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재료공학과전자기적성질 평가A+최고예요

재료공학과면접족보재료의 전자기적 성질①전자기학에서 전자의 속도를 계산하는 방법과 왜 그렇게 계산해야 하는가?전자와 같이 전하를 가지고 있는 입자에 전압을 걸어주면 전하량*전압에 해당하는 위치에너지를 갖게 된다. 이러한 위치에너지는 전자를 움직이게 하는 운동에너지와 같다.eV = ½mev²식으로부터 전자의 속도를 계산할 수 있다.②진공에서의 전자의 움직임과 재료에서의 전자의 움직임의 차이?전자는 거리에 따라 변화하는 potential energy를 가진다.또한 자유전자에 전기장이 가해 졌으므로 F = ma = -eE 가 성립한다.따라서 진공에서의 전자는 다음 수식을 만족한다.Fext = meaavac = Fext /me = -eE /me재료에서 전자는 진공과 다르게 이동하면서 고체내의 이온 등과의 상호작용을 통해 내부에서 발생하는 힘을 추가로 받게 되므로 엄밀하게 말하면 Fext = mea가 성립되지 않고 아래 수식을 만족하게 된다.Fext+Fint = meaacryst = (Fext+Fint)/me = Fext /me* = -eE /me*③perfect 한 결정이 존재할 수 없는 이유는 무엇인가?열역학적 설명 : △G=△H-T△S우주의 엔트로피는 증가 하려는 경향이 있어 자발적 변화가 일어난다.결정에 결함이 생기면 △S가 증가하기 때문에 에너지를 낮추고 안정한 상태로 가기위해 Crystal에 결함이 생길 수 밖에 없다. 따라서 열역학 적으로 완벽한 결정은 존재할 수 없다.양자역학적 설명 : 양자역학에 따르면 완전결정은 전자와 원자사이에 아무런 상호작용이 일어나지 않아야 가능하다. 그러나 이는 불가능 하므로 완벽한 결정은 존재할 수 없다.④Band gap이 생기는 이유와 생기는 원리를 설명. band gap이란 무엇인가?원자들이 모여서 고체를 형성하는 경우, 원래 원자에 귀속되어 있던 전자는 자신이 속해있던 원자로부터 벗어나서 고체 전체에 귀속된다. 이때 파울리의 배타원리에 의하여 한 system 내에 4가지 양자수가 동일한 전자는 존재할 수 없으므로 동일한 에 경우 가전자대의 전자가 자유전자가 되기 위해서는 에너지 band gap(Eg)을 뛰어넘어야 하므로 금속에 비해 자유전자가 생성되기가 어렵다. Eg가 2eV 이상이면 절연체라 할 수 있고 Eg가 2eV이하이면 반도체로 분류하는데 Eg가 크면 클수록 valence band의 전자가 conduction band의 에너지 준위로 들어갈 확률이 적어진다.⑫Si 반도체를 Ge 반도체보다 많이 사용하는 이유?Si 반도체의 band gap energy는 1.12eV 이며 Ge 반도체의 band gap energy는 0.7eV이다. 실제 전자회로에선 열이 많이 나기 때문에 0.7eV 정도의 에너지는 공기 중에서 쉽게 얻을 수 있는 전압이 된다. 따라서 Ge 반도체를 사용하는 경우에는 시스템이 제멋대로 on-off될 수 있으므로 열적 안정성 측면에서 Si을 많이 사용한다. SiO2 산화막은 종류가 한 가지 뿐이라 반도체공정 시 이 산화막이 mask역할을 할 수 있다.또한 무엇보다 가장 중요한 것은 Si은 지구 내에 방대한 양이 있어 구하기 쉬울 뿐 아니라 가격 측면에서도 Ge보다 훨씬 저렴하다는 큰 장점이 있다.⑬반도체의 정공이란?진성반도체에서, valence band에 있던 전자하나가 conduction band로 여기하면 해당 공유결합에서 한 개의 전자를 잃어버린다. 비어있는 자리는 전기장이 가해지면 움직이는 것처럼 보이므로 valence band의 전자가 빠진 자리를 양이온입자로 취급하는 것이다. 이를 정공 또는 홀이라 한다.금속결합 된 도체에서도 전자가 떠난 자리에 당연히 홀이 생길 것이나 이 홀은 전도에는 기여할 수 없다. 반면 반도체는 공유결합으로 이루어진 안정된 물질이므로 다른 전자가 빈자리인 홀을 채워 안정된 상태로 돌아가려 한다. 따라서 홀은 움직이는 것처럼 보이고 전도에 기여하게 된다.⑭반도체의 특정 불순물을 첨가하여 전기전도도를 제어하는 것을 도핑이라 한다. 이때 도핑원소를 선택하는 기준은? (Si을 예를 들어 설명)하나의 Si원자는 hybridizatio단위면적당 열 흐름), dT/dx : 온도구배열전도는 격자 내에서 격자진동파(phonon)와 자유전자에 의해 일어난다.kl +ke = kkl : 격자 진동 열전도율, ke : 전자 열전도율?금속과 비금속에서의 열전도도, 전기전도도 차이? →?,? 참고열전도도와 전기전도도는 자유전자에 의해 일어난다. 일반적으로 자유전자를 풍부하게 가지고 있는 금속은 열과 전기를 모두 잘 전달하지만 비금속은 자유전자가 부족하여 금속에 비해 열전도도와 전기전도도가 좋지 않다. 한편, 전자회로 기판재료는 작동 시 기판에 열이 발생하기 때문에 전기전도도는 좋고 열전도도는 나쁜 재료가 필요하다. 이에 Al2O3가 쓰인다.cf) 금속의 전기 비저항은 마시젠의 규칙(Matthiesen's rule)을 따른다.ρtotal = ρt+ρi+ρdρt : 열진동에 따른 비저항, ρi : 불순물에 따른 비저항, ρd : 소성변형에 의한 비저항?