서 론

전 세계적으로 화석연료의 고갈과 전자 기기 분야의 발 달로 인하여 에너지를 안전하게 저장할 수 있는 에너지 저장장치에 대한 관심이 점점 더 급증하고 있다. 이러한 다양한 에너지 저장장치들 중에는 슈퍼 커패시터, 이차전 지, 태양전지 및 연료전지 등이 현재 활발히 개발되고 있 으며 이 중에서 특히 슈퍼 커패시터는 높은 출력 밀도(2- 5 kW/kg), 빠른 충∙방전 속도 및 장수명 등의 장점을 바탕 으로 하이브리드 전기 자동차, 휴대용 전자 기기, UPS와 같은 보조 전원 등의 다양한 응용에 현재 적용되고 있는 차세대 에너지 저장장치이다[1, 2]. 슈퍼 커패시터의 주된 구성은 전극(electrode), 전해액(electrolyte), 집전체(current collector), 격리막(separator)으로 구성되어 있으며, 구동 원 리와 사용되는 전극재료에 따라 크게 의사 커패시터 (pseudocapacitors, PCs)와 전기 이중층 커패시터(electric double layer capacitors, EDLCs)로 분류된다. 먼저 의사 커 패시터는 전극과 전해액의 계면에서 faradaic 반응을 이용 한 빠른 산화∙환원 반응을 통해 에너지가 저장되며 전극 재 료로는 주로 전위금속 산화물(RuO₂, MnO₂, Co₃O₄), conducting polymers(polyanilines, polypyrroles, polythiophenes) 및 금속 황화물(CuS, NiS, MoS) 등이 이용된다. 의사 커패시 터의 경우 화학반응을 이용하여 구동되기 때문에 전기 이 중층 커패시터에 비해 용량이 3~4배 정도 높은 장점이 있 지만 사용되는 전극재료가 고가라는 단점이 있다. 반면에 전기 이중층 커패시터는 전극과 전해액의 계면에서 전해 액 내의 이온이 정전기적으로 흡착되어 전기적 이중층을 형성하고, 형성된 전기적 이중층에 전하를 축적함으로써 에너지가 저장되는 원리를 가지고 있다. 전기 이중층 커패 시터의 전극재료로는 탄소기반재료(활성탄, 그래핀, 탄소 나노튜브, 탄소나노섬유)등이 사용되고 있다[3-5]. 하지만 전기 이중층 커패시터는 의사 커패시터와 달리 이온의 물 리적 흡∙탈착을 통하여 구동되므로 용량과 에너지 밀도가 낮다는 치명적인 단점이 있다. 따라서 전기 이중층 커패시 터의 이러한 단점을 극복하기 위하여 많은 연구자들이 탄 소기반재료-산화물을 기반으로 하는 복합체 전략을 채택 하고 있다. 예를 들면, Li등은 그래핀/SnO₂ 나노 복합체를 합성하여 43.4 F/g의 용량을 얻었으며, high-rate에서의 우 수한 용량 유지율(~79%, 34.6 F/g at 1,000 mV/s) 및 전기 전도도(0.023 S/cm)를 보고하였다[6]. Park 등은 화학증착 법과 공침법을 이용하여 Fe₃O₄ 나노 입자가 내장된 탄소 나노튜브를 제조하였으며, 0.2 A/g에서 높은 용량(165.0 F/g) 및 우수한 수명 특성(초기 용량 대비 ~70.9% after 1000 cycle)을 나타내었다[7]. 이처럼 탄소기반재료-산화물 복합체의 제조는 탄소기반재료의 단점을 극복함과 동시에 비싼 고가의 산화물 전극재료의 사용량을 감소시킬 수 있 는 좋은 전략이다. 하지만 지금까지 이러한 여러 복합체와 관련된 많은 연구들이 보고되었음에도 불구하고 WS2-WWC가 내장된 탄소나노섬유 기반 복합체에 대한 연구는 보고되지 않고 있다.

