것이 바람직하다.
스티렌-아크릴계 공중합체 수지는 메타크릴산알킬에스테르, 아크릴산알킬에스테르, 메타크릴산시클로알킬에스테르, 아크릴산시클로알킬에스테르, 메타크릴산아릴에스테르, 아크릴산아릴에스테르 중에서 선택되는 하나 이상과 스티렌, α-메틸스티렌, m-메틸스티렌, p-메틸스티렌, p-메톡시스티렌 중에서 선택되는 하나 이상의 공중합체인 것이 바람직하다.
스티렌계 수지는 스티렌, α-메틸스티렌, m-메틸스티렌, p-메틸스티렌, p-메톡시스티렌 중에서 선택되는 어느 하나의 단독 중합체 또는 이들의 공중합체인 것이 바람직하다.
스티렌-아크릴로니트릴계 공중합체 수지는 스티렌, α-메틸스티렌, m-메틸스티렌, p-메틸스티렌, p-메톡시스티렌 중에서 선택되는 하나 이상과 아크릴로니트릴모노머와의 공중합체가 바람직하다.
폴리카보네이트 수지는 디히드록시페놀과 포스겐을 반응시키거나 디히드록시페놀과 카보네이트 전구체의 반응에 의하여 제조된 선형 및 가지 달린 방향족 폴리카보네이트 단일 중합체, 폴리에스터 공중합체 또는 이들 1종 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 캡슐화 수지는 Tg 요건을 만족하더라도 성형 공정을 통해 제작된 성형품의 물성(투명도, 강도 등)에 영향을 주지 않으면서도 성형 공정에서 용융된 베이스 수지와 잘 혼합될 수 있고, 추가로 사용하는 광확산제의 분산에 영향을 주지 않는 재질이 필요하다.
이에 본 발명에서는 가교화된 수지를 사용하여 베이스 수지의 Tm 보다 높은 Tg를 갖는 캡슐화 수지를 제작하되, 성형품의 물성 및 혼합 특성을 고려하여 투명 재질의 고분자가 사용될 수 있다.
바람직한 예로, 본 발명의 캡슐화 수지는 가교화된 아크릴계 수지 및 가교화된 실리콘계 수지 중 어느 하나 이상이 가능하다. 상기 가교화는 광 또는 열에 의해 경화된 상태이다.
가교화된 아크릴계 수지는 분자 구조 내에 광조사 또는 열에 의해 중합 또는 경화 가능한 관능기를 갖는 아크릴계 단량체에 의해 가교화된 수지를 의미한다.
사용 가능한 아크릴계 단량체로는 하기와 같으며, 이때 용어 '(메트)아크릴레이트'는 메타크릴레이트 또는 아크릴레이트를 지칭한다.
아크릴계 단량체는 분자 구조 내 관능기가 1개인 단관능성 아크릴계 단량체, 또는 2개 이상인 다관능성 아크릴계 단량체/올리고머일 수 있다.
상기 단관능성 아크릴계 단량체는 이소보닐 (메트)아크릴레이트, 이소옥틸 (메트)아크릴레이트, 라우릴 (메트)아크릴레이트, 스테아릴 (메트)아크릴레이트, 벤질 (메트)아크릴레이트, 노보닐 (메트)아크릴레이트, 이소데실(메트)아크릴레이트, 사이클로헥실 (메트)아크릴레이트, n-헥실(메트)아크릴레이트, 아다만틸 아크릴레이트, 아크릴로일모폴린, 테트라히드로퓨릴 (메트)아크릴레이트, 2-페녹시에틸 (메트)아크릴레이트, 카프로락톤 (메트)아크릴레이트 및 사이클로펜틸 아크릴레이트로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 단량체를 포함할 수 있다.
또한, 다관능성 아크릴계 단량체로는 트리프로필렌글리콜 디(메트)아크릴레이트, 1,6-헥산디올 디(메트)아크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리(메트)아크릴레이트, 펜타에리트리톨 트리(메트)아크릴레이트, 사이클릭 트리메틸올프로판 (메트)아크릴레이트, 트리메틸사이클로헥실 (메트)아크릴레이트, 트리사이클로디케인 디메탄올 디(메트)아크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리(메트)아크릴레이트, 에톡실레이티드 트리메틸올프로판 트리(메트)아크릴레이트(3EO-TMPTA; ethoxylated trimethylolpropane tri(metha)acrylate), 에톡실레이티드 펜타에리트리톨 트리(메트)아크릴레이트(4EO-PETA; ethoxylated pentaerythritol triacrylate), 펜타에리쓰리톨 트리(메트)아크릴레이트, 및 디펜타에리쓰리톨 헥사(메트)아크릴레이트로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 단량체를 포함할 수 있다.