금속과 반도체의 전기전도도가 온도에 따라 어떻게 변하는지 설명금속의 경우 온도가 올라가면 온도증가에 따른 격자 불규칙성의 증가(공공과 열진동)가 전자의 움직임을 방해하고 산란을 일으켜 이동도(mobility)가 감소하고 저항이 커진다. 따라서 금속의 전기 전도도는 감소하게 된다.반도체는 온도가 올라가면 전자들이 전도대로 여기 할 수 있는 충분한 에너지가 공급되어 전자와 정공의 수가 급격하게 증가하게 된다. 물론 온도증가에 따른 격자 진동이나 공공이 증가하여 전자와 정공의 이동도는 다소 감소하지만 이는 급격한 전자와 정공의 증가를 상쇄시키지 못해 결과적으로 전도율이 크게 증가한다.cf) 외인성반도체(extrinsic semiconductor)의 경우 전체적으로는 온도증가에 따라 전도율이 증가하지만 최대치에 도달하게 되면 포화되어 그때부터 진성전도율에 도달할 때까지 약간씩 감소한다. (붕소가 도핑 된 외인성 반도체의 경우 포화상태는 붕소 원자가 가전자 대로부터 완전히 전자를 받아들인 상태이기 때문) 약 800K의 온도에서 진성 천이가 일어난다. 또한, 붕소의 도핑농 강유전체라 한다. 강유전체는 전기장이 없는 경우에도 영구적인 전기쌍극자가 존재하여 자발적 분극이 나타나는 재료이다.ferrielectric(페리유전성) : 스핀모멘트가 불완전하게 상쇄되어 분극이 나타나는 재료이다. cf) ferro-와 ferri-의 차이는 외부에 힘이 없을 때도 스핀모멘트가 존재하는 것과 스핀모멘트가 있긴 있으나 일부 상쇄가 일어나는 것의 차이이다.?자성, 반강자성, 페리자성, 강자성(페로자성) 대해 설명자성 : 하나의 재료가 다른 재료에 밀리거나 당기는 힘들이 작용하는 현상이다.반강자성(anti-ferromagnetism, a) : 이웃한 원자들 또는 이웃한 이온들의 스핀모멘트들이 완전히 반대방향으로 정렬되는 것을 반강자성 이라고 한다. 서로 반대방향으로 정렬된 자기모멘트는 상쇄되어 순수자기 모멘트를 갖지 않는다. 망간산화물(MnO) 등이 이러한 특성을 가진 재료이다.언페얼드스핀 존재하고 익스체인지커플링 존재하지만 커플링이 서로 반대방향이어서 마그네특모멘트합이 0이다.페리자성(ferrimagnetism, b) : 세라믹에서 스핀모멘트의 불완전한 상쇄효과로부터 발생한다. 반강자성과 유사하지만 자기 모멘트들이 완전하게 상쇄되지 않으므로 순수페리자기모멘트를 갖는다.강자성(ferromagnetism) : 어떠한 금속재료는 외부자기장이 가해지지 않은 경우에도 영구자기 모멘트를 소유하고 있으며 매우 큰 영구자화를 띄고 있다. 천이금속인 철, 코발트, 니켈, 희토류금속인 가돌리늄 등이 강자성을 띄고 있다. 강자성체의 영구자기모멘트는 원자자기모멘트로부터 형성되며 원자자기모멘트는 전자구조에서 상쇄되지 않은 전자스핀에 의해 생성된다. 또한 스핀모멘트에 비하여 작은 값이나 오비탈자기모멘트도 원자자기모멘트 형성에 기여하고 있다.?반자성, 상자성, 강자성에 대해 설명반자성(Diamagnetism, a) : 비영구적이며 외부에서 자기장이 가해지는 동안에만 형성되는 매우 약한 형태의 자성으로 외부에서 가해주는 자기장에 의하여 전자의 궤도운동이 변함으로써 유도되는 자반사, 흡수는 무엇이며 왜 일어나는가?굴절 : 투명한 재료내부를 통과하는 빛의 속도가 감소하면서 경계면에서 구부러지는 현상이다. 굴절은 가시광선중 비교적 높은 주파수에서 전자분극이 일어나는 것과 관련이 있다. 굴절은 매질을 구성하는 원자나 이온의 크기에 영향을 받는다. 원자나 이온의 크기가 클수록 전자분극이 더 커지고 속도가 더 감소하여 굴절지수가 커지게 된다.반사 : 광선이 한 매질에서 굴절지수가 다른 매질로 진행할 때 계면에서 산란이 일어난다.흡수 : 광선의 흡수는 세 가지 흡수기구에 의하여 일어난다. 첫째는 전자분극, 둘째는 전자천이에 의한 것이다.(band gap을 뛰어넘는 전자여기, band gap내의 불순물준위로 일어나는 전자여기)四scattering과 diffraction의 차이는 무엇인가?산란은 빛이 한 매질에서 다른 매질로 입사할 때 각각의 파장에 따라 다른 각도로 굴절되어 분리가 일어나는 현상이다. 청색계열이 적색계열보다 파장이 더 짧아 산란이 잘 일어난다.회절은 빛이 한 매질에서 다른 매질로 입사하는 것이 아니라 어떤 장애물(원자 등)을 만났을 때 그 장애물 뒤쪽으로 꺾여 진행하는 것으로 산란과는 반대로 파장이 길고 진동수가 작으며 슬릿의 폭이 좁을수록 잘 일어난다.cf) 청색계열은 적색계역보다 파장이 짧아 산란이 잘 일어난다. 이는 하늘의 색이 파란 이유가 된다.五capacitance 란 무엇인가?전하를 저장하는 capacitor의 능력을 나타내는 것. capacitor 양쪽 판에 저장된 전하량을 가해진 전압으로 나눈 값으로 정의된다. C=Q/V [C/V, F; Farad]六유전체란 무엇인가?유전체란 전기적으로 절연특성을 가지고 있으면서 동시에 전기적 쌍극자 구조를 보이거나 보이도록 만들어진 재료로 capacitor의 재료로 쓰인다. 유전체란 양성체와 음성체가 분자 또는 원자거리로 떨어져 있는 쌍극자 구조이다. 전기장 내에 물체가 들어가면 +전하와 -전하가 전기장의 영향을 받아 분극현상을 일으키게 된다. 즉, 전류가 흐르지는 않지만 분극현다.

