BRPI0711151A2 - método de dispersão de luz e espalhamento preferencial de certos comprimentos de onda de luz para diodos emissores de luz e bulbos construìdos nos mesmos - Google Patents

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Abstract

MéTODO DE DISPERSAO DE LUZ E ESPALHAMENTO PREFERENCIAL DE CERTOS COMPRIMENTOS DE ONDA DE LUZ PARA DIODOS EMISSORES DE LUZ E BULBOS CONSTRUIDOS DOS MESMOS Um método para espalhamento preferencial de certos comprimentos de onda de luz ou dispersão de luz em um LED ou um bulbo de LED. O método inclui a emissão de luz a partir de pelo menos uma matriz de LED, e o espalhamento da luz a partir de pelo menos uma matriz de LED pela dispersão de uma pluralidade de partículas tendo um tamanho de uma fração de pelo menos um comprimento de onda dominante da luz a partir de pelo menos uma matriz de LED no invólucro externo de LED ou em um bulbo de LED ou em pelo menos um invólucro de um bulbo de LED. Alternativamente, o método inclui a emissão de luz a partir de pelo menos uma matriz de LED, e a dispersão da luz a partir de pelo menos uma matriz de LED pela distribuição de uma pluralidade de partículas tendo um tamanho de uma a poucas vezes maior do que um comprimento de onda dominante da luz do LED em um invólucro externo, ou um corpo do bulbo de LED.

Description

MÉTODO DE DISPERSÃO DE LUZ E ESPALHAMENTO PREFERENCIAL DECERTOS COMPRIMENTOS DE ONDA DE LUZ PARA DIODOS EMISSORES DE
LUZ E BULBOS CONSTRUÍDOS DOS MESMOSREFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDO RELACIONADO
Este pedido reivindica prioridade para o Pedido dePatente Provisória U.S. N0 60/797.118, depositado em 2 demaio de 2006, o qual é incorporado aqui como referência emsua totalidade.
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção se refere a diodos emissores deluz (LEDs) e à substituição de bulbos usados parailuminação por bulbos de LED. Mais particularmente, ela serefere ao espalhamento preferencial de certos comprimentosde onda de luz e à dispersão da luz gerada pelos LEDs, demodo a se permitir que os LEDs combinem mais proximamentecom a cor de bulbos incandescentes, ou ao espalhamentopreferencial de certos comprimentos de onda de luz e ãdispersão da luz dos LEDs usados nos bulbos de substituiçãopara combinação com a cor de luz e o padrão espacial da luzdo bulbo sendo substituído.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
Um LED consiste em uma junção de semicondutor, a qualemite luz devido a uma corrente fluindo através da junção.À primeira vista, pareceria que os LEDs devem ser capazesde criarem uma substituição excelente para o bulboincandescente de filamento de tungstênio tradicional. A umapotência igual, eles proporcionam bem mais saída de luz doque o fazem os bulbos incandescentes, ou, o que é a mesmacoisa, eles usam muito menos potência para uma luz igual; esua vida operacional é ordens de magnitude maior,especificamente, de 10 a 100 mil horas versus de 1 a 2 milhoras.
Contudo, os LEDs e bulbos construídos a partir delessofrem de problemas com a cor. Os LEDs "brancos", os quaistipicamente são usados em bulbos, hoje em dia são feitos apartir de um de dois processos. Em um processo mais comum,um LED emissor de azul é coberto com uma tampa plástica, aqual, juntamente com outras propriedades óticas possíveis,é revestida com uma substância fosforescente que absorveluz azul e reemite a luz em outros comprimentos de onda. Umgrande esforço de pesquisa da parte dos fabricantes de LEDé o projeto de melhores substâncias fosforescentes, já queas substâncias fosforescentes presentemente conhecidasproporcionam uma apresentação de cor bastante ruim.
Adicionalmente, estas substâncias fosforescentes serãosaturadas se utilizadas excessivamente com muita luz,deixando passar azul e dando característica da cor azul deLEDs brancos excessivamente utilizados.
Um problema adicional com o processo de substânciafosforescente é que a eficiência de quantum de absorção ereemissão é menor do que a unidade, de modo que parte dasaída de luz do LED é perdida como calor, reduzindo-se aeficácia luminosa do LED, e aumentando seus problemas dedissipação térmica.
