KR101604134B1 - 액정셔터 안경과 이를 이용한 입체 영상표시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액정셔터 안경에 관한 것으로, 안경 프레임; 및 상기 안경 프레임에 장착되는 좌안 셔터 및 우안 셔터를 구비한다. 상기 좌안 셔터와 상기 우안 셔터는 입사광에 대하여 경사지게 배치된다. 상기 입사광의 각도가 0°일 때 상기 제1 편광판의 광 흡수축의 각도가 0°, 상기 제2 편광판의 광 흡수축의 각도가 90°, 그리고 상기 액정층의 액정분자 틸트 각도가 30°~50°이다. 상기 입사광의 각도가 45°일 때 상기 제1 편광판의 광 흡수축의 각도가 -10°~0°, 상기 제2 편광판의 광 흡수축의 각도가 90°~100°, 그리고 상기 액정층의 액정분자 틸트 각도가 45°이다.

Description

액정셔터 안경과 이를 이용한 입체 영상표시장치{LIQUID CRYSTAL SHUTTER GLASSES AND STEREOSCOPIC IMAGE DISPLAY USING THE SAME}

본 발명은 액정셔터 안경과 이를 이용한 입체 영상표시장치에 관한 것이다.

입체영상 표시장치는 양안시차방식(stereoscopic technique)과 복합시차지각방식(autostereoscopic technique)으로 나뉘어진다.

양안시차방식은 입체 효과가 큰 좌우 눈의 시차 영상을 이용하며, 안경방식과 무안경방식이 있고 두 방식 모두 실용화되고 있다. 안경방식은 직시형 표시소자나 프로젝터에 좌우 시차 영상의 편광 방향을 바꿔서 또는 시분할 방식으로 표시하고, 편광 안경 또는 액정셔터 안경을 사용하여 입체 영상을 구현한다 무안경 방식은 일반적으로 좌우 시차 영상의 광축을 분리하기 위한 패럴렉스 베리어 등의 광학판을 표시 화면의 앞에 또는 뒤에 설치하는 방식이다.

안경방식의 입체 영상표시장치의 일예로는 미국특허 US 5,821,989, 미국출원 공개 US 2007022949A1 등이 알려져 있다. 안경방식의 입체 영상표시장치는 표시소 자와, 그 표시소자에 동기되어 온/오프되는 액정셔터 안경을 구비한다. 표시소자는 좌안 영상과 우안 영상을 교대로 표시한다. 사용자가 착용하는 액정셔터 안경의 좌안과 우안은 표시소자에 동기되어 교대로 개방한다. 액정셔터 안경은 액정층과, 액정층에 전계를 인가하기 위한 전극들을 포함한다. 제n(n은 양의 정수) 프레임기간 동안, 표시소자에 좌안 영상이 표시되면 액정셔터 안경의 좌안은 개방되어 표시소자로부터의 빛을 사용자의 좌안 쪽으로 투과시키는 반면, 액정셔터 안경의 우안은 표시소자로부터의 빛을 차단한다. 이어서, 제n+1 프레임기간 동안, 표시소자에 우안 영상이 표시되면 액정셔터 안경의 우안은 개방되어 표시소자로부터의 빛을 사용자의 우안 쪽으로 투과시키는 반면, 액정셔터 안경의 좌안은 표시소자로부터의 빛을 차단한다.

안경방식의 입체 영상표시장치에서, 좌안 영상으로부터 우안 영상으로 바뀌는 시간 또는 우안 영상으로부터 좌안 영상으로 바뀌는 시간에 액정의 응답시간(Response time, RT) 지연으로 인하여 액정셔터 안경의 좌안과 우안이 동시에 개방되는 구간이 나타날 수 있다. 이 경우에 사용자의 좌안과 우안에 좌안 영상 또는 우안 영상의 빛이 동시에 입사되어 입체 영상에서 좌/우안 영상 크로스토크가 발생한다.