그리고, 다관능성 아크릴계 올리고머로는 우레탄 (메트)아크릴레이트, 에폭시 (메트)아크릴레이트, 폴리에스테르 (메트)아크릴레이트, 아크릴(메트)아크릴레이트, 폴리부타디엔 (메트)아크릴레이트, 실리콘 (메트)아크릴레이트 및 멜라민 (메트)아크릴레이트로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 올리고머를 포함할 수 있다. 이때 올리고머는 중량평균분자량이 100 내지 1000의 범위를 갖는 것이 가능하다.
바람직하기로, 상기 아크릴계 단량체 중 2개 이상의 관능기를 포함하는 경우 광조사에 의해 가교될 수 있으며, 필요한 경우 공지의 광가교제를 더욱 사용할 수 있다.
광경화는 광원으로부터 활성 에너지를 방출하여 도막에 조사하는 방식으로 수행한다.
상기 광원으로는 원자외선, 자외선, 근자외선, 적외선 등의 광선, X선, γ선 등의 전자파외에, 전자선, 프로톤선, 중성자선 등을 이용할 수 있으나, 경화 속도, 조사 장치의 입수의 용이성, 가격 등으로부터 자외선 조사에 의한 경화가 유리하다.
자외선 조사를 행할 때의 광원으로서는, 고압 수은등, 무전극 램프, 초고압 수은등, 카본 아크등, 제논등, LED 램프, 메탈할라이드 램프, 케미컬 램프, 블랙라이트 등이 이용된다. 상기 고압 수은 램프의 경우에는, 예컨대, 약 5 mJ/㎠ 내지 약 3000 mJ/㎠, 구체적으로는 약 400 mJ/㎠ 내지 약 1500 mJ/㎠의 조건에서 행해진다.
그리고, 조사 시간은, 광원의 종류, 광원과 도막과의 거리, 도막 두께, 그 외의 조건에 따라서도 다르지만, 통상은, 수십초 내지 수분, 광량에 따라서 1시간 이상 수행된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 베이스 수지가 PMMA 또는 PC이고, 이들의 Tm은 약 230℃ 내지 250℃의 범위를 갖는다. 이때 캡슐화 수지는 우레탄 아크릴레이트 올리고머가 광개시제에 의해 가교화된 것으로, 이때 Tg는 290℃ 내지 320℃ 온도를 갖는다.
캡슐화 수지로서, 가교화된 실리콘계 수지는 액상 실록산 폴리머가 가교제에 의해 가교화된 수지를 의미한다.
액상 실록산 폴리머는 직쇄상 실리콘 수지와 변성 실리콘 수지일 수 있다. 대표적인 직쇄상 실리콘 수지는 유기기가 모두 메틸기인 디메틸 실리콘이 있으며, 페닐기를 도입한 메틸페닐 실리콘과, 메틸페닐 실리콘, 디페닐실리콘, 폴리실록산과 디페닐실록산의 공중합체, 메틸하이드로겐 실리콘 등이 있다. 상기 변성 실리콘 수지는 메틸기 또는 페닐기 이외의 유기기를 도입한 실리콘 수지를 의미하며, 메틸히드록시 실리콘, 플루오로 실리콘, 폴리옥시에테르 공중합체, 알킬변성 실리콘, 고급지방산변성 실리콘, 아미 노변성 실리콘, 에폭시변성 실리콘 등이 있다.
실리콘계 수지의 경화는 광경화 또는 열경화가 가능하며, 이 또한 공지된 바의 광경화제 또는 열경화제가 사용될 수 있다.
일례로, 열경화시 온도 및 시간은 열경화성 수지의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 일례로 실리콘계 수지의 경우 100℃ 내지 125℃에서 1시간 내지 5시간 동안 수행한다.
또한, 열 경화의 경우 실리콘 수지 대비 경화제의 사용은 경화 메커니즘에 따라 달라질 수 있다. 일례로, 백금 촉매 존재하에 부가 반응이 일어나거나, 유기 과산화물 및 열을 인가하여 유리 라디칼 반응을 통해 경화가 가능하다. 이때 유기 과산화물의 예로는 2,4-디클로로벤조일 퍼옥사이드, 벤조일 퍼옥사이드, 디큐밀 퍼옥사이드, 디-3급-부틸퍼벤조에이트 및 2,5-비스(3급-부틸퍼옥시)벤조에이트가 있다. 유기 과산화물은 실리콘계 수지 100 중량부 대비 0.1 내지 10 중량부, 바람직하게는 0.2 내지 5 중량부의 농도로 사용된다
본 발명의 일 구현예에 따르면, 베이스 수지가 PMMA 또는 PC이고, 이들의 용융 온도(Tm)는 약 230℃ 내지 250℃의 범위를 갖는다. 이때 캡슐화 수지는 DIMETHYLSILOXANE COPOLYMER가 열에 의해 가교화된 것으로, 이때 Tg는 260℃ 내지 290℃ 온도를 갖는다.
한편, 상기 언급한 바의 캡슐화 수지에 의해 양자점이 캡슐화된다.
