KR101621640B1 - 사이드-라이트 디스플레이 조명기 - Google Patents

사이드-라이트 디스플레이 조명기 Download PDF

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토마스 에릭슨
라스 스파르프
브존 마그넛 야콥슨 르 노만드
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네오노드, 인크.
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Abstract

LED에 의해 발산된 광선을 통과시키기 위한 간극을 포함하는 수직 콘-모양의 입사 표면, 통과된 광선을 대략 90°로 반사시키고, 통과된 광선을 수평으로 시준시키기 위한 폴딩 미러, 반사된 광선을 출사 표면으로 안내하기 위한 수평 가이드 및 안내된 광선을 디스플레이 스크린의 일부로 향하게 하기 위하여 디스플레이 스크린의 주변부 상에 위치된 출사 표면을 포함하되, 상기 출사 표면은 안내된 광선을 디스플레이로 향하도록 하기 위하여 수평선에서 약간의 각도로 수직으로 경사지고, 오목 렌즈처럼 수평으로 형성되어서, 안내된 광선을 디스플레이 스크린의 각진 넓은 구역 위에 수평으로 펼치는 것을 특징으로 하는 디스플레이 스크린을 조명하기 위한 광 가이드이다.

Description

사이드-라이트 디스플레이 조명기{SIDE-LIGHT DISPLAY ILLUMINATOR}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, 발명자 Thomas Eriksson, Lars Sparf 및
Figure 112014083130565-pct00001
에 의해 "SIDELIGHT DISPLAY ILLUMINATION"이라는 명칭으로 2012년 3월 13일에 미국 가특허 출원 일련 번호 제61/609,956호의 우선권 이익을 주장하고, 상기 출원의 내용은 본원에 그 전체로서 포함된다.
본 발명의 기술분야
본 발명의 기술분야는 전자 장치의 디스플레이용 조명기이다.
종래의 컴퓨터 디스플레이는 디스플레이 밑의 백라이트에 의해 조면된다. 컴퓨팅 장치가 더욱 널리 쓰이면서, 어른 및 심지어 아이들도 매일 대부분 동안 가끔, 혹은 몇 시간 동안, 컴퓨터 디스플레이로 작업을 한다.
배경에서 조명을 받고 있는 디스플레이에 대한 과도한 노출은 피로를 야기하며, 시력을 손상시킬 수 있다.
따라서, 백라이트 이외의 광원에 의해 조명되는 디스플레이를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 태양은 백 라이트 대신에 사이드 라이트에 의해 조명되는 전자 장치의 디스플레이 스크린에 관한 것이다.
따라서, LED에 의해 발산된 광선을 통과시키기 위한 간극을 포함하는 수직 콘-모양의 입사 표면, 통과된 광선을 대략 90°로 반사시키고, 통과된 광선을 수평으로 시준시키기 위한 폴딩 미러, 반사된 광선을 출사 표면으로 안내하기 위한 수평 가이드 및 안내된 광선을 디스플레이 스크린의 일부로 향하게 하기 위하여 디스플레이 스크린의 주변부 상에 위치된 출사 표면을 포함하되, 상기 출사 표면은 안내된 광선을 디스플레이로 향하도록 하기 위하여 수평선에서 약간의 각도로 수직으로 경사지고, 오목 렌즈처럼 수평으로 형성되어서, 안내된 광선을 디스플레이 스크린의 각진 넓은 구역 위에 수평으로 펼치는 것을 특징으로 하는 디스플레이 스크린을 조명하기 위한 광 가이드가 본 발명의 실시예에 따라 제공된다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여, 후술하는 상세한 설명으로부터 더욱 완전히 이해와 인식될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 디스플레이 스크린의 네 구석에 위치된 광 가이드를 통하여 전송된 광에 의해 조명되는 디스플레이를 가진 전자 장치의 상면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른, 주변 케이싱이 제거된 도 1에 도시된 전자 장치의 노출된 상면도이다.
