JP2006339138A - 電子放出素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 集束電極の構造と集束電圧との最適化された関係設定によって電子放出素子の作用の際にサブビームが発生しないようにすることにより，色純度を高めることが可能な電子放出素子を提供する。
【解決手段】 電子放出素子は，基板上に形成される電子放出部と，電子放出部の電子放出を制御する少なくとも一つの駆動電極と，電子ビーム通過のための開口部を備え，電子放出部から放出された電子を集束させるための集束電極と，少なくとも一つの駆動電極と集束電極との間に位置する絶縁層とを含み，集束電極は，数式１および２の条件の少なくとも一つを満足する。１．０≦｜Ｖｆ／ｔ｜≦６．０・・・（数式１）０．２≦｜Ｖｆ／Ｗｈ｜≦０．４・・・（数式２）ここで，Ｖｆ（Ｖ）は集束電極に印加される電圧を示し，ｔ（μｍ）は絶縁層の厚さを示し，Ｗｈ（μｍ）は集束電極の開口部の幅を示す。
【選択図】図１

Description

本発明は電子放出素子にかかり，特に電子ビームの集束のために電子放出部と駆動電極の上部に集束電極を備えた電子放出素子に関する。

一般に，電子放出素子は，電子源の種類によって熱陰極（ｈｏｔ ｃａｔｈｏｄｅ）を用いる方式と，冷陰極（ｃｏｌｄ ｃａｔｈｏｄｅ）を用いる方式とに大別される。

ここで，冷陰極を用いる方式の電子放出素子としては，電界放出アレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｔｔｅｒ Ａｒｒａｙ；ＦＥＡ）型，表面伝導エミッション（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ；ＳＣＥ型），金属−絶縁層−金属（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｍｍｅｔａｌ；ＭＩＭ型），および金属−絶縁層−半導体（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ；ＭＩＳ型）などが知られている。

上述した電子放出素子は，その種類によって細部構造が異なるが，基本的には，密封部材によって縁部が接合されて真空容器を構成する第１基板と第２基板を含む。また，前記電子放出素子は，第１基板には電子放出部，および電子放出部の電子放出を制御する駆動電極が備えられ，第２基板には蛍光層，および第１基板側から放出された電子を蛍光層へ効率よく加速させるアノード電極が備えられることにより，所定の発光または表示作用をする。

上述した電子放出素子において，電子ビームの経路を目的の方向に誘導して表示の品質を高めようとする努力が行われている。一例として，第１基板側から放出された電子が一定の直進性を保ち切れずに第２基板を向かって広がって進む場合には，対応する蛍光層を完全に発光させることはできず，隣り合う他色の蛍光層を共に発光させることになる。

したがって，電子ビーム制御のための手段の一つとして，集束電極が提案された。集束電極は，絶縁層によって駆動電極と絶縁を保ちながら第１基板の最上部に位置し，電子ビーム通過のための開口部を備える。このような集束電極には数〜数十Ｖの（−）（以下マイナスとする）直流電圧が印加される。また，集束電極は，集束電極を通過する電子に斥力を与えることにより，この電子を電子ビーム束の中心部に集束させる。

ところで，電子放出素子の作用の際に集束電極に印加される電圧の大きさに応じて集束電極の周囲に電気場の変化が発生するので，第２基板に到達する電子ビームの束には，メインビーム（ｍａｉｎ ｂｅａｍ）の外側に，直径はメインビームより大きくかつ強度はメインビームより弱いサブビームが存在する。

表１は，サブビームが存在しないときとサブビームが存在するときにそれぞれ観察される赤色蛍光層，緑色蛍光層および青色蛍光層の色座標を示す。括弧内の数字はＮＴＳＣ色座標との差異値を表わす。

表１の結果は，サブビームの発生有無によって，色再現率に大きい差が出ることを示している。この実験では，サブビームが発生した場合は，サブビームが発生しない場合より，色再現率が２２％減少した。

ところで，本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので，その目的とするところは，集束電極の構造と集束電圧との最適化された関係設定によって電子放出素子の作用の際にサブビームが発生しないようにし，色純度を高めることが可能な電子放出素子を提供することにある。