양자점은 양자 구속 효과(quantum confinement effect)를 통해, 광원으로부터 주입되는 광을 흡수한 다음 양자점이 갖는 밴드갭에 대응하는 파장을 갖는 광의 파장을 변환시켜 출사한다.
상기 양자점은 II-VI족, III-V족, IV-VI족, IV족 반도체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 반도체를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 양자점은, 예를 들면, CdS, CdO, CdSe, CdTe, Cd3P2, Cd3As2, ZnS, ZnO, ZnSe, ZnTe, MnS, MnO, MnSe, MnTe, MgO, MgS, MgSe, MgTe, CaO, CaS, CaSe, CaTe, SrO, SrS, SrSe, SrTe, BaO, BaS, BaSe, BaTE, HgO, HgS, HgSe, HgTe, HgI2, AgI, AgBr, Al2O3, Al2S3, Al2Se3, Al2Te3, Ga2O3, Ga2S3, Ga2Se3, Ga2Te3, In2O3, In2S3, In2Se3, In2Te3, SiO2, GeO2, SnO2, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbO2, PbS, PbSe, PbTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, GaInP2, InN, InP, InAs, InSb, In2S3, In2Se3, TiO2, BP, Si, Ge, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 반도체 결정을 포함하는 단일층 또는 다중층 구조의 입자일 수 있다.
또한, 상기 양자점은 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe과 같은 II-VI족 화합물 반도체 나노결정, GaN, GaP, GaAs, InP, InAs와 같은 III-V족 화합물 반도체 나노결정 또는 이들의 혼합물 등을 들 수 있다. 상기 중심 입자는 코어/쉘 구조를 가질 수 있고, 상기 중심 입자의 코어 및 쉘(Shell) 각각은 상기 예시한 화합물들을 포함할 수 있다. 상기 예시한 화합물들은 각각 단독으로 또는 2 이상이 조합되어 상기 코어나 쉘에 포함될 수 있다. 예를 들어, 상기 중심 입자는 CdSe를 포함하는 코어 및 ZnS를 포함하는 쉘을 갖는 CdSe/ZnS(코어/쉘) 구조를 가질 수 있다.
또한, 양자점의 입자는 코어/쉘 구조 또는 얼로이 구조를 가질 수 있다. 코어/쉘 구조를 갖는 양자점은 씨드의 결정 구조를 성장 시킴에 있어 다른 성분을 넣어 다양한 모습으로 쉘 층을 성장시킬 수 있다. 코어/쉘 구조를 형성시키는 경우 고발광효율, 고발광 선명도 등의 특성을 만족시키면서 열적 안정성 또는 절연성과 같은 다른 특성도 동시에 만족시킬 수 있는 장점이 있다. 이러한 코어/쉘 구조 또는 얼로이 구조를 갖는 양자점 입자는 CdSe/ZnS, CdSe/ZnSe/ZnS, CdSe/CdSx(Zn1-yCdy)S/ZnS, CdSe/CdS/ZnCdS/ZnS, InP/ZnS, InP/Ga/ZnS, InP/ZnSe/ZnS, PbSe/PbS, CdSe/CdS, CdSe/CdS/ZnS, CdTe/CdS, CdTe/ZnS, CuInS2/ZnS, Cu2SnS3/ZnS 일 수 있다.
또한, 양자점은 페로브스카이트 나노결정 입자일 수 있다. 페로브스카이트는 ABX3, A2BX4, ABX4 또는 An-1BnX3n+1(n은 2 내지 6사이의 정수)의 구조를 포함하고, 상기 A는 유기암모늄 또는 알칼리금속 물질이고, 상기 B는 금속 물질이고, 상기 X는 할로겐 원소일 수 있다.
상기 유기암모늄은 아미디늄계 유기이온, (CH3NH3)n, ((CxH2x+1)nNH3)2(CH3NH3)n, (RNH3)2, (CnH2n+1NH3)2, (CF3NH3), (CF3NH3)n, ((CxF2x+1)nNH3)2(CF3NH3)n, ((CxF2x+1)nNH3)2 또는 (CnF2n+1NH3)2)이고(n은 1이상인 정수, x는 1이상인 정수), 상기 알칼리금속 물질은 Na, K, Rb, Cs 또는 Fr일 수 있다. 상기 B는 2가의 전이 금속, 희토류 금속, 알칼리 토류 금속, Pb, Sn, Ge, Ga, In, Al, Sb, Bi, Po, 또는 이들의 조합의 이온이고, 상기 X는 Cl, Br, I 이온 또는 이들의 조합일 수 있다.
또한, 양자점은 도핑된 페로브스카이트 나노결정 입자일 수 있다. 상기 도핑된 페로브스카이트는 ABX3, A2BX4, ABX4 또는 An-1BnX3n+1(n은 2 내지 6사이의 정수)의 구조를 포함하고, 상기 A의 일부가 A'로 치환되거나, 상기 B의 일부가 B'로 치환되거나, 상기 X의 일부가 X'로 치환된 것을 특징으로 하고, 상기 A 및 A'는 유기암모늄이고, 상기 B 및 B'는 금속물질이고, 상기 X 및 X'는 할로겐 원소일 수 있다.
