JPH0120725B2 - - Google Patents

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JPH0120725B2
JPH0120725B2 JP59209255A JP20925584A JPH0120725B2 JP H0120725 B2 JPH0120725 B2 JP H0120725B2 JP 59209255 A JP59209255 A JP 59209255A JP 20925584 A JP20925584 A JP 20925584A JP H0120725 B2 JPH0120725 B2 JP H0120725B2
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Description

【発明の詳細な説明】
本発明は、電界に対して双安定性をもつ液晶
(以下、「双安定性液晶」という)、特に強誘電性
液晶を用いた液晶素子に関し、詳しくは1フレー
ム又は1フイールド期間の間書込み状態を保持さ
せるメモリー駆動方式を用いた時分割駆動用液晶
素子に関する。 従来より、走査電極群と信号電極群をマトリク
ス状に構成し、その電極間に液晶化合物を充填
し、多数の画素を形成して画像或いは情報の表示
を行う液晶表示素子はよく知られている。この表
示素子の駆動法としては、走査電極群に、順次、
周期的にアドレス信号を選択印加し、信号電極群
には所定の情報をアドレス信号と同期させて並列
的に選択印加する時分割駆動が採用されている
が、この表示素子及びその駆動法は、以下に述べ
る如き致命的ともいえる大きな欠点を有してい
た。 即ち、画素密度を高く、或いは画面を大きくす
るのが難しいことである。従来の液晶の中で応答
速度が比較的高く、しかも消費電力が小さいこと
から、表示素子として実用に供されているのは殆
んどが、例えば、M.SchadtとW.Helfrich著、
“Applied Physics”、Vol.18、No.4(1971.2.15)、
P.127〜128の“Voltage Dependent Optical
Activity of a Twisted Nematic Liquid
Crystal”に示されたTN(twisted nematic)型
の液晶を用いたものであり、この型の液晶は、無
電界状態で正の誘電異方性をもつ、ネマチツク液
晶の分子が、液晶層厚方向で捩れた構造(ヘリカ
ル構造)を形成し、両電極面でこの液晶の分子が
互いに平行に配列した構造を形成している。一
方、電界印加状態では、正の誘電異方性をもつネ
マチツク液晶が電界方向に配列し、この結果光学
変調を起すことができる。この型の液晶を用いて
マトリツクス電極構造によつて表示素子を構成し
た場合、走査電極と信号電極が共に選択される領
域(選択点)には、液晶分子を電極面に垂直に配
列させるに要する閾値以上の電圧が印加され、走
査電極と信号電極が共に選択されない領域(非選
択点)には電圧は印加されず、したがつて液晶分
子は電極面に対して並行な安定配列を保つてい
る。このような液晶セルの上下に、互いにクロス
ニコル関係にある直線偏光子を配置することによ
り、選択点では光が透過せず、非選択点では光が
透過するため、画像素子とすることが可能とな
る。然し乍ら、マトリクス電極構造を構成した場
合には、走査電極が選択され、信号電極が選択さ
れない領域或いは、走査電極が選択されず、信号
電極が選択される領域(所謂“半選択点”)にも
有限の電界がかかつてしまう。選択点にかかる電
圧と、半選択点にかかる電圧の差が充分に大き
く、液晶分子を電界に垂直に配列させるに要する
電圧閾値がこの中間の電圧値に設定されるなら
ば、表示素子は正常に動作するわけである。しか
し、この方式において、走査線数(N)を増やし
て行つた場合、画面全体(1フレーム)を走査す
る間に一つの選択点に有効な電界がかかつている
時間(duty比)は、1/Nの割合で減少してし
まう。このために、くり返し走査を行つた場合の
選択点と非選択点にかかる実効値としての電圧差
は、走査線数が増えれば増える程小さくなり、結
果的には画像コントラストの低下やクロストーク