학교| 2012.08.08| 19페이지| 25,000원| 조회(1,556)

구술면접, hall effect, 재료공학 면접족보, p형 반도체, 재료의 전자..

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재료공학과기계적성질

재료공학과면접족보재료의 기계적 거동①동질이상과 동소체의 개념동질이상(polymorphism) : 두 개 이상의 결정구조를 가지는 것. 금속결정에서 온도가 변하면 결정구조가 변할 수 있다. Fe의 경우 온도에 따라 BCC→FCC→BCC 로의 결정구조 변화를 보인다.동소체(allotropy) : 하나의 재료가 두 가지 이상의 결정구조를 갖는 것. 같은 온도에서 흑연과 다이아몬드는 같은 탄소로 이루어져 있으나 그 결정구조가 다르기 때문에 물성에 큰 차이를 보인다.cf)동소체(isotrope) : 원자의 질량이 다른 동일 원소의 원자.②결정질과 비정질의 개념원자, 이온, 분자가 3차원적으로 규칙적이고 반복적인 배열을 가지는 것을 결정질 재료라 한다. 반대로 장 범위의 원자거리에 걸쳐 체계적이고 규칙적인 원자 배열이 존재하지 않는 고체를 비정질 이라한다. 일반적으로 금속은 결정질이고 세라믹 재료의 일부는 비정질이다. 낮은 온도에서의 급속 냉각은 규칙적배열을 만들 충분한 시간이 주어지지 않으므로 비정질을 만드는 경향이 있다.③금속이나 세라믹을 박막으로 제조하면 어떻게 (결정질, 비정질)이 되는가?금속을 박막으로 제조하면 대부분 결정질이 얻어지고 세라믹을 박막으로 제조하면 비정질이 얻어진다. 그러나 아이러니 하게도 세라믹은 결정질인 것이 유용하고 금속은 비정질인 것이 유용하게 쓰이는 경우가 많다. 일반적으로 금속은 결정질이고 세라믹 재료의 일부는 비정질이다. 낮은 온도에서의 급속 냉각은 비정질을 만드는 경향이 있으므로 비정질 금속박막을 얻기 위해서는 기판을 낮은 온도로 냉각하여야 하며 세라믹박막을 결정질로 얻으려면 기판을 높은 온도에서 천천히 냉각시켜야 한다.④FCC, BCC, HCP 금속의 물성차이?FCCBCCHCPAPF0.740.680.74slip system1212(24)3(6)coordi number12812FCC 금속은 slip system이 12로 많고 (111)의 조밀충진면이 있어 가공하기가 쉽다. BCC금속은 FCC금속과 slip system이 같거나 오히려도에서 구성 원자들의 에너지는 평균에너지를 중심으로 분포를 갖게 되어 각 원자의 진동에너지는 불규칙하게 변할 것이다. 실제로 고체의 온도는 원자와 분자의 진동도를 나타내는 수치이며 재료의 용융은 원자 진동이 원자결합을 끊을 수 있도록 충분히 활발할 때 일어난다.⑪연성파괴와 취성파괴에 대하여 설명연성파괴는 상당한 소성변형 후 파괴가 일어나므로 이 과정에서 많은 에너지를 흡수하게 된다. 반면 취성재료는 소성변형이 거의 일어나지 않은 상태에서 파괴가 일어나므로 흡수 에너지의 양은 매우 적다. 취성파괴는 파괴전에 징후가 거의 없다가 갑작스럽게 파괴가 일어나므로 대형사고를 일으킬 가능성이 있다.모든 파괴과정은 균열 생성과 균열 전파의 두 단계로 나뉜다.연성재료의 경우에는 이러한 균열주위에 상당한 소성변형이 나타나 균열이 천천히 전파되는데 이를 안정된 균열이라 하며 안정된 균열은 작용응력이 증가해야지만 균열이 전파한다. 취성재료의 경우에는 균열이 매우 빠르게 전파되며 소성변형도 거의 일어나지 않는다. 이러한 취성재료의 균열은 불안정한 균열이라 하며 일단 전파하기 시작한 균열은 작용응력이 증가하지 않아도 매우 빠르게 전파된다.⑫피로파괴의 과정을 설명피로파괴란 정적인 하중으로 파괴를 일으키는 응력보다 훨씬 낮은 응력으로 반복하여 하중을 가할 때 재료가 파괴되는 현상이다. 금속파손의 90%이상을 차지하며 외관상의 변화가 없다가 파괴가 일어난다. 비철재료의 경우 아무리 적은 하중을 주어도 횟수가 많으면 반드시 파괴가 일어나지만 철류는 Fatigue limit(피로한도)이 있어 그 아래의 하중을 주면 파괴가 일어나지 않는다.과정 : 균열발생→균열전파→최종파단1. 균열발생 : 초기단계, 적절한 열처리에 의해 제거가능2. 단계1균열전파 : 전단응력이 큰 면에서 초기 균열성장이 내부로 전파하는 과정. 단결정 금속에서 일단 생성된 균열은 높은 전단응력을 받는 결정면을 따라 매우 천천히 전파해 나간다. 높은 응력상태나 시편에 노치가 있으면 이 단계는 짧게 지나간다.3. 단계2균열전파 : grain boundary 면적과 관계가 있는데 결정립의 크기가 작고 미세할수록 grain boundary 면적은 크게 된다. 이러한 grain boundary는 dislocation의 움직임을 방해 (두 결정립의 결정방향이 다르므로 전위가 결정립을 넘어가기 위해서는 방향을 바꾸어야 하며, 입계부위에서는 원자가 무질서 하게 위치하므로 한 결정립의 슬립면은 다른 결정립의 슬립면으로 연속해서 이어지지 않기 때문.) 하여 재료의 강도를 강하게 하므로 만약 나노사이즈 결정립을 만든다면 강도가 매우 커지게 될 것이다. 보통의 금속재료는 10∼100㎛ 정도의 결정립을 가지고 있으며 알루미늄의 경우에는 수 mm로 매우 크다.5. 가공경화란 열처리로 강도를 높일 수 없는 금속이나 합금재료에 물리적인 가공을 가하여 재료를 경화시키는 방법이다. 