이때, 상기 A 및 A'는 아미디늄계 유기이온, (CH3NH3)n, ((CxH2x+1)nNH3)2(CH3NH3)n, (RNH3)2, (CnH2n+1NH3)2, (CF3NH3), (CF3NH3)n, ((CxF2x+1)nNH3)2(CF3NH3)n, ((CxF2x+1)nNH3)2 또는 (CnF2n+1NH3)2이고 (n은 1이상인 정수, x는 1이상인 정수), 상기 B 및 B'는 2가의 전이 금속, 희토류 금속, 알칼리 토류 금속, Pb, Sn, Ge, Ga, In, Al, Sb, Bi 또는 Po이고, 상기 X 및 X'는 Cl, Br 또는 I일 수 있다.
상기 양자점은 구형, 타원형, 로드형, 와이어, 피라미드, 입방체 또는 다른 기하학적 또는 비기하학적 형상일 수 있다. 통상 구형 또는 타원형의 나노 입자로, 평균 입경이 1 내지 20nm, 바람직하기로 1 내지 10nm를 가지며, 그 크기에 따라 발광 파장이 달라지므로, 적절한 크기의 양자점을 선택하여 원하는 색깔의 광을 얻을 수 있다. 통상 입도가 더 큰 양자점은, 동일한 재료로부터 제조되었지만 입도가 더 작은 양자점과 비교하였을 때, 더 낮은 에너지의 광을 방출한다. 본 발명에서는 상기 양자점으로, 예를 들면, 청색광을 적색광으로 변환시키는 양자점, 청색광을 녹색광으로 변환시키는 양자점 및 녹색광을 적색광으로 변환시키는 양자점으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
특히 양자점은 용매(예, 톨루엔)에 분산된 콜로이드(또는 분산액) 상태로 공급되며 표면 안정화를 위해 리간드가 부착된 형태로 공급된다. 이때 리간드는 소수성의 유기 리간드로서 양자점의 분산성을 높이고 이들끼리 서로 뭉치는 현상을 막아준다. 상기 리간드는 서로 인접한 양자점이 쉽게 서로 응집되어 소광(quenching)되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 리간드는 양자점과 결합하여, 양자점이 소수성을 갖도록 한다. 이에 따라, 양자점 및 상기 리간드를 포함하는 양자점을 수지(resin)에 분산시키는 경우, 리간드가 없는 양자점에 비해 수지에 대한 분산성이 향상될 수 있다.
상기 리간드는 화학식 -(CH2)p-R3 (1≤p≤40, R3=OH, CO2H, NH2, SH, 또는 PO)로 표시될 수 있다. 바람직하기로, 6≤p≤30이고, CH2로 표시되는 알킬기는 선형 또는 분지형일 수 있다.
구체적인 예로, 상기 리간드로는 헥사데실아민(hexadecylamine), 옥타데실아민(octadecyl amine), 옥틸아민(octylamine), 트리옥틸포스핀(trioctylphosphine), 트리페놀포스핀(triphenolphosphine), t-부틸포스핀(t-butylphosphine), 트라이옥틸포스핀 산화물(trioctylphosphine oxide), 피리딘(pyridine) 또는 싸이오펜(thiophene)일 수 있으며, 바람직하기로는 옥타데실아민일 수 있다.
한편, 캡슐화 수지에 의해 캡슐화된 양자점의 제조는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 이 분야에서 공지된 바의 다양한 방법이 사용될 수 있다.
일 구현예에 따르며, 본 발명에 따른 캡슐화된 양자점은 하기 a) 내지 c) 단계를 포함하여, 양자점 1 내지 30 중량%, 캡슐화 수지 50 내지 90 중량%, 경화제 0.5 내지 10 중량%의 함량으로 가교 공정을 통해 제조된다:
a) 극성 용매 및 비극성 용액을 준비하는 단계;
b) 얻어진 용액에 캡슐화 수지용 전구체, 양자점 및 경화제를 첨가하여 조성물을 제조하는 단계; 및
c) 상기 조성물에 광 또는 열을 조사하여 가교를 수행하여 양자점을 캡슐화하는 단계;
단계 a)의 극성 및 비극성 용매를 혼합하게 되면, 서로 섞이지 않는 상태로 존재한다. 이에 단계 b)에서 추가되는 조성의 극성 및 비극성에 따라 이들이 존재하는 영역이 분리된다.