が避け難い欠点となつている。このような現象
は、双安定状態を有さない液晶(電極面に対し、
液晶分子が水平に配向しているのが安定状態であ
り、電極が有効に印加されている間のみ垂直に配
向する)を時間的蓄積効果を利用して駆動する
(即ち、繰り返し走査する)ときに生じる本質的
には避け難い問題点がある。この点を改良するた
めに、電圧平均化法、2周波駆動法や多量マトリ
クス法等が既に提案されているが、いずれの方法
でも不充分であり、表示素子の大画面化や高密度
化は、走査線数が充分に増やせないことによつて
頭打ちになつているのが現状である。 本発明の目的は、前述したような従来の液晶表
示素子における問題点を悉く解決した新規な時分
割駆動用液晶素子を提供することにある。 本発明のかかる目的は、対向電極と双安定性液
晶を有する画素を複数行に配列し、該複数行の画
素に行毎に書込み信号を印加し、該書込み信号を
印加した行の画素の書込み状態を次の周期の書込
み信号が印加されるまでの間保持させる方式の時
分割駆動を行なう液晶素子であつて、前記双安定
性液晶の体積抵抗率を1×109Ω・cm以上とした
時分割駆動用液晶素子によつて達される。 その具体例の詳細は、図面を参照しつつ、後程
説明する。 本発明の時分割駆動用液晶素子で用いる液晶と
しては、加えられる電界に応じて第1の光学的安
定状態と第2の光学的安定状態とのいずれかを取
る。すなわち電界に対する双安定状態を有する物
質、特にこのような性質を有する液晶が用いられ
る。 この双安定性を有する液晶としては、強誘性を
有するカイラルスメクテイツク液晶が最も好まし
く、そのうちカイラルスメクテイツクC相
(SmC*)、H相(SmH*)、I相(SmI*)、J相
(SmJ*)、K相(SmK*)、G相(SmG*)やF相
(SmF*)の液晶が適している。 この強誘電性液晶については、“LE
JOURNAL DE PHYSIQUE LETTERS”36
(L−69)1975、「Ferroelectric Liquid
Crystals」;“Applied Physics Letters”36(11)
1980、「Submicro Second Bistable
Electrooptic Switching in Liquid Crystals」;
“固型物理”16(141)1981「液晶」等に記載され
ており、本発明ではこれらに開示された強誘電性
液晶を用いることができる。 より具体例には、本発明法に用いられる強誘電
性液晶化合物の例としては、下記のものを挙げる
ことができる(尚、式中の*は不斉炭素を表わ
す。) これらの材料を用いて、素子を構成する場合、
液晶化合物が、SmC*相やSmH*相となるような
温度状態に保持する為、必要に応じて素子をヒー
ターが埋め込まれた銅ブロツク等により支持する
ことができる。 第1図は、強誘電性液晶セルの例を模式的に描
いたものである。11と11′は、In2O3、SnO2
やITO(Indium Tin Oxide)等の透明電極がコ
ートされた基板(ガラス板)であり、その間に液
晶分子層12がガラス面に垂直になるよう配向し
たSmC*相の液晶が封入されている。太線で示し
た線13が液晶分子を表わしており、この液晶分
子13は、その分子中に直交した方向に双極子モ
ーメント(P⊥)14を有している。基板11と
11′上の電極間に一定の閾値以上の電圧を印加
すると、液晶分子13のらせん構造がほどけ、双
極子モーメント(P⊥)14はすべて電界方向に
向くよう、液晶分子13の配向方向を変えること
ができる。液晶分子13は細長い形状を有してお
り、その長軸方向と短軸方向で屈折率異方性を示
し、従つて例えばガラス面の上下に互いにクロス
ニコルの位置関係に配置した偏光子を置けば、電
圧印加極性によつて光学特性が変わる液晶光学変
調素子となることは、容易に理解される。さらに
液晶セルの厚さを充分に薄くした場合(例えば
1μ)には、第2図に示すように電界を印加して
いない状態でも液晶分子のらせん構造はほどけ、
非らせん構造となり、その双極子モーメントP又
はP′は上向き24又は下向き24′のどちらかの
状態をとる。このようなセツに第2図に示す如く
一定の閾値以上の極性の異る電界E又はE′を付与