도 3은 종래의 광-기반의 터치 스크린의 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 도 1에 도시된 전자 장치의 외부 프레임의 상면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 디스플레이 스크린의 구석에 위치된 광 가이드 중 하나를 나타내는, 도 1에 도시된 전자 장치의 외부 프레임의 상면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 디스플레이 스크린의 일부를 조명하기 위한 광을 전송하기 위한 광 가이드의 간략도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른, 디스플레이 스크린의 일부를 조명하기 위한 광 가이드를 통하여 전송된 광선의 간략화된 수직 횡-단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른, 디스플레이 스크린의 일부를 조명하기 위한 광선을 전송하는 광 가이드의 간략화된 수직 횡-단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른, 디스플레이 스크린의 일부를 조명하기 위한 광 가이드를 통하여 전송된 광선의 간략화된 수평 횡-단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른, 디스플레이 스크린의 일부를 조명하기 위한 광선을 전송하는 광 가이드의 간략화된 수평 횡-단면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른, 디스플레이의 구석에 위치된 하나의 광 가이드를 통하여 전송된 광에 의해 생성된 조명 패턴의 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른, 디스플레이 스크린의 표면 위의 광 가이드를 통한 조명의 분포의 간략화된 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른, 광 가이드에 의해 조명된 디스플레이 스크린에 대한 etendue/dS(라디안 단위)대 네 개의 광 가이드 높이 파라미터값에 대한 z (mm 단위)의 로그 플롯이다.
본 발명의 태양은, 디스플레이의 주변부 근처에 위치된 사이드광에 의한, 광 가이드를 통하여 조명된 전자 장치의 디스플레이 스크린에 관한 것이다.
도 1을 참조하면, 이는 본 발명의 실시예에 따라, 디스플레이의 네 구석에 위치된 광 가이드(200)를 통해 전송된 광에 의해 조명되는 디스플레이(110)를 가진 전자 장치(100)의 상면도이다. 케이싱(120)은 디스플레이 스크린(110)의 주변부를 둘러싼다.
도 2를 참조하면, 이는 본 발명의 실시예에 따라, 주변 케이싱(120)이 제거된, 전자 장치(100)의 노출된 상면도이다. 도 2는 디스플레이 스크린(110)용 회로가 장착된 인쇄 회로 기판(300)을 도시한다.
또한, 도 2는 디스플레이 스크린(110)이 터치-감지형 디스플레이 스크린인 본 발명의 실시예에서 사용되는 프로젝터(130)도 도시한다. 본 실시예에서, 적외선을 발산하기 위한 복수의 적외선 이미터(101)가 디스플레이 스크린(110)의 주변부 근처에 구비되고, 적외선 이미터에 의해 발산되는 적외선을 수신하기 위한 복수의 적외선 리시버(102)가 디스플레이 스크린(110)의 주변부 근처에 구비된다. 프로젝터(130)는 물체가 디스플레이 스크린(110)을 터치할 때, 터치 위치를 검출하기 위하여, 디스플레이 스크린(110)에 걸쳐 적외선 이미터에 의해 발산된 적외선을 투사한다. 터치 검출을 제공하기 위한 적외선 이미터 및 적외선 리시버의 사용은 수탁자의 "LIGHT-BASED TOUCH SCREEN"으로 명칭된 미국 특허 번호 제8,339,379호에 기술되고, 이는 그 전체가 본원에 참조로서 포함된다.
광-기반 터치 스크린은, 두 인접한 모서리로부터 터치 스크린에 걸쳐 광선을 발산하고, 광선이 두 반대편 모서리의 디텍터에 도달되는 것을 막히는지를 검출한다. 도 3을 참조하면, 이는 종래의 광-기반 터치 스크린의 도면이다. 도 3은, 디스플레이(310)의 두 인접한 모서리를 따라 정렬된 적외선을 발산하는 적외선 이미터(320)를 도시한다. 이미터(320)에 의해 발산된 적외선을 수신하는 대응되는 적외선 리시버(330)가 광 이미터(320) 건너편에 있다. 그러나, 물체(340)가 디스플레이(310)를 터치할 때, 물체가 하나 이상의 특정 이미터(320)에 의해 발산된 광이 대응되는 특정 리시버(330)에 도달하는 것을 막는다. 이에 따라, 물체(340)는 광이 특정 리시버(330)에 의해 검출되지 않을 때, 검출된다. 적외선 리시버(330)가 디스플레이(310)의 이차원에 따라 정렬되기 때문에, 각 모서리상의 막힌 리시버는 디스플레이(310)의 물체(340)의 공간적 위치를 결정하는데 충분하다.
