KR940007871B1 - 액티브 매트릭스형 액정 표시장치 - Google Patents

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KR940007871B1 KR1019900013994A KR900013994A KR940007871B1 KR 940007871 B1 KR940007871 B1 KR 940007871B1 KR 1019900013994 A KR1019900013994 A KR 1019900013994A KR 900013994 A KR900013994 A KR 900013994A KR 940007871 B1 KR940007871 B1 KR 940007871B1
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후미아끼 후나다
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후사유끼 다께시다
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샤프 가부시끼가이샤
쓰지 하루오
치소 가부시끼가이샤
노기 사다오
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Abstract

내용 없음.

Description

액티브 매트릭스형 액정 표시장치
제 1 도는 본 발명의 액정 표시장치를 개략적으로 표시한 단면도.
제 2 도는 액정의 전압 보유율을 측정하는 시스템도.
제 3 도는 액정의 전압 보유율을 측정하기 위한 액정 셀을 개략적으로 표시한 단면도.
제 4 도는 스위칭 트랜지스터(switching transistor)에 부착된 액정 표시장치의 구조.
제 5 도는 1화소의 이상(ideal) 등가 회로.
제 6 도는 제 5 도 회로의 구동 전압 파형.
제 7 도는 1화소의 실제(actual) 등가 회로.
제 8 도는 제 7 도 회로의 구동 전압 파형.
제 9 도는 본 발명의 액정층에 인가된 전압 파형.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
5 : 표시 전극 기판 6 : 계수 전극 기판
12 : 컬러 필터 13 : 계수 전극
7, 23 : 트위스티드 네마틱 액정층 16, 17 : 전극 기판
18, 19 : 투명 절연 기판 20, 21 : 전극
10a, 10b, 22a, 22b : 배향막 a : 신호 전극
b : 주사 전극 c : 화소 전극
g : 액정층 q : 스위칭 트랜지스터
본 발명은 액티브 매트릭스(active matrix)형 액정 표시장치에 관한 것이다.
‥‥화소에 부착된 비선형 활성 소자(non-linear active element)(예를 들면 스위칭 트랜지스터) 내의 액티브 매트릭스형 액정장치는 고 콘트래스트(contrast)의 화면을 제공하고 비선형 활성 소자의 스위칭 기능에 의하여 혼선 현상을 제공하지 않으므로 휴대용 컬러 텔리비젼 및 컴퓨터 단말기용으로 중요하고 유용해져 왔다. 그러한 장치들을 컬러화하기 위하여, 4가지 공정이 제안되어 왔다. 즉
(1) 염료가 액정 중에 혼합되는 게스트(guest) 및 호스트(host)효과 공정,
(2)착색 분극 패널(colored polarizing panel)을 사용한 트위스티드 네마틱(twisted nematic : TN) 공정,
(3) 전장에 의한 액정의 복굴절 현상을 이용한 ECB(electrically controlled birefringence : 전기적으로 조절되는 복굴절) 공정,
(4) 적색, 녹색, 청색으로 착색된 컬러 액정층이 액정 셀내에 형성되고 그 액정층이 광 셔터(light shutter)로서 사용되는 컬러 필터(color filter)공정,
네가지 공정 중에서, 컬러 필터 공정(4)은 보다 대조가 심한 완전 컬러 화면을 제공하기 때문에 가장 유용하고 중요한 공정이다. 이 컬러 필터 공정에 트위시티드 네마틱 액정이 도입된다. 그 공정(4)은 두 개의 분극 패널을 배치하는 방법에 의하여 두 그룹으로 분류한다. 하나는 통상적으로 그 장치가 인가 전압이 없을 때(OFF 위치)에 흑색을 표시하므로 분극 패널이 상호 평행으로 있는 블랙(black) 공정.
다른 하나는 통상적으로 그 장치가 인가 전압이 없을 때(OFF 위치)에 백색을 표시하므로 분극 패널이 상호 직교하고 있는 화이트(white) 공정.