すると、双極子モーメント電界E又はE′は電界ベ
クトルに対して上向き24又は、下向き24′と
向きを変え、それに応じて液晶分子は第1の安定
状態23かあるいは第2の安定状態23′の何れ
か一方に配向する、 このような強誘電性液晶を光学変調素子として
用いることの利点は2つある。第1に、応答速度
が極めて速いこと、第2に液晶分子の配向が双安
定性を有することである。第2の点を、例えば第
2図によつて説明すると、電界Eを印加すると液
晶分子は第1の安定状態23に配向するが、この
状態は電界を切つても安定である。又、逆向きの
電界E′を印加すると、液晶分子は第2の安定状態
23′に配向して、その分子の向きを変えるが、
やはり電界を切つてもこの状態に留つている。
又、与える電界Eが一定の閾値を越えない限り、
それぞれの配向状態にやはり維持されている。こ
のような応答速度の速さと、双安定性が有効に実
現されるには、セルとしては出来るだけ薄い方が
好ましく、一般的には、0.5μ〜20μ、特に1μ〜5μ
が適している。この種の強誘電性液晶を用いたマ
トリクス電極構造を有する液晶−電気光学装置
は、例えばクラークとラガバルにより、米国特許
第4367924号明細書で提案されている。 次に強誘電性結晶の駆動法の具体例を、第3図
〜第5図を用いて説明する。 第3図は、中間に強誘電性液晶化合物(図示せ
ず)が挟まれたマトリクス電極構造を有するセル
31の模式図である。32は、走査電極群であ
り、33は信号電極群である。最初に走査電極S1
が選択された場合について述べる。第4図aと第
4図bは走査信号であつて、それぞれ選択された
走査電極S1に印加される電気信号とそれ以外の走
査電極(選択されない走査電極)S2,S3,S4……
に印加される電気信号を示している。第4図cと
第4図dは、情報信号であつてそれぞれ選択され
た信号電極I1,I3,I5と選択されない信号電極I2
I4に与えられる電気信号を示している。 第4図および第5図においては、それぞれ横軸
が時間を、縦軸が電圧を表す。例えば、動画を表
示するような場合には、走査電極群32は遂次、
周期的に選択される。今、所定の電圧印加時間
t1、又はt2に対して双安定性を有する液晶セル
の、第1の安定状態を与えるための閾値電圧を−
Vth1とし、第2の安定状態を与えるための閾値
電圧を+Vth2とすると、選択された走査電極3
2(S1)に与えられる電極信号は、第4図aに示
される如く位相(時間)t1では、2Vを、位相
(時間)t2では、−2Vとなるような交番する電圧
である。このように選択された走査電極に互いに
電圧の異なる複数の位相間隔を有する電気信号を
印加すると、光学的「暗」あるいは「明」状態に
相当する液晶の第1あるいは第2の安定状態間で
の状態変化を、速やかに起こさせることができる
という重要な効果が得られる。 一方、それ以外の走査電極S2〜S5……は第4図
bに示す如くアース状態となつており、電気信号
0である。また、選択された信号電極I1,I3,I5
に与えられる電気信号は、第4図cに示される如
くVであり、また選択されない信号電極I2,I4
与えられる電気信号は、第4図dに示される如く
−Vである。以上に於て各々の電圧値は、以下の
関係を満足する所望の値に設定される。 V<Vth2<3V −3V<−Vth1<−V この様な電気信号が与えられたときの各画素の
うち、例えば第3図中の画素AとBにそれぞれ印
加される電圧波形を第5図のaとbに示す。すな
わち、第5図aとbより明らかな如く、選択され
た走査線上にある画素Aでは、位相t2に於て、閾
値Vth2を越える電圧3Vが印加される。又、同一
走査線上に存在する画素Bでは位相t1に於て閾値
−Vth1を越える電圧−3Vが印加される。従つて、
選択された走査電極線上に於て、信号電極が選択
されたか否かに応じて、選択された場合には、液
晶分子は第1の安定状態に配向を揃え、選択され
ない場合には第2の安定状態に配向を揃える。 一方、第5図cとdに示される如く、選択され
ない走査線上では、すべての画素に印加される電
圧はV又は−Vであつて、いずれも閾値電圧を越
えない。従つて、選択された走査線上以外の各画
素における液晶分子は、配向状態を変えることな
