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KR100696475B1 - 마이크로 캡슐형 로봇용 연료전지 및 그 연료 전지로작동하는 마이크로 캡슐형 로봇 - Google Patents

마이크로 캡슐형 로봇용 연료전지 및 그 연료 전지로작동하는 마이크로 캡슐형 로봇 Download PDF

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KR100696475B1
KR100696475B1 KR1020040088164A KR20040088164A KR100696475B1 KR 100696475 B1 KR100696475 B1 KR 100696475B1 KR 1020040088164 A KR1020040088164 A KR 1020040088164A KR 20040088164 A KR20040088164 A KR 20040088164A KR 100696475 B1 KR100696475 B1 KR 100696475B1
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South Korea
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microcapsule
fuel
catalyst layer
robot
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KR1020040088164A
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장혁
최경환
고한승
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은 연료 전지를 전원으로 채용한 마이크로 캡슐형 로봇을 개시한다.
상기 마이크로 캡슐형 로봇의 한가지로 인체 내부에서 작동하는 마이크로 캡슐형 내시경은 종래에는 전원으로 수은 건전지 등과 같은 일반 건전지를 사용하여 인체 기관을 충분히 진단할만한 작동시간을 확보하지 못하였으나, 본 발명에 따른 연료 전지를 사용하면 인체 기관을 진단할만한 작동시간을 충분히 확보 가능한 효과가 있다.
또한, 인체 내부에서 작동하기에 적합하도록 공기 또는 산소 대신 산화제로 과산화수소를 연료전지에 수반토록 함으로써 인체 내부에서 확보가 불가능한 산소원의 문제를 해결함은 물론 산화제로 공기를 사용할 때보다 성능이 향상되는 효과가 있다.
캡슐, 내시경, 로봇, 연료 전지, 메탄올, 과산화수소.

Description

마이크로 캡슐형 로봇용 연료전지 및 그 연료 전지로 작동하는 마이크로 캡슐형 로봇{Fuel cell for micro-capsule type robot and micro-capsule type robot powered by the same}
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지의 일구현예를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 캡슐형 내시경의 일구현예를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 연료 전지의 로드에 따른 성능을 보인 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예 2 및 비교예 2에서 제조한 연료 전지의 로드에 따른 성능을 보인 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료전지 프레임 20 : MEA
30 : 촉매층 100 : 몸체
200 : 카메라 장치 300 : 조명장치
400 : 송신장치 500 : 제어장치
600 : 전원공급장치
본 발명은 마이크로 캡슐형 로봇용 연료전지와 상기 연료전지를 채용한 마이크로 캡슐형 로봇에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 연료로 알코올 또는 알코올 수용액을 사용하고 산화제로 과산화수소 또는 과산화수소 수용액을 사용하는 마이크로 캡슐형 로봇용 연료전지 및 이러한 연료전지를 채용한 마이크로 캡슐형 로봇에 관한 것이다.
내시경은 주로 인체 내의 장기의 병변을 피부를 절개하는 수술 없이 검사하거나 치료하는 경우에 널리 사용되고 있다. 그러나, 유선 내시경은 이를 이용한 진찰 또는 진료를 받을 경우에 있어 대부분 고통과 불쾌감이 크기 때문에 환자들로부터 환영받지 못하였다. 이것은 유선 내시경 자체의 부피감 뿐만 아니라 유선 내시경에 전원을 공급하고 이를 조작하기 위한 도선으로 인한 이물감에 기인하는 바가 크다. 최근에는 마취를 이용하여 환자가 느끼지 못하도록 한 상태에서 진단 또는 진료하는 경우가 있으나, 이러한 마취는 전신마취로써 전신마취에 따르는 본질적인 위험 때문에 기피되는 단점이 있다.
유선 내시경이 안고 있는 상기와 같은 단점을 개선하기 위해 가상 내시경(Virtual Colonoscopy) 또는 유전자 검사법 등이 등장하기도 하였다. 그러나 이것은 의사가 환부를 직접적으로 보고 처치하거나 생검(生檢: Biopsy) 등을 할 수 없기 때문에 간접적인 방법으로 평가되는 한계가 있었다.