본 연구에서는 슈퍼 커패시터의 성능을 향상시키기 위 해 전기방사법을 이용하여 WS₂-W-WC가 내장된 탄소나 노섬유 기반 복합체를 합성하였다. 다양한 탄소 소재들 중 에 탄소나노섬유를 선택한 이유는 전기방사법을 이용하여 비교적 쉽게 제조가 가능하고 비표면적이 넓은 장점이 있 기 때문이다[8]. 더욱이 WS₂는 최근 연구가 활발하게 진 행 중인 chalcogenide 계열의 물질로써 아직까지 연구가 많이 진행되지 않았기 때문에 본 연구를 통하여 슈퍼 커 패시터 전극 물질로서의 가능성을 제시하고자 한다[9]. 특 히 탄화과정을 거치면서 WS₂의 상변화가 발생하여 탄소 나노섬유 내에는 WS₂, W 및 WC로 이루어진 삼상이 존 재하게 된다. 이들 중에 WC는 열적 안정성, 내산성 및 촉 매 활성이 매우 우수하므로 백금을 대신하는 촉매로 태양 전지 및 연료전지 분야에 많이 응용되고 있으며, W의 경 우는 전기전도도가 높기 때문에 복합체를 형성하였을 때 슈퍼 커패시터의 전기화학적 특성 향상에 영향을 미칠 것 으로 예상된다[10, 11].

실험 방법

WS₂-W-WC가 내장된 탄소나노섬유 복합체는 전기방사 법을 이용하여 제조되었다. 이를 위해 먼저 용매(100 wt%) 에 대하여 10 wt%에 해당하는 polyacrylonitrile(PAN, Mw = 150,000 g/mol, Aldrich) 고분자를 용매인 N,N-Dimethylformamide( DMF, Aldrich)에 첨가하고 교반기를 이용하여 5 시간 동안 용해하였다. 그런 다음 균일하게 용해된 PAN 용액에 평균 입자 크기가 ~90 nm인 tungsten(IV) sulfide (WS₂, Aldrich) 나노 입자를 각각 4 wt% 및 8 wt% 첨가 하고 7 시간 더 충분히 용해시킴으로써 전기방사를 위한 용액을 준비하였다. 이 용액을 18 gauge needle이 장착된 syringe로 옮기고 syringe needle의 끝과 Al foil 포집판 사 이 거리를 15 cm로 고정시켰다. 그런 다음 DC power supply(Powertron. Co., Ltd, Korea)을 이용해 ~10 kV에 해 당하는 고전압을 인가하여 전기방사를 실시하였다. 이 때 전기방사에 영향을 미치는 변수인 syringe pump의 유량은 0.02 mL/h, 온도 및 습도는 각각 ~25°C 및 ~20%로 유지 하였다. 포집된 as-spun 상태의 복합체를 280°C의 air 분위 기 하에서 안정화시킨 후, 800°C의 고순도 질소 분위기 하에서 탄화(carbonization)시켜 WS₂-W-WC이 내장된 탄 소나노섬유 복합체를 제조하였다. 이와 같은 과정을 통해 얻어진 복합체는 WS₂ 나노 입자의 첨가량에 따라 본 논 문에서 sample A(WS₂ 4 wt%) 및 sample B(WS₂ 8 wt%) 로 언급될 것이다. 또한 비교하기 위하여 WS₂ 나노입자를 첨가하지 않은 순수한 탄소나노섬유의 특성을 함께 분석 하였다.

전기방사법을 통하여 제조된 WS₂-W-WC가 내장된 탄 소나노섬유 복합체의 형태 및 구조 분석은 주사 전자 현 미경(field-emission scanning electron microscopy, FESEM, Hitachi S-4800)과 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM, JEOL 2100F)을 이용하였고, 결정구조 및 화학적 결합상태 분석은 X-선 회절분석(X-ray diffraction, XRD, Rigaku Rint 2500)과 X-선 광전자 주사법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS, ESCALAB 250 equipped with an Al K_α X-ray source)을 통하여 수행되었다. 제조 된 복합체의 전기화학적 특성은 potentiostat/galvanostat (PGST302N, Eco Chemie, the Netherlands)을 이용하여 규 명하였다. 전기화학 평가는 작업전극(glassy carbon 전극), 기준전극(Ag/AgCl 전극), 및 상대전극(Pt wire)으로 구성 된 three-electrode system을 통하여 0.0-1.0 V의 전압범위 (Ag/AgCl(sat. KCl)) 에서 진행되었다. 슈퍼 캐패시터의 특 성 평가를 위해 제조된 잉크는 활물질, acetylene black, polyvinylidene fluoride(PVDF)를 8:1:1의 무게비로 Nmethyl- 2-pyrrolidinone(NMP)안에 첨가하였다. 그런 다음 잉크 3 μL를 glassy carbon 전극 위에 코팅하고, 80°C의 drying oven 안에서 충분히 건조시킨 후 작업전극으로 이 용하였다. 제조된 모든 전극은 5, 10, 30, 50 및 100 mV/s의 scan rate에서 전기화학 분석이 진행되었으며 전해질로는 1.0 M의 H₂SO₄ 수용액을 사용하였다.