충분히 큰 인가 전압이 보장된다면, 표시되는 화면 콘트래스트와 컬러 재생과 표시된 화면의 시각 의존도와 같은 표시특성에 의하여 통상적으로 화이트 공정이 바람직하다. 제 4 도 a 및 b는 스위칭 트랜지스터(q)에 부착되어 있는 액정 표시 장치를 개략적으로 표시한다.
스위칭 트랜지스터(q) 및 화소 전극(c)은 신호 전극(a)과 주사전극(b)의 교차부분에 형성되어 있고, 소자(a,b,c 및 q)는 모두 제 1 기판(d) 상에 형성되어 있다. 계수 전극(e)는 제 2 기판 상에 형성되어 있고, 액정층(g)은 제 1 기판(d)과 제 2 기판(f) 사이에 고정되어 있다.
1화소는 제 5 도 및 제6a~c도에 각각 표시한 바와 같은 구동회로 및 구동 전압파형과 등가이다.
제 5 도 및 제 6 도에서, 주사 전극(b)에 인가되어 있는 주사신호(VG)가 트랜지스터(q)를 턴 온(turn on)시키면, 액정층(g)이 콘덴서(CLC)로서 작용하기 때문에 신호 전극(a)에 인가되어 있는 신호 전압(VS)은 제 1 기판(d)과 제 2 기판(f) 사이에서 충전된다. 충전된 전압은 트랜지스터(q)가 턴 온될 때까지 그들 기판 사이에 유지된다. 따라서, 전압(VD)은 동시에 표시 화면에 정전 구동으로서 액정층(g)상에 인가된다.
상기 제 5 도는 이상(ideal) 화소를 표시하지만, 제 7 도에 표시한 바와 같이 실제로 액정층은 전기적 저항(RLC)과 등가인 저항 성분(r)을 갖고 있다.
그 저항은 액정에 도입된 외부의 오염물질이나 액정의 분해 물질과 같은 전기 전도성 물질에 의해 야기된다는 것은 믿을 만하다.
따라서, 제 8 도에 표시한 바와 같은 충전된 전압(VD)은 액정층을 통과하면서 방전되어 시간이 흐름에 따라 전압이 감소되는 결과를 가져온다. 비저항이 작아질수록 전압의 감소는 점점 커진다.
제 9 도에 양(+) 유전 비등방성(positive dlelectric anisotropy)을 갖는 PCH형 액정 (
Figure kpo00001
식중 R은 알킬기를 나타냄)이 도입된 경우의 액정층에 인가된 전압파형을 표시한다. 제9c도는 25℃에서 VD전압파형을 표시하고 제9d도는 80℃에서의 VD존압파형을 표시한다. 이는 액정의 비저항이 작을 수록 액정층에 인가되는 실효 전압이 점점 작아지는 것을 보여준다.
실효 전압의 감소량을 계산하기 위하여 전압 보유율(%)이 파라미터(parameter)로서 도입된다. 전압 보유율은 액정의 저항 성분이 무한정으로 클 때, VD전압의 실효치를 실제 VD전압의 실효치로 나눈 값으로 정의된다.
제9c 및 d도에서의 전압 보유율은 각각 97%와 92%이다. 선행 기술에서 알려진 바와 같이, 액정은 전압에 대해 누적 반응 실효치를 나타내므로 액정의 표시 특성은 액정에 인가된 실효 전압 및 표시되는 화면 콘트래스트를 감소시키는 실효 전압의 감소에 의존한다. 실제 사용하면, 전압 보유율이 최대 구동 온도에서 98% 이상인 것이 바람직하다.
상기로부터 명백히 알 수 있듯이, 전압 보유율은 액정의 용량(LLC)과 저항(RLC)(시간 상수)과의 곱 즉, 비 유전 상수(Δε)와 비 저항과의 곱에 의존한다.