본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점들을 해결하고자 안출된 발명으로 써 안경 방식의 입체 영상표시장치에서 입체 영상 표시품질을 높이도록 한 액정셔터 안경과 이를 이용한 입체 영상표시장치에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 액정셔터 안경은 안경 프레임; 및 상기 안경 프레임에 장착되는 좌안 셔터 및 우안 셔터를 구비한다.
상기 좌안 셔터와 상기 우안 셔터 각각은 제1 편광판과, 직류 기준전압이 공급되는 제1 전극이 형성된 제1 투명기판; 제1 편광판의 광흡수축과 교차되는 광흡수축을 가지는 제2 편광판과, 상기 제1 전극과 대향하고 교류 형태의 온/오프전압이 공급되는 제2 전극이 형성된 제2 투명기판; 및 상기 제1 및 제2 투명기판 사이에 형성되고 입사광에 대하여 10° 이상 90°미만의 각도로 경사진 액정층을 포함한다.
상기 입사광의 각도가 0°일 때 상기 제1 편광판의 광 흡수축의 각도가 0°, 상기 제2 편광판의 광 흡수축의 각도가 90°, 그리고 상기 액정층의 액정분자 틸트 각도가 30°~50°이다. 상기 입사광의 각도가 45°일 때 상기 제1 편광판의 광 흡수축의 각도가 -10°~0°, 상기 제2 편광판의 광 흡수축의 각도가 90°~100°, 그리고 상기 액정층의 액정분자 틸트 각도가 45°이다.

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상기 액정층의 경사 각도는 입사광의 수직 입사 대비 응답시간이 짧은 입사 광 방향의 각도로 설정된다.

본 발명의 실시예에 따른 입체 영상표시장치는 좌안 영상 데이터와 우안 영상 데이터를 시분할 표시하는 표시소자; 및 안경 프레임과, 상기 안경 프레임에 장착되는 좌안 셔터 및 우안 셔터를 포함한다. 이 입체 영상표시장치는 상기 액정셔터 안경을 구비한다.

본 발명은 응답시간(RT)이 감소되는 방위값을 갖도록 입사광에 대하여 경사지게 액정셔터 안경의 액정층을 배치하여 액정층의 투과율이 변하는 응답시간(RT)을 단축할 수 있다. 그 결과, 본 발명은 안경 방식의 입체 영상표시장치에서 사용자가 느끼는 좌안 영상과 우안 영상의 온/오프 응답시간(RT)을 줄여 입체 영상의 표시품질을 높일 수 있다.

상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부한 도면들을 참조한 실시예의 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.

이하, 도 1 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 입체 영상표시장치는 표시소자(DIS), 및 액정셔터 안경(ST)을 구비한다.

표시소자(DIS)는 120Hz 이상의 프레임 주파수로 좌안 영상 데이터와 우안 영상 데이터를 교대로 표시한다. 예컨대, 표시소자(DIS)는 제n 프레임기간(Fn) 동안, 좌안 영상 데이터를 표시한 후에, 제n+1 프레임기간(Fn+1) 동안 우안 영상 데이터를 표시한다.