결과 및 고찰

그림 1(a)-(d)은 탄소나노섬유, WS₂ 나노입자, sample A 및 sample B의 FESEM 이미지를 보여준다. 그림 1(a)에서 탄소나노섬유는 약 141-207 nm의 평균 직경을 나타내며 그림 1(b)의 Aldrich 사에서 제조된 WS₂ 나노입자는 평균 86-112 nm의 입자 크기를 보여주고 있다. 또한 용매 (DMF) 대비 WS₂ 나노입자가 각각 4 wt% 및 8 wt% 첨가 된 sample A 및 sample B는 탄소나노섬유 내부에 내장되 어 있는 형상을 하고 있으며 입자를 포함하는 나노섬유의 직경은 약 150-377 nm 및 약 152-566 nm 내에서 관찰되 고 있다. 다시 말해, sample A 및 sample B는 나노섬유 내 부에 존재하는 W 기반 나노입자로 인하여 기존의 탄소나 노섬유와 비교하였을 때 평균 직경이 증가되었음을 알 수 있다. 또한 morphology 측면에서 보았을 때 탄소나노섬유, sample A 및 sample B는 모두 일차원 나노섬유 형상을 하 고 있으나 전체적으로 매끈한 표면을 갖는 탄소나노섬유 와 달리 sample A 및 sample B는 상대적으로 rough 한 표 면이 보여진다. 이는 복합체 제조 시 첨가된 WS₂ 나노입 자에 기인하는 것으로 탄소나노섬유에 포함된 WS₂ 나노 입자의 무게비가 증가할수록 표면 roughness가 증가함을 알 수 있다. 따라서 그림 1(d)의 FESEM 이미지에서 보여 지는 것처럼 sample B에서 가장 큰 응집체와 표면 roughness가 관찰되었다. 더욱이 슈퍼 커패시터의 경우 이 러한 전극 재료의 표면 변화는 전기화학적 특성에도 영향 을 끼칠 것이며 이것은 후에 토의 할 예정이다.

Fig. 1.

FESEM images obtained from (a) conventional CNFs, (b) WS₂ nanoparticles, (c) sample A, and (d) sample B.

그림 2(a)-(c)는 800°C에서 탄화 과정 이후의 탄소나노 섬유, sample A 및 sample B의 고배율 TEM 이미지들을 나타내고 있으며, 각 이미지의 좌측 하단에는 저배율 TEM 이미지들을 보여주고 있다. 그림 2(a)의 저배율 TEM을 통해서는 탄소나노섬유가 전체적으로 밝은 회색 의 contrast가 균일하게 존재함을 알 수 있고, 고배율 TEM 에서는 탄소나노섬유의 불규칙한 격자구조로 관찰되고 있 다. 이것은 탄소나노섬유가 비정질 상으로 이루어져 있음 을 의미한다. 반면에 그림 2(b)와 (c)의 저배율 TEM에서 보여지듯이 sample A와 sample B는 상대적으로 밝은 contrast를 갖는 탄소나노섬유와 상대적으로 어두운 contrast를 갖는 나노입자들이 함께 존재하고 있다. 이를 통 해 sample A 및 sample B의 나노입자가 각각 약 93-384 nm 및 131-459 nm의 범위 내에서 다양한 크기와 모양으로 응집 (agglomeration)되었음을 알 수있다. 더욱이 고배율 TEM 이 미지에서는 탄소나노섬유가 각각의 W 기반 나노입자를 3-6 nm의 두께로 감싸는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과들 은 FESEM 분석 결과와도 잘 일치한다. 그러므로 우리는 제 조된 복합체들의 결정 구조 및 화학적 결합 특성들을 규명 하기 위하여 XRD 및 XPS 분석을 수행하였다.