디스플레이(310)의 구석에 이미터와 리시버의 빈 공간이 있어서, 사이드 광 조명기의 배치를 위한 적절한 위치를 제공한다는 것을 도 3으로부터 인식할 것이다.
도 4를 참조하면, 이는 본 발명의 실시예에 따라, 전자 장치(100)의 외부 프레임의 상면도이다.
도 5를 참조하면, 이는 본 발명의 실시예에 따라, 디스플레이 스크린(110)의 구석에 위치된 광 가이드(200) 중 하나를 나타내는 전자 장치9100)의 외부 프레임의 상면도이다.
도 6을 참조하면, 이는 본 발명의 실시예에 따라, 디스플레이 스크린(110)의 일부를 조명하기 위한 광을 전송하기 위한 광 가이드(200)의 간략화된 도면이다. 도 6은 인쇄 회로 기판(300)에 장착되고, 광 가이드(200)의 입구에 있는 간극으로 광선을 발산하는 LED를 도시한다.
도 7을 참조하면, 이는 본 발명의 실시예에 따라, 디스플레이 스크린(110)의 일부를 조명하기 위한 광 가이드(200)를 통해 전송되는 광선(220)의 간략화된 수직 횡-단면도이다. 광선(220)은 LED(210)에 의해 광 가이드(200)의 입사 표면(entrance surface)내로 발산된다. 광 가이드(200)의 출사 표면(exit surface)은 중앙 광선을 디스플레이 스크린(110)의 넓이에 따른 25% 내지 50%의 어딘가인 디스플레이 스크린(110)의 위치에 조준하기 위하여 약간 아래로 경사진다.
도 8을 참조하면, 이는 본 발명의 실시예에 따라, 디스플레이 스크린(110)의 일부를 조명하기 위한 광선(220)을 전송하기 위한 광 가이드(200)의 간략화된 수직 횡-단면도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 광 가이드(200)는 LED(210)에 의해 발산된 광선을 통과시키기 위한 간극(240)을 가진 수직 콘-모양의 입사 표면(230)을 가진다. 광 가이드(200)는 통과된 광선을 대략 90°의 각도로 반사시키기 위한 폴딩 미러(250)를 가진다. 광 가이드(200)는 디스플레이 스크린의 주변부 위에 위치된 출사 표면(270)으로 반사된 광선을 안내하기 위한 수평 가이드 부분(260)을 가진다. 출사 표면(270)은 안내된 광선이 디스플레이 스크린(110)의 표면을 향하도록 하기 위하여, 약간의 각도로 수평에서 수직으로 경사지게 된다. 다시 말해, 출사 표면은 광선을 스크린 표면으로 향하게 하기 위하여, 스크린 표면과 수직이 아니다.
도 9를 참조하면, 이는 본 발명의 실시예에 따라, 디스플레이 스크린(110)의 일부를 조명하기 위한 광 가이드(200)를 통해 전송된 광선(220)의 간략화된 수평 횡-단면도이다.
도 10을 참조하면, 이는 본 발명의 실시예에 따라, 디스플레이 스크린(110)의 일부를 조명하기 위한 광선(220)을 전송하는 광 가이드(200)의 간략화된 수평 횡-단면도이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 폴딩 미러(250)는 LED(210)(도 10에서는 미도시)의 중앙에서 발산된 광선(220)을 수평으로 시준한다. 도 10에 또한 도시되는 바와 같이, 출사 표면(270)은 안내된 광선을 디스플레이 스크린(110)의 각진 넓은 구역(angular expanse) 위에 수평으로 펼친다.