く前回走査されたときの信号状態に対応した配向
を、そのまま保持している。即ち、走査電極が選
択されたときにその1ライン分の信号の書き込み
が行われ、1フレームが終了して次回選択される
までの間は、その信号状態を保持し得るわけであ
る。従つて、走査電極数が増えても、実質的なデ
ユーテイ比はかわらず、コントラストの低下は全
く生じない。 次に、デイスプレイ装置として駆動を行つた場
合の実際に生じ得る問題点について考えてみる。
第3図に於て、走査電極S1〜S5……と信号電極I1
〜I5……の交点で形成する画素のうち、斜線部の
画素は「明」状態に、白地で示した画素は「暗」
状態に対応するものとする。今、第3図中の信号
電極I1上の表示に注目すると、走査電極S1に対応
する画素Aでは「明」状態であり、それ以外の画
素Bはすべて「暗」状態である。この場合の駆動
法の1実施例として、走査信号と信号電極I1に与
えられる情報信号及び画素Aに印加される電圧を
時系列的に表したものが第6図である。 例えば第6図のようにして、駆動した場合、走
査信号S1が走査されたとき、時間t2に於て画素A
には、閾値Vth2と越える電圧3Vが印加されるた
め、前歴に関係なく、画素Aは一方向の安定状
態、即ち「明」状態に転移(スイツチ)する。そ
の後は、S2〜S5……が走査される間は第6図に示
される如く−Vの電圧が印加され続けるが、これ
は閾値−Vth1を越えないため、画素Aは「明」
状態を保ち得るはずであるが、実際にはこのよう
に1つの信号電極上で一方の信号(今の場合
「暗」に対応)が与えられ続けるような情報の表
示を行う場合には、走査線数が極めて多く、しか
も高速駆動が求められるときには問題が生じ得る
ことを次のデータで示す。 第7図は、強誘電液晶材料としてDOBAMBC
(第7図中の72)及びHOBACPC(第7図中の
71)を用いたときのスイツチングに要する電圧
閾値(Vth)の印加時間依存性をプロツトしたも
のである。いずれも、液晶の厚さは1.6μで、温度
は70℃にコントロールされている。本実験の場合
は、液晶を封入すべき両側の基板には、ITOが蒸
着されたガラス板であり、Vth1Vth2(≡Vth)
であつた。 第7図より明らかな如く、閾値Vthは印加時間
依存性を持つており、さらに印加時間が短い程、
急勾配になることが理解される。このことから、
第6図aに於いて実施した如き駆動方法をとり、
これを走査線数が極めて多く、しかも高速で駆動
する素子に適用した場合には、例えば画素AはS1
走査時に於て「明」状態にスイツチされてもS2
査以降常に−Vの電圧が印加され続けるため、一
画面の走査が終了する途中で画素Aが「暗」状態
に反転してしまう危険性をもつていることがわか
る。 特に、電極上に下述の絶縁膜が形成されている
と、パルス印加時から電圧降下を生じ、パルス切
換時にこの電圧降下分の電圧が逆極性電圧となつ
て付加されることになる。この態様を第6図で明
らかにしている。すなわち、第6図のAで示す波
形では、位相t2で3Vの電圧が印加されず、次第
にαだけ電圧降下を生じ、この書込み信号を切つ
た瞬間に−αだけ余計に印加され、前述の反転現
象を早める問題点を生じていた。 そこで、本発明者らは、液晶素子を構成してい
る双安定性液晶について検討を試みたところ、双
安定性液晶の体積抵抗率を1×109Ω・cm以上、
より代表的には1×109Ω・cm〜1×1013Ω・cm、
好ましくは1×1010Ω・cm〜1×1013Ω、特に好
ましくは1×1011Ω・cm〜1×1013Ω・cmに調整
することによつて前述の反転現象を防止し、一度
書込まれた信号が次の書込みまでの間、その書込
み状態を保持することができることを見い出し
た。 一方、体積抵抗率を1×109Ω・cm以下にする
と電圧降下αが3V印加に対して3V/3程度とな
り、下述の実施例で明らかにする様に画面の途中
で表示が反転する。 前述の体積抵抗率1×109Ω・cm以上の双安定
性液晶を得る方法としては、例えばイオン吸着性
物質(Al2O3粒子;アルミナ粒子、シリカゲルな
ど)を双安定性液晶に対して10〜30重量%の割合
で混入させ、これを数時間激しく撹拌した後、濾
過する方法が用いられる。イオン吸着性物質は、