Fig. 2.

TEM images obtained from (a) conventional CNFs, (b) sample A, and (c) sample B. Insert of Fig. 2 shows low-magnification TEM images obtained from conventional CNFs, sample A, and sample B.

그림 3(a)은 모든 샘플의 XRD 회절 패턴을 나타낸다. 탄소나노섬유는 25° 부근에서 넓고 완만한 회절 패턴이 관찰되었는데 이것은 (002) plane과 관련된 graphite 특성 을 가지고 있음을 의미한다. 또한, WS₂ 나노입자의 경우 14.3°, 33.6°, 39.5°, 49.7°, 58.5° 및 60.5°에서 각각 (002), (101), (103), (105), (110) 및 (112) planes에 해당하는 회절 패턴들이 보여지고 있으며 이 패턴들은 P6₃/mmc [194]의 공간군을 갖는 hexagonal 구조(JCPDS card No. 82-2417) 와 일치한다. 하지만 탄화 과정 이후에 sample A와 sample B는 14.3° 및 33.6°에서 WS₂ 나노입자와 관련된 회절 패턴들이 관찰되며 동시에 WC와 W상의 회절패턴들 이 나타나고 있다. 다시 말하면, WC는 31.5°, 35.6°, 48.3°, 64.0° 및 73.1°에서 각각 (001), (100), (101), (110) 및 (111) planes에 해당하는 회절 패턴들이 관찰되므로 P6m2 [187] 의 공간군을 갖는 hexagonal 구조(JCPDS card No. 73- 0471)이고, W는 40.2°, 58.3°, 73.2° 및 87.1°에서 각각 (110), (200), (211) 및 (220) planes에 해당하는 회절 패턴 들이 나타나므로 Im3m [229]의 공간군을 갖는 cubic 구조 임을 확인하였다. 이것은 sample A와 sample B에 존재하는 WS2일부가 탄화과정을 거치면서 WC와 W 로 상변화가 진 행되었으며 결국 탄소나노섬유 내부에 WS₂-W-WC이 함께 존재하고 있음을 의미한다. 이러한 WS₂ 의 상변화 이유는 다음과 같이 설명할 수 있다. 280°C의 air 분위기에서 진행 되는 안정화 단계에서 탄소나노섬유 내에 존재하는 WS₂ 나 노입자는 표면에서부터 O₂와의 반응이 시작되어 일부가 WO₃와 SO_x로 분리되며 SO_x는 기화된다[12]. 이후 진행되는 800°C 탄화과정에 WO₃에 의해 carbothermal 반응이 일어나 기 때문에 WO₃에서 W로의 환원이 발생한다. 여기서 carbothermal 반응이란 고온에서 금속산화물과 탄소의 산화 반응 엔트로피 차이로 인해 탄소의 일부가 CO gas로 변하 면서 동시에 금속산화물의 환원이 일어나는 반응을 의미하 며 이 경우의 반응식은 다음과 같다.

Fig. 3.

(a) XRD data of conventional CNFs, WS₂ nanoparticles, sample A, and sample B. XPS spectra of (b) C1s and (c) W4ƒ core levels obtained from sample B.

WO₃ + 3C → W + 3CO(g)

이 때 탄소와 맞닿아 있는 일부 W은 탄소나노섬유의 탄 소와 결합하여 WC 상을 갖게 된다[13]. 탄화과정에서의 일부 반응 온도 및 유지 시간이 완전한 반응을 하기에 충 분하지 않았기 때문에 결과적으로 탄소나노섬유 내에 삼 상(WS₂-W-WC)이 함께 존재하는 복합체 형성이 가능하였 던 것으로 판단된다. 그림 3(b)와 (c)는 sample B의 XPS 스펙트럼을 나타내고 있다. 모든 스펙트럼의 peaks은 C 1s line(284.5 eV)을 기준으로 보정하였다. 이전 연구에 의하 면 전기방사에 의해 제조된 탄소나노섬유의 C1s photoelectrons은 ~284.5 eV, ~286.0 eV, ~287.3 eV 및 ~288.9 eV에서 네 개의 작은 peaks로 나뉘어지며 이것은 탄소나 노섬유의 표면에 C-C, C-O, C=O 및 COO^- 결합이 존재함 을 의미한다[3]. Sample B의 경우 기존의 탄소나노섬유가 가지고 있는 작용기를 모두 가지고 있으면서 ~283.5 eV에 서 peak가 추가적으로 관찰되고 있으며, W 4ƒ_5/2 및 W 4ƒ_7/2 photoelectrons에 대한 XPS peaks는 ~34.7 eV 및 ~32.5 eV 에서 나타나고 있는데 이것은 모두 W 및 C 원소가 WC 로 존재하고 있음을 의미한다[14, 15]. 게다가 XPS 분석에 서는 metallic W 및 sulfur(S)와 관련된 결합이 감지되지 않는데 이는 X-ray의 침투 깊이가 매우 작아 내부의 결합 이 감지되지 않기 때문으로 판단된다. 따라서 FESEM, TEM, XRD 및 XPS를 토대로 WS2-W-WC가 내장된 탄소 나노섬유 복합체가 성공적으로 제조되었음을 확인하였다.

