▲ 윤석열 대통령과 바이든 대통령이 삼성반도체 팹에서 관계자로부터 설명을 듣고 있습니다. 웨이퍼 팹 안에 정장에 구두를 신고 들어 가는 건 희귀한 경우입니다. ⓒ 연합뉴스
그런데 제가 보기에는 과외선생이 필요한 건 대통령님이 아닐까 싶습니다. 반도체에 대한 최소한의 상식만 있었어도 청정도가 최우선인 반도체 웨이퍼 팹에 방진복도 안 입고 들어가는 실수를 할 리가 없을 테니까요. 전 부처에 특단의 노력을 지시할 정도로 반도체를 중요하게 여긴다면 전문적인 지식은 아니더라도 기본적인 상식 정도는 알아 두는 게 여러모로 좋을 것 같아서 대통령님의 '과외선생'을 자청해서 이 글을 씁니다. 그래도 되겠죠?
'네가 누군데 감히 나를 가르치려 하느냐'고 할까 봐 제 소개를 먼저 하겠습니다. 전 1988년, 삼성전자가 4메가 D램을 막 개발했던 그 해에 바로 그 회사에서 직장생활을 시작했습니다. 그 뒤로도 국내외 반도체 회사에서 계속 일을 했고, 30년이 더 지난 지금은 시스템 반도체를 만드는 유럽 반도체 회사의 싱가포르 사업장에서 일하고 있습니다. 이 정도 경력이면 아주 자격이 없는 건 아닐 겁니다.
▲ 글로벌 시장분석기업의 조사에 따르면 2021년 반도체 시장에서 시장 점유율 1위는 삼성전자, 3위는 SK 하이닉스입니다. 한국, 반도체 강국 맞습니다. ⓒ 이봉렬
반도체 제조 방식에 따른 분류도 알아 둘 필요가 있습니다. 세계에서 가장 큰 반도체 회사는 어디일까요? 글로벌 시장분석기업 가트너의 조사에 따르면 삼성전자가 2021년 매출액 기준으로 1위입니다. SK하이닉스가 3위를 차지해서 한국이 반도체 강국임을 증명하고 있습니다. 인텔이 2위를 차지했고 그 뒤로 마이크론, 퀄컴, 브로드컴 같은 회사가 따르고 있습니다. 상위 10개 회사가 전체 반도체 시장에서 차지하는 비중이 절반이 넘습니다.
그런데 이 상위 10개 반도체 회사 중에서 실제로 반도체를 생산하는 회사는 몇 개나 될까요? 절반인 다섯 개뿐입니다. 퀄컴, 브로드컴, 미디어텍, 엔비디아, AMD는 반도체 생산 시설이 없습니다. 반도체를 가장 많이 판매하는 회사들이 실제로는 반도체를 만들지 않는 이유는 이어서 설명하는 반도체 사업 형태에 따른 분류를 알면 이해가 될 겁니다.
반도체 회사의 일반적인 형태는 종합 반도체 기업(IDM, Integrated device manufacturer)입니다. 반도체의 개발과 설계를 한 후 웨이퍼 팹(Fab : fabrication facility)이라 부르는 생산시설에서 직접 만들어 유통하는 형태입니다. 삼성반도체와 SK하이닉스가 대표적인 경우입니다. 처음에는 대부분의 반도체 회사가 이 같은 형태였으나 기술력과 대규모 자본력을 모두 갖춰야 하기 때문에 팹리스(Fabless)회사가 생기게 되었습니다.
팹리스는 웨이퍼를 생산하는 팹이 없는 회사라는 뜻으로 반도체 설계를 전문적으로 하고 생산은 나중에 설명할 파운드리 회사에 외주를 맡깁니다. 처음에는 기술력은 있으나 자본과 인력이 부족한 작은 회사들이 팹리스를 했으나, 지금은 AMD나 퀄컴 같이 큰 회사들도 기존의 팹들을 분리하여 팔고 팹리스에만 집중하고 있습니다.
팹리스 업체에서 외주를 받아 반도체를 전문 생산하는 회사를 파운드리(Foundry)라 부릅니다. TSMC, 글로벌파운드리가 대표적인 파운드리 회사이며 삼성전자도 파운드리 사업에 뛰어 들었습니다. 가트너의 반도체 업체 순위 조사에서는 파운드리 업체를 제외했지만, 매출액을 보면 파운드리만 하는 TSMC가 전체 반도체 회사 중 3위일 정도로 파운드리 사업의 규모는 거대합니다.