O outro processo para a feitura de um LED "branco"hoje em dia é o uso de três (ou mais) LEDs, tipicamentevermelho, azul e verde (RGB), os quais são colocados em umaproximidade grande o suficiente de cada outro para seaproximarem de uma fonte única de qualquer cor desejada. Oproblema com este processo é que as cores diferentes deLEDs envelhecem em tempos diferentes, de modo que a correal produzida varia com a idade. Um método adicional parase obter um "LED branco" é usar uma cobertura coloridasobre um LED colorido de azul ou de outra cor, tal comoaquilo feito pela JKL Lamps™. Contudo, isto envolve umaperda significativa de luz.
Os bulbos de LED têm os mesmos problemas que os LEDsque eles usam, e ainda sofrem de problemas com o fato de osLEDs serem fontes pontuais. As tentativas de se fazer umajuste de cor pelo bulbo resultam em perda de intensidadede luz adicional.
Mais ainda, um bulbo deve ter sua salda de luz difusa,de modo que tenha uma luz saindo aproximadamente de formauniforme sobre sua superfície, como o faz um bulboincandescente, até algum nível de aproximação. No passado,os LEDs tinham difusores adicionados a seus invólucros oucorpos, para expansão da luz do LED. Um outro método foitornar rugosa a superfície do acondicionamento de LED.
Nenhum destes métodos efetua uma distribuição de luzuniforme a partir de um bulbo de LED, e pode diminuir aeficiência luminosa. Os métodos de realização de umauniformidade angular aproximada também envolvem processosparcialmente absorvedores, desse modo diminuindo a eficácialuminosa. Adicionalmente, os sistemas de RGB (vermelho,verde, azul) podem ter problemas na mistura de sua luz emconjunto adequadamente em todos os ângulos.
Esta invenção tem o objetivo de desenvolver um meiopara a criação de luz a partir de LEDs e bulbos de LED quesejam mais próximos da cor incandescente do que estápresentemente disponível, com pouca ou nenhuma perda deintensidade de luz.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
Em uma modalidade da presente invenção, pelo menos uminvólucro que normalmente é usado para se manter umasubstância fosforescente que converte a luz azul de umamatriz de LED em uma luz "branca" contém partículas de umtamanho de uma fração do comprimento de onda dominante daluz de LED, cujas partículas espalham por Rayleigh a luz,causando um espalhamento preferencial do vermelho. Em umaoutra modalidade da presente invenção, pelo menos uminvólucro tem a substância fosforescente e os espalhadoresde Rayleigh.
Um outro objetivo desta invenção é desenvolver um meiopara a criação de luz a partir de bulbos de LED que sejammais próximos de uma cor incandescente do que estádisponível usando-se os métodos presentemente disponíveis,com pouca ou nenhuma perda de intensidade de luz. Em umamodalidade da presente invenção, o bulbo contém partículasde um tamanho de uma fração do comprimento de ondadominante da luz de LED, cujas partículas espalham porRayleigh a luz, causando um espalhamento preferencial dovermelho. Em uma outra modalidade da presente invenção,pelo menos um invólucro tem a substância fosforescente e osespalhadores de Rayleigh.
Ainda um outro objetivo desta invenção é odesenvolvimento de um meio para a dispersão de luz de formaaproximadamente uniforme sobre a superfície de um bulbo deLED, com pouca ou nenhuma perda de intensidade de luz. Emuma modalidade da presente invenção, o bulbo contémpartículas com um tamanho de uma a poucas vezes maior doque o comprimento de onda dominante da luz de LED, oucomprimentos de onda de múltiplos LEDs em um sistema demistura de cor, cujas partículas espalham por Mie a luz,causando uma dispersão da luz de forma aproximadamenteuniforme sobre a superfície do bulbo. Em uma outramodalidade da presente invenção, pelo menos um invólucro dobulbo tem os espalhadores de Mie.
De acordo com uma outra modalidade, o métodocompreende a emissão de luz a partir de pelo menos um LED;e a dispersão da luz a partir de pelo menos um LED peladistribuição de uma pluralidade de partículas tendo umtamanho de uma a poucas vezes maior do que o comprimento deonda dominante da luz de pelo menos um LED ou comprimentosde onda de múltiplos LEDs em um sistema de mistura de corem pelo menos um invólucro do bulbo de LED.