슈퍼 커패시터를 위한 WS2-W-WC 나노입자가 내장된 탄소나노섬유 복합체의 전기화학적 특성은 순환 전압-전 류법을(cyclic voltammetry, CV) 이용하여 수행하였다. 각 전극들의 전기화학적 특성평가는 삼극셀을 이용하여 전압 범위 0.0-1.0 V(vs. Ag/AgCl)에서 scan rate 5, 10, 30, 50 및 100 mV/s로 진행되었다. 모든 전극들의 용량은 다음 식을 통하여 계산되었다[16]:

C = (q_a+q_c) / (2 mV)

위 식에서 q_a와 q_c는 anodic 영역과 cathodic영역의 전하 량을 나타내었고, m과 V는 각각 질량과 전압범위를 의미한 다. 그림 4(a)-(d)는 탄소나노섬유, WS₂ 나노입자, sample A 및 sample B의 순환 전환-전류법 커브를 나타낸다. 그림 4(a) 에서 보여지듯이 탄소나노섬유는 redox peak이 존재 하지 않는 평평한 커브를 나타나는 전형적인 전기 이중층 커패 시터의 특성을 보여주고 있다. Sample A 및 sample B의 경우도 탄소나노섬유와 마찬가지로 전기 이중층 커패시터 특성을 갖는 커브가 관찰되고 있다. 이는 WS₂-W-WC의 표면이 탄소나노섬유에 완전히 감싸진 채로 존재하기 때 문에 이들이 직접적인 산화∙환원 반응에는 참여하지 못하 여 탄소나노섬유와 유사한 순환 전압-전류법 커브가 나타 나는 것으로 판단된다. 게다가 그림 4(a)-(d)의 결과를 위 식에 적용하여 계산하면 탄소나노섬유, WS₂ 나노입자, sample A 및 sample B의 용량은 5 mV/s의 scan rate 에서 각각 ~37.0 F/g, ~46.5 F/g, ~73.0 F/g 및 ~119.7 F/g로 나 타났다. 특히 모든 전극들 중에서 sample B가 가장 높은 용량을 보였다. 다시 말하면 sample B는 탄소나노섬유에 비해 약 3.2 배, WS₂ 나노입자에 비해 약 2.5배 높은 용량 을 가지고 있음을 의미한다. 그림 4(e)는 그림 4(a)-(d)을 통하여 얻어진 모든 전극들의 scan rate에 대한 용량 유지 율을 나타내고 있다. 탄소나노섬유, WS₂ 나노입자, sample A 및 sample B의 100 mV/s에서의 용량은 각각 ~19.4 F/g, ~4.1 F/g, ~26.4 F/g 및 ~72.5 F/g이므로 각 샘플의 100 mV/s의 high-rate에서의 초기 용량 유지율이 각각 ~52.4%, ~8.8%, ~36.1% 및 ~60.5%임을 알 수 있다. 일반적으로 scan rate이 증가할수록 전극과 전해액 간의 이온 접근성 이 저하되므로 용량도 함께 저하 된다. 그럼에도 불구하고 본 연구에서 sample B는 우수한 용량 유지율을 보여주고 있는데 이는 sample B 안에 존재하는 metallic W상의 존 재 때문으로 판단된다. 이러한 W상은 카본나노섬유의 전 기전도도 향상에 영향을 미치게 되고 이것은 결국 향상된 용량 유지율에 영향을 끼치게 된다. 그림 4(f)는 모든 전 극들의 수명 성능 데이터를 보여준다. WS₂ 나노입자의 경 우 500 cycle까지 초기 용량 대비 ~24%에 해당하는 급격 한 용량 감소를 보인다. 하지만 탄소나노섬유, sample A 및 sample B는 그림 4(f)에서 보여지듯이 cycle 수의 증가 에 따라 점진적인 용량 증가 현상이 발생한다. 이러한 현 상은 높은 비표면적과 다공성의 탄소나노섬유 특성 때문 이다. 따라서 전기화학적 평가 결과를 종합하면 sample B 의 경우, 높은 용량(~119.7 F/g), high-rate에서의 우수한 초기 용량 유지율 및 우수한 수명 특성으로 인하여 4가지 의 전극들 중에 가장 우수한 전기화학적 특성을 보여주고 있다. 이러한 전기화학적 특성 향상은 크게 3가지 요인으 로 설명할 수 있다. (I) 첫번째는 일차원 구조의 탄소나노 섬유를 사용한 것이다. 일차원 탄소나노섬유는 네트워크 구조를 형성하여 유기적으로 연결되어 있으므로 전하 및 전자 전달에 매우 용이하다[17]. (II) 두번째는 비표면적의 향상이다. 탄소나노섬유 내부에 내장된 나노입자들로 인 하여 탄소나노섬유의 표면 roughness가 증가하게 되고, 이 는 결과적으로 전기화학 반응 면적을 증가시켜주기 때문 에 슈퍼캐패시터의 용량 증가를 일으키게 된다. (III) 세번 째는 WC와 W상의 존재로 인하여 향상된 전기전도도 때 문이다. 이전 연구 결과들에 의하면 복합체를 구성하고 있 는 WC과 W의 전기 전도도는 각각 10⁵ S/cm, 1.810⁵ S/cm 이며 이것은 탄소나노섬유의 전기전도도(10² S/cm)보다 훨씬 높다[18-20]. 전기 전도도는 회로 내 전자의 이동저 항을 감소시키므로 전기화학 성능을 향상 시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서 개발된 WS₂-W-WC가 내장된 탄소나 노섬유 복합체는 고성능 슈퍼 커패시터용 전극으로 유용 하게 사용될 수 있다.