이러한 단점의 해결방안으로 삼킬 수 있을 만한 크기의 캡슐에 영상을 촬영 하고, 촬영한 영상을 외부로 전달할 수 있는 장치를 장착한 마이크로 캡슐형 내시경이 개발되었다. 상기 마이크로 캡슐형 내시경을 환자가 삼키면 소화기를 따라 움직이면서 장기의 영상정보를 획득하여 환자 신체 외부의 수신 장치로 전송하고, 수신 장치에서는 전송받은 영상정보를 해석하여 환자의 장기의 상태를 진단하게 하는 데 사용한다. 종래의 유선 내시경으로는 대장 또는 위장을 진단하는 데 그쳤으나 마이크로 캡슐형 내시경을 이용함으로써 소장까지 진단할 수 있게 되어 의료적 진단의 범위를 확대한 의미 또한 크다.
그러나, 종래에는 마이크로 캡슐형 내시경의 전원으로 수은을 사용하는 산화수은(AgO2) 전지가 사용되어, 인체 내부의 위산, 각종 효소의 작용, 소화되는 음식물에 기인하는 기타 불측의 화학반응 등으로 인하여 마이크로 캡슐형 내시경의 외장이 손상되는 경우 인체가 수은에 노출되는 위험이 생기고, 또한 작동시간이 짧게는 4시간, 길어야 6시간에 불과하여 소장을 지나는 과정에서 전원이 소진되므로 소장과 대장을 전체적으로 진단하기에는 많은 무리가 따르는 단점이 있었다. 더군다나, 최근 기술의 발달에 따라 자세제어 및/또는 위치제어장치가 장착된 마이크로 캡슐형 내시경이 개발되고 있어(대한민국 특허출원 10-2002-81935호), 종래의 마이크로 캡슐형 내시경에 비하여 더 많은 전력을 소모하게 되었고 따라서 마이크로 캡슐형 내시경에 더 큰 용량의 전원을 제공할 필요가 증대되었다.
본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 에너지 밀도가 높아 충분히 장시간 전원을 공급할 수 있고, 인체에 무해한 마이크로 캡슐형 로봇용 연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 상기 연료전지를 이용하여 작동시간이 연장된 마이크로 캡슐형 로봇을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여 연료가 공급되는 캐소드, 산화제가 공급되는 애노드 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 개재된 전해질막을 포함하고, 상기 연료가 알코올 또는 알코올 수용액이고, 상기 산화제가 과산화수소 또는 과산화수소 수용액인 마이크로 캡슐형 로봇용 연료전지를 제공한다.
본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여 작동을 위한 전원으로 상기 마이크로 캡슐형 로봇용 연료전지를 채용한 마이크로 캡슐형 로봇을 제공한다.
이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.
먼저 본 발명에서 사용되는 용어 '로봇'의 정의에 대하여 살펴보면, 로봇은 사전적으로 '보통 인간에게 할당되는 기능을 수행하는 자동 장치 또는 인간 형태의 기계'로 정의되나 여기서는 '인간으로부터 주어진 기능을 수행하는 자동 장치'로 정의한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 캡슐형 로봇의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다. 상기 마이크로 캡슐형 로봇은 도 2에 도시한 바와 같이 캡슐형 로봇 몸체(100)와; 상기 몸체(100)에 장착되어 인체의 장기를 관찰하기 위한 카메 라장치(200)와; 상기 몸체(100)에 장착되어 상기 카메라장치(200)가 장기의 내부를 촬영할 수 있도록 장기에 빛을 조사하는 조명장치(300)와; 상기 몸체(100)에 장착되어 상기 카메라장치(200)에 의하여 얻어진 영상정보를 인체 밖으로 송신하는 송신장치(400)와; 상기 몸체(100)에 장착되어 상기 카메라장치(200), 조명장치(300), 및 송신장치(400)의 작동을 제어하는 제어장치(500); 및 상기 몸체(100)에 장착되어 상기 카메라장치(200), 조명장치(300), 송신장치(400), 제어장치(500)에 전원을 공급하기 위한 전원공급장치(600)를 포함하는 마이크로 캡슐형 내시경일 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 마이크로 캡슐형 로봇, 더욱 구체적으로는 마이크로 캡슐형 내시경에 작동 전원으로 연료전지를 사용하여 마이크로 캡슐형 내시경의 작동시간을 대폭 증가시킨 것이다.
앞서 기술한 바와 같이 종래의 마이크로 캡슐형 내시경의 작동 전원으로 사용되던 산화수은 전지는 작동시간이 짧았기 때문에 마이크로 캡슐형 내시경을 이용한 진단범위에는 한계가 있었다. 작동 전원의 가동 시간을 늘이기 위해서는 에너지 밀도가 높은 전원을 채택하여야만 했는데, 연료 전지는 마이크로 캡슐형 내시경의 작동 전원으로 채택되기에 충분한 에너지 밀도를 갖는다.