전압 보유율을 강화하기 위해서는 액정의 시정수를 증가시켜야 할 필요가 있지만 B. 리이거 등은 비 유전 상수가 증가함에 따라 시정수는 감소하려는 경향이 있는 것을 알아냈다(B. 리이거 등, 18th, Int. Symp. on Liq. Crystal. Freiburg(1989)).
따라서, 전압 보유율을 증가시키기 위해서는 액정의 비 유전 상수를 낮추어야만 한다. 그러나 이는 액정의 구동 전압이 하기 관계 ;
Figure kpo00002
(식중, Vth: 액정의 드레시홀드 전압, k : 액정의 탄성 계수)
에 의하여 점점 높아진다는 것을 의미한다. 이는 회로의 수요 전압의 증가 및 고 전압의 저항인 회로 소자를 사용하는 것 등과 같은 많은 문제점들을 야기한다. 이는 우수한 고 용량의 컴퓨터 표시 장치뿐만 아니라 높은 주위 온도에서 사용되는 자동차용 액정 표시장치 및 프로젝션(projection)형 액정 표시장치의 경우에 보다 심각한 문제점을 야기한다.
본 발명은 상술한 문제점들을 갖고 있지 않은 액티브 매트릭스형 액정 표시장치를 제공하는데 있다.
신호전극과 주사전극의 교차부분에 스위치 트랜지스터와 화소 전극을 구비한 제 1 기판과, 상기 화소 전극에 대향하는 부분 상에 적어도 계수 전극을 구비한 제 2 기판과, 상호 대향하는 제 1 기판과 제 2 기판 상에 형성된 배향막들과, 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 일정한 두께로 고정된 혼합 액정층으로 구성된 장치에 있어서, 상기 혼합 액정은 양(+) 유전 비등방성을 갖는 액정 화합물로서,
Figure kpo00003
(식중 n은 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물과,
Figure kpo00004
(식중 m은 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물과,
Figure kpo00005
(식중 p은 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물과,
Figure kpo00006
(식중 X는 0이나 CH2또는 C(CH3)2)로 나타내는 주 사슬을 갖는 폴리이미드로부터 형성된 상기 배향막으로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 혼합 액정은
Figure kpo00007
(식중 n은 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물과,
Figure kpo00008
(식중 m은 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물과,
Figure kpo00009
(식중 p는 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물과,
Figure kpo00010
(식중 q는 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물로 구성된 혼합물로 교체될 수 있다.
상기 혼합 액정은
Figure kpo00011
(식중 n은 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물과,
Figure kpo00012
(식중 p는 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물과,
Figure kpo00013
(식중 r은 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물과,
Figure kpo00014
(식중 s 및 s'는 각각 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물과,
Figure kpo00015
(식중 t 및 t'는 각각 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물로 구성된 혼합물로 교체될 수 있다.
상기 장치는 액정의 비 유전 상수(Δε)가 높더라도 높은 전압 보유율을 갖는다. 따라서, 방전 전압이 매우 작을 수도 있고, 그 장치는 매우 우수한 표시 특성을 갖는다.
[실시예]
높은 전압 보유율을 갖고 낮은 구동 전압으로 구동될 수 있는 액정 장치를 인식하기 위해서는, 양성(+) 비 유전 일정 비등방성(NP 화합물)을 갖는 액정이 선택되어야만 한다. 각 NP 화합물은 제 2 도에 표시한 보유 측정 계를 사용하여 결정되는 전압 보유율(%)을 결정하는 액정내에 주입된다.
전압 보유율을 결정하는 액정의 구조는 제 3 도에 표시되어 있다.