가공경화는 재료를 가공함으로써 전위밀도가 증가하게 되고 전위밀도가 증가하면 전위의 이동이 쉽게 일어나지 못하여 재료가 강화되는 현상이다. 가공경화의 속도는 Cubic이 HCP보다 더 높은데 온도가 상승하면 가공경화 속도는 떨어진다. 가공경화는 물리적 성질을 변화시키는데 수십분의 일 퍼센트 정도의 밀도가 감소하고 전기전도도는 감소하며 열팽창계수는 약간 증가하게 된다. 열간가공보다는 냉간가공이 변형응력이 높으며 냉간가공 한 재료는 내부에너지의 증가로 인하여 화학 반응성이 증가한다.⑮인성이란 무엇인가?재료의 질긴 정도. 소성영역에서 재료가 에너지를 흡수하는 능력. [J/m3]?파괴인성이란 무엇인가?균열이 존재하는 재료의 취성파괴 저항성을 나타내는 재료의 성질. 주어진 응력 확대계수의 임계값(Kc)을 초과하면 파괴가 일어나는 것. [Mpa√m]cf) 그렇다면, 응력 확대 계수란? K=Yσ√(πa), 균열주위의 응력 분포를 나타내는 계수.a : fracture시 결함의 길이. Y : 균열의 모양이나 시편 폭에 따라 달라지는 상수.시편의 두께가 어느 이상이 되면 Kc값이 시편두께의 영향을 받지 않는 평면 변형률 상태가 된다. 이때 Kc를 평면변형률감소와 상쇄되어야 한다.cf) 응력집중계수, Kt : 외부응력이 균열의 첨단에서 증폭되는 정도를 나타낸다.Kt = σm/σ0 =2(a/ρt)½σm = 2σ0(a/ρt)½?size effect에 대해 설명큰 구조물의 피로거동 예측은 실제 구조물과 같은 크기와 균열을 가지는 재료로 실험하는 것이 어렵기 때문에 작은 시편을 통해 이뤄진다. 그러나 작은 시편일수록 큰 균열을 가질 확률이 낮기 때문에 작은 시편의 피로강도는 큰 시편의 피로강도보다 높다. 또한 일반적으로 시편이 커지면 피로한이 감소한다. 이는 피로시험편의 크기를 변화에 따른 두 가지 변화 때문이다.1. 시편직경의 증가에 따른 시편 표면적의 증가2. 굽힘응력이나 비틀림응력을 받는 일반시편이나, 노치가 있는 시편의 직경이 커지면 직경방향으로의 응력의 기울기가 감소하여 재료 내 높은 응력을 받는 부위가 넓어진다.?평면응력과 평면변형률에 대해 설명평면응력(2축응력상태) : 공간상에 놓인 얇은 판을 고려하고 판의 앞뒤로 압력차가 없다면 평면응력의 문제로 볼 수 있다. 이 경우 판의 두께방향으로 수직응력과 전단응력이 0이 된다. y 방향으로만 하중을 받는 얇은 판의 노치를 고려하면 노치에서 부피의 감소가 있어 감소한 노치부피에 해당하는 인장응력까지 작용하게 된다. 시편이 y방향으로만 응력을 받고 있더라도 x방향으로 국부응력이 작용한다. 시편이 매우 얇으므로 이러한 z방향에서는 나타나지 않는 것이다.평면변형률 : 단단하고 변형하지 않는 두 물체사이에 끼어있는 물체를 고려하면 인장축과 균열전파방향에 수직인 방향으로의 변형률이 0인 조건이다. 노치를 갖는 두꺼운 판을 고려하면 z방향으로 응력이 작용하니 평면응력 조건은 만족되지 않는다. 그러나 z방향으로 바깥쪽 부분의 질량에 의해 노치중간 부분은 압축되고 있으므로 얇은 시편에서처럼 바깥쪽에서 안쪽으로 자유롭게 국부적으로 수축할 수 없다. 따라서 변형은 x, y 방향에만 한정되고 z 방향으로의 변형률은 0 이다.?세라믹은 금속에 비해 더 brittle하다. 그 이유를 설명직이며 일어난다.배향분극, Po : 영구 쌍극자 모멘트를 가지고 있는 재료에서만 발견되며 외부전기장의 방향으로 영구 쌍극자 모멘트들이 회전하여 형성된다.三빛의 굴절, 반사, 흡수는 무엇이며 왜 일어나는가?굴절 : 투명한 재료내부를 통과하는 빛의 속도가 감소하면서 경계면에서 구부러지는 현상이다. 굴절은 가시광선중 비교적 높은 주파수에서 전자분극이 일어나는 것과 관련이 있다. 굴절은 매질을 구성하는 원자나 이온의 크기에 영향을 받는다. 원자나 이온의 크기가 클수록 전자분극이 더 커지고 속도가 더 감소하여 굴절지수가 커지게 된다.반사 : 광선이 한 매질에서 굴절지수가 다른 매질로 진행할 때 계면에서 산란이 일어난다.흡수 : 광선의 흡수는 세 가지 흡수기구에 의하여 일어난다. 첫째는 전자분극, 둘째는 전자천이에 의한 것이다.(band gap을 뛰어넘는 전자여기, band gap내의 불순물준위로 일어나는 전자여기)四scattering과 diffraction의 차이는 무엇인가?산란은 빛이 한 매질에서 다른 매질로 입사할 때 각각의 파장에 따라 다른 각도로 굴절되어 분리가 일어나는 현상이다. 청색계열이 적색계열보다 파장이 더 짧아 산란이 잘 일어난다.회절은 빛이 한 매질에서 다른 매질로 입사하는 것이 아니라 어떤 장애물(원자 등)을 만났을 때 그 장애물 뒤쪽으로 꺾여 진행하는 것으로 산란과는 반대로 파장이 길고 진동수가 작으며 슬릿의 폭이 좁을수록 잘 일어난다.cf) 청색계열은 적색계역보다 파장이 짧아 산란이 잘 일어난다. 이는 하늘의 색이 파란 이유가 된다.五capacitance 란 무엇인가?전하를 저장하는 capacitor의 능력을 나타내는 것. capacitor 양쪽 판에 저장된 전하량을 가해진 전압으로 나눈 값으로 정의된다. C=Q/V [C/V, F; Farad]六유전체란 무엇인가?유전체란 전기적으로 절연특성을 가지고 있으면서 동시에 전기적 쌍극자 구조를 보이거나 보이도록 만들어진 재료로 capacitor의 재료로 쓰인다. 유전체란 양성체와 음성체가 분자 또는 원자 한다.