표시소자(DIS)는 음극선관 또는 브라운관이라 불리는 CRT(Cathod Ray Tube), 전계 방출 표시장치(Field Emission Display), 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel), 및 무기 전계발광소자와 유기발광다이오드소자(Organic Light Emitting Diode, OLED)를 포함한 전계발광소자(Electroluminescence Device, EL), 액정표시장치(Liguid Crystal Display, LCD) 등의 표시장치로 구현될 수 있다. 여기서, AM TFT LCD(Active matrix LCD)의 액정표시패널은 박막트랜지스터(Thin Film Transistor: 이하, "TFT"라 함) 기판과 컬러필터 기판을 포함한다. TFT 기판과 컬러필터 기판 사이에는 액정층이 형성된다. TFT 기판 상에는 하부 유리기판 상에 데이터라인들과 게이트라인들(또는 스캔라인들)이 상호 직교되도록 형성되고, 데이터라인들과 게이트라인들에 의해 정의된 셀영역들에 액정셀들이 매트릭스 형태로 배치된다. 데이터라인들과 게이트라인들의 교차부에 형성된 TFT는 게이트라인으로부터의 스캔펄스에 응답하여 데이터라인들을 경유하여 공급되는 데이터전압을 액정셀의 화소전극에 전달하게 된다. 화소전극과 대향하는 공통전극에는 공통전압이 공급된다. 컬러필터 기판은 상부 유리기판 상에 형성된 블랙매트릭스, 컬러필터를 포함한다. 공통전극은 TN(Twisted Nematic) 모드, VA(Vertical Alignment) 모드, ECB(Electrically Controlled Birefringence)와 같은 수직전계 구동방식에서 상부 유리기판 상에 형성되며, IPS(In Plane Switching) 모드와 FFS(Fringe Field Switching) 모드와 같은 수평전계 구동방식에서 화소전극과 함께 하부 유리기판 상에 형성된다. 액정표시패널의 상부 유리기판과 하부 유리기판 각각에는 편광판이 부착되고 액정의 프리틸트각(pre-tilt angle)을 설정하기 위한 배향막이 형성된다. 액정표시패널의 상부 유리기판과 하부 유리기판 사이에는 액정층의 셀갭(cell gap)을 유지하기 위한 스페이서가 형성된다. 액정표시패널의 액정모드는 전술한 TN 모드, VA 모드, ECB 모드, IPS 모드, FFS 모드뿐 아니라 어떠한 액정모드로도 구현될 수 있다. 이러한 액정표시패널은 노말리 화이트 모드(Normally White Mode) 또는 노말리 블랙 모드(Normally Black Mode)로 구동될 수 있다. 노말리 화이트 모드의 액정표시패널은 화소전극에 인가되는 데이터전압이 높을수록 빛의 투과량을 낮춘다. 반면에, 노말리 블랙 모드의 액정표시패널은 화소전극에 인가되는 데이터전압이 높을수록 빛의 투과량을 높인다.

액정셔터 안경(ST)은 전기적으로 개별 제어되는 좌안 셔터와 우안 셔터를 구비한다. 좌안 셔터와 우안 셔터 각각은 안경 프레임(21)에 분리 장착된다. 액정층(23)에서 빛의 투과율이 변하는 응답시간(RT)을 줄이기 위하여, 좌안 셔터와 우안 셔터 각각은 도 2 및 도 3과 같이 표시소자(DIS)로부터 입사되는 빛에 대하여 10°~20°이상 90°미만의 각도로 경사진 액정층(23)과, 상부 편광판 및 하부 편광판을 포함한다. 좌안 셔터와 우안 셔터 각각에서 입사광 방향에서 최소 휘도값을 감소하기 위한 보상필름이 2 개의 편광판들 사이에 배치될 수 있다. VA 모드에서는 포지티브 A 필름과 네가티브 C 필름의 조합으로 보상필름이 적용될 수 있다. 보상필름은 포지티브 A 필름과 네가티브 C 필름에 한정되는 것이 아니라 공지된 다양한 보상 필름으로 적용될 수 있다.

이러한 액정셔터 안경(ST)은 유무선 인터페이스와 콘트롤러를 포함하여 표시소자(DIS)로부터의 제어신호를 입력받아 표시소자(DIS)와 동기되어 좌안 셔터와 우안 셔터를 교대로 온/오프시킨다.

액정셔터 안경(ST)의 좌/우안 셔터 각각은 도 3과 같은 단면 구조를 갖는다.

도 3을 참조하면, 액정셔터 안경(ST)의 좌/우안 셔터 각각은 상판과 하판 사이에 협지된 액정층(23)을 포함한다. 상판은 제1 투명기판(34)의 상면 상에 형성된 네가티브 C 필름(33), 네가티브 C 필름(33) 상에 형성된 포지티브 A 필름(32), 포지티브 A 필름(32) 상에 형성된 제1 편광판(또는 검광자, Analyser)(31), 제1 투명기판(34)의 하면 상에 형성된 제1 전극(35), 제1 전극(35) 상에 형성된 제1 배향막(36) 등을 포함한다. 제1 투명기판(34)의 하면은 액정층(36)과 대향하는 면이고, 제1 투명기판(34)의 상면은 사용자의 좌안 또는 우안과 대향하는 면이다. 제1 전극(35)에는 직류 기준전압이 인가된다. 상판에서 포지티브 A 필름(32)과 네가티브 C 필름(33)은 생략될 수 있다.