De acordo com uma modalidade adicional, um método paraa criação de luz em um bulbo de LED que é mais próximo dacor incandescente do que está disponível usando-se osmétodos presentemente disponíveis, o método compreende: aemissão de luz a partir de pelo menos um LED; e oespalhamento preferencial da luz vermelha a partir de pelomenos um LED pela dispersão de uma pluralidade departículas tendo um tamanho de uma fração de um comprimentode onda dominante da luz a partir de pelo menos um LED oucomprimentos de onda de múltiplos LEDs em um sistema demistura de cor em pelo menos um invólucro do bulbo de LED.
De acordo com uma outra modalidade, um método paradispersão de luz em um bulbo de LED, o método compreende: aemissão de luz a partir de pelo menos um LED; e oespalhamento da luz a partir de pelo menos um LED peladistribuição de uma pluralidade de partículas tendo umtamanho de uma a poucas vezes maior do que um comprimentode onda dominante da luz a partir de pelo menos um LED oucomprimentos de onda de múltiplos LEDs em um sistema demistura de cor em pelo menos um invólucro do bulbo de LED.
De acordo com uma modalidade adicional, um método parao espalhamento preferencial de luz em um bulbo de LED, ométodo compreende a emissão de luz a partir de pelo menosum LED; e o espalhamento da luz a partir de pelo menos umLED pela distribuição de uma pluralidade de partículastendo um tamanho de uma a poucas vezes maior do que umcomprimento de onda dominante da luz a partir de pelo menosum LED ou comprimentos de onda de múltiplos LEDs em umsistema de mistura de cor em pelo menos um invólucro dobulbo de LED.
De acordo com uma outra modalidade, um LED compreendeuma matriz de LED; um invólucro encapsulando ouencapsulando parcialmente a matriz e tendo uma pluralidadede partículas dispersas ali, e onde a pluralidade departículas é de um tamanho tal que disperse e/oupreferencialmente espalhe o comprimento de onda da luzemitida a partir do LED.
De acordo com um aspecto adicional, um bulbo de LEDcompreende um bulbo que tem pelo menos um invólucro que temuma pluralidade de partículas dispersas ali ou no bulbo;pelo menos um LED dentro de ou oticamente acoplado aoreferido bulbo; e onde a referida pluralidade de partículasé de um tamanho tal que disperse e/ou preferencialmenteespalhe o comprimento de onda da luz emitida a partir doLED.BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
Os desenhos associados são incluídos para a provisãode um entendimento adicional da invenção, e sãoincorporados em e constituem uma parte deste relatóriodescritivo. Os desenhos ilustram modalidades da invenção e,em conjunto com a descrição, servem para explicação dosprincípios da invenção. Nos desenhos:
A FIG. 1 é uma vista em seção transversal de luzemitida a partir de um LED que tem um espalhamento deRayleigh de partículas de subcomprimento de onda.
A FIG. 2 é uma vista em seção transversal de uma luzemitida a partir de um LED que tem um espalhamento de Mie apartir de partículas de supracomprimento de onda.
A FIG. 3 é uma vista em seção transversal de um bulbode LED que mostra um LED embutido em um bulbo, e o bulbo eseu invólucro contendo ambos os espalhadores de Rayleigh ede Mie.
A FIG. 4 é uma vista em seção transversal de um LEDque mostra uma matriz de LED embutida em plástico, e oplástico e seu invólucro contendo ambos os espalhadores deRayleigh e de Mie.