平均粒子サイズ10〜50μm程度の粒状物が好まし
い。 本明細書に記載の「体積抵抗率」は、第8図に
示す回路を用いて2周波数により矩形パルスを印
加して、次式からρ(体積抵抗率)を求めること
によつて測定することができる。 I=IC+IR=4f・C・V+V/R V:測定電圧 f:矩形波の周波数 IC:容量成分の電流値 IR:R成分の電流値 C:液晶の容量 R:液晶の抵抗(Ω) fを変えて、 I1=4f1・C・V+V/R I2=4f2・C・V+V/R ρ=RS/d d:液晶の膜厚(セルギヤツプ) s:電極面積 前述の絶縁膜に使用する絶縁物質としては、特
に制限されるものではないが、シリコン窒化物、
水素を含有するシリコン窒化物、シリコン炭化
物、水素を含有するシリコン窒化物、シリコン窒
化物、シリコン酸化物、硼素窒化物、水素を含有
する硼素窒化物、セリウム酸化物、アルミニウム
酸化物、ジルコニウム酸化物、チタン酸化物やフ
ツ化マグネシウムなどの無機絶縁物質、あるいは
ポリビニルアルコール、ポリイミド、ポリアミド
イミド、ポリエステルイミド、ポリパラキシリレ
ン、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリビニ
ルアセタール、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニ
ル、ポリアミド、ポリスチレン、セルロース樹
脂、メラミン樹脂、ユリヤ樹脂、アクリル樹脂や
フオトレジスト樹脂などの有機絶縁物質が使用さ
れる。これらの絶縁膜の膜厚は5000Å以下、好ま
しくは100Å〜5000Å、特に500Å〜3000Åが適し
ている。 又、これらの絶縁膜によつて形成される容量の
場合では、5.5×103PF/cm2以上となる様に設定す
ることによつて、前述の反転現象を一層有効に防
止することができる。その好ましい容量は、5.5
×103PF/cm2〜3.0×105PF/cm2の範囲で、特に十
分な絶縁性を保持する上で、9.0×103PF/cm2
5.5×104PF/cm2が適している。 以下、本発明を詳細な実施例に従つて説明す
る。 実施例 1 交差した帯状のITOで形成した対向マトリクス
電極のそれぞれに1000Åの膜厚を有するポリイミ
ド膜(ピロメリツト酸無水物と4,4′−ジアミノ
ジフエニルエーテルとの結合物からポリアミツク
酸樹脂の5wt%、N−メチルピロリドン溶液を塗
布し、250℃の温度で加熱閉環反応により形成し
た)を設け、このポリイミド膜の表面を互いに平
行になる様にラビングし、セル厚を1μしたセル
を作成した。 次いで、キヤノン(株)内で調整した
DOBAMBC(デシロキシベンジリデン−P′−アミ
ノ−2−メチルブチルシンナート)1重量部に対
して0.3重量部のアルミナ粒子(平均粒子サイズ
30μ)を混入し、等方相の温度下で約2時間に亘
つて機械撹拌を行なつた。この撹拌後の混合液を
濾過し、DOBAMBCを濾別した。この
DOBAMBCを等方相下で前述のセル中に真空注
入法によつて注入し、封口した。しかる後に、徐
冷(5℃/時間)によつてSmC*の液晶セルを作
成した。この液晶セルを用いて32Hzで10V及び64
Hzで10Vの電圧を印加した時の電流値を測定する
ことによつて液晶の体積抵抗率を求めたところ、
3.7×109Ω・cmであつた。 この液晶セルの両側にクロスニコルの偏光子と
検光子を配置し、対向マトリクス電極間に第4図
及び第5図に示す波形の信号を印加した。この
際、走査信号は第4図aに示す+8ボルトと−8
ボルトの交番波形とし、書込み情報は、それぞれ
+4ボルトと−4ボルトとした。又、1フレーム
期間を30m・secとした。 この結果、この液晶素子は前述のメモリー駆動
型時分割駆動を行なつても、書込み状態は、何ら
反転することなく正常な動画表示が得られた。 一方、比較テストとして前述の実施例で用いた
アルミナ粒子の存在下での機械撹拌を省略した他
は、全く同様の方法で液晶素子を作成し、液晶の
体積抵抗率を測定したところ、1.2×108Ω・cmで
あつた。この液晶素子を前述と同様の方法で駆動
させたが、書込み状態が画面の途中で反転してし