학교| 2012.08.08| 16페이지| 25,000원| 조회(1,011)

가공경화, 표면경화, 균열발생, 재료공학 면접족보 구술면접, 재료의 기계적성질, 재료의 기계적 거동

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분자빔 에피탁시 (MBE)의 원리 개요 를 담은 논문형식 레포트 평가A좋아요

분자선 에피탁시(molecular beam epitaxy, MBE)초록분자선 에피탁시(molecular beam epitaxy, MBE)는 반도체, 금속, 절연체 등의 epitaxtial layer 성장기술로 열에너지를 갖는 구성원소의 분자선과 초고진공(10-10 ? 10-11Torr)내에서 임의의 반응온도(400~ 800℃)로 유지된 substrate에서 장치 내의 원료 물질을 증발시켜 기판에 증착시키는 물리적 증착 기술 즉, PVD 기술의 하나이다. MBE는 다른 성장방법과 비교하여 볼 때 많은 장점을 가지고 있어 super lattice 성장은 물론 quantum well, semiconductor lasers 나 light-emitting diodes와 같은 semiconductor devices에 쓰인다.1. 개요에피탁시는 그리스 문자 epi(위에)와 taxis(배열)의 합성어로서 결정구조를 갖는 물질(기판)위에 기판과 같거나 또는 다른 결정 구조를 갖는 물질을 성장시키는 기술을 뜻한다. 쉽게 말해서 케이크처럼 층층이 자신이 원하는 물질을 기판위에 쌓는 것이라 생각하면 되겠다. 기판과 같은 결정구조를 성장하는 것을 "homo epitaxy"라 하며, 기판과 다른 경우 "hetero epitaxy"라 한다.에피탁시는 방법에 따라 크게 세 가지로 분류되는데, 액상 에피택시(liquid phase epitaxy, LPE), 기상 에피탁시(vapor phase epitaxy, VPE), 분자선 에피탁시(molecular beam epitaxy, MBE)등이 있으며, 최근에는 서로 결합된 방법도 많이 사용된다.그 중 MBE는 1970 년대 초기에 개발되었다. MBE는 반도체, 금속, 절연체 등의 epitaxtial layer 성장기술로 열에너지(thermal energy)를 갖는 구성원소의 분자선(molecular beam)과 초고진공(ultra high vacuum)내에서 임의의 반응온도로 유지된 substrate의 반응에 의해 박막이 성장된다. 따라서 MBd state diffusion)의 영향이 없다. 따라서 성장 중 합금의 조성과 doping을 조절할 수 있다. 이와 같은 성장 mechanism에 의한 특징으로 인해 MBE는 다른 성장방법에서 볼 수 없는 많은 장점을 가지고 있으며, 따라서 발전을 거듭하여 III-V족 반도체 성장을 위한 대중적인 기술로 발전하였다. MBE를 이용하여 super lattice 성장은 물론 quantum well과 같은 정교한 device의 제작도 가능하다.2. 원리MBE는 앞에서 언급했듯이 반도체, 금속, 절연체 등의 epitaxtial layer 성장기술로 열에너지(thermal energy)를 갖는 구성원소의 분자선(molecular beam)과 초고진공(ultra high vacuum)내에서 임의의 반응온도로 유지된 substrate의 반응에 의해 박막을 성장시키는 기술을 말한다. 10-10 ? 10-11Torr 정도의 초고진공 속에서 다양한 결정의 구성원소가 함유된 Knudsen effusion cell을 가열하여 나오는 증기를 분자선 형태로 방출시키는데, 이때의 진공조건은 substrate로 향하는 분자선(molecular beam)의 mass flow성질이 성장실(growth chamber) 내 residual gas의 영향을 받지 않는 범위 내에 있어야 한다. 즉, molecular beam이 substrate까지 이동하는데 residual gas와 충돌이 없어야 한다. 또한 MBE의 느린 성장속도로 인하여 growth chamber내의 residual gas에 의한 오염의 확률도 증가될 수 있으며, 이것도 진공조건에서 고려되어야 한다.MBE를 이용한 박막증착시 substrate에서 성장된 epitaxial layer의 두께와 조성의 균일성은 beam flux의 균일성과 cell과 substrate 사이의 기하학적 배치에 의존하며, 소스를 무엇으로 하느냐에 따라 조성, electrical characteristics가 결정된다.다른 박막증착 방법에 비해 뛰어난 정도의 충분한 시간이 있다. 따라서 MBE로 성장된 layer는 매우 매끄럽다. 또한 shutter 속도가 한 원자층이 성장하는 속도보다 빠르므로 shutter의 조절로 성장을 한 원자층 단위로 제어할 수 있다. 이처럼 늦은 성장속도와 정교한 beam flux의 조절이 가능한 특성을 이용하여 성장 중에 substrate surface를 RHEED(reflection high energy electron diffraction), AES(Auger electron spectroscopy), Ellipsometry등 으로 분석을 하여 성장 중 오류를 제거할 수 있으므로 정교한 성장제어가 가능하다. 