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TWI572698B - 液晶組成物及其用途、以及液晶顯示元件 - Google Patents

液晶組成物及其用途、以及液晶顯示元件 Download PDF

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TWI572698B
TWI572698B TW102102981A TW102102981A TWI572698B TW I572698 B TWI572698 B TW I572698B TW 102102981 A TW102102981 A TW 102102981A TW 102102981 A TW102102981 A TW 102102981A TW I572698 B TWI572698 B TW I572698B
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liquid crystal
carbon atoms
compound
component
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TW102102981A
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柳井孝仁
服部憲和
前田健永
Original Assignee
捷恩智股份有限公司
捷恩智石油化學股份有限公司
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Description

液晶組成物及其用途、以及液晶顯示元件
本發明是有關於一種主要適合於主動矩陣(active matrix，AM)元件等的液晶組成物以及含有該組成物的AM元件等。尤其有關於介電各向異性(dielectric anisotropy)為正的液晶組成物，且有關於含有該組成物的扭轉向列(twisted nematic，TN)模式、光學補償彎曲(optically compensated bend，OCB)模式、共面切換(in-plane switching，IPS)模式、邊緣場切換(fringe field switching，FFS)、或者聚合物穩定配向(polymer sustained alignment，PSA)模式的元件等。
液晶顯示元件中，基於液晶的運作模式的分類為相變(phase change，PC)、扭轉向列(twisted nematic，TN)、超扭轉向列(super twisted nematic，STN)、電控雙折射(electrically controlled birefringence，ECB)、光學補償彎曲(optically compensated bend，OCB)、共面切換(in-plane switching，IPS)、垂直配向(vertical alignment，VA)、邊緣場切換(fringe field switching，FFS)、聚合物穩定配向(polymer sustained alignment，PSA)模式等。基於元件的驅動方式的分類為被動矩陣(passive matrix，PM)與主動矩陣(active matrix，AM)。PM分類為靜態式(static)與多工式(multiplex)等，AM分類為薄膜電晶體(thin film transistor，TFT)、金屬-絕緣體-金屬(metal insulator metal，MIM)等。TFT的分類為非晶矽(amorphous silicon)以及多晶矽(polycrystal silicon)。後者根據製造步驟而分類為高溫型與低溫型。基於光源的分類為利用自然光的反射型、利用背光源的穿透型、以及利用自然光與背光源兩者的半穿透型。
該些元件含有具有適當特性的液晶組成物。該液晶組成物具有向列相(nematic phase)。為了獲得具有良好的一般特性的AM元件，而提高組成物的一般特性。將2種一般特性中的關聯歸納於下述表1中。基於市售的AM元件來對組成物的一般特性進一步進行說明。向列相的溫度範圍與元件可使用的溫度範圍相關聯。向列相的較佳上限溫度約為70℃以上，而且向列相的較佳下限溫度約為-10℃以下。組成物的黏度與元件的響應時間相關聯。為了以元件顯示動態影像，較佳為響應時間短。因此，較佳為組成物的黏度小。更佳為在低溫下的黏度小。組成物的彈性常數與元件的對比度相關聯。元件中為了提高對比度，更佳為組成物的彈性常數大。
組成物的光學各向異性(optical anisotropy)與元件的對比度相關聯。組成物的光學各向異性(△n)與元件的單元間隙(d)的積(△n×d)是設計成使對比度為最大。適當的積值依存於運作模式的種類。如TN之類的模式的元件中，適當的值約為0.45 μm。該情況下，對單元間隙小的元件而言較佳為具有大的光學各向異性的組成物。組成物的介電各向異性大有助於元件的低臨限電壓、小的消耗電力及大的對比度。因此，較佳為大的介電各向異性。組成物的大比電阻有助於大的電壓保持率，且有助於元件的大對比度。因此，較佳為在初始階段中不僅在室溫下，而且在接近向列相的上限溫度的溫度下亦具有大的比電阻的組成物。較佳為長時間使用後，不僅在室溫下，而且在接近向列相的上限溫度的溫度下亦具有大的比電阻的組成物。組成物對紫外線及熱的穩定性與液晶顯示元件的壽命相關聯。當該些組成物的穩定性高時，該元件的壽命長。此種特性對於液晶投影機、液晶電視等中使用的AM元件而言較佳。
具有TN模式的AM元件中使用具有正的介電各向異性的組成物。另一方面，具有VA模式的AM元件中使用具有負的介電各向異性的組成物。具有IPS模式及FFS模式的AM元件中使用具有正或負的介電各向異性的組成物。具有PSA模式的AM元件中使用具有正或負的介電各向異性的組成物。具有正的介電各向異性的液晶組成物的例子揭示於以下專利文獻中。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特表2007-503487號公報