上記課題を解決するため，本発明の第１の観点によれば，前記電子放出素子は，基板上に形成される電子放出部と，前記電子放出部の電子放出を制御する少なくとも一つの駆動電極と，電子ビーム通過のための開口部を備え，前記電子放出部から放出された電子を集束させるための集束電極と，少なくとも一つの前記駆動電極と前記集束電極との間に位置する絶縁層とを含み，前記集束電極と前記絶縁層が，数式１および２の条件の少なくとも一つを満足することができる。
１．０≦｜Ｖｆ／ｔ｜≦６．０
・・・（数式１）
０．２≦｜Ｖｆ／Ｗｈ｜≦０．４
・・・（数式２）
ここで，Ｖｆ（Ｖ）は，前記集束電極に印加される電圧を示し，ｔ（μｍ）は，前記絶縁層の厚さを示し，Ｗｈ（μｍ）は，前記集束電極の開口部の幅を示すことができる。

前記集束電極は，マイナス電圧を印加することができる。

前記電子放出部は，基板上に設定される画素領域ごとに基板の第１方向に沿って配置され，前記集束電極は，画素領域ごとに，電子放出部を包括する一つの開口部を備えることができる。この際，Ｗｈは，第１方向と直交する方向に沿って測定される開口部の幅で定義することができる。

前記電子放出素子は，前記基板に対向する他側基板と，この他側基板上に形成される複数の色相の蛍光層をさらに含み，第１方向と直交する方向に沿って相異なる色相の蛍光層が交番に位置することができる。

本発明の他の観点によれば，前記電子放出素子は，互いに対向して配置される第１基板および第２基板と，第１基板上に第１絶縁層を介して位置するカソード電極およびゲート電極と，カソード電極に電気的に連結される電子放出部と，第２絶縁層を介してカソード電極およびゲート電極の上部に位置し，電子ビーム通過のための開口部を備える集束電極と，第２基板に形成される蛍光層と，蛍光層の一面に形成されるアノード電極とを含むことができる。この際，前記第２絶縁層と前記集束電極が，数式３および４の条件の少なくとも一つを満足することができる。
１．０≦｜Ｖｆ／ｔ｜≦６．０
・・・（数式１）
０．２≦｜Ｖｆ／Ｗｈ｜≦０．４
・・・（数式２）

ここで，Ｖｆ（Ｖ）は，前記集束電極に印加される電圧を示し，ｔ（μｍ）は，前記第２絶縁層の厚さを示し，Ｗｈ（μｍ）は，前記集束電極の開口部の幅を示す。

前記カソード電極と前記ゲート電極は，互いに直交する方向に沿って形成され，電子放出部は，カソード電極とゲート電極との交差領域ごとにカソード電極の長手方向に沿って一例に配列できる。この際，集束電極の開口部は一列に配列された電子放出部を包括するように形成され，Ｗｈはカソード電極の幅方向に沿って測定される開口部の幅で定義することができる。

以上のように，本発明によれば，電子放出素子は，集束電圧と集束電極構造との関係最適化によって，電子放出素子の駆動の際，副次発光を引き起こすサブビームの発生を抑える。したがって，本発明に係る電子放出素子は，電子放出部から放出された電子が対応する蛍光層に完全に到達して発光させることにより，蛍光層の色再現率を向上させて表示品質を高めるという効果を実現する。

以下に添付図面を参照しながら，本発明にかかる電子放出素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお，本明細書および図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は，第１実施形態にかかる電子放出素子の斜視図，図２は，電子放出素子の断面図，図３は，図１に示した第１基板上の構造物の平面図である。また，図４は，電子放出ユニットの変形例を説明するために示した電子放出素子の断面図，図５は，発光ユニットの変形例を説明するために示した第２基板と発光ユニットの断面図である。図６〜図９は，第１実施形態にかかる電子放出素子を用いて実験を行った結果を示すグラフである。