반도체 미세공정 경쟁 혹은 나노미터 경쟁에 대해 들어 본 적 있을 겁니다. 여기서 나노미터란 반도체 칩 속 전기 회로의 선폭을 말합니다. 숫자가 작을수록 같은 크기의 칩에 더 많은 회로를 새겨 넣을 수 있습니다. 1나노미터는 10억분의 1미터로 머리카락 굵기의 2000분의 1 정도됩니다. 3나노미터 공정이라고 하면 3억분의 1미터 정도 되는 전선을 반도체 칩에 새겨 넣는다는 말인데 이렇게 가는 전선을 이용하면 칩의 크기는 작아지고, 처리속도는 빨라지고, 전력소모와 발열은 줄일 수 있습니다. 현재 이런 공정미세화 경쟁에서 가장 앞서는 회사가 TSMC, 삼성전자, 인텔입니다.
이런 미세공정을 적용해서 반도체를 생산하는 팹 내부는 그야말로 먼지 하나 없는 청정구역입니다. 먼지 하나가 선폭의 몇 배에서 몇 백배까지 더 크기 때문에 먼지가 회로 위에 떨어지면 바로 불량이 발생합니다. '클래스 1' 수준의 청정도를 유지하는 삼성전자의 최신 팹에는 가로와 세로, 높이가 각 1피트(ft)인 정육면체 공간 안에 0.5마이크로미터 보다 큰 먼지가 하나 정도 있는 수준으로 관리되고 있습니다. 얼굴에 묻어 있는 화장품 가루가 떨어져서 불량을 만들까 봐 팹에서 일하는 여사원들 화장도 못하게 하는 정도로 관리한다고 이해하면 됩니다. 그런데 그런 곳을 대통령님이 방진복도 안 입고 구두 신고 들어 갔으니 반도체 관련 일을 하는 사람들이 얼마나 놀랐겠습니까?
▲ 반도체 웨이퍼 팹 안에서 방진복을 입고 사진을 찍었습니다. 웨이퍼 품질에 영향을 주지 않기 위해 내부 조명도 노란색을 씁니다. 먼지, 기압, 습도, 조명까지 모두 일정수준을 유지해야 하는 곳이 웨이퍼 팹입니다. ⓒ 이봉렬
반도체 산업의 생태계
여기까지 설명을 듣고 '한국은 삼성전자와 SK하이닉스가 메모리 반도체에서 세계 선두이니 앞으로 이 두 회사에 인력도 많이 공급하고 여러가지 편의도 봐 주고 규제도 풀어주고 하면 되겠다'는 생각을 하면 안 됩니다. 반도체 생태계에는 설계부터 웨이퍼 생산까지만 있는 게 아니니까요.
반도체를 생산하기 위해서는 장비가 필요합니다. 노광기를 만드는 ASML 같은 경우에는 장비 한 대당 가격이 수 천억원이 넘는데도 공정미세화를 위해 꼭 필요하기 때문에 반도체 회사들이 그 장비를 사려고 늘 줄을 서 있습니다. AMAT나 LAM 같은 장비 회사 역시 특정 공정에서 독점에 가까운 위치를 차지하고 있기 때문에 반도체 장비 회사의 발전 속도에 따라 반도체 기술 전체의 수준이 결정되기도 합니다.
반도체 장비에 쓰이는 각종 부품을 만드는 회사들도 반도체 생태계에서 중요한 역할을 합니다. 로봇, 모터, 베어링, 전자기판, 센서…, 수많은 부품이 모여 장비를 구성하고 장비를 운영하는 동안 주기적으로 바꿔줘야 하기 때문에 신뢰성 있는 부품을 만드는 회사들이 많을수록 반도체 장비도 잘 만들 수 있습니다.
웨이퍼 팹에 사람과 장비만 있다고 반도체를 만들 수 있는 건 아닙니다. 가스, 케미컬, 금속류 등 생산에 필요한 수많은 원재료들이 필요합니다. 2019년 7월 일본이 주요전략수출품목에 대한 수출을 규제하겠다며 포토레지스트, 불화수소 등을 규제 품목으로 정했는데 이 둘은 반도체 생산 공정에 꼭 필요한 케미컬류입니다.