較理想的AM元件具有可使用的溫度範圍廣、響應時間短、對比度大、臨限電壓低、電壓保持率大、壽命長等特性。較理想為響應時間短於1毫秒。因此，組成物的較理想特性為向列相的高上限溫度、向列相的低下限溫度、小的黏度、適當的光學各向異性、大的介電各向異性、大的比電阻、對紫外線的高穩定性、對熱的高穩定性、大的彈性常數等。
本發明的一目的為一種液晶組成物，其在向列相的高上限溫度、向列相的低下限溫度、小的黏度、適當的光學各向異性、大的介電各向異性、大的比電阻、對紫外線的高穩定性、對熱的高穩定性、大的彈性常數等特性中，滿足至少一種特性。另一目的是一種關於至少兩種特性而具有適當平衡的液晶組成物。再一目的為含有此種組成物的液晶顯示元件。再一目的為具有適當的 光學各向異性、大的介電各向異性、對紫外線的高穩定性、大的彈性常數等的組成物，以及具有短的響應時間、大的電壓保持率、大的對比度、長壽命等特性的AM元件。
本發明為含有選自式(1)所表示的化合物組群中的至少一種化合物作為第一成分、以及選自式(2)所表示的化合物組群中的至少一種化合物作為第二成分，而且具有向列相的液晶組成物；以及含有該組成物的液晶顯示元件。
此處，R1為碳數1至12的烷基、碳數1至12的烷氧基、或者碳數2至12的烯基，R2及R3獨立地為碳數1至12的烷基、碳數1至12的烷氧基、碳數2至12的烯基、或者至少1個氫經氟取代的碳數2至12的烯基；環A及環B獨立地為1,4-伸環己基、1,4-伸苯基、2-氟-1,4-伸苯基、3-氟-1,4-伸苯基、或者2,5-二氟-1,4-伸苯基；Z1獨立地為單鍵、伸乙基、或者羰基氧基；X1、X2、X3及X4獨立地為氫或氟；m及n獨立地為1、2或3。
本發明的優點為一種在向列相的高上限溫度、向列相的低下限溫度、小的黏度、適當的光學各向異性、大的介電各向異性、大的比電阻、對紫外線的高穩定性、對熱的高穩定性等特性中，滿足至少一種特性的液晶組成物。本發明的一方面為關於至少兩種特性而具有適當平衡的液晶組成物。另一方面為含有此種組成物的液晶顯示元件。另一方面為具有適當的光學各向異性、大的介電各向異性、對紫外線的高穩定性等特性的組成物，以及具有短的響應時間、大的電壓保持率、大的對比度、長壽命等特性的AM元件。
該說明書中的用語的使用方法如下所述。有時將本發明的液晶組成物或者本發明的液晶顯示元件分別簡稱為「組成物」或者「元件」。液晶顯示元件是液晶顯示面板以及液晶顯示模組的總稱。「液晶性化合物」是指具有向列相、層列相(smectic phase)等液晶相的化合物或者雖不具有液晶相但作為組成物的成分而有用的化合物。該有用的化合物具有例如1,4-伸環己基或1,4-伸苯基之類的六員環，其分子結構為棒狀(rod like)。光學活性化合物或者可聚合的化合物有時被添加於組成物中。即便該些化合物為液晶性化合物，在此亦被分類為添加物。有時將選自式(1)所表示 的化合物組群中的至少一種化合物簡稱為「化合物(1)」。「化合物(1)」是指式(1)所表示的一種化合物或者兩種以上的化合物。其他化學式所表示的化合物亦相同。與「經取代的」相關的「至少一種」是指不僅對於位置，對於其個數亦可無限制地選擇。
有時將向列相的上限溫度簡稱為「上限溫度」。有時將向列相的下限溫度簡稱為「下限溫度」。「比電阻大」是表示，組成物在初始階段中不僅在室溫下，而且在接近向列相的上限溫度的溫度下亦具有大的比電阻，並且在長時間使用後不僅在室溫下，而且在接近向列相的上限溫度的溫度下亦具有大的比電阻。「電壓保持率大」是表示元件在初始階段中不僅在室溫下，而且在接近向列相的上限溫度的溫度下亦具有大的電壓保持率，並且在長時間使用後不僅在室溫下，而且在接近向列相的上限溫度的溫度下亦具有大的電壓保持率。當對光學各向異性等特性進行說明時，使用以實施例中記載的測定方法所獲得的值。第一成分為1種化合物或者2種以上的化合物。「第一成分的比例」是以基於液晶組成物的總重量的第一成分的重量百分率(重量%)來表示。第二成分的比例等亦相同。混合於組成物中的添加物的比例是以基於液晶組成物的總重量的重量百分率(重量%)或者重量百萬分率(ppm)來表示。
成分化合物的化學式中，將R1的記號用於多種化合物。該些化合物的任意2種化合物中，R1所選擇的基團可相同，亦可不同。例如，有化合物(1)的R1為乙基，且化合物(1-1)的R1 為乙基的情況。亦有化合物(1)的R1為乙基，而化合物(1-1)的R1為丙基的情況。該規則亦適用於R2、X5、Y1等。
本發明為下述之項等。
1.一種液晶組成物，含有選自式(1)所表示的化合物組群中的至少一種化合物作為第一成分、以及選自式(2)所表示的化合物組群中的至少一種化合物作為第二成分，而且該液晶組成物具有向列相：
此處，R1為碳數1至12的烷基、碳數1至12的烷氧基、或者碳數2至12的烯基，R2及R3獨立地為碳數1至12的烷基、碳數1至12的烷氧基、碳數2至12的烯基、或者至少1個氫經氟取代的碳數2至12的烯基；環A及環B獨立地為1,4-伸環己基、1,4-伸苯基、2-氟-1,4-伸苯基、3-氟-1,4-伸苯基、或者2,5-二氟-1,4-伸苯基；Z1獨立地為單鍵、伸乙基、或者羰基氧基；X1、X2、X3及X4獨立地為氫或氟；m及n獨立地為1、2或3。
2.如項1所述的液晶組成物，其中第一成分為選自式(1-1)至式(1-19)所表示的化合物組群中的至少一種化合物：
此處，R1為碳數1至12的烷基、碳數1至12的烷氧基、或者碳數2至12的烯基。
3.如項1所述的液晶組成物，其中第一成分為選自項2所述的式(1-1)所表示的化合物組群中的至少一種化合物。
4.如項1所述的液晶組成物，其中第一成分為選自項2所述的式(1-17)所表示的化合物組群中的至少一種化合物。
5.如項1至項4中任一項所述的液晶組成物，其中第二成分為選自式(2-1)至式(2-13)所表示的化合物組群中的至少一種化合物：
此處，R2及R3獨立地為碳數1至12的烷基、碳數1至12的烷氧基、碳數2至12的烯基、或者至少1個氫經氟取代的碳數2至12的烯基。