図１〜図３を参照すると，電子放出素子は，所定の間隔をおいて平行に対向して配置される第１基板２と第２基板４を含む。第１基板２の縁部および第２基板４の縁部には密封部材（図示せず）が配置されるが，この密封部材は，前記第１基板２および第２基板４と共に密閉された内部空間を形成する。これにより，第１基板２，第２基板４および密封部材が真空容器を構成する。

前記第１基板２の第２基板４との対向面には，第２基板４を向かって電子を放出する電子放出ユニット１００が提供され，第２基板４の第１基板２との対向面には，電子によって可視光を放出して任意の発光または表示を行う発光ユニット２００が提供される。本実施形態では，電界放出アレイ（ＦＥＡ）型電子放出素子を例として電子放出ユニットと発光ユニットの構成について説明する。

まず，第１基板２の上には，カソード電極６が第１基板２の一方向に沿ってストライプ状に形成され，カソード電極６を覆いながら第１基板２全体に第１絶縁層８が形成される。第１絶縁層８上にはゲート電極１０がカソード電極６と直交する方向に沿ってストライプ状に形成される。

本実施形態において，カソード電極６とゲート電極１０との交差領域を画素領域として定義すると，カソード電極６上には画素領域ごとに少なくとも一つの電子放出部１２が形成され，第１絶縁層８とゲート電極１０には各電子放出部１２に対応する開口部８ａ，１０ａが形成されることにより，第１基板２上に電子放出部１２を露出させる。

電子放出部１２は，真空中で電界が加えられると電子を放出する物質，例えばカーボン系でナノメートル（ｎｍ）サイズの物質からなる。電子放出部１２として使用することが好ましい物質には，カーボンナノチューブ，黒鉛，黒鉛ナノファイバー，ダイアモンド，ダイアモンドライクカーボン，Ｃ６０，シリコンナノワイヤおよびこれらの組み合わせ物質がある。また，電子放出部１２の製造法としてはスクリーンプリント，直接成長，化学気相成長またはスパッタリングなどを適用することができる。

本実施形態において，電子放出部１２は，円形の平面形状を有し，画素領域ごとにカソード電極６の長手方向に沿って複数が配置される。ところが，電子放出部１２の平面形状と画素領域当たりの個数および配列形態などは，図示した例に限定されず，各種の変形が可能である。

図４を参照すると，図１〜図３に示した形状と異なる電子放出ユニット１０１において，カソード電極６’とゲート電極１０’と直交する方向に沿ってストライプ状に形成する。つまり，ゲート電極１０’が第１絶縁層８を介してカソード電極６’の下部に位置する。この場合，電子放出部１２’は，カソード電極６’の側面と接触しながら，第１絶縁層８上に形成できる。ゲート電極１０’と電気的に連結される対向電極１３が，カソード電極６’の間で電子放出部１２’から離隔して位置できる。対向電極１３は，ゲート電極１０’の電界を第１絶縁層８の上に引き上げて電子放出部１２’の周囲に強い電界が形成されるようにする役割をする。

図１〜図３を参照すると，ゲート電極１０と第１絶縁層８の上に第２絶縁層１４と集束電極１６が形成され，第２絶縁層１４と集束電極１６に電子ビーム通過のための開口部１４ａ，１６ａが設けられる。この開口部１４ａ，１６ａは，画素領域当たり一つが備えられる。この場合，集束電極１６が一つの画素から放出される電子を包括的に集束させる。

前記集束電極１６は，電子放出部１２との高さの差が大きいほど，優れた集束効果を発揮するので，第２絶縁層１４の厚さを第１絶縁層８の厚さより厚くすることが好ましい。集束電極１６は，第２絶縁層１４上にコートされた導電膜からなり，あるいは開口部１６ａを備えた金属プレートからなる。

次に，第１基板２に対向する第２基板４の一面には，蛍光層１８，一例として赤色，緑色および青色の蛍光層１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂが任意の間隔をおいて形成され，各蛍光層１８の間に画面コントラストの向上のための黒色層２０が形成される。図１では，蛍光層１８と黒色層２０がストライプ状に形成された場合を示したが，蛍光層１８は，第１基板２上に設定される画素領域に１：１で対応するように個別的に位置することができる。この場合，黒色層２０は，蛍光層１８を除いた全ての非発光領域に形成される。