투명 절연 기판(18)은 유리, 석연 등으로부터 형성된다. 기판(18) 상에 형성된 전극(20)과 그 위에 형성된 배향막(22a)이 전극 기판(16)을 형성한다. 형성된 배향막(22b) 상에 유리, 석영류로부터 형성된 투명 절연 기판(19) 상에 전극(21)이 형성되므로서 계수 전극 기판(17)이 얻어진다. 배향막(22a, 22b)은 액정 분자를 일정한 방향으로 배향시키는데 제공되어 트위스티드 네마틱 액정층(23)이 형성된다.
상기 배향막(22a, 22b)는
Figure kpo00016
로 나타낸 주 사슬을 갖는 폴리이미드 막이다. 그들은 기판 상의
Figure kpo00017
-부틸 락톤 내 상기 식(II)의 주 사슬을 갖는 지방족 테트라카르복실산 무수물 및 그 유도체의 용액을 스피너 코우트(spinner coat), 롤 코우트(roll coat), 프린팅(printing) 방법을 사용하여 코팅하고, 이어 180℃에서 한시간 동안 숙성시키고 그의 표면을 마찰시키므로써 제조된다.
배향막(22a, 22b)은 전극 기판(16, 17) 사이의 액정분자의 세로 축을 90°회전시킨다.
In2O3로부터 제조된 투명 전극인 전극(20, 21)을 통하여 트위스티드 네마틱 액정층(23)에 전압이 교차 인가된다. 제 2 도에 표시한 바와 같이, 스위칭 트랜지스터(FET) 및 구동 회로(24)가 표시장치에 접속되어 전극 기판(16, 17) 사이에 전압을 인가한다.
액정층(23) 내에 보존되어 있는 전하의 방전량을 측정하는 회로(25) 또한 전극 기판(16, 17)으로 접속되어 있다. 약간의 액정은 제 1 도에 표시한 바의 조성물로 부터 명확히 설명되며 그들의 전압 보유율은 상술한 회로를 사용하여 측정된다.
그 결과는 표 1로 표시하였다.
[표 1a]
Figure kpo00018
[표 1b]
Figure kpo00019
[표 1c]
Figure kpo00020
표 1로부터 명백히 알 수 있듯이, 혼합 액성 번호 1~3, 8 및 9는 전압 보유율에 의하여 보다 바람직하나 다른 것들은 낮은 전압 보유율을 갖는다.
상기 표 1에서, 혼합 액정 번호 1의 성분 화합물은 일본국 특개소 57-154135에 개시되어 있고, 혼합 액정 번호 2의 첫번째 3개의 성분화합물은 일본국특개소 61-207347에 개시되어 있으며, 혼합 액정 번호 3의 첫번째 성분화합물은 일본국 특개소 61-282328에 그리고 두번째~네번째의 성분 화합물은 일본국 특개소 64-36에 개시되어 있고, 혼합 액정 번호 8의 다섯번째~일곱번째의 성분화합물은 특개소 57-185230에 개시되어 있으며, 혼합 액정 번호 9의 네번째 성분화합물은 특개소 57-165328에, 다섯번째 성분화합물은 특개소 53-23957에 또한 여섯번째~일곱번째의 성분화합물은 특개소 56-169633에 개시되어 있다.
제 1 도는 본 발명의 액티브 매트릭스형 액정 표시 장치의 구조를 보여준다. 제 1 도에서, 트위스티드 네마틱 액정층(7)이 표시전극기판(5)과 계수 전극 기판(6) 사이에 고정되어 있다. 표시 전극 기판(5)은 유리, 석영 등으로부터 제조된 투명 절연막, 상기 기판(8) 상에 형성된 화소 전극(9)을 포함한 화소계 및 그 위에 형성된 배향막(10a)으로 구성되어 있다.
스위칭 트랜지스터는 a-Si, P-Si 박막 트랜지스터(TET) 등을 포함한다. 계수전극(6)은 유리, 석영 등으로부터 제조된 투명 절연막과 그 위에 형성된 컬러 필터(12)와 상기 컬러 필터(12) 상에 형성된 계수 전극(13)과 상기 전극(13) 상에 형성된 배향막(10b)로 구성되어 있다.