도 11을 참조하면, 이는 본 발명의 실시예에 따라, 디스플레이 스크린(!10)의 구석에 위치되는 하나의 광 가이드(200)를 통하여 전송된 광에 의해 생성된 조명 패턴의 도면이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 광 가이드(200)를 통해 전송된 광은 디스플레이 스크린(110)의 일 사분면을 효과적으로 조명한다. 네 개의 광 가이드(200), 즉, 디스플레이 스크린(110)의 각 구석에 하나씩 광 가이드를 사용하면, 전체 디스플레이 스크린을 효과적으로 조명한다.
광 가이드(200)의 구성
조명의 양에 관하여, 7 lm의 광속(luminous flux)을 가진 네 개의 LED는 독서를 위해, 120 mm x 90 mm 치수의 디스플레이 스크린을 조명하는데 충분하다. Williams, "Footcandles and Lux for Architectural Lighting", http://www.mts.net/~william5/library/illum.htm,은 독서를 위해서는 300 - 500 lx의 밝기를 추천한다. 이에 따라, 120 mm x 90 mm 독서 표면을 위해 필요한 광속은 많아 봐야 500 lx * 0.11 ㎡ = 5.5 lm 이다. 20% 조명 효율을 가정하면, 7 lm의 광속을 가진 네 개의 LED은 0.2 * 4 * 7 lm = 5.6 lm 을 제공하고, 이는 독서에 충분하다. 7 lm 의 조명을 가진 LED는 상업적으로 시판된다.
조명의 분포에 관하여, 일 부분을 과도하게 조명하고, 다른 부분을 적게 조명하는 것보다, 디스플레이 스크린(110)의 일정한 조명을 제공하기 위하여, 네 개의 광 가이드(200)로 디자인하는 것이 바람직하다. 게다가, 디스플레이 스크린(110)의 중앙부분이 잘 조명되어야 하는 것이 중요한데, 이는 디스플레이 중요한 부분이기 때문이다. 조명의 분포는 "
Figure 112014083130565-pct00002
" 에 의해 특징지어지고, 입사동의 면적 곱하기 입체각(입사동에서 바라본 바와 같이 소스에서의 각)으로 정의된다(http://en.wikipedia.org/wiki/Etendue).
Figure 112014083130565-pct00003
는 광이 자유 공간을 이동하면서 보존되고, 반사 또는 굴절에서 보존된다. 광이 광학 시스템을 통과할 때,
Figure 112014083130565-pct00004
는 증가하지 않고, 보존되거나 감소된다.
도 12를 참조하면, 이는 본 발명의 실시예에 따라, 디스플레이의 표면 위로 광 가이드를 통하여 조명 분포의 간략화된 도면이다. 도 12는 본 발명의 실시예에 따라, 디스플레이 스크린(110)의 미분 요소(dS)를 조명하는 광 가이드(200)의 출사 표면(270)으로부터 전송되는 광을 도시한다. 도 12에 도시된 치수의 용어 h, h 0 및 z,
Figure 112014083130565-pct00005
, dG, dS에서의 표면적이 다음과 같이 정의된다.
Figure 112014083130565-pct00006
본 발명의 일 실시예로서, h = 4 mm, h0 = 0.9 mm 및 z는 구석에서부터 광 가이드(200)가 위치되는 반대편 구석의 대각선을 따라 2 mm - 160 mm 범위이다.
도 13을 참조하면, 이는
Figure 112014083130565-pct00007
/dS (라디안 단위) vs. z (mm 단위)의 네 개의 로그 플롯이고, 식 (1) - (3)에서 파생된 h = 1 mm, 2 mm, 4 mm 및 8 mm이고 h 0 = 0.9 mm 이다.
전체 조명은 LED(210)의 한-치수의
Figure 112014083130565-pct00008
에 의해 제한되는데, 이는 2 mm 의 크기와 90°의 확산각(spread angle), 즉, G = (Π/2 rad) * (2 mm)
Figure 112014083130565-pct00009
3 mm-rad이다.