6.如項1所述的液晶組成物，其中第二成分為選自項5所述的式(2-1)所表示的化合物組群中的至少一種化合物。
7.如項1所述的液晶組成物，其中第二成分為選自項5所述的式(2-13)所表示的化合物組群中的至少一種化合物。
8.如項1所述的液晶組成物，其中第二成分為選自如項5所述的式(2-1)所表示的化合物組群中的至少一種化合物、以及選自如項5所述的式(2-7)所表示的化合物組群中的至少一種化合物的混合物。
9.如項1至項8中任一項所述的液晶組成物，其中基於液晶組成物的總重量，第一成分的比例為3重量%至25重量%的範圍，第二成分的比例為25重量%至97重量%的範圍。
10.如項1至項9中任一項所述的液晶組成物，其更含有選自式(3)所表示的化合物組群中的至少一種化合物作為第三成分： 此處，R4為碳數1至12的烷基、碳數1至12的烷氧基、或者碳數2至12的烯基；環C為1,4-伸環己基、1,4-伸苯基、2-氟-1,4-伸苯基、3-氟-1,4-伸苯基、3,5-二氟-1,4-伸苯基、1,3-二噁烷-2,5-二基、四氫哌喃-2,5-二基、或者嘧啶-2,5-二基；Z2為單鍵、二氟亞甲基氧基、伸乙基、或者羰基氧基；X5及X6獨立地為氫或氟；Y1為氟、氯、或者三氟甲氧基；p為1、2、3或4。
11.如項10所述的液晶組成物，其中第三成分為選自式(3-1)至式(3-24)所表示的化合物組群中的至少一種化合物：
此處，R4為碳數1至12的烷基、碳數1至12的烷氧基、或者碳數2至12的烯基；X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11及X12獨立地為氫或氟；Y1為氟、氯、或者三氟甲氧基。
12.如項10所述的液晶組成物，其中第三成分為選自如項11所述的式(3-14)所表示的化合物組群中的至少一種化合物。
13.如項10所述的液晶組成物，其中第三成分為選自如項11所述的式(3-15)所表示的化合物組群中的至少一種化合物。
14.如項10所述的液晶組成物，其中第三成分為選自如項11所述的式(3-17)所表示的化合物組群中的至少一種化合物。
15.如項10所述的液晶組成物，其中第三成分為選自如 項11所述的式(3-21)所表示的化合物組群中的至少一種化合物。
16.如項10所述的液晶組成物，其中第三成分為選自如項11所述的式(3-22)所表示的化合物組群中的至少一種化合物。
17.如項10至項16中任一項所述的液晶組成物，其中基於液晶組成物的總重量，第三成分的比例為5重量%至65重量%的範圍。
18.如項1至項17中任一項所述的液晶組成物，其中向列相的上限溫度為70℃以上，波長589 nm下的光學各向異性(25℃)為0.07以上，而且頻率1 kHz下的介電各向異性(25℃)為2以上。
19.一種液晶顯示元件，其含有如項1至項18中任一項所述的液晶組成物。
20.如項19所述的液晶顯示元件，其中液晶顯示元件的運作模式為TN模式、ECB模式、OCB模式、IPS模式、PSA模式、或者FPA模式，液晶顯示元件的驅動方式為主動矩陣方式。
21.一種如項1至項18中任一項所述的液晶組成物的用途，其用於液晶顯示元件中。
本發明亦包括如下各項。1)更含有光學活性化合物的上述組成物；2)更含有抗氧化劑、紫外線吸收劑、消泡劑、可聚合的化合物、聚合起始劑等添加物的上述組成物；3)含有上述組成物的AM元件；4)含有上述組成物，而且具有TN模式、ECB模式、OCB模式、IPS模式、FFS模式或者PSA模式的元件；5) 含有上述組成物的穿透型元件；6)將上述組成物作為具有向列相的組成物的用途；7)藉由在上述組成物中添加光學活性化合物而作為光學活性組成物的用途。
以如下順序對本發明的組成物進行說明。第一，對組成物中的成分化合物的構成進行說明。第二，對成分化合物的主要特性、以及該化合物給組成物帶來的主要效果進行說明。第三，對組成物中的成分的組合、成分的較佳比例以及其根據進行說明。第四，對成分化合物的較佳形態進行說明。第五，列出成分化合物的具體例。第六，對可混合於組成物中的添加物進行說明。第七，對成分化合物的合成法進行說明。最後，對組成物的用途進行說明。
第一，對組成物中的成分化合物的構成進行說明。本發明的組成物被分類為組成物A與組成物B。組成物A除了含有選自化合物(1)、化合物(2)以及化合物(3)中的液晶化合物以外，亦可更含有其他的液晶性化合物、添加物、雜質等。「其他的液晶性化合物」是與化合物(1)、化合物(2)以及化合物(3)不同的液晶性化合物。此種化合物是出於進一步調整特性的目的而混合於組成物中。添加物為光學活性化合物、抗氧化劑、紫外線吸收劑、色素、消泡劑、可聚合的化合物、聚合起始劑等。雜質是在成分化合物的合成等步驟中混入的化合物等。即便該化合物為液晶性化合物，在此亦被分類為雜質。
組成物B實質上僅包含選自化合物(1)、化合物(2) 以及化合物(3)中的化合物。「實質上」是指組成物可含有添加物以及雜質，但不含與該些化合物不同的液晶性化合物。組成物B與組成物A相比較，成分的數量少。就降低成本的觀點而言，組成物B優於組成物A。就可藉由混合其他的液晶性化合物來進一步調整物性的觀點而言，組成物A優於組成物B。
第二，對成分化合物的主要特性、以及該化合物給組成物的特性帶來的主要效果進行說明。基於本發明的效果，將成分化合物的主要特性歸納於表2中。表2的記號中，L是指大或高，M是指中等程度的，S是指小或低。記號L、M、S是基於成分化合物之間的定性比較的分類，0(零)是表示值大致為零。
當將成分化合物混合於組成物中時，成分化合物給組成物的特性帶來的主要效果如下所述。化合物(1)提高光學各向異性，而且提高介電各向異性。化合物(2)提高上限溫度，降低下限溫度，而且降低黏度。化合物(3)提高上限溫度，而且提高介電各向異性。
第三，對組成物中的成分的組合、成分的較佳比例以及 其根據進行說明。組成物中的成分的組合為第一成分+第二成分、以及第一成分+第二成分+第三成分。為了提高介電各向異性，為了降低黏度，或者為了降低下限溫度，組成物中的成分的較佳組合為第一成分+第二成分+第三成分。