이 사건 이후 반도체에서 소재 산업의 중요성에 모두가 눈을 뜨게 됐습니다. 가스, 케미컬 같은 소재, 반도체 장비의 부품, 그리고 반도체 생산 장비의 앞 글자를 따서 '소부장' 산업이라고 한다는 것도 기억해 두면 좋겠네요. 반도체를 생산하는 팹이 있는 곳에 소부장 산업도 함께 발전할 수 있습니다.
이 밖에도 반도체 설계와 관련된 특허만을 담당하는 기업(IP 기업), 팹리스 기업이 설계한 제품을 파운드리 생산공정에 최적화할 수 있도록 돕는 디자인하우스, 팹에서 생산된 웨이퍼를 개별 제품으로 만드는 후공정 기업, 제조 공정에 사용된 부품을 세정 혹은 재생하여 다시 공급하는 기업, 중고 반도체 장비를 거래하는 기업, 팹을 건설하고 유지 보수하는 기업… 등 수많은 형태의 기업들이 반도체 생태계를 구성하고 있고 그 어느 것 하나 중요하지 않은 게 없습니다. 한마디로 한국의 반도체 기업에 삼성전자와 SK하이닉스만 있는 게 아니라는 겁니다.
반도체 강국들이 반도체 생산을 직접하지 않는 이유1
이쯤에서 이런 질문을 할 수도 있을 것 같습니다. '왜 미국이나 유럽 국가들은 한국이나 대만, 중국처럼 공격적으로 웨이퍼 팹을 짓는 대신 팹리스에 더 집중하는 것인지', '왜 파운드리 하는 회사들은 한국, 대만, 싱가포르 등 아시아 국가에 팹을 주로 짓는지' 같은 거 말입니다.
짐작하겠지만 가장 큰 이유는 돈입니다. TSMC 창업자인 모리스 창 전 회장이 얼마 전 한 팟캐스트에 출연해 이런 말을 했습니다. (미국 TSMC 공장의 25년 제조 경험에 따르면) "미국 내 반도체 제조 비용이 대만보다 50%가량 많다."
인건비가 상대적으로 낮은 한국, 중국, 대만, 싱가포르 등 아시아에 팹을 지으면 비용을 많이 아낄 수 있는 겁니다. 미국에 본사가 있는 대표적인 파운드리 업체 글로벌파운드리도 대부분의 팹이 아시아에 있습니다. 팹리스 업체들도 같은 이유로 자사 팹은 포기하고 아시아의 파운드리 업체에 생산을 맡깁니다. 아시아국가에서 제조 비용이 낮은 이유는 인건비가 싸고, 안전이나 환경 보호에 들여야 할 비용을 상대적으로 적게 쓰기 때문인데 이건 뒤에서 다시 설명하겠습니다.
두번째는 반도체 팹에서 일할 노동자를 찾기 어렵기 때문입니다. 1년 365일, 하루 24시간 계속해서 팹을 가동해야 하는 특수성 때문에 반도체 공장 노동자들은 교대근무를 하게 됩니다. 청정도 유지를 위해 기압을 높여 놓은 팹 안에서 머리부터 발끝까지 다 뒤덮는 방진복을 입고 마스크에 보안경까지 쓴 채 주야간 교대 근무를 해야 하는 노동환경 때문에 선진국에서는 팹 안에서 일하는 오퍼레이터를 구하는 게 쉽지가 않습니다. 한국을 포함한 아시아의 상황은 좀 다릅니다.
▲ 새벽 3시에 회의를 소집해서 커피를 함께 마시는 걸 자랑스레 광고하는 삼성전자."휴먼테크의 목표는 인간행복"이라는 문구가 인상적입니다. ⓒ 1991년 6월 3일 조선일보 1면 광고
1991년 삼성은 "새벽 3시의 커피타임 이야기"라는 광고를 신문과 잡지에 싣습니다. 16메가 디램 개발을 위해 연구원들이 퇴근도 못하고 밤새 일한 걸 자랑한 건데, 이런 일이 처벌대상이 아닌 자랑거리가 되는 나라가 한국이었습니다. 30년 전 이야기를 너무 우려먹는 것 아니냐고 할 수도 있습니다. 그럼 이건 어떨까요? 임형규 전 삼성전자 사장은 얼마 전 한 언론과의 인터뷰에서 이런 발언을 했습니다.