극성 비극성은 상대적인 것으로, 용매의 종류에 따라 상대적으로 극성의 크고 작음이 존재한다. 공지된 바의 극성 용매로는 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 아세톤, 및 디메틸포름아마이드 등이 있고, 비극성 용매로는 헥산, 톨루엔, 벤젠, 옥탄, 클로로포름, 클로로벤젠, 테트라히드로푸란. 펜탄, 헵탄, 데칸, 염화메틸렌, 1,4-디옥산, 디에틸에테르, 사이클로헥산, 다이클로로벤젠, 및 이소보닐아크릴레이트 등이 있다. 이들 중 2종의 용매를 선정할 경우 상대적인 극성의 차이를 통해 극성 및 비극성이 결정된다. 바람직하기로, 단계 a)에서 사용하는 용매는 에탄올/이소보닐아크릴레이트, 톨루엔/이소보닐아크릴레이트 조합이 사용될 수 있다.
극성 용매와 상대적으로 적은 함량의 비극성 용매를 혼합하면, 연속상인 극성 용매 내에 분산상으로 비극성 용매가 존재한다. 이는 에멀젼의 액적 형태와 유사하다. 이에 단계 b)의 캡슐화 수지용 전구체, 양자점 및 경화제를 첨가할 경우 상기 조성은 비극성 용매 측에 존재한다.
이어, 광 또는 열을 조사하게 되면, 액적 내에서 가교화 반응이 일어나 캡슐화된 양자점이 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 캡슐화된 양자점은 크기가 0.1 ㎛ 내지 200 ㎛, 0.5 ㎛ 내지 180 ㎛, 1 ㎛ 내지 150 ㎛, 5 ㎛ 내지 100 ㎛의 범위일 수 있다. 이러한 크기는 양자점, 캡슐화 수지의 함량에 의해 조절이 가능하며, 상기 범위를 가질 경우 양자점의 양자 효율을 비롯한 각종 물성이 우수하다.
캡슐화된 양자점은 red 및 green을 혼합할 수도 있고, 각각 캡슐화할 수 있다.
한편, 필요한 경우, 수지 성형체 내에 광확산제를 더욱 첨가할 수 있다.
광확산제는 유기 또는 무기 확산제를 단독 또는 조합하여 사용될 수 있다. 일례로, 실리카, 탈크, 티타니아, 산화칼슘, 산화아연, 알루미나 등의 무기계 입자가 사용될 수 있고, 폴리(메타)아크릴계, 폴리스티렌계, 실리콘계, 폴리우레탄계, 에폭시계 등의 가교 또는 미가교 유기계 입자가 사용될 수 있다. 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용한다.
이때 광확산제의 입자 크기는 10nm 내지 50㎛인 것을 사용하고, 필요에 따라 서로 다른 입경을 갖도록 2종 이상 혼합하여 사용이 가능하다. 상기 광확산제의 입자 크기가 상기 범위 미만이면 응집이 발생하고 광산란성이 저하되며, 반대로 상기 범위를 초과하면 오히려 휘도가 저하되는 문제가 발생한다.
필요한 경우, 상기 광확산제는 서로 다른 입경을 갖도록 2종 이상을 혼합 사용할 수 있다.
레일리 산란(Rayleigh scattering)과 미 산란(Mie scattering)이 동시에 일어날 수 있도록 한다.
레일리 산란은 산란을 유발하는 입자의 크기가 매우 작아 빛의 파장보다도 작을 때 일어나는 산란을 의미하고, 특히 푸른빛은 긴 파장인 붉은 빛보다 더 효과적으로 산란하고, 전방과 후방 양쪽으로 빛을 산란시킨다.
미 산란은 입자의 크기가 빛의 파장이 비슷할 경우에 일어나며, 빛의 파장보다는 입자의 밀도, 크기, 모양 등에 반응한다. 미 산란은 전방 산란이 현저하고 상대적으로 적게 후방으로 산란한다.
이에 제1광확산제로 460nm 초과, 30㎛ 이하인 것을 사용하여 미 산란을 유도하고, 제2광확산제로 10nm 내지 460nm인 것을 사용하여 레일리 산란을 유도한다. 이와 같이 레일리 산란과 미 산란을 동시에 발생시킬 수 있어, 빛을 최대한 소멸없이 확산시켜 휘도 및 휘도 균일도를 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
광확산제의 함량은 베이스 수지 100 중량부에 대해 최대 20 중량부 이하, 바람직하기로 0.001 내지 20 중량부의 범위로 사용한다. 만약, 광확산제의 함량이 상기 범위를 초과할 경우 수지 성형체의 빛 투과율이 저하될 뿐만 아니라 분산성이 저하되어 휘도를 발휘할 수 없다.
전술한 바의 캡슐화된 양자점은 베이스 수지 내에 균일하게 분산되어, 양자점의 응집이나 양자 효율의 감소 없이 양자점이 갖는 휘도 및 휘도 균일도 향상 및 색재현성 증가 효과를 갖는 수지 성형품의 제작을 가능케 한다.
수지 성형체 제조방법
한편, 본 발명에 따른 수지 성형체는 베이스 수지 및 캡슐화된 양자점을 성형기에 투입한 후 성형 공정을 통해 제조한다.