다만, 연료 전지를 마이크로 캡슐형 내시경에 적용하기 위해서는 외부에서 조달되는 공기 또는 산소와 같은 산화제의 공급 문제를 해결해야 한다. 즉, 종래의 연료전지에 있어 작동을 위한 연료는 액체 등의 형태로 연료 전지와 함께 수반되어야 하지만, 산화제는 공기 중의 산소를 이용할 수 있어 굳이 산화제를 수반하기 위한 용기, 장치, 및 설비를 필요로 하지 않아 무게 및 부피를 줄일 수 있는 점에서 장점이 있었다. 그러나, 인체 내에서의 작동을 전제로 하는 마이크로 캡슐형 내시경의 경우 작동에 필요한 산소가 외부에 없기 때문에 산화제가 연료전지에 수반되도록 하여야 한다.
또한, 앞서 언급한 바와 같이 연료개질기를 필요로 하지 않으며, 연료의 취급이 용이한 관계로 연료전지의 소형화에 있어서 연료로는 메탄올이 가장 선호된다. 따라서, 본 발명의 목적에는 직접메탄올연료전지(DMFC)가 가장 적합하다. DMFC의 전극에서 일어나는 반응은 하기 반응식 1과 같다.
[반응식 1]
애노드 : CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
캐소드 : 6H+ + 3/2 O2 + 6e- → 3H2O
전 체 : CH3OH + 3/2 O2 → 2H2O + CO2 (E = 1.18 V)
앞서 언급한 바와 같이 본 발명의 연료전지에는 산화제가 수반되어야 하는데, 수반되는 산화제로는 과산화수소 또는 과산화수소 수용액이 바람직하다. 애노드에서 반응물로 사용되는 물은 메탄올과 함께 공급될 수도 있고, 캐소드에서 생성되는 물의 일부를 공급할 수도 있다.
환원 반응이 일어나는 캐소드에는 과산화수소를 환원시키기 위한 촉매와 산소를 환원시키기 위한 촉매가 필요하다. 이러한 촉매로는 연료전지의 제조에 통상 사용되는 어느 금속촉매이든 사용될 수 있다. 다만, 과산화수소를 환원시키기 위한 촉매로는 Al, Fe, Mn 등이 바람직하고, 산소를 환원시키기 위한 촉매로는 Pt가 바람직하다. 특히, Pt/Al 촉매를 사용하는 것이 바람직한데, 상기 Pt/Al 촉매는 Pt와 Al을 이중층으로 형성하여 Al 층에서는 과산화수소의 1차 환원반응이, Pt 층에서는 산소의 2차 환원반응이 일어나도록 할 수도 있으며, Pt와 Al을 하나의 촉매층에 복합하여 과산화수소의 1차 환원반응과 산소의 2차 환원반응이 동일 층에서 동시에 일어나도록 할 수도 있다.
산화 반응이 일어나는 애노드에도 연료전지의 제조에 통상 사용되는 어느 금속촉매이든 사용될 수 있지만 특히, PtRu계 합금을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기와 같은 DMFC에 있어서 메탄올이 인체에 직접 노출되는 경우 인체에 해로울 수 있다. 따라서, 메탄올 대신 인체에 유해하지 않은 알코올을 고려할 수 있다. 인체에 유해하지 않으면서 구하기 쉽고 가격이 저렴한 알코올로 에탄올을 들 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지에 에탄올을 사용하였을 경우 애노드와 캐소드에서 일어나는 반응은 각각 다음과 같다.
[반응식 2]
애노드 : C2H5OH + 3H2O → 2CO2 + 12H+ + 12e -
캐소드 : 12H+ + 3O2 + 12e- → 6H2O
전 체 : C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O (E = 1.145 V)
에탄올을 연료로 사용하는 경우에도 메탄올을 연료로 사용하는 경우와 마찬가지로 산화제로 과산화수소 또는 과산화수소 수용액이 바람직하다. 또, 애노드에서 반응물로 사용되는 물은 에탄올과 함께 공급될 수도 있지만, 상기 메탄올의 경우와 마찬가지로 캐소드에서 생성되는 물의 일부를 공급할 수도 있다.