(1984년도부터는 1년에 150명 정도 병역 특례를 줬는데) "얘들이 그야말로 군대에서 하듯이 밤새 일했다. 맨날, 월화수목금금금, 매일같이 십 년 정도 하니까 도가 트인 거다."
당시 그 회사에 다니던 저 역시 그 "얘들" 중 한 명이었습니다. 저의 동기들은 대부분 병역특례를 받은 후 실제로 그렇게 일했고, 전 병역특례를 받는 대신 회사를 그만 두고 군대에 갔습니다. 사실 이건 노동착취와 다를 게 없는 일인데 임 전 사장은 2022년에도 자랑삼아 말하고 있습니다. 삼성 경영자들의 마인드가 지난 30년 동안 전혀 바뀌지 않았다는 걸 보여 줍니다. 오퍼레이터든 엔지니어든 연구원이든 이렇게 "군대에서 하듯이 밤새 일"하는 노동자들을 미국이나 유럽의 팹에서 구하기는 힘들 겁니다.
▲ TSMC의 연봉이 다른 IT 대기업에 비해 낮아서 인력을 확보하는데 어려움을 겪고 있다는 <파이낸셜타임스>의 보도 내용. TSMC 아래에 삼성전자가 보입니다. ⓒ FT 보도화면
얼마 전 <파이낸셜타임스>는 "TSMC가 미국 인력확보 전쟁에서 힘든 상황에 부딪혔다"라는 제목의 기사를 냈습니다. 미국내 TSMC의 브랜드 인지도가 낮고, 연봉도 적으며, 회사에 충성을 요구하는 기업문화도 미국과 맞지 않아 구직자들이 잘 찾지 않는다는 내용입니다. 기사에는 TSMC의 연봉이 낮다는 걸 보여주기 위해 미국 IT 대기업의 연봉을 도표로 만들어 넣었는데 비교 대상 중 TSMC보다 연봉이 낮은 회사는 삼성이 유일했습니다.
반도체 강국들이 반도체 생산을 직접하지 않는 이유2
세번째 이유는 노동자의 안전이 위협받기 때문입니다. 공장 안에 가 봐서 알겠지만 반도체는 먼지 하나 없는 넓은 공간에 최첨단 장비를 갖춘 미래산업이라는 이미지가 강합니다. 하지만 알고 보면 반도체 팹은 전형적인 3D 현장입니다.
반도체 장비는 겉으로 보기에는 깔끔하지만 공정이 이뤄지는 곳(챔버라고 부릅니다)은 온갖 가스가 반응을 하는 곳이기 때문에 상당히 지저분합니다. 식각 장비 혹은 CVD장비의 챔버를 열어 보면 화학 반응에 플라즈마 반응까지 이뤄진 공정부산물들을 볼 수 있는데 그걸 제거하는 엔지니어들은 반드시 방독면을 씁니다. 호흡기로 들어가거나 피부에 닿게 되면 치명적인 부상을 입을 수도 있어서 그런 겁니다. 그나마 장비는 깨끗한 편입니다. 장비와 연결된 펌프나 스크러버 같은 경우는 오래 사용 후 내부를 열어 보면 유해물질로 가득합니다. 정기적인 점검이 필요한 이유이기도 합니다.
더러운 건 눈에 보이는데 위험한 건 잘 보이지 않을 수 있습니다. 반도체 공장에서는 백가지가 넘는 유해가스와 케미컬을 사용하지만 각각의 물질들이 어디에 사용되고 또 얼마나 위험한지는 기업비밀이라며 잘 공개하지도 않습니다. 그래서 연구논문 하나를 가지고 왔습니다. 2011년 <대한직업환경의학회지>에 실린 "반도체 웨이퍼 가공 공정 및 잠재적 유해인자에 대한 고찰"이라는 보고서는 웨이퍼 팹의 환경에 대해 이렇게 결론을 내리고 있습니다.