Figure 112014083130565-pct00010
이 광 가이드 입사 (230)에 의해 30° 및 1 mm 크기로 제한된다고 가정하면, 최대 조명은 G max = 0.5 mm-rad 이다. 도 13의 점선은 이러한 LED가 생성하는 일정한 조명을 도시하는데, 여기서, z의 범위의 최대 160 mm 상에서,
Figure 112014083130565-pct00011
/dS = G max / 160 mm = 0.003 rad 이다.
도 13을 참조하면, 디스플레이의 조명의 제한에 대한 두 가지 경우가 명시된다. 낮은 값의 z에 대하여,
Figure 112014083130565-pct00012
/dS는 LED로부터 제공된 광(점 곡선)보다 더 높고, 이는 LED가 제한 요소(limiting factor)이고, 광 가이드에 의해 수신된 모든 광은 원칙적으로 사용될 수 있다. 그러나, 높은 값의 z에 대하여,
Figure 112014083130565-pct00013
/dS는 점선 아래이며(가령, h = 4 mm 에 대해, z > 60 mm), 도 12에 도시된 바와 같이, 스크린의 조명의 기하형상은 최대 가능 조명을 제한하는데, 즉, LED의 모든 광이
Figure 112014083130565-pct00014
제한 때문에 사용될 수 없다. 따라서, 디자인 목적은 가로 좌표(abscissa)의 25% 내지 50% 에 걸쳐 조명하는 것이다. 예로서, LED
Figure 112014083130565-pct00015
, Gmax와 비교할 때, h = 4 mm, z = 38 mm 내지 76 mm 에 대해 통합된
Figure 112014083130565-pct00016
는 0.15 mm-rad 이다. 디스플레이
Figure 112014083130565-pct00017
의 값이 LED
Figure 112014083130565-pct00018
보다 여전히 낮기 때문에, 광 가이드 입사 표면은 가령 1 mm 크기로 제한되고, 수광각(acceptance angle)은(가령 30°) 성공적인 조명을 제한하지 않는다.
광 가이드(200)의 구성의 이점
상기 설명된 바와 같이, 광 가이드(200)는 광 가이드 출사 표면(270)에서 떨어진, 디스플레이 스크린의 중앙으로 강한 조명이 향하도록 하기 위해 구성된다.
입사 표면(230) 내의 간극(240)은 LED(210)의 중앙에서 벗어난 광을 막는데, 이는 출사 표면(270)에 가까운 불필요한 초과 조명을 감소시키는 역할을 한다. 이반적으로, LED(210)의 발광 영역의 크기는 간극(240)의 오프닝 보다 크고, 이에 따라, LED(210)의 발광 영역에 대한 간극(240)의 이동은 성능에 영향을 주지 않는다.
입사 표면(230)의 콘 모양은 간극(240)을 통과하지 않는 광으로부터의 간섭을 줄여서, 간극(240)의 효율을 증가시킨다.
출사 표면(270)의 아래방향으로의 경사는 폴딩 미러(250)에 대한 수요를 줄이는데, 폴딩 미러(250)가 더 큰 입사각에서 사용될 수 있어서, 결구구, 전반사의 한계에 대해 더 큰 마진을 주기 때문이다.
수평 가이드(260)의 상단벽과 하단벽은, 수평 광 가이드(260)의 바닥과 천장에서 광선을 흡수하기 위하여 검은색으로 칠해져서, 바람직하지 않은 반사를 제거 또는 감소시킨다. 실제로, 수평 가이드(260)의 상단벽과 하단벽에서의 광의 반사는, 광 가이드(200)가 위치된 디스플레이 스크린의 구석 근처에서 과도한 조명을 가진, 바람직하지 않은 방향으로의 광을 생성한다.
수평 가이드(260)의 측벽은 광을 수평으로 반사시키는데 사용되며, 이는 광선의 활용도를 높이고, 출사 표면(270)에서 나오는 광선의 수평으로 펼쳐짐을 증가시킨다.
폴딩 미러(250)는 LED(210)의 중앙으로부터 발산되는 광선을 수평으로 시준한다. LED(210)에 의해 발산되는, 중앙에서 벗어난 광선도 폴딩 미러(250)에 의해 대략 수평으로 시준되나, 중앙 가까이의 광선 보다 다양한 전파 각도를 가진다. 결국, 이는 디스플레이 스크린 위에 광의 바람직한 수평적 펼쳐짐을 야기시킨다.