DESCRIÇÃO DETALHADA
Uma referência será feita, agora, em detalhes, àspresentes modalidades preferidas da invenção, cujosexemplos são ilustrados nos desenhos associados. Sempre quepossível, os mesmos números de referência serão usados nosdesenhos e na descrição para uma referência às mesmaspartes ou similares. De acordo com as características deprojeto, uma descrição detalhada de cada modalidadepreferida é dada abaixo.A FIG. 1 mostra uma vista em seção transversal de luzemitida a partir de um LED que é espalhado por Rayleigh apartir de partículas de subcomprimento de onda 20, deacordo com uma primeira modalidade. Conforme mostrado naFIG. 1, tipicamente a luz entrando 10 incluirá umapluralidade de componentes de comprimento de onda,incluindo um comprimento de onda 50 com base no material deemissão de luz usado dentro do LED (não mostrado). Porexemplo, em um espectro de emissão de LED típico, ocomprimento de onda 50 emitido a partir do LEDcorrespondente à cor azul será de aproximadamente 43 0 nm.Conforme mostrado na FIG. 1, a luz entrando 10 impingesobre um conjunto disperso ou uma pluralidade de partículas20 com um diâmetro efetivo 60. O diâmetro efetivo 60preferencialmente é uma fração do comprimento de ondadominante 50, o que cria a condição para um espalhamento deRayleigh da luz entrando 10. Por exemplo, o conjuntodisperso de partículas 20 pode ser de partículas de aluminade 80 nm. Pode ser apreciado que outras partículasadequadas tendo um diâmetro efetivo 60, o qual é uma fraçãodo comprimento de onda 50 da fonte de luz emitindo ou LED ecria um espalhamento de Rayleigh, podem ser usadas. Podeser apreciado que as partículas não precisam ser esféricas,ou mesmo aproximadamente esféricas, e que outros formatospodem ser usados, tais como partículas em formato de discoou de haste. Conforme mostrado na FIG. 1, as componentes decomprimento de onda curto 30 são espalhadas pelaspartículas 20, enquanto a luz transmitida 40 tendocomponentes de comprimento de onda longo é substancialmentenão afetada. A luz transmitida 40 assim é melhorada na corvermelho em relação à luz entrando 10, sem se afetarsignificativamente a intensidade de luz.
A FIG. 2 mostra uma vista em seção transversal de umaluz emitida a partir de um LED tendo um espalhamento de Miea partir de uma pluralidade de partículas desupracomprimento de onda 7 0 e um espalhamento igual de cadaum dos comprimentos de onda 80, de acordo com umamodalidade adicional. Tipicamente, a luz entrando 10incluirá uma pluralidade de componentes de comprimento deonda, incluindo um comprimento de onda 5 0 com base nomaterial de emissão de luz usado em um LED (não mostrado) .Por exemplo, em um espectro de emissão de LED típico, ocomprimento de onda 50 emitido a partir do LEDcorrespondente à cor azul será aproximadamente de 420 nm.Conforme mostrado na FIG. 2, a luz entrando 10 impingesobre um conjunto disperso ou uma pluralidade de partículas70 tendo um diâmetro efetivo 90, onde o diâmetro efetivo 90é maior do que um comprimento de onda dominante 5 0 da fontede emissão de luz. Por exemplo, para um LED produzindo umaluz azul, o conjunto disperso de partículas 70 pode ser detriidrato de alumina tendo um diâmetro de aproximadamente1,1 mícrons. Pode ser apreciado que quaisquer partículasadequadas tendo um diâmetro efetivo 90, o qual é maior doque o comprimento de onda dominante 50 da fonte de emissãode luz ou LED e cria um espalhamento de Mie, podem serusadas. Pode ser apreciado que as partículas não precisamser esféricas, ou mesmo aproximadamente esféricas, e queoutros formatos podem ser usados, tais como partículas emformato de disco ou de haste. Isto cria a condição para oespalhamento de Mie da luz entrando 10, onde cada um doscomprimentos de onda entrando 5 0 é espalhado em umcomprimento de onda de saída 80. A luz transmitida ou oscomprimentos de onda de saída 80 assim são dispersos emdireções em relação à luz entrando 10, sem se afetarsignificativamente a intensidade da luz.