이러한 성형 공정을 통해 제조된 수지 성형체는 비드, 파우더, 펠렛 및 필라멘트 중에서 선택된 1종일 수 있다.
본 발명의 수지 성형체의 성형 공정은 사출 성형 공정 또는 압출 성형 공정일 수 있다.
사출 성형 공정(injection molding)은 사출 성형기(injection molding machine) 내에 가열 실린더를 통해 용융된 수지를 금형 안으로 주입하여 형상이 만들어지면 금형 안에서 원료를 냉각시켜 성형품을 만드는 가공방법이다. 사출 성형 공정은 성형 사이클이 짧고 능률이 좋아 대량 생산이 용이하며, 정밀도가 높고 복잡한 모양의 제품을 생산할 수 있다.
압출 성형 공정(extrusion molding)은 압출 성형기(extrusion molding machine)를 이용해 압출 다이(dies)로부터 수지를 가열, 연화하여 압출하는 가공방법이다. 압출 성형 공정은 제품의 체적 제한이 없고 복잡한 단면 형상에 대해서도 제한이 없으며 생산 효율도 극대화 할 수 있다.
본 발명의 수지 성형품은 사출 성형기 또는 압출 성형기에 베이스 수지를 투입한 후 상기 베이스 수지의 Tm 이상으로 가열하여 베이스 수지를 용융시킨 후 여기에 캡슐화 수지로 캡슐화된 양자점을 투입한다. 상기 캡슐화된 양자점은 캡슐화 수지의 Tg가 베이스 수지의 Tm 보다 높은 온도를 갖는 수지를 사용함에 따라 사출 또는 압출 성형 시 인가되는 고온에서도 양자점을 보호할 수 있다. 이때 사출 또는 압출 성형은 베이스 수지의 Tm 이상 캡슐화 수지의 Tg 이하에서 수행한다.
이러한 사출 성형 공정 및 압출 성형 공정을 통해 비드, 파우더, 펠렛 및 필라멘트 중에서 선택된 1종과 같은 다양한 형태의 수지 성형체의 제조가 가능하다.
용도
본 발명에 따른 양자점 함유 수지 성형체는 백라이트 유닛의 부품에 적용하여, 양자점 적용에 따른 보다 높은 광 효율을 나타낼 수 있어 색 재현율을 높일 수 있다.
백라이트 유닛은 표시 장치의 패널로 광을 제공하기 위한 것으로, 상기 백라이트 유닛의 광원에서 나온 빛은 도광판 및 확산판을 통과하고 확산 필름을 통과하면서 광휘도는 급격히 떨어진다. 이에 광휘도를 높이고, 광 전달, 광 확산 등을 위해 추가 시트 또는 플레이트를 구비한다.
양자점은 광휘도를 높이고 광 확산을 이루며, 광변환 기능이 가능하여, 백라이트 유닛의 다양한 부품에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 양자점 함유 수지 성형체는 백라이트 유닛의 확산판, 도광판, 확산 시트, 프리즘 시트, 양자점 시트, 광변환 시트 등에 적용되어 상기 양자점의 효과를 더욱 증대시킬 수 있다.
이때 양자점 함유 수지 성형체 자체를 성형을 통해 확산판, 도광판, 광확산 시트, 프리즘 시트, 양자점 시트, 반사 편광 시트, 광변환 시트 등으로 직접 성형하거나, 기존 부품에 부착 또는 압착된 형태의 다층 구조로 적용할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 수지 성형체의 사출 성형을 통해 도광판을 제작할 수 있고, 압출 성형, 일례로 필름 성형을 통해 시트 형태로 제작하여 양자점 시트 또는 광변환 시트로 제작이 가능하다.
이러한 방법은 백라이트 유닛 부품의 제작 공정을 단순화할 수 있을 뿐만 아니라 각 부품에 안정하게 양자점을 적용할 수 있다는 이점이 있다.
[실시예]
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명할 것이다.
제조예 1: 캡슐화된 양자점의 제조 (캡슐화 수지: 아크릴계 수지)
교반 장치가 구비된 반응기에 에탄올 500 ml를 주입하고, 여기에 우레탄 아크릴레이트 올리고머 15g, 광개시제(TPO, 2,4,6-trimethylbenzoyldiphenyl phosphine oxide) 1.5g, 및 이소보닐 아크릴레이트에 분산된 양자점 분산액 6 ml를 투입하였다, 상기 양자점 분산액은 옥타데실아민을 캡핑층으로 구비하는 CdSe계 양자점(상품명: Nanodot-HE, 파인랩사, 한국)을 50mg/ml의 농도로 이소보닐 아크릴레이트에 분산시켜 제조하였다.
얻어진 조성물에 500mJ/cm2의 광량으로 4시간 동안 UV에 노광하여 광경화하여 캡슐화된 양자점(입경: 10㎛)이 분산된 분산액을 얻었다. 상기 분산액을 필터링 후 건조하여 캡슐화된 양자점을 회수하였다.