오목 렌즈와 같이, 출사 표면(270)의 수평적인 횡단면도 모양은 출사 표면(270)으로부터 나온 광선에 대해 대략 90°확산각을 제공한다는 역할을 한다.
상기 명세서에서, 본 발명은 특정한 예시적인 실시예에 관하여 기술되었다. 그러나, 첨부된 청구항에서 제시된 바와 같은 본 발명의 넓은 사상과 범위에서 벗어나지 않으면서, 특정한 예시적인 실시예에 다양한 수정예와 변경예가 이루어질 수 있다는 것은 명백할 것이다. 그러므로, 명세서 및 도면은 제한적인 의미보다는 설명적인 의미로 간주되어야 한다.

Claims (7)

  1. LED에 의해 방사된 광선을 통과시키기 위한 간극을 포함하는 수직 콘-모양의 입사 표면;
    통과된 광선을 소정 각도로 반사시키고, 통과된 광선을 수평으로 시준시키기 위한 폴딩 미러;
    반사된 광선을 출사 표면으로 안내하기 위한 수평 가이드; 및
    안내된 광선을 디스플레이 스크린의 일부분으로 지향시키기 위해 디스플레이 스크린의 주변부 상에 위치된 출사 표면을 포함하되, 상기 출사 표면은 디스플레이되는 이미지를 조명(illumination)하기 위해 안내된 광선을 디스플레이로 지향시키도록 수평선에서 소정 각도로 수직으로 경사지고, 오목 렌즈처럼 수평으로 형성되어서, 안내된 광선을 각도 확장하여 디스플레이 스크린 위에 수평으로 펼치는 것을 특징으로 하는 디스플레이 스크린을 조명하기 위한 광 가이드.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 수평 가이드는 상단벽과 하단벽이 검은색으로 칠해져서, 광을 흡수하고 상기 상단벽과 하단벽에서의 내면 반사가 방지되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 스크린을 조명하기 위한 광 가이드.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 출사 표면은, LED에 의해 방사된 중앙 광선을 디스플레이 스크린 넓이의 25% 내지 50% 사이의 위치로 지향시키도록, 경사진 것을 특징으로 하는 디스플레이 스크린을 조명하기 위한 광 가이드.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 출사 표면은 4°의 각도로 경사진 것을 특징으로 하는 디스플레이 스크린을 조명하기 위한 광 가이드.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 입사 표면, 상기 수평 가이드 및 상기 출사 표면은 플라스틱 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 스크린을 조명하기 위한 광 가이드.
  6. 직사각형 디스플레이 스크린;
    상기 직사각형 디스플레이 스크린의 네 구석 근처에 위치된 네 개의 LED;
    상기 네 개의 LED 근처에 위치된 네 개의 광 가이드를 포함하되, 상기 광 가이드는 상기 디스플레이 스크린을 조명하기 위하여 상기 직사각형 디스플레이 스크린 위로 상기 네 개의 LED에 의해 생성된 광선을 전달하기 위한 청구항 1에 따른 광 가이드인 것을 특징으로 하는 전자 장치용 디스플레이.
  7. 제 6 항에 있어서,
    적외선을 방사하기 위하여, 상기 직사각형 디스플레이 스크린의 주변부 근처에 위치된 복수의 적외선 이미터;
    상기 적외선 이미터에 의해 방사된 적외선 광을 수신하기 위하여, 상기 직사각형 디스플레이 스크린의 주변부 근처에 위치된 복수의 적외선 리시버; 및
    물체가 상기 직사각형 디스플레이 스크린을 터치할 때, 터치 위치를 검출하기 위하여, 상기 직사각형 디스플레이 스크린에 걸쳐 상기 적외선 이미터에 의해 방사된 적외선을 투사하기 위한 상기 직사각형 디스플레이 스크린의 주변부 근처에 장착된 프로젝터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 장치용 디스플레이.
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