A FIG. 3 mostra uma vista em seção transversal de umsistema de espalhamento de Rayleigh ou de Mie 100 que temum bulbo de LED 110 com um LED 120 embutido no bulbo 110 deacordo com uma modalidade. O bulbo 110 compreende um LED12 0 embutido em uma porção interna 13 0 do bulbo 110 e tendouma superfície externa ou um invólucro 140. O bulbo de LED110 contém nele pelo menos um LED 120, o qual está emitindoluz. Conforme mostrado na FIG. 3, a porção interna 130 e oinvólucro 140 do bulbo 110 contendo um conjunto disperso departículas 20, 70 para a produção de espalhamento da luzproduzida a partir do LED 120 de acordo com ambos oespalhamento de Rayleigh e o de Mie. A luz emitida a partirdo LED 120 pode conter vários comprimentos de onda, mas émelhorada indesejavelmente no azul, devido às limitações natecnologia de LED atual. De modo a se espalharpreferencialmente a luz emitida a partir do LED 120, oinvólucro de bulbo 140 e o corpo ou porção interna 13 0 dobulbo 110 contêm ambos um conjunto de partículas 20, 70tendo um comprimento de onda correspondente ao espalhamentode Rayleigh 20 e ao espalhamento de Mie 70. No caso de umLED 120, o qual produz uma luz azul, o conjunto disperso departículas 20, 7 0 produz luz, a qual é mais como umaincandescente do que a luz emitida a partir do LED 120(isto ê, não aparece ser tão azul) , bem como sendo maisdispersa do que o ângulo de emissão de luz a partir do LED120 permitiria, de outra forma. Pode ser apreciado que obulbo 110 pode ter mais de um invólucro 140, e que um oumais dos invólucros 140 ou a porção interna 130 pode conterpartículas dispersas 20, 70, as quais produzem umespalhamento de Rayleigh e/ou de Mie.
A FIG. 4 mostra uma vista em seção transversal de umLED 200 que mostra a matriz de LED 220 embutida em ummaterial plástico 230 de acordo com uma outra modalidade. Amatriz de LED 220 está embutida em um material plástico 230ou uma porção interna 232 e inclui um invólucro 240. Omaterial plástico 230 e o invólucro 240 cada um contêm umapluralidade de partículas dispersas 20, 70 ali. Apluralidade de partículas dispersas 20, 70 cada uma têm umdiâmetro efetivo para a produção de espalhamento deRayleigh e de Mie da luz produzida pelo LED 200. Conformemostrado na FIG. 4, o LED 200 contém nele pelo menos umamatriz de LED 220, a qual está emitindo uma fonte de luztendo um conjunto definido de comprimentos de onda.Tipicamente, a matriz de LED 220 e a fonte de luzcorrespondente conterão muitos comprimentos de onda, mas émelhorada indesejavelmente no azul e no ultravioleta,devido a limitações na tecnologia atual. O invólucro de LED240 tipicamente é revestido com uma substânciafosforescente que converte parte da luz em uma freqüênciamais baixa, tornando a cor de luz mais próxima daincandescente, mas ainda indesejavelmente melhorada noazul. No LED 200, o invólucro 240 e o corpo do LED 230contêm as partículas dispersas 20, 70, cada uma tendo umdiâmetro efetivo 60, 90 para a produção de um espalhamentode Rayleigh e de Mie da fonte de luz. O resultado é que aluz emitida a partir do LED 200 é menos azul e maisincandescente do que a luz emitida a partir da matriz deLED 220, bem como sendo mais dispersa do que o ângulo deemissão de luz da matriz de LED 220 permitiria de outraforma. A adição das partículas dispersas 20, 70 pode seralém da substância fosforescente e da ótica que normalmentepodem ser adicionadas ao LED 200.
Será evidente para aqueles versados na técnica quevárias modificações e variações podem ser feitas naestrutura da presente invenção, sem que se desvie do escopoou do espírito da invenção. Tendo em vista o precedente,pretende-se que a presente invenção cubra modificações evariações desta invenção, desde que elas caiam no escopodas reivindicações a seguir e seus equivalentes.

Claims (20)

1. Método para espalhamento preferencial de certoscomprimentos de onda de luz em um LED, caracterizado porcompreender:a emissão de luz a partir de uma matriz de LED;o espalhamento da luz a partir da matriz de LED peladispersão de uma pluralidade de partículas tendo um tamanhode uma fração de pelo menos um comprimento de ondadominante da luz a partir da matriz de LED em pelo menos uminvólucro externo do LED.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato da pluralidade de partículas serdispersa no corpo do LED.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato do espalhamento ser um espalhamentode Rayleigh.