컬러 필터(12)는 세가지 색, 예를 들면, 적색, 녹색 청색으로 착색되어 각 화소에 대향한다.
화소 전극(9) 및 계수 전극(13)은 투명하고 In2O3로 부터 제조되며 구동 회로(14)에 접속되어 있다. 배향막(10a, 10b)은 트위스티드 네마틱 액정층(7)의 액정 분자들을 꼬는데 제공되며 식(II)에 표시한 바와 같이 마찰된 폴리이미드 막으로 구성되어 있다.
식(II)은 식(I)중의 X가 CH2이고, 다른 것들 즉, O, C(CH3)2은 같은 결과를 표시한다는 것을 보여준다. 배향막(10a, 10b)은 표시 전극 기판(5)과 계수 전극 기판(6) 사이에 액정 분자의 세로축을 60°~270°범위 내에서 꼴 수 있지만, 대조가 심한 화면을 얻는데 90˚가 바람직하다.
액정층의 두께는 응답 성질과 시각 성질과 컬러 특성에 의하여 0.5㎛로 설정되어 있다. 컬러 필터(12)는 전기 코팅, 컬러 잉크 프린팅 등에 의하여 염색될 수 있다.
본 발명에서, 1㎛ 두께의 젤라틴 막이 포토리터그래피에 의하여 만들어진 후 삼원색(적색, 녹색, 청색)으로 염색된다.
트위스티드 네마틱 액정층(7)은 에폭시 수지 실(seal)(15)로 봉인되어 바람직한 두께로 유지된다. 액정 표시의 Δnㆍd값(Δn은 액정의 복굴절성을 표시하고 d는 액정층의 두께를 표시)은 바람직하게도 0.3~0.6㎛의 범위 내에 설정되어 일반적으로 화이트 공정의 경우에 넓은 시각의 대조가 심한 화면을 얻는다.
상술한 바의 전압 보유율 테스트 결과, 혼합 액정 번호 3. 8, 9가 선택되었다. 번호 3과 8의 액정은 0.08의 Δn 값을 나타내므로 Δnㆍd는 0.4㎛가 된다. 번호 9의 액정은 0.09의 Δn 값을 나타내므로 Δnㆍd은 0.45㎛이 된다.
제 1 도에서, 3 및 4는 액정 소자의 외부 표면 상에 존재하는 분극판을 지시한다. 분극판의 분극축은 상기 분극판에 인접하는 액정 분자들의 세로 축과 직교한다. 따라서, 분극판들(3, 4)의 축은 상호 직교한다. 얻어진 본 발명의 액정 표시장치는 80℃의 주변 온도에서 전류를 통과시켜 전기-광학성 및 에이징 테스트(aging test)로 평가된다.
그 결과를 표 2에 표시한다.
[표 2]
Figure kpo00021
상기 결과로부터 명백히 알 수 있듯이, 본 발명의 상기 장치는 전류를 통과시켜 에이징 테스트 후 매우 우수한 표시 특성을 갖는다. 비교하자면, 종래의 혼합 액정(시아노-페닐 시클로헥산)이 도입되어 동일한 평가치가 얻어진다. 그 결과가 표 2에 표시되어 있다.
[비교예]
액정 장치는 폴리이미드 배향막들이 표 3에 표시한 바와 같은 것들로 교체될 수 있다는 것을 제외하고는 일반적으로 상술한 바람직한 실시예에서 기술한 바로 생산된다. 전압 보유율이 상기와 같이 평가되며 그 결과가 표 3에 표시되어 있다. 전압 보유율은 본 발명의 장치와 비교하여 볼 때 적다.