まい正常な動画が表示されなかつた。 実施例 2 実施例1で用いたDOBAMBCに代えてキヤノ
ン(株)内で調製したHOBACPC(ヘキシルオキシベ
ンジリデン−P′−アミノ−2−クロロプロピルシ
ンナヌート)を用いたほかは、実施例1と同様の
方法で液晶セルを作成した。 この液晶セルにおける液晶の体積抵抗率を測定
したところ、1.6×1010Ω・cmであつた。さらに、
この液晶セルを実施例1と同様の方法で偏光子と
検光子を配置してから、時分割駆動を行なつたと
ころ、同様に良好な動画が表示された。 一方、比較テストとしてアルミナ粒子の存在下
での機械的撹拌を省略したほかは、同様の方法で
液晶セルを作成してから、液晶の体積抵抗率を測
定したところ、5.2×108Ω・cmであつた。この液
晶セルを前述と同様の方法で時分割駆動させた
が、画面の途中で書込み状態が反転してしまい、
正常な動画が得られなかつた。 実施例3〜6及び比較例3〜6 実施例1及び2で用いたDOBAMBCと
HOBACPCについて、前述の実施例1で用いた
アルミナ粒子存在下の機械的撹拌時間を調整する
ことによつて下記表1に示す体積抵抗率をもつも
のを調製した。 これらの強誘電性液晶を封入した液晶素子を実
施例1と同様の方法で作成してから、同様の駆動
を行なつた。その結果を下記表1に示す。尚、表
中の〇印は反転現象を生じないもの、×印は反転
現象を生じたもの、△印は部分的な反転現象を生
じたものを現わしている。
【表】
【表】 又、第9図は本発明の好ましい具体例で、各画
素に補助信号として交番波形の電圧を印加した態
様を表わしている。この補助信号を各画素に印加
することによつて、前述の反転現象を一層有効に
防止することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は、本発明で用いる時分割
駆動用液晶素子を模式的に表わす斜視図である。
第3図は、本発明で用いるマトリクス電極構造の
平面図である。第4図a〜dは、マトリクス電極
に印加する電気信号を表わす説明図である。第5
図a〜dは、マトリクス電極間に付与された電圧
の波形を表わす説明図である。第6図は、本発明
の液晶素子に印加される信号を表わしたタイムチ
ヤートの説明図である。第7図は強誘電性液晶に
おける閾値電圧に対する電圧印加時間の依存性を
表わす説明図である。第8図は、液晶の体積抵抗
率を測定する際に使用した回路を表わす説明図で
ある。第9図は、本発明の液晶素子に印加される
信号を表わした別の態様のタイムチヤートの説明
図である。 11,11′;透明電極がコートされた基板、
12;液晶分子層、13;液晶分子、14;双極
子モーメント(P⊥)、24;上向き双極子モー
メント、24′;下向き双極子モーメント、2
3;第1の安定状態、23′;第2の安定状態、
32(S1,S2,……);走査電極群(走査電極)、
33(I1,I2,……);信号電極群(信号電極)。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 第1の電極群と第2の電極群との交差部で画
    素を形成したマトリクス電極、該第1の電極群と
    第2の電極群とのうち少なくとも一方の電極の上
    に設けた絶縁膜及び該第1の電極群と第2の電極
    群との間に配設させ、且つ1×109Ω・cm以上の
    体積抵抗率をもつ強誘電性液晶を有する液晶素
    子、並びに 前記第1の電極群の少なくとも1つの第1の電
    極に、選択されていない時の第1の電極への印加
    電圧を基準にして、一方極性パルス及び他方極性
    パルスを印加し、 第一方極性パルス及び他方極性パルスが印加さ
    れた第1の電極上の選択された画素に強誘電性液
    晶の一方の配向状態を生じさせる電圧を印加し、
    選択されていない画素に強誘電性液晶の他方の配
    向状態を生じさせる電圧を印加し、選択されてい
    ない時の第1の電極上の画素に強誘電性液晶の一
    方と他方の閾値電圧との間に設定した電圧を印加
    する手段 を有することを特徴とする液晶装置。
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