為了提高介電各向異性，第一成分的較佳比例約為3重量%以上；為了降低下限溫度，第一成分的較佳比例約為25重量%以下。尤佳的比例為約5重量%至約20重量%的範圍。特佳的比例為約7重量%至約15重量%的範圍。
為了提高上限溫度，或者為了降低黏度，第二成分的較佳比例約為25重量%以上；為了降低下限溫度，第二成分的較佳比例約為97重量%以下。尤佳的比例為約30重量%至約80重量%的範圍。特佳的比例為約35重量%至約75重量%的範圍。
為了提高介電各向異性，第三成分的較佳比例約為5重量%以上；為了降低下限溫度，第三成分的較佳比例約為65重量%以下。尤佳的比例為約10重量%至約60重量%的範圍。特佳的比例為約15重量%至約55重量%的範圍。
第四，對成分化合物的較佳形態進行說明。R1及R4獨立地為碳數1至12的烷基、碳數1至12的烷氧基、或者碳數2至12的烯基。為了提高對紫外線的穩定性，或者為了對熱的穩定性，較佳的R1或R4為碳數1至12的烷基。R2及R3獨立地為碳數1至12的烷基、碳數1至12的烷氧基、碳數2至12的烯基、或者至少1個氫經氟取代的碳數2至12的烯基。為了降低黏度， 較佳的R2或R3為碳數2至5的烯基；為了提高對紫外線的穩定性，或者為了提高對熱的穩定性，較佳的R2或R3為碳數1至7的烷基。
較佳的烷基為甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、庚基、或者辛基。為了降低黏度，尤佳的烷基為乙基、丙基、丁基、戊基、或者庚基。
較佳的烷氧基為甲氧基、乙氧基、丙氧基、丁氧基、戊氧基、己氧基、或者庚氧基。為了降低黏度，尤佳的烷氧基為甲氧基或者乙氧基。
較佳的烯基為乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、1-戊烯基、2-戊烯基、3-戊烯基、4-戊烯基、1-己烯基、2-己烯基、3-己烯基、4-己烯基、或者5-己烯基。為了降低黏度，尤佳的烯基為乙烯基、1-丙烯基、3-丁烯基或3-戊烯基。該些烯基中的-CH=CH-的較佳立體構型依存於雙鍵的位置。為了降低黏度，在如1-丙烯基、1-丁烯基、1-戊烯基、1-己烯基、3-戊烯基、3-己烯基之類的烯基中較佳為反式構型。在如2-丁烯基、2-戊烯基、2-己烯基之類的烯基中較佳為順式構型。
至少1個氫經氟取代的烯基的較佳例為2,2-二氟乙烯基、3,3-二氟-2-丙烯基、4,4-二氟-3-丁烯基、5,5-二氟-4-戊烯基、以及6,6-二氟-5-己烯基。為了降低黏度，尤佳的例子為2,2-二氟乙烯基、以及4,4-二氟-3-丁烯基。
烷基不包含環狀烷基。烷氧基不包含環狀烷氧基。烯基 不包含環狀烯基。為了提高上限溫度，與1,4-伸環己基有關的立體構型是反式構型優於順式構型。
環A及環B獨立地為1,4-伸環己基、1,4-伸苯基、2-氟-1,4-伸苯基、3-氟-1,4-伸苯基、或者2,5-二氟-1,4-伸苯基。當n為2或3時，任意2個環A可相同，亦可不同。為了降低黏度，較佳的環A或者環B為1,4-伸環己基；為了提高光學各向異性，較佳的環A或者環B為1,4-伸苯基。環C為1,4-伸環己基、1,4-伸苯基、2-氟-1,4-伸苯基、3-氟-1,4-伸苯基、3,5-二氟-1,4-伸苯基、1,3-二噁烷-2,5-二基、四氫哌喃-2,5-二基、或者嘧啶-2,5-二基。當p為2、3或4時，任意2個環C可相同，亦可不同。為了提高上限溫度，較佳的環C為1,4-伸環己基；為了提高光學各向異性，較佳的環C為1,4-伸苯基；為了提高介電各向異性，較佳的環C為3,5-二氟-1,4-伸苯基。
Z1為單鍵、伸乙基、或者羰基氧基。當n為2或3時，任意2個Z1可相同，亦可不同。為了降低黏度，較佳的Z1為單鍵；為了提高上限溫度，較佳的Z1為羰基氧基。Z2為單鍵、二氟亞甲基氧基、伸乙基、或者羰基氧基。當p為2、3或4時，任意2個Z2可相同，亦可不同。為了降低黏度，較佳的Z2為單鍵；為了提高介電各向異性，較佳的Z2為二氟亞甲基氧基。
X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11及X12獨立地為氫或氟。為了提高介電各向異性，較佳的X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11或X12為氟；為了降低 黏度，較佳的X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11或X12為氫。
Y1為氟、氯、三氟甲氧基、或者三氟甲基。為了降低黏度，較佳的Y1為氟。
m為1、2或3。為了降低黏度，較佳的m為1；為了提高上限溫度，較佳的m為2或3。
n為1、2或3。為了降低黏度，較佳的n為1；為了提高上限溫度，較佳的n為3。
p為1、2、3或4。為了提高上限溫度，較佳的p為2；為了提高對紫外線或者熱的穩定性等，較佳的p為3。
第五，列出成分化合物的具體例。下述的較佳化合物中，R5為碳數1至12的烷基、或者碳數2至12的烯基，R6獨立地為碳數1至12的烷基、或者碳數1至12的烷氧基。R7及R8獨立地為具有碳數1~12的直鏈烷基或者具有碳數2至12的直鏈烯基。R9獨立地為具有碳數1至12的直鏈烷基。
較佳的化合物(1)為化合物(1-1-1)至化合物(1-19-1)。尤佳的化合物(1)為化合物(1-6-1)以及化合物(1-17-1)。特佳的化合物(1)為化合物(1-6-1)。較佳的化合物(2)為化合物(2-1-1)至化合物(2-13-1)。尤佳的化合物(2)為化合物(2-1-1)、化合物(2-5-1)、化合物(2-7-1)、化合物(2-10-1)以及化合物(2-13-1)。特佳的化合物(2)為化合物(2-1-1)。較佳的化合物(3)為化合物(3-1-1)至化合物(3-24-1)。尤佳的化合物(3) 為化合物(3-5-1)、化合物(3-6-1)、化合物(3-14-1)、化合物(3-15-1)、化合物(3-19-1)、化合物(3-21-1)以及化合物(3-22-1)。特佳的化合物(3)為化合物(3-14-1)、化合物(3-15-1)、化合物(3-21-1)以及化合物(3-22-1)。