[표 3]
Figure kpo00022

Claims (6)

  1. 신호전극과 주사전극의 교차부분에 스위치 트랜지스터와 화소 전극을 위에 구비한 제 1 기판과, 상기 화소 전극에 대향하는 부분 상에 적어도 계수 전극을 구비한 제 2 기판과, 상호 대향하는 제 1 기판과 제 2 기판 상에 형성된 배향막들과, 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 일정한 두께로 고정된 혼합 액정층으로 구성된 액티브 매트릭스형 액정표시장치에 있어서, 상기 혼합 액정은 양(+) 유전 비등방성을 갖는 액정 화합물로서,
    Figure kpo00023
    (식중 n은 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물과,
    Figure kpo00024
    (식중 m은 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물과,
    Figure kpo00025
    (식중 p은 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물을 포함하고, 상기 배향막들은,
    Figure kpo00026
    (식중 X는 O, CH2또는 C(CH3)2)로 나타내는 주 사슬을 갖는 폴리이미드로 부터 형성된 것을 특징으로하는 액티프 매트릭스형 액정표시장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합 액정은 양(+) 유전 비등방성을 갖는 액정 화합물로서,
    Figure kpo00027
    Figure kpo00028
    으로 구성된 액티브 매트릭스형 액정표시장치.
  3. 신호전극과 주사전극의 교차부분에 스위칭 트랜지스터 화소 전극을 위에 구비한 제 1 기판과, 적어도 상기 화소전극에 대향하는 부분 상에 계수 전극을 구비한 제 2 기판과, 상호 대향하는 제 1 기판과 제 2 기판상에 형성된 배향막들과, 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 일정한 두께로 고정된 혼합 액정층으로 구성된 애티브 매트릭스형 액정표시장치에 있어서, 상기 혼합 액정은 양(+) 유전 비등방성을 갖는 액정 화합물로서,
    Figure kpo00029
    (식중 n은 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물과,
    Figure kpo00030
    (식중 m은 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물과,
    Figure kpo00031
    (식중 p는 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물과,
    Figure kpo00032
    (식중 q는 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물을 포함하고, 상기 배향막들은,
    Figure kpo00033
    (식중 X는 O, CH2또는 C(CH3)2)로 나타내는 주 사슬을 갖는 폴리이미드로 부터 형성된 것을 특징으로하는 액티브 매트릭스형 액정표시장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 혼합 액정은 양(+) 유전 비등방성을 갖는 액정 화합물
    Figure kpo00034
    Figure kpo00035
    로서 구성된 액티브 매트릭스형 액정표시장치.
  5. 신호전극과 주사전극의 교차부분에 스위칭 트랜지스터와 화소 전극을 위에 구비한 제 1 기판과, 적어도 상기 화소 전극에 대향하는 부분 상에 계수 전극을 구비한 제 2 기판과, 상호 대향하는 제 1 기판과 제 2 기판상에 형성된 배향막들과, 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 일정한 두께로 고정된 혼합 액정층으로 구성된 액티브 매트릭스형 액정표시장치에 있어서, 상기 혼합 액정은 양(+) 유전 비등방성을 갖는 액정 화합물로서,
    Figure kpo00036
    (식중 n은 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물과,
    Figure kpo00037
    (식중 p은 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물과,
    Figure kpo00038
    (식중 r는 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물과,
    Figure kpo00039
    (식중 s 및 s'는 각각 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물과,
    Figure kpo00040
    (식중 t 및 t'는 각각 1~10의 정수)로 나타내는 적어도 하나의 액정 화합물을 포함하고, 상기 배향막들은,
    Figure kpo00041
    (식중 X는 0이나 O, CH2또는 C(CH3)2)로 나타내는 주 사슬을 갖는 폴리이미드로 부터 형성된 상기 배향막으로 구성된 것을 특징으로 하는 액티브 매트릭스형 액정표시장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 혼합 액정은 양(+) 유전 비등방성을 갖는 액정 화합물
    Figure kpo00042
    Figure kpo00043
    로서 구성된 액티브 매트릭스형 액정표시장치.
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