하판은 제2 투명기판(39)의 상면 상에 형성된 제2 전극(38), 제2 전극(38) 상에 형성된 제2 배향막(37), 제2 투명기판(39)의 하면 상에 형성된 제2 편광판(40) 등을 포함한다. 제2 투명기판(39)의 하면은 표시소자(DIS)와 대향하는 면 이고, 제2 투명기판(39)의 상면은 액정층(23)과 대향하는 면이다. 제2 전극(38)에는 표시소자(DIS)와 동기되어 액정셔터를 온/오프시키기 위한 교류 형태로 온전압(Von)과 오프전압(Voff)이 교대로 인가된다.

액정층(23)은 온전압(Von)에 응답하여 표시소자(DIS)로부터의 빛을 사용자 쪽으로 투과시키는 반면, 오프전압(Voff)에 응답하여 표시소자(DIS)로부터의 빛을 차단한다. 이 액정층(23)은 모노 도메인의 TN 모드, VA 모드, ECB 모드 등의 액정모드로도 구현될 수 있다. 액정셔터 안경(ST)은 노말리 화이트 모드 또는 노말리 블랙 모드로 좌/우안 셔터를 구동할 수 있다. 노말리 화이트 모드에서, 좌/우안 셔터의 온전압(Von)은 오프전압(Voff) 보다 낮게 설정된다. 이에 비하여, 노말리 블랙 모드에서 좌/우안 셔터의 온전압(Von)은 오프전압(Voff) 보다 높게 설정된다.

사용자가 느끼는 액정층(23)의 응답시간은 액정층(23)에 입사되는 빛의 각도에 따라 달라진다. 본원 발명자는 Journal of the SID 16/10, 2008, p1063-1068, "Analysis of the dependence of optical response time of LCD on the viewing direction"과, Liquid Crystals, Vol. 36, No. 1, January, 109-113, "Response time characterististics of optical shutter of vertical alignment liquid crystal cell for obliquely incident light" 등에서 입사광의 각도에 따라 액정셀의 응답시간이 달라지는 실험 결과와 이론적 배경을 상세히 설명한 바 있다. 본 발명은 위 논문들을 통해 발표한 액정층의 시야각에 따른 응답시간 변화를 이용하여 액정셔터 안경(ST)의 응답시간(RT)을 감소시킨다.

도 4는 액정셔터 안경(ST)의 온/오프 응답시간을 보여 주는 그래프이다. 도 5a는 액정셔터 안경(ST)의 좌/우안 셔터에 수직으로 입사되는 빛을 개략적으로 보여 주는 도면이다. 도 5b는 액정셔터 안경(ST)의 좌/우안 셔터에 경사지게 입사되는 빛을 개략적으로 보여 주는 도면이다.

도 5a와 같이 액정층(23)에 빛이 수직으로 입사되면, 오프전압(Voff)으로부터 온전압(Von)으로 액정층의 구동전압이 변할 때 도 4의 점선과 같이 액정층(23)의 투과율이 최소에서 최대로 변하는 응답시간(RT)이 t 만큼 지연된다. 이에 비하여, 도 5b와 같이 액정층(23)을 입사광에 대하여 10°~20°이상 90°미만의 각도로 경사지게 배치하면 도 4의 실선과 같이 액정층(23)의 투과율이 최소에서 최대로 변하는 응답시간(RT)이 짧아진다. 이러한 사실은 위 논문들에서 공개된 실험 결과에 의해 뒷받침된다.

도 6은 TN 모드의 액정층을 노말리 화이트 모드로 구동한 실험에서, 입사광에 대한 액정층의 각도 변화에 따른 투과율 실험 결과를 보여 주는 그래프이다. 도 7은 모노 도메인 VA 모드의 액정층을 노말리 블랙 모드로 구동한 실험에서, 입사광에 대한 액정층의 각도 변화에 따른 투과율 실험 결과를 보여 주는 그래프이다. 도 6 및 도 7의 실험 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 액정 모드와 구동 모드와 관계 없이 액정층(23)에 입사되는 빛의 각도에 따라 투과율이 최소값에서 최대값으로 또는 최대값에서 최소값으로 변하는 응답시간(RT)이 감소된다.