第六，對可混合於組成物中的添加物進行說明。此種添加物為光學活性化合物、抗氧化劑、紫外線吸收劑、色素、消泡劑、可聚合的化合物、聚合起始劑等。出於引起液晶的螺旋結構來賦予扭轉角的目的，將光學活性化合物混合於組成物中。此種 化合物的例子為化合物(4-1)至化合物(4-5)。光學活性化合物的較佳比例為約5重量%以下。尤佳的比例為約0.01重量%至約2重量%的範圍。
為了防止由大氣中的加熱引起的比電阻下降，或者為了在長時間使用元件後，不僅在室溫下，而且在接近向列相的上限 溫度的溫度下亦維持大的電壓保持率，將抗氧化劑混合於組成物中。
抗氧化劑的較佳例為r為1至9的整數的化合物(5)等。化合物(5)中，較佳的r為1、3、5、7或9。尤佳的r為1或7。r為1的化合物(5)由於揮發性大，故而在防止由大氣中的加熱引起的比電阻下降時有效。r為7的化合物(5)由於揮發性小，故而對於在長時間使用元件後，不僅在室溫下而且在接近向列相的上限溫度的溫度下亦維持大的電壓保持率而言有效。為了獲得上述效果，抗氧化劑的較佳比例約為50 ppm以上；為了不降低上限溫度，或者為了不提高下限溫度，抗氧化劑的較佳比例約為600 ppm以下。尤佳的比例為約100 ppm至約300 ppm的範圍。
紫外線吸收劑的較佳例為二苯甲酮衍生物、苯甲酸酯衍生物、三唑衍生物等。另外，如具有立體障礙的胺之類的光穩定劑亦較佳。為了獲得上述效果，該些吸收劑或穩定劑的較佳比例約為50 ppm以上；為了不降低上限溫度，或者為了不提高下限溫 度，該些吸收劑或穩定劑的較佳比例約為10000 ppm以下。尤佳的比例為約100 ppm至約10000 ppm的範圍。
為了適合於賓主(guest host，GH)模式的元件，將如偶氮(azo)系色素、蒽醌(anthraquinone)系色素等之類的二色性色素(dichroic dye)混合於組成物中。色素的較佳比例為約0.01重量%至約10重量%的範圍。為了防止起泡，將二甲基矽酮油(dimethyl silicone oil)、甲基苯基矽酮油(methyl phenyl silicone oil)等消泡劑混合於組成物中。為了獲得上述效果，消泡劑的較佳比例為1 ppm以上；為了防止顯示不良，消泡劑的較佳比例約為1000 ppm以下。尤佳的比例為約1 ppm至約500 ppm的範圍。
為了適合於聚合物穩定配向(polymer sustained alignment，PSA)模式的元件，將可聚合的化合物混合於組成物中。可聚合的化合物的較佳例為丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、乙烯基化合物、乙烯氧基化合物、丙烯基醚、環氧化合物(環氧乙烷、氧雜環丁烷)、乙烯酮等具有可聚合的基團的化合物。特佳的例子為丙烯酸酯或者甲基丙烯酸酯的衍生物。為了獲得上述效果，可聚合的化合物的較佳比例約為0.05重量%以上；為了防止顯示不良，可聚合的化合物的較佳比例約為10重量%以下。尤佳的比例為約0.1重量%至約2重量%的範圍。可聚合的化合物較佳為在光聚合起始劑等適當的起始劑存在下藉由紫外光(Ultra Violet，UV)照射等來聚合。用以聚合的適當條件、起始劑的適當類型、以及適當的量已為業者所知，並記載於文獻中。例如光起始劑Irgacure 651(註冊商標，BASF)、Irgacure 184(註冊商標，BASF)、或者Darocure 1173(註冊商標，BASF)適合於自由基聚合。光聚合起始劑的較佳比例為可聚合的化合物的約0.1重量%至約5重量%的範圍，特佳的比例為約1重量%至約3重量%的範圍。
第七，對成分化合物的合成法進行說明。該些化合物(1)至化合物(3)可利用已知的方法來合成。例示合成法：化合物(1-6-1)是利用日本專利特表2007-503487號公報中記載的方法來合成；化合物(2-1-1)是利用日本專利特開昭59-70624號公報以及日本專利特開昭59-176221號公報中記載的方法來合成；化合物(2-5-1)是利用日本專利特開昭57-165328號公報以及日本專利特開昭59-176221號公報中記載的方法來合成；化合物(3-5-1)是利用日本專利特開平2-233626號公報中記載的方法來合成；化合物(3-15-1)、化合物(3-21-1)、以及化合物(3-22-1)是利用日本專利特開平10-251186號公報中記載的方法來合成；抗氧化劑已有市售；式(5)的r為1的化合物可從奧爾德里奇(Aldrich)(西格瑪奧爾德里奇公司(Sigma-Aldrich Corporation))獲取；r為7的化合物(5)等是利用美國專利3660505號說明書中記載的方法來合成。
未記載合成法的化合物可利用有機合成(Organic Syntheses，約翰威立父子出版公司(John Wiley & Sons,Inc))、有機反應(Organic Reactions，約翰威立父子出版公司(John Wiley & Sons,Inc))、綜合有機合成(Comprehensive Organic Synthesis，培 格曼出版公司(Pergamon Press))、新實驗化學講座(丸善)等成書中記載的方法來合成。組成物是利用公知方法，由以上述方式獲得的化合物來製備。例如，將成分化合物混合，然後藉由加熱而使其相互溶解。
最後，對組成物的用途進行說明。本發明的組成物主要具有約-10℃以下的下限溫度、約70℃以上的上限溫度、以及約0.07至約0.20的範圍的光學各向異性。含有該組成物的元件具有大的電壓保持率。該組成物適合於AM元件。該組成物特別適合於穿透型的AM元件。亦可藉由控制成分化合物的比例，或者藉由混合其他的液晶性化合物，來製備具有約0.08至約0.25的範圍的光學各向異性的組成物，進而亦可製備具有約0.10至約0.30的範圍的光學各向異性的組成物。該組成物可作為具有向列相的組成物來使用，且可藉由添加光學活性化合物而作為光學活性組成物來使用。