"대부분의 공정에서 근로자의 건강에 장해를 줄 수 있는 화학물질을 사용하거나 물리적 유해인자를 유발하는 장치를 사용한다. 특히 웨이퍼 가공 공정별로 화학물질 교체, 장비 기계 교환 및 정비를 담당하는 정비 작업자의 유해인자 노출은 위험한 수준인 것으로 알려져 있다. 공정 특성상 웨이퍼 가공은 수많은 유해화학물질을 사용해야 하므로 화학물질에 대한 노출가능성은 일반적이다. 또한 일부 공정에서는 자외선(포토), 라디오파(플라스마 식각, 금속증착 등), 엑스레이(이온주입) 등의 물리적 유해인자도 발생되므로 이에 대한 노출위험도 존재한다."
▲ 반도체 팹에서 일하던 황유미씨의 사망 소식이 알려진 후 그동안 숨겨지고 몰랐던 수많은 사망 사건들이 드러났습니다. ⓒ 박정훈
이러한 위험성은 보고서 상에만 존재하는 것이 아닙니다. 삼성전자에서 일하다가 백혈병에 걸려 사망한 고 황유미씨 이야기는 들어 봤을 겁니다. 고인이 일했던 곳이 삼성전자 기흥 사업장 3라인이었고, 저 역시 그 라인에서 3년 가까이 일했습니다. 황유미씨는 죽었고 전 운이 좋아 아직 살아서 이런 글도 씁니다. 황유미씨의 이야기는 영화로도 나왔고, 이후 반도체 관련 직업병에 대한 조사가 이뤄져 2018년에는 삼성전자에서 일하다가 백혈병에 걸린 수많은 노동자들에게 삼성전자가 공식사과까지 했습니다.
하나 더 보죠. 2019년, 산업안전보건연구원에서 10년간의 역학조사 이후 "반도체 제조공정 근로자에 대한 건강실태 역학조사" 결과를 발표했습니다. 조사 결과에 따르면 반도체 회사에서 일하는 여성 노동자의 경우 백혈병에 걸릴 위험성은 1.55배 높았고, 이 중 웨이퍼 팹 안에서 반도체 칩을 직접 다루는 20~24살 여성 노동자의 경우는 2.74배로 더 높았습니다. 백혈병 뿐만 아니라 위암이나 유방암 그리고 신장암 그리고 일부 희귀암도 발생 위험비가 높은 것으로 나타났습니다. 이 실태를 파악하기 위해 반도체 노동자의 건강과 인권지킴이를 자처하는 '반올림'을 비롯하여 얼마나 많은 사람들이 피와 땀을 흘렸는지 모를 겁니다.
마지막으로 환경문제를 빼 놓을 수 없습니다. 반도체 공장은 엄청난 양의 물을 사용합니다. 삼성전자 평택 공장 한군데서만 방류하는 물의 양이 하루 평균 6만톤에 이릅니다. 이는 인구 18만 명이 거주하는 경기 안성시의 하루 생활폐수와 맞먹습니다. 이 6만톤은 평택호로 흘러가게 되는데 그 물은 주변 도시의 농업용수로도 쓰입니다.
▲ 삼성전자는 반도체 팹에서 방류한 하천에 수달이 찾아 왔다면서 친환경을 홍보하고 있습니다. ⓒ 삼성전자 홈페이지
반도체 공장에서 사용한 뒤 하천으로 배출하는 물 상태는 어떨까요? 농업용수로 쓰기에 안전할까요? 삼성전자는 자사의 반도체 공장에서 방류한 물이 흘러가는 오산천에 수달이 나타났다며 친환경적이라고 홍보를 합니다.과연 그럴까요?
지난 1월 <블룸버그 통신>은 미국 오스틴에 있는 삼성전자 반도체 공장에서 106일간 최대 76만 3000 갤런(약 288만 8000리터)의 산성 폐수가 유출돼 인근 지류에서 물고기가 폐사하는 등 환경 피해가 발생했다고 보도했습니다. 삼성전자 대변인은 이와 관련해 "산업폐수 내에는 황산염과 과산화수소가 섞여 있다"고 인정했습니다. 한국에서는 폐수에 수달이 찾아온다는데 미국에서는 왜 물고기가 폐사하는 걸까요? 수달은 삼성의 홍보 수단에 불과하지만 폐사한 물고기는 반도체 공장에서 방류하는 물에 대한 진실을 알려주는 증거입니다.