액정셔터 안경(ST)의 액정층(23)은 액정셔터의 방위값 조건에 맞게 입사광에 대하여 경사지게 배치될 수 있다. 이를 도 8 및 도 9를 설명하기로 한다.

도 8은 방위각(Azimuth angle, φ)과 극각(polar angle, θ)을 보여주는 3차 원 좌표계를 나타내는 도면이다.

평면 상에서는 x축과 y축이 교차되고, 그 축들과 수직인 z축이 존재한다. 극각(θ)은 z 축으로부터 입사광까지의 회전각으로 정의할 수 있고, 방위각(φ)은 입사광을 xy 평면에 수직으로 눕힌다고 가정할 때, x축으로부터 입사광까지의 회전각으로 정의될 수 있다. 이 좌표계에서 x축은 제1 편광판(또는 제2 편광판)의 광흡수축으로 볼 수 있고, y축은 제2 편광판(또는 제1 편공판)의 광흡수축으로 볼 수 있다.

도 8의 좌표계와 실험 결과를 바탕으로 결정되는 액정셔터(ST)의 응답시간이 감소하는 방위값 조건은 입사광 방향, 액정분자(23a)의 틸트방향, 평광판의 광흡수축 방향에 따라 결정된다. 입사광 방향의 각도는 극각(θ)과 방위각(φ)으로 나타낼 수 있다.

도 9는 액정의 방위값에 따라 달라지는 응답시간(RT)을 보여 주는 도면이다.

도 9를 참조하면, 두 개의 편광판들 중 어느 하나의 광흡수축이 0°이고 다른 하나의 광흡수축이 90°라고 가정한다. 0°보다 크고 90°보다 작은 각도로 액정분자(23a)가 틸트될 때, 입사광이 액정셔터(ST)에 입사되면 액정셔터(ST)의 응답시간은 액정셔터(ST)에 입사광이 수직(90°)으로 입사된 경우에 비하여 응답시간이 감소된다. 반면에, 입사광이 액정셔터(ST)에 180°~270° 사이의 각도로 입사되면 액정셔터(ST)의 응답시간은 액정셔터(ST)에 입사광이 수직(90°)으로 입사될 때에 비하여 응답시간이 더 증가된다.

실험 결과에 따라 액정셔터(ST)의 응답시간(RT)이 감소되는 최적의 방위값은 아래의 표 1과 같다.

편광판1	편광판2	액정분자의 틸트방향	입사광 방향
0°	90°	30°~50°	0°
-10°~0°	90~100°	45°	45°

여기서, 편광판1과 편광판2는 제1 및 제2 편광판(31, 40)의 광흡수축 방향이다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입체 영상표시장치를 보여 주는 도면이다.

도 2는 도 1에 도시된 액정셔터 안경의 액정층을 보여 주는 부분 절개 사시도이다.

도 3은 액정셔터 안경의 좌/우안 셔터 구조를 보여 주는 단면도이다.

도 4는 액정셔터 안경의 좌/우안 셔터의 응답시간을 보여 주는 그래프이다.

도 5a는 액정셔터 안경의 좌/우안 셔터에 수직으로 입사되는 빛을 개략적으로 보여 주는 도면이다.

도 5b는 액정셔터 안경의 좌/우안 셔터에 경사지게 입사되는 빛을 개략적으로 보여 주는 도면이다.

도 6은 TN 모드의 액정층을 노말리 화이트 모드로 구동한 실험에서, 입사광에 대한 액정층의 각도 변화에 따른 투과율 실험 결과를 보여 주는 그래프이다.

도 7은 모노 도메인 VA 모드의 액정층을 노말리 블랙 모드로 구동한 실험에서, 입사광에 대한 액정층의 각도 변화에 따른 투과율 실험 결과를 보여 주는 그래프이다.