Fig. 4.

Cyclic voltammetry of (a) conventional CNFs, (b) WS₂ nanoparticles, (c) sample A, and (d) sample B characterized at scan rate from 2 mV/s to 100 mV/s in the potential range 0.0-1.0 V. (e) Capacitances of all samples derived from their CVs. (f) Cycleability of conventional CNFs, WS₂ nanoparticles, sample A, and sample B measured up to 500 cycles.

결 론

전기방사법을 이용하여 슈퍼 커패시터용 WS₂-W-WC가 내장된 탄소나노섬유 복합체를 전기방사법을 이용하여 성 공적으로 제조하였다. 탄소기반재료를 주로 사용하는 전 기 이중층 커패시터는 용량과 에너지 밀도가 낮다는 치명 적인 단점이 있으며 우리는 이러한 단점을 극복하기 위하 여 chalcogenide 계열의 WS₂ 나노입자를 전구체로 이용하 여 4 wt% (sample A) 및 8 wt% (sample B)을 준비하였다. As-spun 상태의 복합체는 탄화과정을 거치면서 carbothermal 반응에 의해 WS₂에서 WS₂-W-WC로의 상변화가 진행되 었다. 특히 슈퍼 커패시터 적용을 위한 전기화학 분석에서 는 sample B가 가장 좋은 용량(~119.7 F/g), high-rate에서 의 높은 용량 유지율 및 500 cycle 동안의 가장 우수한 수 명 특성을 보였다. 따라서 본 연구에서 개발된 전기방사법 을 통하여 제조된 WS₂-W-WC가 내장된 탄소나노섬유 복 합체는 고성능 슈퍼 커패시터를 위한 전극재료로써 가치 가 있을 것으로 판단된다.

Acknowledgements

감사의 글

This study was financially supported by the Research Program funded by the Seoul National University of Science and Technology.

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