제조예 2: 캡슐화된 양자점의 제조 (캡슐화 수지: 실리콘계 수지)
교반 장치가 구비된 반응기에 톨루엔 500 ml를 주입하고, 여기에 디메치콘실록산 공중합체(DIMETHYLSILOXANE COPOLYMER, PDV-1625, Gelest 사 제품) 10g 및 이소보닐 아크릴레이트에 분산된 양자점 분산액 7ml를 투입하였다.
얻어진 조성물을 3,500 rpm으로 교반하면서 110℃로 온도를 4시간 동안 인가하여 디메치콘실록산 공중합체를 열경화하여 캡슐화된 양자점(입경: 5㎛)이 분산된 분산액을 얻었다. 상기 분산액을 필터링 후 건조하여 캡슐화된 양자점을 회수하였다.
제조예 3: 캡슐화된 양자점 제조 (캡슐화 수지: PE 미가교)
교반 장치가 구비된 반응기에 톨루엔 용매 500 ml를 주입하고, 여기에 폴리올레핀계 왁스 10g, 및 이소보닐 아크릴레이트에 분산된 양자점 분산액 7.6ml을 혼합한 용액을 투입하였다, 상기 양자점 분산액은 옥타데실아민을 캡핑층으로 구비하는 CdSe계 양자점(상품명: Nanodot-HE, 파인랩사, 한국)을 50mg/ml의 농도로 이소보닐 아크릴레이트에 분산시켜 제조하였다.
반응기의 온도를 약 110℃로 온도를 상승시켜 왁스를 용융시킨 후, 100 rpm으로 교반하면서 상기 반응기의 온도를 다시 상온으로 온도를 낮춰 캡슐화된 양자점(입경: 3 ㎛) 분산액을 얻었다. 상기 분산액을 필터링 후 건조하여 캡슐화된 양자점을 회수하였다.
시험예 1: Tg 측정
상기 제조예 1 내지 3의 캡슐화 수지의 DSC (Differential Scanning Calorimeter)를 이용하여 Tg(유리전이 온도)를 하기 표에 나타내었으며, 광확산판 베이스 수지의 Tm(용융 온도)을 나타내었다.
캡슐화 수지(유리전이 온도 Tg) 베이스 수지(용융 온도 Tm)
제조예 1 제조예 2 제조예 3 PMMA PC
315℃ 280℃ 130℃ 230℃ 250℃
상기 표를 보면, 가교화된 캡슐화 수지인 제조예 1 및 2는 베이스 수지의 Tm 보다 높았으며, 가교화되더라도 제조예 3의 폴리올레핀계 왁스의 경우 베이스 수지의 Tm 보다 낮은 Tg를 가짐을 알 수 있다.
실시예 1: 펠렛 제조
PMMA 펠렛 100 중량부를 사출 성형기에 투입한 후 250℃에서 용융시키고, 여기에 제조예 1에서 제조한 캡슐화된 양자점 5 중량부를 첨가하여 혼합하였다. 이어 금형을 냉각하여 양자점 함유 펠렛을 얻었다.
실시예 2: 펠렛 제조
PMMA 펠렛 100 중량부를 사출 성형기에 투입한 후 250℃에서 용융시키고, 여기에 제조예 2에서 제조한 캡슐화된 양자점 5 중량부를 첨가하여 혼합하였다. 이어 금형을 냉각하여 양자점 함유 펠렛을 얻었다.
실시예 3: 필라멘트 제조
PMMA 펠렛 100 중량부를 압출 성형기에 투입한 후 250℃에서 용융시키고, 여기에 제조예 2에서 제조한 캡슐화된 양자점 5 중량부를 첨가, 혼합하여 양자점 함유 필라멘트를 얻었다.
비교예 1: 펠렛 제조
PMMA 펠렛 100 중량부를 사출 성형기에 투입한 후 250℃에서 용융시키고, 여기에 양자점 5 중량부를 첨가하여 혼합하였다. 이어 금형을 냉각하여 양자점 함유 펠렛을 얻었다.
비교예 2: 펠렛 제조
PMMA 펠렛 100 중량부를 사출 성형기에 투입한 후 250℃에서 용융시키고, 여기에 제조예 3에서 제조한 캡슐화된 양자점 5 중량부를 첨가하여 혼합하였다. 이어 금형을 냉각하여 양자점 함유 펠렛을 얻었다.
시험예 1: 물성 측정
실시예 1~2 및 비교예 1~3의 펠렛을 이용하여 사출 성형을 통해 광확산 시트를 제조한 다음, 하기 물성을 측정하였다.
1. 휘도
제조된 샘플을 60x60mm으로 각각 3개씩 가공하여, 광 방사 휘도계(Spectroradiometer, 상품명: CS-2000, KONICA MINOLTA사, 일본)를 이용하여 휘도를 측정하였다. 이러한 전체적인 측정을 다시 3번 반복하여 측정하였으며 평균값을 취하여 비교하였다.
