JPS62193218A - 電圧非直線性素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は印加電圧によって抵抗値が変化する電圧非直線
性素子に関するもので、電工安定化、異常電圧制御、さ
らにはマトリックス駆動の液晶、に利用されるものであ
る。

従来の技術 従来の電圧非直線性素子は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）に酸化
ビスマス（Ｂｉ２０３）、酸化コバルト（ＧＯ２０５）
１酸化マンガン（Ｍｎ　Ｏ２）　＋　　酸化アンチモア
　（Ｓｄ　２０５）などの酸化物を添加して、１０００
’Ｃ〜１３６０℃で焼結したＺｎＯバリスタなど、種々
のものがある。その中で、ＺｎＯバリスタは電子非直線
指数α、サージ耐量が大きいことから、最も一般的に使
われている。（特公昭４６−１９４７２号公報参照）発
明が解決しようとする問題点 このような従来の電圧非直線性素子は、ＺｎＯバリスタ
を初めとして、素子厚みを薄く　（数十μｍ以下）する
ことに限界があるため、バリスタ電圧（バリスタに電流
１　ｍＡを流した時の電圧ｖ　＋ｍムで表される）を低
くすることに限界があり、低電圧用の保護素子や低い′
電圧における電圧安定化素子として使えないものであっ
た。丑た、上述したように１ｏＯＯ′Ｃ以上の高温プロ
セスを必要とす非直線性素子を直接形成できないという
問題があった。さらに、従来のものは並列静電容量が大
きく、例えば液晶などのスイッチング素子としては不適
当なものであるなどの問題点を有していた。

問題点を解決するための手段 この問題点を解決するために本発明は、薄い絶縁被膜を
有した微粉末状の半導体物質が複数個集まった状態を一
つの粉末とし、その粉末間もしくは一部に上記微粉末を
含む粉末と粉末状の導電性物゛αとを絶縁性の結合剤で
固め、電極を備えてなるものである。

作用 この構成によれば、低電流域においても電圧非直線指数
αの大きなものが得られ、また、粉末状の導電性物質を
介在させていることによって、粉末状の半導体物質間の
電気的接続を安定にし、特性のバラツキの少ない素子が
得られ、かつこの導電性物質の介在量によってバリスタ
電圧を制御することもできることとなるため、電極間距
離に制御されることなく、たとえば電極間距離を上記の
ように数十μｍ以下に極端に狭くして素子を形成しなく
ても、低電上化に適した素子がきわめて容易に得られる
こととなる。そして、結合剤で固めて素子形成を行う際
に高温プロセスを必要とすることなく作ることができる
ため、回路基板上に素子を直接形成することができ、Ｚ
ｎＯバリスタなどでは考えられない幅広い用途が期待で
きるものである。さらに、微粉末状の半導体物質を絶縁
性の結合剤でもって固めたものであるため、それぞれの
半導体物質の間は微粉末状の導電性物質が介在されてい
るものの、接触面積が基本的に小さいことから並列静電
容量の小さなものが得られ、液晶などのデバイスのスイ
ッチング素子として最適な素子が提供できることとなる
。

実施例 以下、本発明を実施例にもとづいて詳細に説明する。ま
ず、粒子径が０．０５〜１μｍの微粒子状の酸化唾鉛を
７００〜１３００℃で焼成した後、その焼結されたＺｎ
Ｏを０．５〜６０μｍの粒子径（平均粒子径１〜１０μ
ｍ）に粉砕し、そのＺｎＯ微粉末ｉ／ｌ：Ｂｉ２Ｏ５を
０．０５〜１０　ｍｏ１％添加し、６００〜１３５０”
Ｃで１０〜６０分間、熱処理し、そのＺｎＯ微粉末表面
にＢｉ２Ｏ５絶縁被膜を形成した。

ここで、微粉末状のＺｎＯの表面にはＢｉ２Ｏ５絶縁被
膜ばほぼ数十〜数百への厚さで薄く形成されていること
が認められた。次いで、このようにして作成したＢｉ２
Ｏ５絶縁被膜が表面についたＺｎＯ微粉末群は弱い力で
互いに接着しているので、これを乳鉢あるいはポットミ
ルでほぐし、上記ＺｎＯ微粉末がそれぞれ複数個集まっ
た微粉末群の状態とした（以下、この状態のものを粉末
状という）。

この時、一部に上記ＺｎＯ微粉末が単独で存在しても差
支えないものであり、この上うなＺｎＯ微粉末を一部に
含んでの状態のものも粉末状という。次に、上記のよう
にして得られたＢｉ　２０３絶縁被膜が表面に形成され
た粉末状のＺｎＯに、粉末状の導電性物質としてグラフ
ァイト粉末と、それら粉末間の機械的結合を図る絶縁性
の結合剤（バインダー）としてポリイミド樹脂を添加し
、混合した。ここで、結合剤としてはポリイミド樹脂の
固形分が溶剤（ｆＩｌえばｎ−メチル−２−ポロリドン
）に対して６ｗｔ％　となるように薄めたものとし、そ
れをＺｎＯ粉末とグラファイト粉末との合計分に対して
例えば等重量で混合し、ペイント状とした。次いで、上
記のようにして得られたペイントを第２図に示すように
ＩＴＯ（インジウム・スズ酸化物）電極１の設けられた
ガラス基板３上に、例えばスクリーン印刷で塗布し、そ
の上に同じ（ＩＴＯ電極２の設けられたガラス基板４を
載置し、２８０〜４００℃で３０分間、大気中で硬化さ
せ、電極１．２間に電圧非直線性素子５を設けた。第１
図は、電圧非直線性素子５の拡大断面図であり、６はＺ
ｎＯ粉末、７は粉末状の導電性物質としてのグラファイ
ト粉末で、ＺｎＯ粉末６問およびそのＺｎＯ粉末６と電
極１，２との間の電気的接続を良好にしている。８はこ
れら粉末６，７間を機械的に結合している絶縁性の結合
剤であり、この結合剤８でもって粉末６．７は互いに固
められている。９ばＺｎＯ粉末６の表面に施されたＢｉ
２Ｏ５絶縁被膜である。第３図はＩＴＯ電極１Δ、１ｂ
が設けられたガラス基板３ａ上に電圧非直線性素子５を
構成した場合を示している。