4. Método para espalhamento preferencial de certoscomprimentos de onda de luz em um bulbo de LED,caracterizado por compreender:a emissão de luz a partir de pelo menos um LED;o espalhamento da luz a partir de pelo menos um LEDpela dispersão de uma pluralidade de partículas tendo umtamanho de uma fração de pelo menos um comprimento de ondadominante da luz a partir de pelo menos um LED em pelomenos um invólucro externo do bulbo de LED.
5. Método, de acordo com a reivindicação 4,caracterizado pelo fato do espalhamento ser um espalhamentode Rayleigh.
6. Método para espalhamento preferencial de certoscomprimentos de onda de luz em um bulbo de LED,caracterizado por compreender:a emissão de luz a partir de pelo menos um LED;o espalhamento da luz a partir de pelo menos um LEDpela dispersão de uma pluralidade de partículas tendo umtamanho de uma fração de pelo menos um comprimento de ondadominante da luz a partir de pelo menos um LED no bulbo deLED.
7. Método, de acordo com a reivindicação 6,caracterizado pelo fato do espalhamento ser um espalhamentode Rayleigh.
8. Método para espalhamento preferencial de certoscomprimentos de onda de luz em um bulbo de LED,caracterizado por compreender:a emissão de luz a partir de pelo menos um LED;o espalhamento da luz a partir de pelo menos um LEDpela dispersão de uma pluralidade de partículas tendo umtamanho de uma a poucas vezes maior do que um comprimentode onda dominante da luz a partir de pelo menos um LED nobulbo de LED.
9. Método, de acordo com a reivindicação 8,caracterizado pelo fato do espalhamento ser um espalhamentode Mie.
10. Método para espalhamento preferencial de certoscomprimentos de onda de luz em um bulbo de LED,caracterizado por compreender:a emissão de luz a partir de pelo menos um LED;o espalhamento da luz a partir de pelo menos um LEDpela dispersão de uma pluralidade de partículas tendo umtamanho de uma a poucas vezes maior do que um comprimentode onda dominante da luz a partir de pelo menos um LED empelo menos um invólucro do bulbo de LED.
11. Método, de acordo com a reivindicação 10,caracterizado pelo fato do espalhamento ser um espalhamentode Mie.
12. LED, caracterizado por compreender:uma matriz de LED;pelo menos um invólucro encapsulando ou encapsulandoparcialmente a matriz e tendo uma pluralidade de partículasdispersas ali, e onde a pluralidade de partículas são de umtamanho tal que dispersa e/ou preferencialmente espalhacomprimentos de onda de luz emitida a partir do LED.
13. LED, de acordo com a reivindicação 12,caracterizado pelo fato da pluralidade de partículasincluir partículas de um tamanho tal que espalhepreferencialmente a luz emitida a partir do LED por umespalhamento de Rayleigh.
14. LED, de acordo com a reivindicação 12,caracterizado pelo fato da pluralidade de partículasincluir partículas de um tamanho tal que disperse a luzemitida a partir do LED por um espalhamento de Mie.
15. Bulbo de LED, caracterizado por compreender:um bulbo que tem uma pluralidade de partículasdispersas nele;pelo menos um LED; eonde a referida pluralidade de partículas é de umtamanho tal que disperse e/ou preferencialmente espalhecertos comprimentos de onda da luz emitida a partir de pelomenos um LED.
16. Bulbo de LED, de acordo com a reivindicação 15,caracterizado pelo fato da pluralidade de partículasincluir partículas de um tamanho tal que preferencialmenteespalhe certos comprimentos de onda de luz emitida a partirde pelo menos um LED por um espalhamento de Rayleigh.
17. Bulbo de LEDf de acordo com a reivindicação 15,caracterizado pelo fato da pluralidade de partículasincluir partículas de um tamanho tal que disperse a luzemitida a partir de pelo menos um LED por um espalhamentode Mie.
18. Bulbo de LED, de acordo com a reivindicação 15,caracterizado pelo fato de pelo menos um LED estar contidono bulbo.
19. Bulbo de LED, de acordo com a reivindicação 15,caracterizado pelo fato de pelo menos um LED ser oticamenteacoplado ao bulbo.
20. Bulbo de LED, de acordo com a reivindicação 15,caracterizado pelo fato do bulbo compreender ainda pelomenos um, invólucro, e onde a pluralidade de partículas édispersa dentro de pelo menos um invólucro.
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