2. 광투과율(%), 헤이즈(%)
제조된 샘플을 60x60mm으로 각각 3개씩 가공하여, 항온항습(60℃, 90%Rh)에서 24시간 보관한 후, 헤이즈 미터(NDH-2000N, Nippon Denshoku)를 이용하여 측정하였다.
3. 광확산율(%)
제조된 샘플을 60x60mm으로 각각 3개씩 가공하여, 항온항습(60℃, 90%Rh)에서 24시간 보관한 후 변각광도계(GC-5000L, Nippon Denshoku)를 이용하여 측정하였다.
휘도(nit) 광투과율(%) Haze(%) 광확산율(%)
실시예 1 1251.7 68.6 97.8 75.2
실시예 2 1228.1 69.8 96.6 74.8
비교예 1 1150.3 65.7 92.3 72.5
비교예 2 1220.7 66.4 95.4 73.8
시험 결과, 실시예 1 및 2와 같이 캡슐화된 양자점을 사용할 경우, 비교예 1 및 2의 시트 대비 모든 물성에서 우수한 결과를 나타내었다.
시험예 3: 신뢰성 광가속 테스트
상기에서 제작한 광확산 시트의 시편 5개를 취하여 각각 1번부터 5번까지 연속적으로 분광 방사 휘도계(Spectroradiometer, 상품명: CS-2000, KONICA MINOLTA사, 일본)를 이용하여 휘도를 측정하였다. 이러한 전체적인 측정을 다시 3번 반복하여 측정하였으며 평균값을 취하여 비교하였다. 이때 측정된 휘도를 100을 기준으로 하여 시간에 따른 휘도 변화를 측정하였다.
또한 분광 방사 휘도계(Spectroradiometer, 상품명: CS-2000, KONICA MINOLTA사, 일본)를 이용하여 초기 x 및 y를 측정한 후, 24시간 동안 Blue(기존 BLU용 Blue LED의 광세기 10배)를 조사 후 x 및 y를 측정하여 이 변화값으로부터 Δx, Δy를 계산하였다.
휘도(%) 색좌표
초기
(24시간
경과)		 500시간
경과		 초기 500시간 경과
△x △y △x △y
실시예 1 100 98.4 0 0 -0.0003 -0.0031
실시예 2 100 96.1 0 0 -0.0004 -0.0043
비교예 1 100 67.7 0 0 -0.0254 -0.0412
비교예 2 100 81.4 0 0 -0.0080 -0.0147
그 결과, 본 발명에 따른 캡슐화된 양자점을 포함하는 실시예 1 및 2의 광확산 시트의 경우 광손실이 적어 높은 휘도를 장시간 유지할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (13)

  1. 베이스 수지 내 캡슐화 수지로 캡슐화된 양자점이 분산된 수지 성형체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 수지는 아크릴계 수지, 스티렌-아크릴계 공중합 수지, 스티렌계 수지, 스티렌-아크릴로니트릴계 수지, 폴리카보네이트 수지, 사이클릭올레핀계 수지, 및 폴리노르보르넨 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인, 수지 성형체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캡슐화 수지는 베이스 수지의 Tm(용융 온도)대비 높은 Tg(유리전이 온도)를 갖는, 수지 성형체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 캡슐화 수지는 가교화된 아크릴계 수지, 및 가교화된 실리콘계 수지 중에서 선택된 1종 이상인, 수지 성형체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 캡슐화 수지는 광경화형 또는 열경화형 수지인, 수지 성형체.
  6. 제1항에 있어서,
    추가로 광확산제를 더욱 포함하는, 수지 성형체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광확산제는 실리카, 탈크, 티타니아, 산화칼슘, 산화아연, 및 알루미나를 포함하는 무기계 입자; 폴리(메타)아크릴계, 폴리스티렌계, 실리콘계, 폴리우레탄계, 에폭시계 수지가 가교 또는 미가교 유기계 입자; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 수지 성형체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수지 성형체는 비드, 파우더, 펠렛 및 필라멘트 중에서 선택된 1종인, 수지 성형체.
  9. 베이스 수지 및 캡슐화된 양자점을 성형기에 투입한 후 성형 공정을 통해 수지 성형체를 제조하는, 수지 성형체의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 성형 공정은 사출 성형 공정 또는 압출 성형 공정인, 수지 성형체의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 캡슐화된 양자점은
    a) 극성 용매 및 비극성 용액을 준비하는 단계;
    b) 얻어진 용액에 캡슐화 수지용 전구체, 양자점 및 경화제를 첨가하여 조성물을 제조하는 단계; 및
    c) 상기 조성물에 광 또는 열을 조사하여 가교를 수행하여 양자점을 캡슐화하는 단계;를 포함하여 제조하는, 수지 성형체의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 성형기에 광확산제를 더욱 첨가하는, 수지 성형체의 제조방법.
  13. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 수지 성형체로 제조된 백라이트 유닛용 부품.
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