蛍光層１８と黒色層２０の上には，アルミニウムなどの金属膜からなるアノード電極２２が形成される。アノード電極２２は，外部から電子ビームの加速に必要な高電圧を印加され，蛍光層１８から放射された可視光のうち第１基板２を向かって放射された可視光を第２基板４側に反射させて画面の輝度を高める役割をする。

一方，図５に示すように，発光ユニット２０１の第２基板４の一面にアノード電極２２’がまず形成され，アノード電極２２’の上に蛍光層１８と黒色層２０が形成されてもよい。この際，アノード電極２２’は，蛍光層１８から放射された可視光を透過させうるようにＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）のような透明導電膜からなる。

さらに図１〜図３を参照すると，上記の第１基板２と第２基板４との間には，スペーサ２４が配置され，第１基板２と第２基板４との間隔を一定に維持させながら真空容器に加えられる圧縮力を支持して真空容器の変形と破損を抑制する。このスペーサ２４は，蛍光層１８を侵犯しないように黒色層２０に対応して位置する。

前記の電子放出素子は，外部からカソード電極６，ゲート電極１０，集束電極１６およびアノード電極２２に所定の電圧を供給して駆動するが，一例としてカソード電極６とゲート電極１０のいずれか一方には走査信号電圧が，他方にはデータ信号電圧がそれぞれ印加され，集束電極１６には数〜数十Ｖのマイナス直流電圧が印加され，アノード電極２２には数百〜数千Ｖの（＋）（以下プラスとする）直流電圧が印加される。

したがって，カソード電極６とゲート電極１０間の電圧差が臨界値以上である画素において，電子放出部１２の周囲に電界が形成されてこの電界から電子が放出され，放出された電子は，集束電極１６を通過しながら，この集束電極から斥力を受けて電子ビーム束の中心部に集束した後，アノード電極に印加された高電圧に引かれて対応蛍光層と衝突することにより発光させる。

前記の駆動過程における集束電極１６の電子ビーム集束作用は，集束電圧の大きさ，第２絶縁層１４の厚さおよび集束電極の開口部１６ａの水平幅によって変化する。この点に基づいて，本実施形態の電子放出素子は，後述する集束電圧と集束電極構造との関係最適化を介して副次発光を誘導するサブビームの発生を抑える。これと同時に，集束電圧によるダイオードエミッションを抑制する。

本実施形態の電子放出素子において，集束電極１６と第２絶縁層１４は，数式１および２の条件の少なくとも一つを満足する。
１．０≦｜Ｖｆ／ｔ｜≦６．０
・・・（数式１）
０．２≦｜Ｖｆ／Ｗｈ｜≦０．４
・・・（数式２）

ここで，Ｖｆ（Ｖ）は集束電極に印加される電圧を示し，ｔ（μｍ）は第２絶縁層１４の厚さを示し，Ｗｈ（μｍ）は蛍光層１８の幅方向に沿って測定される集束電極の開口部１６ａの水平幅を示す。図２と図３にそれぞれｔとＷｈを表示した。

図６は，第２絶縁層の厚さと集束電圧を変化させながら副次発光の有無を実験して第２絶縁層の厚さ別に副次発光が発生しない｜Ｖｆ／ｔ｜の条件を示すグラフである。実験に使用された電子放出素子において，第２絶縁層の厚さは約０．２μｍから２５μｍまで変化した。このような第２絶縁層の厚さ範囲で｜Ｖｆ／ｔ｜が１Ｖ／μｍ〜６Ｖ／μｍのとき，副次発光が発生しないことを確認した。

前記において｜Ｖｆ／ｔ｜が１Ｖ／μｍ未満であれば，第２絶縁層の厚さ条件で集束電圧があまり小さくて電子ビームの広がりを防ぐことができないため，副次発光が発生する。これに対し，｜Ｖｆ／ｔ｜が６Ｖ／μｍ超過であれば，第２絶縁層の厚さ条件で集束電圧が過大なので，オフ状態の画素から集束電圧によって電子が間違って放出されるエミッション不良が発生する。