반도체장치의 성능은 crystal quality와 많은 관련이 있다. solid 물질은 Amorphous solid와 Crystalline solid로 나뉘는데 여기서 Amorphous란 랜덤하게 배열된 것을 뜻하고 Crystalline은 규칙적이고 반복적인 배열을 말하는 것이다. 대부분의 진공증착 시 solid는 Amorphous layer를 가지나 MBE로 증착시킨 solid의 경우 대부분이 Crystalline layer를 가지게 되므로 이를 이용하면 high speed transistors, light-emitting diodes 와 같은 층상구조를 가지는 고성능의 신소재를 만들 수 있다.그러나 그 정교함에는 단점도 따른다. MBE의 증착속도는 매우 느려서 시간이 오래 걸리며, 대기압에서는 기체분자들이 많아서 분자를 쏘면 여기저기 충돌하므로 공기가 매우적은 고진공 상태로 만들어서 분자의 방향성이 좋게 해야 한다. 따라서 공기가 매우적은 초고진공에서 증착을 시켜야 하기 때문에 이런 환경을 만들고 유지하는 것이 어렵다. 단적인 예로 대기압을 띄고 있는 chamber를 펌프를 이용하여 초고진공으로 만들려면 15일 이상이 걸린다.3. MBE system위에서 언급했듯이 MBE는 다른 박막 성장방법에서 찾을 수 없는 많은 장점을 가지고 있다. 그러나 이러한 장점은 MBE 장치각 cell의 온도조절은 독립적으로 이루어져야 한다.d. 초고진공내의 residual gas에 탄소나 금속 성분이 있어서는 안 된다.e. 시료의 교환은 진공 속에서 이루어져야 한다.f. 기판에 도달하는 분자들은 직접 cell로부터 나온 것이어야 하며, chamber 벽을 통해 2차적으로 도달해서는 안 된다.위와 같은 점을 고려하여 제작한 MBE system을 Figure1., 2., 3 에 나타내었다.Figure 1. Schematic cross-section of a typical MBE growth chamberMBE는 stainless steel chamber내의 공기를 최대한 제거한 상태에서 증착을 한다. growth chamber는 몇 개의 vacuum furnaces (effusion cells or K-cells)를 포함하고 있어 진공을 잘 유지시킨다. 이때의 진공도는 10-10 ? 10-11Torr 정도인데 보통의 대기압이 760 Torr입을 감안하면 상당한 진공상태임을 알 수 있다. 이러한 초고진공을 유지하기 위해 metal-to-metal seals로 공기가 chamber 내로 들어오는 것을 최소화 시키고 200℃로 구워서 휘발성 오염물질(H2O, O2, CO, CO2 등)을 최대한 제거하여 chamber를 제작한다. 또한 외부펌프로 chamber 내의 공기를 제거하고 액화질소로 panel의 벽을 -195.8°C 로 cooling시킨다. 이러한 극도의 깨끗한 환경은 박막의 오염물질과 불순물을 최소화 시킨다. 만약 chamber를 열어 대기압과 같은 상태에서 다시 진공을 뽑는다면 최소 보름이상 걸리게 된다. 따라서 chamber내에 기판 등을 넣을 때 chamber와 연결된 긴 통로로 넣어 통로를 밀폐 시킨 다음 고진공을 만들어 chamber에 넣는 방식을 사용하는데, 이를 Load Lock 이라 한다. chamber 내에서 기판은 회전하여 골고루 증착되도록 하고,shutter는 분자선의 속도를 조절한다. 박막을 증착할 때의 기판온도는 400~는 셔터로 두께와 조성 등을 조절한다. 실제 사용되고 있는 MBE 장비를 Figure 4. 에 나타내었다.Figure 2. Functional schematic of a basic MBE systemFigure 3. Functional schematic of a basic MBE system in growth chamberFigure 4. William R. Wiley Environmental Molecular Sciences Laboratory에 있는 MBE system4. 박막응용MBE는 대부분의 경우 III-V족 반도체의 제조에 많이 쓰인다. III-V족 물질이란 이란 주기율표의 3족과 5족에 있는 물질들의 결합된 형태를 일컫는데, gallium (Ga), indium (In), aluminum (Al) 과 arsenic (As), phosphorus (P), antimony (Sb), and nitrogen (N) 등이 포함된다. MBE에서 사용되는 소스에는 고상소스와 기상소스가 있다. 고상소스는 gallium, arsenic과 같이 상온에서 고체 상태로 존재하는 것을 뜻하고 기상소스는 heating에 의해 furnace 내에서 만들어 지는 것을 뜻한다. 고상소스로서 gallium, arsenic 와 같은 순수한 성분은 knudsen effusion cell에서 서서히 증발 될 때까지 가열된다. gallium과 arsenic의 경우에서는 single crystal인 gallium arsenide가 형성된다.MBE system의 가동 중에 RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction)가 박막의 성장 감시를 위해 자주 사용된다. 컴퓨터가 각 furnace 앞에 위치한 shutter, 각 층의 간격, 단원자층 등을 컨트롤 한다. semiconductor lasers 나 light-emitting diodes와 같은 semiconductor devices에 쓰인다.그중 light-emitting diodes는 기본