또한, 캐소드에 사용되는 촉매도 메탄올을 연료로 사용하는 경우와 마찬가지로 연료전지의 제조에 통상 사용되는 어느 금속촉매이든 사용될 수 있지만, 과산화수소를 환원시키기 위한 촉매로는 Al, Fe, Mn 등이 바람직하고, 산소를 환원시키기 위한 촉매로는 Pt가 바람직하며 특히 Pt/Al 촉매를 사용하는 것이 바람직하다.
Pt/Al을 캐소드의 촉매로 사용하는 경우에 메탄올을 연료로 사용할 때와 마찬가지로 Pt와 Al을 2중층으로 구분하여 과산화수소의 제 1 환원반응과 산소의 제 2 환원반응이 공간적으로 분리되어 일어나도록 할 수도 있고, 복합 단일층으로 구성하여 한 층 내에서 상기 두 반응이 동시에 일어나도록 할 수도 있다.
산화 반응이 일어나는 애노드에는 연료전지의 제조에 통상 사용되는 어느 금속촉매이든 사용될 수 있지만 에탄올을 연료로 사용하는 경우에는 특히, PtSn계 합금을 사용하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 연료전지를 마이크로 캡슐형 로봇에 적용함에 있어 형태 또는 구조상으로 특별히 한정되는 것은 아니다.
도 1은 도 2의 전원공급장치(600)을 발췌하여 확대하여 나타낸 것으로서, 상기와 같은 연료전지의 일구현예를 들어보면 하기와 같다.
연료전지의 외부 프레임(10)을 도 1과 같이 원기둥형으로 만들고 상기 프레 임을 세로로 분할하도록 MEA(membrane-electrode assembly)(20)를 만든다. 상기 MEA(20)는 도 1에 도시되어 있지는 않으나 가운데에 전해질 막을 두고, 그 일측에는 PtRu계 합금(메탄올을 연료로 사용하는 경우) 또는 PtSn계 합금(에탄올을 연료로 사용하는 경우) 촉매를 담지한 촉매층과 지지층을 사용하여 애노드를 구성하고, 타측에는 Pt/Al을 이중층 또는 복합 단일층으로 담지한 촉매층과 지지층(30)을 사용하여 캐소드를 구성함으로써 이루어지도록 한다.
상기 MEA(20)로 나눠진 연료전지 프레임(10)의 공간 중 애노드 측(PtRu 또는 PtSn 측)에는 메탄올 또는 메탄올 수용액; 에탄올 또는 에탄올 수용액을 선택적으로 충전하고 캐소드 쪽에는 과산화수소 또는 과산화수소 수용액을 충전한다. 메탄올 수용액 또는 에탄올 수용액을 충전하는 경우 농도는 5 내지 20 M이 적절하다.
이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 가지고 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하지만, 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
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<실시예 1 및 비교예 1>
내부 반지름 5 mm, 높이 16 mm인 원기둥 모양으로 연료전지 프레임(10)을 만들고 그 내부에 밀착되도록 가로 10 mm, 세로 16 mm, 두께 0.4 mm의 크기를 갖는 MEA(20)를 제작하여 연료전지 프레임의 중심에 부착하였다. 부착되는 부위에는 연료 또는 산화제가 다른 편으로 새지 않도록 밀봉 처리하였다.
상기 MEA는 전해질 막으로 듀퐁사의 Nafion 117을 사용하였으며, 상기 전해질 막의 일면에는 PtRu 촉매층을, 다른 일면에는 Pt/Al 촉매층(30)을 핫-프레싱 방법으로 부착하였다. 핫-프레싱 조건은 125℃의 온도, 80 atm의 압력에서 90초간 실시하였다. 상기 Pt/Al 촉매층(30)은 먼저 Pt로 촉매층 잉크를 제조하여 전해질 막에 코팅하고, 그 후 Al 촉매층 잉크를 제조하여 전해질 막에 코팅하여 제조하였다.
상기 Pt 촉매층 잉크는 5 중량% Nafion 분산액 40g에 Pt 0.8 g을 혼합하고 상기 혼합물에 15 g의 물과 60 g의 글리세롤을 첨가하여 제조하였다.
애노드 측에 메탄올을 10 M 농도로, 캐소드 측에 과산화수소를 주입하였다.