該組成物可用於AM元件。進而亦可用於PM元件。該組成物可用於具有PC、TN、STN、ECB、OCB、IPS、FFS、VA、PSA等模式的AM元件以及PM元件。特佳為用於具有TN模式、OCB模式、IPS模式或者FFS模式的AM元件。具有IPS模式或者FFS模式的AM元件中，在未施加電壓的狀態下的液晶分子的排列可相對於面板基板而為平行或者垂直。該些元件可為反射型、穿透型或者半穿透型。較佳為用於穿透型元件。亦可用於非晶矽-TFT元件或者多晶矽-TFT元件。亦可用於將該組成物微膠囊 (microcapsule)化而製作的向列曲線排列相(nematic curvilinear aligned phase，NCAP)型元件、或在組成物中形成三維網狀高分子的聚合物分散(polymer dispersed，PD)型元件。
[實施例]
為了評價組成物以及組成物中所含的化合物的特性，而將組成物以及該化合物作為測定目標物。當測定目標物為組成物時，將其直接作為試樣來測定，記載所得的值。當測定目標物為化合物時，藉由將該化合物(15重量%)混合於母液晶(85重量%)中來製備測定用試樣。根據藉由測定而得的值，利用外推法(extrapolation)來算出化合物的特性值。(外推值)={(測定用試樣的測定值)-0.85×(母液晶的測定值)}/0.15。當在該比例下層列相(或者結晶)於25℃下析出時，將化合物與母液晶的比例以10重量%：90重量%、5重量%：95重量%、1重量%：99重量%的順序變更。利用該外推法來求出與化合物相關的上限溫度、光學各向異性、黏度以及介電各向異性的值。
母液晶的成分如下所述。各成分的比例為重量%。
特性值的測定是依據下述方法。該些方法多為社團法人日本電子資訊技術產業協會(Japan Electronics and Information Technology Industries Association，以下稱為JEITA)所審議製定的JEITA規格(JEITA ED-2521B)中記載的方法或將其修飾而成的方法。
向列相的上限溫度(NI，℃)：在具備偏光顯微鏡的熔點測定裝置的加熱板上放置試樣，以1℃/min的速度加熱。測定試樣的一部分由向列相轉變為各向同性液體時的溫度。有時將向列相的上限溫度簡稱為「上限溫度」。
向列相的下限溫度(TC，℃)：將具有向列相的試樣放入玻璃瓶中，在0℃、-10℃、-20℃、-30℃及-40℃的冷凍器中保管10天後，觀察液晶相。例如，當試樣在-20℃下為向列相的狀態，而在-30℃下轉變為結晶或者層列相時，將TC記載為<-20℃。有時將向列相的下限溫度簡稱為「下限溫度」。
黏度(體積黏度(bulk viscosity)，η，在20℃下測定，mPa．s)：測定時使用E型旋轉黏度計。
黏度(旋轉黏度，γ1，在25℃下測定，mPa．s)：測定是依據M.Imai等人的分子晶體與液晶(Molecular Crystals and Liquid Crystals)第259期第37頁(1995)中記載的方法。在扭轉角為0°且兩塊玻璃基板的間隔(單元間隙)為5 μm的TN元件中放入試樣。對該元件在16 V至19.5 V的範圍內以0.5 V為單位階段性地施加電壓。不施加電壓0.2秒後，以僅1個矩形波(矩形脈衝，0.2秒)與不施加(2秒)的條件重複施加電壓。測定藉由該施加而產生的暫態電流(transient current)的峰值電流(peak current)及峰值時間(peak time)。由該些測定值與M.Imai等人的論文中的第40頁記載的計算式(8)來獲得旋轉黏度的值。該計算所必需的介電各向異性的值是使用測定該旋轉黏度的元件，以如下記載的方法來求出。
光學各向異性(折射率各向異性，△n，在25℃下測定)：測定是使用波長589 nm的光，利用在接目鏡上安裝有偏光板的阿貝折射計來進行。將主稜鏡的表面向一個方向摩擦後，將試樣滴下至主稜鏡上。折射率n ∥是在偏光的方向與摩擦的方向平行時測定。折射率n⊥是在偏光的方向與摩擦的方向垂直時測定。光學各向異性的值是根據△n=n ∥ -n ⊥的式子來計算。
介電各向異性(△ε，在25℃下測定)：在兩塊玻璃基板的間隔(單元間隙)為9 μm且扭轉角為80度的TN元件中放入 試樣。對該元件施加正弦波(10 V，1 kHz)，2秒後測定液晶分子的長軸方向的介電常數(ε ∥)。對該元件施加正弦波(0.5 V，1 kHz)，2秒後測定液晶分子的短軸方向的介電常數(ε ⊥)。介電各向異性的值是根據△ε=ε ∥ -ε ⊥的式子來計算。
臨限電壓(Vth，在25℃下測定，V)：測定時使用大塚電子股份有限公司製造的LCD5100型亮度計。光源為鹵素燈(halogen lamp)。在兩塊玻璃基板的間隔(單元間隙)約為0.45/△n(μm)且扭轉角為80度的正常顯白模式(normally white mode)的TN元件中放入試樣。對該元件施加的電壓(32 Hz，矩形波)是以0.02 V為單位自0 V階段性地增加至10 V。此時，從垂直方向對元件照射光，測定穿透過元件的光量。製成當該光量達到最大時穿透率為100%，且當該光量為最小時穿透率為0%的電壓-穿透率曲線。臨限電壓是穿透率達到90%時的電壓。
電壓保持率(VHR-1，在25℃下測定，%)：測定時使用的TN元件具有聚醯亞胺配向膜，而且兩塊玻璃基板的間隔(單元間隙)為5 μm。在加入試樣後，利用以紫外線硬化的黏接劑將該元件加以密封。對該元件施加脈衝電壓(5 V，60微秒)來充電。利用高速電壓計在16.7毫秒之間測定所衰減的電壓，求出單位週期中的電壓曲線與橫軸之間的面積A。面積B為未衰減時的面積。電壓保持率為面積A相對於面積B的百分率。
電壓保持率(VHR-2，在80℃下測定，%)：測定時使用的TN元件具有聚醯亞胺配向膜，而且兩塊玻璃基板的間隔(單 元間隙)為5 μm。在加入試樣後，利用以紫外線硬化的黏接劑將該元件加以密封。對該TN元件施加脈衝電壓(5 V，60微秒)來充電。利用高速電壓計在16.7毫秒之間測定所衰減的電壓，求出單位週期中的電壓曲線與橫軸之間的面積A。面積B為未衰減時的面積。電壓保持率為面積A相對於面積B的百分率。