図７は，集束電極開口部の水平幅と集束電圧を変化させながら副次発光の有無を実験して集束電極開口部の水平幅（Ｗｈ）別に副次発光が発生しない｜Ｖｆ／Ｗｈ｜の条件を示すグラフである。実験に使用された電子放出素子において，集束電極の開口部の水平幅は，約２２μｍから８２μｍまで変化した。このような水平幅の範囲で｜Ｖｆ／Ｗｈ｜が０．２Ｖ／μｍ〜０．４Ｖ／μｍのときに副次発光が発生しないことを確認した。

前記において｜Ｖｆ／Ｗｈ｜が０．２Ｖ／μｍ未満であれば，前述した集束電極の開口部の幅条件で集束電圧があまり小さくて電子ビームの広がりを防ぐことができないため，副次発光が発生する。これに対し，｜Ｖｆ／Ｗｈ｜が０．４Ｖ／μｍ超過であれば，前述した集束電極の開口部の幅条件で集束電圧が過大なので，オフ状態の画素から集束電圧によって電子が間違って放出されるエミッション不良が発生する。

図８は，数式１の条件を満足する本実施形態の電子放出素子における｜Ｖｆ／ｔ｜の変化による色再現率（ＮＴＳＣ対比）を示すグラフである。図９は，数式２の条件を満足する本実施形態の電子放出素子における｜Ｖｆ／Ｗｈ｜の変化による色再現率（ＮＴＳＣ対比）を示すグラフである。

図８および図９を参照すると，｜Ｖｆ／ｔ｜が１Ｖ／μｍ〜６Ｖ／μｍの条件を満足するときと，｜Ｖｆ／Ｗｈ｜が０．２Ｖ／μｍ〜０．４Ｖ／μｍの条件を満足するときに６５％以上の優れた色再現率を示していることが分かる。

前記では，電子放出部が電界によって電子を放出する物質からなるＦＥＡ型について説明したが，本発明は，このようなＦＥＡ型に限定されず，それ以外の他の電子放出素子にも様々に適用可能である。

以上，添付図面を参照しながら本発明にかかる電子放出素子の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の電子放出素子は，電子ビームの集束のために電子放出部と駆動電極の上部に集束電極を備えることにより，電子放出部から放出された電子が対応する蛍光層に完全に到達して発光させることにより，蛍光層の色再現率を向上させて表示品質を高めることができるので，電子放出素子に適用可能である。

第１実施形態にかかる電子放出素子の斜視図である。 第１実施形態にかかる電子放出素子の断面図である。 図１に示した第１基板上の構造物の平面図である。 電子放出ユニットの変形例を説明するために示した電子放出素子の断面図である。 発光ユニットの変形例を説明するために示した第２基板と発光ユニットの断面図である。 第１実施形態にかかる電子放出素子において第２絶縁層厚さ別の副次発光が発生しない｜Ｖｆ／ｔ｜の条件を示すグラフである。 第１実施形態にかかる電子放出素子において集束電極開口部の水平幅別の副次発光が発生しない｜Ｖｆ／Ｗｈ｜の条件を示すグラフである。 第１実施形態にかかる電子放出素子における｜Ｖｆ／ｔ｜と色再現率との関係を示すグラフである。 第１実施形態にかかる電子放出素子における｜Ｖｆ／Ｗｈ｜と色再現率との関係を示すグラフである。

符号の説明

２ 第１基板
４ 第２基板
６ カソード電極
８ 第１絶縁層
８ａ 開口部
１０ ゲート電極
１０’ ゲート電極
１０ａ 開口部
１２ 電子放出部
１２’ 電子放出部
１４ 第２絶縁層
１４ａ 開口部
１６ 集束電極
１６ａ 開口部
１８ 蛍光層
１８Ｒ 赤色蛍光層
１８Ｇ 緑色蛍光層
１８Ｂ 青色蛍光層
２０ 黒色層
２２ アノード電極
２２’ アノード電極
２４ スペーサ
１００ 電子放出ユニット
１０１ 電子放出ユニット
２００ 発光ユニット
２０１ 発光ユニット
Ｗｈ 集束電極の開口部の幅
ｔ 絶縁層の厚さ