공학/기술| 2008.11.18| 9페이지| 2,000원| 조회(2,301)

MBE, 에피택시, 분자선 에피탁시, 박막 공학

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신소재 공학의 미래

50년 후의 신소재 공학의 미래1. 지능성 재료(smart material)의 발달지능성 재료란 재료자체 혹은 현존하는 구조재료와 결합한 것으로써 재료자체가 감지, 구동, 제어, 학습 및 계산 등의 능력을 보유한 것을 말한다.이러한 지능성 재료의 발달로 기존의 재료들이 단지 주어진 환경변화를 수동적으로 견디는 한계를 넘어서 마치 생물체처럼 환경에 반응하게 될 것이다.지능성 재료의 응용분야는 혈당량을 측정하고 인슐린 펌프를 작동하는 지능성 의료기, 비행속도와 압력에 따라 모양을 바꾸어 연료를 절감할 수 있는 지능성 비행기 날개, 사람의 활동이나 기후에 따라 알맞게 반응하는 주택용 전자 색채유리, 전기장에 반응하는 지능성 근육, 형상기억 합금으로 만든 지능성 치과재료, 소음을 잡아내고 그 원인을 제거하여 잠수함이나 배가 적의 레이더에 감지되지 않도록 하는 지능성 추진력 시스템 등이 있다. 지금 현재 지능성 재료가 가장 많이 쓰이는 곳은 자동차 분야이지만 미래에는 지능성 재료가 위에서 언급한 여러 분야에서 유용하게 쓰이게 될 것이다.2. 연료전지의 발달연료전지는 기본적으로 산화 및 환원반응을 이용하는 것은 보통의 화학전지와 같지만, 닫힌 시스템 내부에서 전지반응을 하는 화학전지와 달리 연료전지는 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어 반응생성물이 시스템 외부로 제거된다. 가장 전형적인 것은 수소-산소 연료전지이다. 수소 외에 메탄과 천연가스 등의 화석연료를 사용하는 기체연료와 메탄올 및 히드라진과 같은 액체연료를 사용하는 것 등 여러 가지의 연료전지가 있다. 또, 발전효율의 향상을 꾀한 것이나, 귀금속 촉매를 사용하지 않는 고온형의 용융탄산염 연료전지를 제2세대, 보다 높은 효율로 발전을 하는 고체전해질 연료전지를 제3세대의 연료전지라고 한다. 차세대 휴대전화, 노트북PC, 인터넷 PDA 등과 같은 휴대형 디지털 기기에 대한 수요가 증가함에 따라 효율적인 에너지원의 개발이 촉진되고 있다. 현재까지 휴대전화기 및 오락기에는 일반 건전지가 주로 사용되어 왔으나 향후 소형 연료전지인 고체고분자형 연료전지가 현재 사용중인 리튬이온전지, 리튬 폴리머 전지보다 밀도가 더 높은 에너지원이 될 것으로 전망하고 있다. 또한 대형 연료전지는 석유, 석탄, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등의 대체에너지를 이용할 수 있으므로, 자원이 부족한 현실에서 연료전지는 차세대 동력원으로 가장 주목을 받을 것이라 예상한다.3. 나노기계(nanomachine)나노 기술의 발전은 궁극적으로 나노 스케일의 물질을 다룰 수 있는 나노 기계의 구현을 가능하게 할 것으로 예상된다. 나노기계의 특징은 나노미터 수준에 해당하는 분자 내지는 원자를 직접적으로 제어할 수 있다는 것이다. 이와 같은 특징은 기존의 물질의 분자구조를 변형하여 새로운 물질로 변경하거나 원자나 분자 수준의 물질들을 조합하여 원하는 구조 및 특성을 가지는 물질을 합성하는 작업을 가능하게 한다. 제안된 나노기계의 개념은 동물세포의 리보솜이 체내의 아미노산들을 조합하여 단백질을 합성해내는 것과 같은 개념의 작업을 가능하게 하는 것으로, 향후 이러한 개념의 나노기계가 구현된다면 DNA, 단백질, 바이러스, 암세포 등 인간의 질병에 관여하는 극미세 물질을 직접적으로 조정할 수 있다. 따라서 질명치료의 새로운 가능성을 열어줄 수 있을 것이다. 한편, 나노기계는 기존의 기계장치와는 전혀 다른 구조와 제조방법, 에너지원을 필요로 하는데, 이러한 숙제들을 해결하기 위한 많은 노력이 이루어지고 있고, 특히 현존하는 나노기계라 할 수 있는 생체의 organelle에 관한 연구와 융합학문으로의 접근이 활발하게 이루어지고 있어 40년 후엔 나노기계가 질병치료에 직접적으로 쓰일 것이라 예상한다.4. 나노메카트로닉스(nano mechatronics)의료, 정보통신, 자동차, 전자제품, 항공우주 산업에서 가장 중요한 핵심 기술은 정교한 부품을 고속, 대면적, 저가로 양산하는 것이다. 이를 위해서는 나노기술과 실리콘 마이크로 머시닝, LIGA, 마이크로 디스플레이, 마이크로 전력에 관한 중요 핵심 기술들을 융합하여 시너지 효과를 이뤄내는 기술이 필요하다. 또한 현재 빠른 속도로 진행되고 있는 나노기술의 발전과 제조장비기술을 결합시킨다면 정교하면서도 저렴한 미래제품을 생산하는데 더욱 효과적일 것이다. 바로 이러한 상품화는 다양한 극미세 공정기술을 유연성 있게 연계할 수 있는 공정 및 장비기술 개발에 달려있다.

공학/기술| 2008.09.22| 3페이지| 1,000원| 조회(607)

재료, 공학, 신소재, 미래, 나노

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DLVO 이론, 전기이중층, 슐체하디룰 논문형식 레포트 평가A+최고예요