電壓保持率(VHR-3，在25℃下測定，%)：照射紫外線後，測定電壓保持率，評價對紫外線的穩定性。測定時使用的TN元件具有聚醯亞胺配向膜，而且單元間隙為5 μm。在該元件中注入試樣，照射光20分鐘。光源為超高壓水銀燈USH-500D(Ushio電機製造)，元件與光源的間隔為20 cm。VHR-3的測定是在16.7毫秒之間測定所衰減的電壓。具有大的VHR-3的組成物對紫外線具有大的穩定性。VHR-3較佳為90%以上，更佳為95%以上。
電壓保持率(VHR-4，在25℃下測定，%)：將注入有試樣的TN元件在80℃的恆溫槽內加熱500小時後，測定電壓保持率，評價對熱的穩定性。VHR-4的測定中，在16.7毫秒之間測定所衰減的電壓。具有大的VHR-4的組成物對熱具有大的穩定性。
響應時間(τ，在25℃下測定，ms)：測定時使用大塚電子股份有限公司製造的LCD5100型亮度計。光源為鹵素燈。低通濾波器(Low-pass filter)是設定為5 kHz。在兩塊玻璃基板的間隔(單元間隙)為5.0 μm且扭轉角為80度的正常顯白模式(normally white mode)的TN元件中放入試樣。對該元件施加矩 形波(60 Hz，5 V，0.5秒)。此時，從垂直方向對元件照射光，測定穿透過元件的光量。當該光量達到最大時穿透率為100%，當該光量為最小時穿透率為0%。上升時間(τr：rise time，毫秒)為穿透率從90%變化至10%所需要的時間。下降時間(τf：fall time，毫秒)為穿透率從10%變化至90%所需要的時間。響應時間是以上述方式求出的上升時間與下降時間的和。
彈性常數(K，在25℃下測定，pN)：測定時使用橫河惠普(Yokogawa-Hewlett-Packard)股份有限公司製造的HP4284A型LCR計。在兩塊玻璃基板的間隔(單元間隙)為20 μm的水平配向單元中放入試樣。對該單元施加0伏特至20伏特電荷，測定電容及施加電壓。使用《液晶裝置手冊》(日刊工業新聞社)第75頁的式(2.98)、式(2.101)將所測定的電容(C)及施加電壓(V)的值進行擬合(fitting)，由式(2.99)獲得K11及K33的值。繼而，在《液晶裝置手冊》第171頁的式(3.18)中，使用剛才求出的K11及K33的值來算出K22。彈性常數是以上述方式求出的K11、K22及K33的平均值。
比電阻(ρ，在25℃下測定，Ωcm)：在具備電極的容器中注入試樣1.0 mL。對該容器施加直流電壓(10 V)，測定10秒後的直流電流。比電阻是由如下式子算出。(比電阻)={(電壓)×(容器的電容)}/{(直流電流)×(真空的介電常數)}。
螺旋節距(P，在室溫下測定，μm)：螺旋節距是利用楔法來測定(液晶便覽第196頁(2000年發行，丸善))。將試樣注 入於楔形單元中，在室溫下靜置2小時後，利用偏光顯微鏡(尼康(股)，商品名MM40/60系列)來觀察向錯線(disclination line)的間隔(d2-d1)。螺旋節距(P)是根據將楔單元的角度表示為θ的下述式子來算出。
P=2×(d2-d1)×tanθ
氣相層析分析：測定時使用島津製作所製造的GC-14B型氣相層析儀(gas chromatograph)。載體氣體為氦氣(2 mL/min)。將試樣氣化室設定為280℃，且將檢測器(火焰離子檢測器(flame ionization detector，FID))設定為300℃。成分化合物的分離時使用安捷倫科技公司(Agilent Technologies Inc.)製造的毛細管柱DB-1(長度30 m，內徑0.32 mm，膜厚0.25 μm；固定液相為二甲基聚矽氧烷；無極性)。該管柱在200℃下保持2分鐘後，以5℃/min的比例升溫至280℃。試樣製備成丙酮溶液(0.1重量%)後，將其中的1 μL注入至試樣氣化室中。記錄計為島津製作所製造的C-R5A型Chromatopac、或者其同等品。所得的氣相層析圖表示與成分化合物對應的波峰的保持時間及波峰的面積。
用以稀釋試樣的溶劑可使用氯仿、己烷等。為了分離成分化合物，可使用如下的毛細管柱。安捷倫科技公司製造的HP-1(長度30 m，內徑0.32 mm，膜厚0.25 μm)、瑞斯泰克公司(Restek Corporation)製造的Rtx-1(長度30 m，內徑0.32 mm，膜厚0.25 μm)、澳大利亞SGE國際公司(SGE International Pty.Ltd)製造的BP-1(長度30 m，內徑0.32 mm，膜厚0.25 μm)。出於防止化 合物波峰重疊的目的，亦可使用島津製作所製造的毛細管柱CBP1-M50-025(長度50 m，內徑0.25 mm，膜厚0.25 μm)。
組成物中所含的液晶性化合物的比例可利用如下所述的方法算出。液晶性化合物可利用氣相層析儀來檢測。氣相層析圖中的波峰的面積比相當於液晶性化合物的比例(莫耳數)。使用上文記載的毛細管柱時，可將各液晶性化合物的修正係數視為1。因此，液晶性化合物的比例(重量%)是根據波峰的面積比來算出。
利用實施例對本發明進行詳細說明。本發明不受下述實施例的限定。比較例及實施例中的化合物是基於下述表3的定義，利用記號來表示。表3中，與1,4-伸環己基相關的立體構型為反式構型。位於記號後的括弧內的編號與化合物的編號對應。(-)的記號是指其他的液晶性化合物。液晶性化合物的比例(百分率)為基於液晶組成物的總重量的重量百分率(重量%)，而液晶組成物中包含雜質。最後，歸納組成物的特性值。
[實施例1]
NI=76.8℃；Tc<-30℃；△n=0.127；△ε=6.7；Vth=2.21 V；η=8.6 mPa．s。
[比較例1]
製成在實施例1的組成物中，將本發明的第1成分的化合物置換為第3成分的化合物(3-14-1)的液晶組成物。製備本組成物，利用上述方法進行測定。該組成物的成分以及特性如下所述：
NI=77.1℃；Tc<-20℃；△n=0.127；△ε=5.6；Vth=2.44 V； η=7.2 mPa．s。
比較例1的組成物與實施例1相比，向列相的下限溫度高，正的介電各向異性小。
[實施例2]