▲ 미국 오스틴에 위치한 삼성전자 반도체 팹에서 산성 폐수가 유출돼 인근 지류에서 물고기가 폐사하는 등 환경 피해가 발생했다고 보도했습니다. ⓒ Bloomberg 보도 화면
수질오염만 문제가 아닙니다. 반도체 공장에서 사용하는 모든 가스들은 사용후 대기 중으로 배출이 됩니다. 물론 장비와 바로 연결해서 가스를 정화하는 1차 스크러버, 그렇게 걸러진 가스를 모아서 다시 정화하는 2차 스크러버를 거쳐 기준치 이하의 가스만 배출이 되도록 설계되어 있습니다. 그런데 그 가스 정화시설이 충분하지 않거나 제대로 작동하지 않는다면 어떤 일이 생길까요?
2006년, 부천의 한 웨이퍼 팹 주차장에 있던 자동차의 유리가 부식이 되는 일이 발생했습니다. 한두 대가 아니라 주차장에 있던 거의 모든 자동차에서 동시에 발생했습니다. 그 날은 비가 내렸습니다. 제대로 정화되지 않은 채 배출되던 가스들이 비를 만나 액화가 되었고, 하늘에서 비가 아니라 케미컬이 떨어진 겁니다. 그 산성비를 맞은 차들은 모두 부식이 되었습니다. 회사는 직원들에게 함구령을 내리고 대신 유리와 차체를 모두 새것으로 교체해 주었습니다. 당시 그 회사에서 일했던 저 역시 차 유리를 바꿨습니다. 하지만 회사 주변 주택가의 차들도 유리가 부식되는 피해를 입었지만 회사가 그 사실을 숨기는 바람에 직원이 아닌 차주들은 피해 보상을 받지 못했습니다.
자동차 유리를 부식시키는 산성비를 사람이 우산 없이 맞으면 어떻게 될까요? 논밭의 식물 위에 떨어지면 어떤 일이 벌어질까요? 그 날은 비가 와서 공기 중으로 퍼져 나가던 가스가 땅으로 떨어졌지만 비가 오지 않았다면, 그래서 자동차 유리가 부식되지 않았다면 정화되지 않은 가스가 한동안 계속 배출되었을 겁니다. 환경 문제에 훨씬 더 까다로운 규제가 있는 선진국에서 반도체 팹을 쉽게 지을 수 없는 이유가 여기에 있습니다. 온갖 가스와 케미컬이 복잡한 화학반응을 일으키는 반도체 팹의 안전을 확보하기 위해 들여야 할 비용과 노력이 너무 크기 때문입니다.
반도체에 대한 제 설명은 여기까지입니다. 반도체 산업의 구조와 위험성까지 설명했는데 마치기 전에 마지막으로 간단한 퀴즈 하나 풀면서 내용을 잘 이해했는지 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다. 아래 보기 가운데 반도체 산업 관련해서 어떤 정책을 펴는 게 반도체 강국 한국의 최고지도자로서 올바른 선택일까요?
1. 반도체 산업의 발전을 위해 수도권공장총량제, 주 52시간 근무제, 환경영향평가 등 각종 규제를 풀고, 반도체 투자에 대한 세재 혜택도 주고, 대학마다 반도체 학과를 만들어 인력 공급을 위한 방안을 마련한다.
2. 종합반도체 산업에 편중된 반도체 산업의 다양화를 위해 기초학문에 대한 지원을 늘이고, 반도체 팹의 노동 조건을 지속적으로 조사해서 더 이상 반도체 노동자들이 암으로 죽는 일을 막고, 환경영향평가를 보다 철저하게 해서 한강이나 평택호로 흘러 가는 폐수는 안전한지, 반도체 건물 옥상 배기구에서 품어져 나오는 가스가 인체에 영향이 없는지 확인한다.
반도체 기업과 기업의 광고에 목을 매는 언론들은 반도체에 대한 지원만을 부르짖고 있지만 정책 결정자라면 안전과 환경을 걱정하는 다른 목소리에도 귀를 기울일 줄 알아야 합니다. 저는 반도체에 대해 기본적이고 상식선에서의 정보를 이야기했을 뿐이니 다른 전문가의 의견도 많이 듣고 현장 노동자의 목소리도 들어서 올바른 선택을 하길 기대하겠습니다.
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