상기와 같이 제조된 연료 전지의 특성을 측정한 결과 전력 밀도가 40 mW/cm2 였다. 캡슐형 내시경에 필요한 전력 조건은 약 20 mW - 3 V 인데, 요구되는 작동 시간이 10시간이므로 요구되는 총 전력량은 200 mWh이다. 따라서, 필요한 전극의 최소 면적은 0.5 cm2 이다. 5 mm2의 전극 10개로 도 1과 같이 MEA를 구성하여 50℃ 에서 성능테스트를 실시하였을 때 전지 전압과 전류 밀도의 변화를 도 3과 같이 얻었다.
또한, 과산화수소 대신 공기를 주입하였을 때의 성능을 측정한 결과도 도 3에 함께 나타내었다.
<실시예 2 및 비교예 2>
상기 실시예 1 및 비교예 1과 동일하게 연료 전지를 제조하되, 연료로 10 M 에탄올을 사용하고, PtRu 촉매층 대신 PtSn 촉매층을 사용하였다.
상기와 같이 제조된 연료 전지의 특성을 측정한 결과 전력 밀도가 20 mW/cm2 였다. 앞서 실시예 1에서 계산한 요구 전력량을 고려할 때, 필요한 전극의 최소 면적은 1.0 cm2 이다. 10 mm2의 전극 10개로 역시 도 1과 같이 MEA를 구성하여 50℃에서 성능테스트를 실시하였을 때 전지 전압과 전류 밀도의 변화를 도 4와 같이 얻었다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.
인체 내부에서 작동하는 마이크로 캡슐형 내시경은 종래에는 전원으로 수은 건전지 등과 같은 일반 건전지를 사용하여 인체 기관을 충분히 진단할만한 작동시간을 확보하지 못하였으나, 본 발명에 따른 연료 전지를 사용하면 인체 기관을 충분히 진단할만한 작동시간을 충분히 확보 가능한 효과가 있다.
또한, 인체 내부에서 작동하기에 적합하도록 공기 또는 산소 대신 산화제로 과산화수소를 연료전지에 수반토록 함으로써 인체 내부에서 확보가 불가능한 산소원의 문제를 해결함은 물론 산화제로 공기를 사용할 때보다 성능이 향상되는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 연료가 공급되는 캐소드, 산화제가 공급되는 애노드 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 개재된 전해질막을 포함하고, 상기 연료가 알코올 또는 알코올 수용액이고, 상기 산화제가 과산화수소 또는 과산화수소 수용액인 마이크로 캡슐형 로봇용 연료전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 캐소드가,
    Al을 포함하는 제 1 촉매층과 Pt을 포함하는 제 2 촉매층으로 된 이중촉매층; 또는
    Pt과 Al이 혼재하는 단일촉매층을 구비한 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐형 로봇용 연료전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드가 PtSn계 합금 또는 PtRu계 합금을 포함하는 촉매층을 구비한 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐형 로봇용 연료전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 알코올이 에탄올 또는 메탄올인 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐형 로봇용 연료전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 연료가 에탄올 또는 에탄올 수용액인 경우 애노드가 PtSn계 합금을 포함하는 촉매층을 구비하고, 캐소드가 Pt/Al의 이중촉매층을 구비한 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐형 로봇용 연료전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 연료가 에탄올 또는 에탄올 수용액인 경우 애노드가 PtRu계 합금을 포함하는 촉매층을 구비하고, 캐소드가 Pt/Al의 이중촉매층을 구비한 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐형 로봇용 연료전지.
  7. 삭제
  8. 작동을 위한 전원으로 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 따른 연료전지를 채용한 마이크로 캡슐형 로봇.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 마이크로 캡슐형 로봇이,
    캡슐형 로봇 몸체와; 상기 몸체에 장착되어 인체의 장기를 관찰하기 위한 카메라장치와; 상기 몸체에 장착되어 상기 카메라장치가 장기의 내부를 촬영할 수 있도록 장기에 빛을 조사하는 조명장치와; 상기 몸체에 장착되어 상기 카메라장치에 의하여 얻어진 영상정보를 인체 밖으로 송신하는 송신장치와; 상기 몸체에 장착되어 상기 카메라장치, 조명장치, 및 송신장치의 작동을 제어하는 제어장치; 및 상기 몸체에 장착되어 상기 카메라장치, 조명장치, 송수신장치, 제어장치에 전원을 공급하기 위한 전원공급장치를 포함하는 마이크로 캡슐형 내시경인 것을 특징으로 하는 마이크로 캡슐형 로봇.
  10. 삭제
  11. 삭제
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