DLVO의 이론과 전기적 이중층학교과목학번이름초록분산력은 유발쌍극자에 의한 무극성 분자간의 인력과 척력의 차이로서 나타낼 수 있다. 전해질 수용액과 고체 또는 불용성 액체와의 계면에는 Electrical double layer가 생기며 이온이나 potential의 분포는 계면전기 현상이나 소수 콜로이드의 안정도와 밀접한 관련이 있다는 사실이 알려져 있다.Electrical double layer와 Basics, Schulze - Hardy rule등을 고찰하여 콜로이드 안정성에 관한 DLVO (Derjagun, Landau, Verwey, Overbeek 등의 연구이론) 이론을 설명할 수 있게 되었으며 particle간의 stability를 결정짓는 중요한 요인은 바로 repusion energy와 attractive energy의 합이며, 이에 따라 분산계 중에서 표면전하를 가진 particle간의 반발전위가 일으키는 에너지 장벽의 존재를 설명하였다.DLVO 이론은 일찍이 1940년대에 Deriaguin-Landau와 Verwey-Overbeek 총 네 사람에 의해 각각 주장되었다. 이는 두 계면이 서로 접근할 때 전기 이중층 간의 상호작용과 potential분포에 대한 이온의 농도 및 이온값의 영향을 고찰하여 소수성 콜로이드의 안정도에 관해 다룬 이론으로 분산계에서 표면전하를 가지고 있는 particle간의 반발전위는 에너지 장벽을 만들게 되며 이는 곧 콜로이드 안정성에 관계한다는 이론으로 분산과 응집의 메커니즘을 잘 나타낸 이론이라 할 수 있겠다. 결론적으로, DLVO 이론에 의하면 전하에 따른 분산의 안정화는 particle이 클 때에 유리하고 또 zeta potential의 절대치가 큰 쪽이 효과적이라 알려져 있다.1. introductionDLVO 이론은 일찍이 1940년대에 Deriaguin-Landau와 Verwey-Overbeek 총 네 사람에 의해 각각 주장된 이론이다. 이는 두 계면이 서로 접근할 때 전기 이중층 간의 상호작용과 potent (그림 3)한편, 이러한 double layer thickness는 항상 일정한 것이 아니라 농도에 따라 달라지기도 한다. Debye - Huckel approximation의 의하면 concentration에 따른 double layer thickness의 변화는 그림 1과 같은 성향을 보인다. 여기서 우리는 double layer thickness의 농도가 고농도가 됨에 따라서 점점 줄어들며 그래프에서 가파른 기울기를 가지게 되는 것을 알 수 있다.그림 1. Debye - Huckel approximation에 의한 concentration에 따른 double layer potential의 fraction과 distance의 관계.만약 전해질 수용액 중에서 양으로 대전된 계면이 있고 여기에 음이온이 와서 부착되면 음이온은 양이온과 중화하도록 분포하게 될 것이다.이때 potential ø는 계면으로부터의 거리 d에 관하여 지수 함수적으로 점차 감소하여 다음과 같이 표시할 수 있다.(1)여기서 ø는 계면에 고정되는 이온층(stern layer of diffuse layer)의 potential이며, 는 상수이다. 여기서의 상수 는 ø가 øδ의 1/e이 될 때 두께의 역수에 상당하므로 -1은 전기 이중층의 두께를 나타내는 기준이 되는 값이다.이는 다시 식 (2)로 나타낼 수 있다.(2)식 (2)에서 표현된 factor들은 각각 z는 이온값, e는 전기소량, n은 이온농도 (이온수/㎤), ε은 용액의 유전율, k는 볼츠만상수, T는 절대온도이다. Double layer thickness는 식 (2)에서 표현되었듯이 이온농도와 이온 값의 영향을 받아 축소한다. 그리고 계면 간에 작용하는 Van der waals force 에 의한 인력과 potential에 의한 반발력이 평형을 이루게 되어 반발력이 없어질 때 계면의 결합, 즉 콜로이드 particle의 응집이 일어나는 것으로 생각하면 Schulze - Hardy rule의 법칙 또는 이온값의 법칙이 설명될 수 있tion를 충족할 수 있다.(7)Poisson - Boltzmann equation을 식 (7)에 수식으로 나타내었다.이는 charged surface에서 먼 type의 simple ions의 concentration이 sub script 일때 성립한다.또한, 반지름이 a이고 의 charge를 띄고있는 sphere를 고려하여 그 sphere의 바깥쪽의 potential을 풀면 다음이 성립한다.(8)Simple ion distribution에서의 correlation의 monotonic decay는 Debye-Huckel screening length, 즉 로부터 표현될 수 있다. 한편 은 다음과 같이 주어진다.(9)여기서 우리는 오직 1가 simple 이온만을 고려한 것이며 로 고려하였다.Debye huckel approximation은 highly charged된 sphere에서는 성립하지 않지만 nonlinear effects는 thin surface layer에서 가능하다. 좀 더 긴 length scale에서 nonlinear screening은 와 만 renormalize할 수 있다.이 approximation에 의하면 식 (8)으로부터 최종적으로 우리는 effective pair potential을 구할 수 있다.Primary ion과 second ion이 center to center distance, 만큼 떨어져 있다고 하고 second sphere ion이 first sphere ion의 ion cloud에 영향을 주지 않는다고 가정하면 integration이 용이해진다. 그 superposition approximation의 결과는 effective inter sphere interaction 의 screened Coulomb repulsion을 나타내는 것으로 이를 식 (10)으로 나타낼 수 있다.(10)Full DLVO theory는 dispersion interaction의 term을 포함하고 있어야 할 것이다. 이는 실제로 잘 sepae과 액체의 성질에 따라 달라지며 따라서 생성되는 전하의 부호나 량도 달라진다. 또한 액체의 pH, 계면활성제의 처리 유무에 따라서도 달라진다. 산화물계의 무기 안료가 갖는 수소이온(H+), 수산화물 이온(OH-), 그 밖에 안료particle 표면에 전이성기(-OH, -COOH, -NH2)등에 액체 중에서 해리하여 전하를 발생시킨다. 액체 중에 분산된 particle은 본질적으로는 불안정하고 표면에너지를 떨어뜨림으로써 particle 상호간에 결합을 일으키는데 이때 particle간에 작용하는 인력은 주로 Van der waals와 London 힘으로 particle간의 거리가 짧으면 급격히 증대한다.즉, 안료particle이 전하를 가지면 전기적인 반발력이 작용하고 전하가 매우 크게되면 인력을 극복하고 particle의 결합을 방지하는 것이 된다.DLVO이론에 의하면 repulsion과 attraction energy, 이 두 가지 에너지의 합은 particle의 stability를 결정한다.(13)그림 4. 두 콜로이드 particle간의 potential energy curve. Total net interation energy는 repusion과 attraction의 합으로 나타내어 진다.Electric repulsion과 Van der waals attraction은 particle의 stability를 결정한다고 언급하였다. 두 힘의 균형 관계를 고려하면 potential energy curve를 크게 세 가지 경우로 나누어 생각할 수 있다. (그림5, 6, 7) 이는 attraction과 repulsion 중 어느 것이 더 우세한가를 알 수 있으며 agglomeration이 일어날 것인지 아니면 골고루 잘 분산이 될 것인지 알 수 있게 해준다.그림 5. Electric repulsion이 Van der waals attraction보다 작은 경우.그림 5는 potential energy curve를 나타내는 그림이며 각각의 그림에서의 negatirticle이 전하를 가지면 전기적인 반발력이 작용하고 전하가 매우 크게 되면 인력을 극복하고 particle의 결합을 방지하는 것이 된다. DLVO 이론은 이 두 개의 힘과 particle의 크기 및 zeta potential의 관계를 설명한 것으로 두 개의 힘이 합치는데 최대치가 있고 그 값이 15kT(k : Boltzman 상수, T : 절대온도)보다 크면 에너지 장벽이 되어 particle의 결합을 막아 안정한 분산이 유지된다. DLVO이론에 의하면 전하에 따른 분산의 안정화는 particle이 클 때에 유리하고 또 수성의 분산쪽이 용제계의 분산보다 zetapotential의 절대치가 큰 쪽이 효과적이라 알려져 있다.즉, 이는 대략 15~20kT를 기준으로 이보다 더 작은 surface energy를 가지면 응집이 일어난다는 사실을 알 수 있다. 따라서 위 그래프 에서는 최소 100mV의 surface potential을 가져야 응집이 일어나지 않고 분산시킬 수가 있을 것이다.그림 10. 두 sphere gold particle간의 Hamaker constant에 따른 interaction energy와 surface의 separation의 분포를 나타낸 그래프.그림 10에서는 두 sphere gold particle간의 Hamaker constant에 따라 interation energy와 surface separation의 분포를 나타내고 있다. 본래 vander waals force는 큰 힘은 아니지만 미시적인 세계에선 큰 힘으로 작용할 수 있다. Hamaker constant는 van der waals force가 얼마나 큰지를 나타낸다. Hamaker constant 값이 크면 Φ atteaction값이 커지기 때문에 응집이 잘 된다.다음 식 (12)는 그림 11에서 반지름 r인 두 sphere particle이 S만큼의 간격을 두고 있을 때 그 attraction을 나타낸 것이다.(14)그림 11. 두 solid particle의 관계를 나타.

공학/기술| 2008.06.12| 18페이지| 2,000원| 조회(2,727)

DLVO, 전기 이중층, 슐체 하디 법칙

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