Claims (11)

1. 基板上に形成される電子放出部と，
   前記電子放出部の電子放出を制御する少なくとも一つの駆動電極と，
   電子ビーム通過のための開口部を備え，前記電子放出部から放出された電子を集束させるための集束電極と，
   少なくとも一つの前記駆動電極と前記集束電極との間に位置する絶縁層と，
   を含み，
   前記集束電極と前記絶縁層が，数式１および２の条件の少なくとも一つを満足することを特徴とする，電子放出素子。
   １．０≦｜Ｖｆ／ｔ｜≦６．０
   ・・・（数式１）
   ０．２≦｜Ｖｆ／Ｗｈ｜≦０．４
   ・・・（数式２）
   ここで，Ｖｆ（Ｖ）は，前記集束電極に印加される電圧を示し，ｔ（μｍ）は，前記絶縁層の厚さを示し，Ｗｈ（μｍ）は，前記集束電極の開口部の幅を示す。
2. 前記集束電極は，マイナス電圧を印加されることを特徴とする，請求項１に記載の電子放出素子。
3. 前記電子放出部は，前記基板上に設定される画素領域ごとに基板の第１方向に沿って配置され，前記集束電極は，画素領域ごとに，前記電子放出部を包括する一つの開口部を備え，前記Ｗｈは，第１方向と直交する方向に沿って測定される開口部の幅で定義されることを特徴とする，請求項１または２に記載の電子放出素子。
4. 前記基板に対向する他側基板上に形成される複数の色相の蛍光層をさらに含み，前記第１方向と直交する方向に沿って，相異なる色相の蛍光層が交番に位置することを特徴とする，請求項３に記載の電子放出素子。
5. 互いに対向して配置される第１基板および第２基板と，
   前記第１基板上で第１絶縁層を介して位置するカソード電極およびゲート電極と，
   前記カソード電極に電気的に連結される電子放出部と，
   第２絶縁層を介して前記カソード電極および前記ゲート電極の上部に位置し，電子ビーム通過のための開口部を備える集束電極と，
   前記第２基板に形成される蛍光層と，
   前記蛍光層の一面に形成されるアノード電極と，
   を含み，
   前記第２絶縁層と前記集束電極が，数式３および４の条件の少なくとも一つを満足することを特徴とする，電子放出素子。
   １．０≦｜Ｖｆ／ｔ｜≦６．０
   ・・・（数式１）
   ０．２≦｜Ｖｆ／Ｗｈ｜≦０．４
   ・・・（数式２）
   ここで，Ｖｆ（Ｖ）は，前記集束電極に印加される電圧を示し，ｔ（μｍ）は，前記第２絶縁層の厚さを示し，Ｗｈ（μｍ）は，前記集束電極の開口部の幅を示す。
6. 前記集束電極は，マイナス電圧を印加されることを特徴とする，請求項５に記載の電子放出素子。
7. 前記カソード電極と前記ゲート電極は，互いに直交する方向に沿って形成され，前記電子放出部は，カソード電極とゲート電極との交差領域ごとに前記カソード電極の長手方向に沿って一例に配列されることを特徴とする，請求項５または６に記載の電子放出素子。
8. 前記集束電極の開口部は，前記一列に配列された電子放出部を包括するように形成され，前記Ｗｈは，前記カソード電極の幅方向に沿って測定される開口部の幅で定義されることを特徴とする，請求項７に記載の電子放出素子。
9. 前記蛍光層が複数の色相からなり，前記カソード電極の幅方向に沿って相異なる色相の蛍光層が交番に位置することを特徴とする，請求項８に記載の電子放出素子。
10. 前記第２絶縁層は第１絶縁層より大きい厚さを有することを特徴とする，請求項５に記載の電子放出素子。
11. 前記電子放出部は，カーボンナノチューブ，黒鉛，黒鉛ナノファイバー，ダイアモンド，ダイアモンドライクカーボン，Ｃ_６０およびシリコンナノワイヤよりなる群から選択される少なくとも一つの材質を含むことを特徴とする，請求項５に記載の電子放出素子。

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