NI=80.6℃；Tc<-20℃；△n=0.108；△ε=8.6；Vth=2.06 V；η=20.0 mPa．s。
[實施例3]
NI=82.7℃；Tc<-20℃；△n=0.115；△ε=9.1；Vth=2.06 V；η=24.3 mPa．s。
[實施例4]
NI=70.4℃；Tc<-20℃；△n=0.100；△ε=7.7；Vth=1.91 V；η=14.2 mPa．s。
[實施例5]
NI=77.3℃；Tc<-20℃；△n=0.120；△ε=10.3；Vth=1.83 V；η=18.0 mPa．s。
[實施例6]
NI=86.4℃；Tc<-30℃；△n=0.134；△ε=8.7；Vth=2.21 V；η=25.9 mPa．s。
[實施例7]
NI=92.1℃；Tc<-30℃；△n=0.114；△ε=9.3；Vth=2.28 V；η=19.8 mPa．s。
[實施例8]
NI=81.2℃；Tc<-20℃；△n=0.118；△ε=7.2；Vth=2.27 V；η=15.0 mPa．s。
[實施例9]
NI=86.7℃；Tc<-20℃；△n=0.131；△ε=8.5；Vth=2.23 V；η=23.5 mPa．s。
實施例1至實施例9的組成物與比較例1的組成物相比，具有正的大介電各向異性。因此，本發明的液晶組成物具有優異的特性。
[產業上之可利用性]
本發明的液晶組成物在向列相的高上限溫度、向列相的低下限溫度、小的黏度、適當的光學各向異性、大的介電各向異性、大的比電阻、大的彈性常數、對紫外線的高穩定性、對熱的高穩定性等特性中，滿足至少一種特性，或者關於至少兩種特性而具有適當的平衡。含有此種組成物的液晶顯示元件由於成為具有短的響應時間、大的電壓保持率、大的對比度、長壽命等的AM元件，故而可用於液晶投影機、液晶電視等。

Claims (11)

  1. 一種液晶組成物，含有選自式(1)所表示的化合物組群中的至少一種化合物作為第一成分、以及選自式(2)所表示的化合物組群中的至少一種化合物作為第二成分，而且該液晶組成物具有向列相，其中上述第二成分的至少一種為選自式(2-1)所表示的化合物組群的化合物： 此處，R1為碳數1至12的烷基、碳數1至12的烷氧基、或者碳數2至12的烯基，R2及R3獨立地為碳數1至12的烷基、碳數1至12的烷氧基、碳數2至12的烯基、或者至少1個氫經氟取代的碳數2至12的烯基；環A及環B獨立地為1,4-伸環己基、1,4-伸苯基、2-氟-1,4-伸苯基、3-氟-1,4-伸苯基、或者2,5-二氟-1,4-伸苯基；Z1獨立地為單鍵、伸乙基、或者羰基氧基；X1、X2、X3及X4獨立地為氫或氟；m及n獨立地為1、2或3。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的液晶組成物，其中上述第一 成分為選自式(1-1)至式(1-19)所表示的化合物組群中的至少一種化合物： 此處，R1為碳數1至12的烷基、碳數1至12的烷氧基、或者碳數2至12的烯基。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的液晶組成物，其中上述第二 成分為選自式(2-2)至式(2-13)所表示的化合物組群中的至少一種化合物： 此處，R2及R3獨立地為碳數1至12的烷基、碳數1至12 的烷氧基、碳數2至12的烯基、或者至少1個氫經氟取代的碳數2至12的烯基。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的液晶組成物，其中基於上述液晶組成物的總重量，上述第一成分的比例為3重量%至25重量%的範圍，上述第二成分的比例為25重量%至97重量%的範圍。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的液晶組成物，其更含有選自式(3)所表示的化合物組群中的至少一種化合物作為第三成分： 此處，R4為碳數1至12的烷基、碳數1至12的烷氧基、或者碳數2至12的烯基；環C為1,4-伸環己基、1,4-伸苯基、2-氟-1,4-伸苯基、3-氟-1,4-伸苯基、3,5-二氟-1,4-伸苯基、1,3-二噁烷-2,5-二基、四氫哌喃-2,5-二基、或者嘧啶-2,5-二基；Z2為單鍵、二氟亞甲基氧基、伸乙基、或者羰基氧基；X5及X6獨立地為氫或氟；Y1為氟、氯、或者三氟甲氧基；p為1、2、3或4。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的液晶組成物，其中上述第三成分為選自式(3-1)至式(3-24)所表示的化合物組群中的至少 一種化合物： 此處，R4為碳數1至12的烷基、碳數1至12的烷氧基、或者碳數2至12的烯基；X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11及X12獨立地為氫或氟；Y1為氟、氯、或者三氟甲氧基。
  7. 如申請專利範圍第5項至第6項中任一項所述的液晶組成物，其中基於上述液晶組成物的總重量，上述第三成分的比例為5重量%至65重量%的範圍。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的液晶組成物，其中向列相的上限溫度為70℃以上，波長589nm下的光學各向異性(25℃)為0.07以上，而且頻率1kHz下的介電各向異性(25℃)為2以上。
  9. 一種液晶顯示元件，其含有如申請專利範圍第1項至第8 項中任一項所述的液晶組成物。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的液晶顯示元件，其中上述液晶顯示元件的運作模式為TN模式、ECB模式、OCB模式、IPS模式、PSA模式或者FPA模式，上述液晶顯示元件的驅動方式為主動矩陣方式。
  11. 一種如申請專利範圍第1項所述的液晶組成物的用途，其用於液晶顯示元件中。
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