도 8은 방위각과 극각을 보여주는 3차원 좌표계를 나타내는 도면이다.

도 9는 액정의 방위값에 따라 달라지는 응답시간을 보여 주는 도면이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

DIS : 표시소자 ST : 액정셔터 안경

23 : 액정층

Claims (10)

1. 안경 프레임; 및

   상기 안경 프레임에 장착되는 좌안 셔터 및 우안 셔터를 구비하고,

   상기 좌안 셔터와 상기 우안 셔터 각각은,

   제1 편광판과, 직류 기준전압이 공급되는 제1 전극이 형성된 제1 투명기판;

   제1 편광판의 광흡수축과 교차되는 광흡수축을 가지는 제2 편광판과, 상기 제1 전극과 대향하고 교류 형태의 온/오프전압이 공급되는 제2 전극이 형성된 제2 투명기판; 및

   상기 제1 및 제2 투명기판 사이에 형성되고 입사광에 대하여 10° 이상 90°미만의 각도로 경사진 액정층을 포함하고,

   상기 입사광의 각도가 0°일 때 상기 제1 편광판의 광 흡수축의 각도가 0°, 상기 제2 편광판의 광 흡수축의 각도가 90°, 그리고 상기 액정층의 액정분자 틸트 각도가 30°~50°이며,

   상기 입사광의 각도가 45°일 때 상기 제1 편광판의 광 흡수축의 각도가 -10°~0°, 상기 제2 편광판의 광 흡수축의 각도가 90°~100°, 그리고 상기 액정층의 액정분자 틸트 각도가 45°인 것을 특징으로 하는 액정셔터 안경.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 액정층은 TN 모드, VA 모드, ECB 모드 중 어느 하나의 액정모드로 구현되는 것을 특징으로 하는 액정셔터 안경.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 액정층의 경사 각도는 상기 입사광의 수직 입사 대비 응답시간이 짧은 입사광 방향의 각도로 설정되는 것을 특징으로 하는 액정셔터 안경.
6. 좌안 영상 데이터와 우안 영상 데이터를 시분할 표시하는 표시소자; 및

   안경 프레임과, 상기 안경 프레임에 장착되는 좌안 셔터 및 우안 셔터를 포함하고, 상기 표시소자에 동기하여 상기 좌안 셔터와 상기 우안 셔터가 교대로 온/오프되는 액정셔터 안경을 구비하고,

   상기 액정셔터 안경의 좌안 셔터와 우안 셔터 각각은,

   제1 편광판과, 직류 기준전압이 공급되는 제1 전극이 형성된 제1 투명기판;

   제1 편광판의 광흡수축과 교차되는 광흡수축을 가지는 제2 편광판과, 상기 제1 전극과 대향하고 교류 형태의 온/오프전압이 공급되는 제2 전극이 형성된 제2 투명기판; 및

   상기 제1 및 제2 투명기판 사이에 형성되고 입사되는 입사광에 대하여 10° 이상 90°미만의 각도로 경사진 액정층을 포함하고,

   상기 입사광의 각도가 0°일 때 상기 제1 편광판의 광 흡수축의 각도가 0°, 상기 제2 편광판의 광 흡수축의 각도가 90°, 그리고 상기 액정층의 액정분자 틸트 각도가 30°~50°이며,

   상기 입사광의 각도가 45°일 때 상기 제1 편광판의 광 흡수축의 각도가 -10°~0°, 상기 제2 편광판의 광 흡수축의 각도가 90°~100°, 그리고 상기 액정층의 액정분자 틸트 각도가 45°인 것을 특징으로 하는 입체 영상표시장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 액정층은 TN 모드, VA 모드, ECB 모드 중 어느 하나의 액정모드로 구현되는 것을 특징으로 하는 입체 영상표시장치.
8. 삭제
9. 삭제
10. 제 7 항에 있어서,

    상기 액정층의 경사 각도는 입사광의 수직 입사 대비 응답시간이 짧은 입사광 방향의 각도로 설정되는 것을 특징으로 하는 입체 영상표시장치.

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