次に、上記のようにして作成された電圧非直線性素子の
電圧−電流特性について説明する。まず第４図は第２図
の構成における電圧−電流特性を従来のＺｎＯバリスタ
のそれと比較］−で示している。

本発明の素子は、まず酸化匪鉛を７００℃で焼成し、こ
れにＢ工２０５を０．５　ｍｏｌ　％添加したものを９
００”Ｃ１６０分間熱処理した後、この平均粒子径６〜
１０μｍのＺｎＯ粉末とグラファイト（平均粒子径６μ
ｍ）粉末との合計分（グラファイト粉末は全体のｓ　ｗ
ｔ　％　）に等重量の結合剤をいれ混合したものにおい
て、素子面積を１ｆｆｌｌｆ、電極間距離を３０μｍと
した場合における特性を示している。

さて、電圧非直線性素子の電圧−電流特性は、よく知ら
れているように近似的に次式で示されている。

ｒ＝ＫＶ“ ここで、工は素子に流れる電流、Ｖは素子の電極間の電
圧、Ｋは固有抵抗の抵抗値に相当する定数、αは上述し
た電圧非直線特性の指数を示しており、この電子非直線
指数αは大きい程、電圧非直線性が優れていることにな
る。

第４図の特性に示されるように、特性Ｂで示される従来
のＺｎＯバリスタは低１１Ｌ流域において電圧非直線指
数αが小さく、１０’Ａ以下の′電流では良好な電圧非
直線性素子としての機能を発揮し得ない。一方、特性人
で示される本発明の素子では低電流域においても電圧非
直線指数αが大きく、１０−４０人　程度の電流域でも
十分に電圧非直線性素子としての機能を発揮することが
できることを示している。また、通常、ＺｎＯバリスタ
においてはバリスタ特性を表わすのに、例えば素子に１
ｍＡの電流を流した時の電極間に現れる電圧全バリスタ
電王ｖ１ｍムと呼び、このバリスタ電圧ｖ　＋ｎムと上
記電圧非直線指数αとを使用している。本発明の素子で
は、上述したように、低電流域においても電圧非直線指
数αが大きく、バリスタ電圧を第４図に示すように例え
ばｖ１／、１にで表わすことができる。

このように本発明において、バリスタ電圧を低いものと
することができるのは、グラファイト粉末を素子内に分
散させているため、これが電気的短絡路を作ることにな
り、実質的に電極間距離が短くなったことに相当する、
いわゆる橋渡しの効果（電気的なバイパス効果）をして
いるためである。従って、導電性物質を適当な量で添加
すれば、電極間距離に制約されることなく、たとえば電
極間距離を極間に狭くしないでも素子を形成することが
できる。

また、本発明素子において低電流域でも電圧非直線指数
αが大きい理由は、現在のところ理由は明確とはなって
いないが、粉末状の半導体物質（ＺｎＯ）　（ｉ−絶縁
性の結合剤でもって固めたものであるため、それぞれの
半導体物質の間は点接触となり、接触面積が小さいこと
、また結合剤が絶縁性の定め、漏れ電流が小さくなって
いることによるものと考えられる。

第５図は本発明において、粉末状の導電性物質としての
グラファイト粉末の添加量を変え定場合のバリスタ電圧
ｖ１μムの変化する様子を示している。ここで、酸化也
鉛の焼成温度など、その他の条件は第４図の場合の条件
と同一とした。第５図に示されるように、本発明素子に
おいては並列静電容量が従来のＺｎＯバリスタが１００
０〜２００００ＰＦであるのに対して非常に小さいもの
となっている。この並列静電容量が本発明素子において
小さい理由は、上述したように半導体物質間の接触面積
が小さいことによるものである。

また、第５図よりグラファイト粉末の添加量によってバ
リスタ電圧が変化する様子が認められる力ζこれは上述
したようにグラファイト粉末の添加量によって電気的な
バイパスが変るためと考えられる。

なお、上記の実施例においては、半導体物質としては、
ＺｎＯを例にとり説明したが、それ以外の半導体物質で
あっても差支えないことはもちろんである。また、同様
に絶縁被膜を構成する材料としては、Ｂｉ　２０３単独
に限られることはなく、Ｇｏ。

Ｍｎ　、　Ｓｂ　、　ＡＩ　、　Ｔｉ　、　Ｓｒ　、　
Ｍｇ　、　Ｎｉ　、　Ｏｒ　、　Ｓｉなどの金属酸化物
またはこれら金属の有機金属化合物などでもよいもので
あり、それらを単独または複数組合せて添加したものも
使用することができるものである。また、導電性物質と
しては本実施例のグラファイト以外に無定形炭素、例え
ばチャンネルプラック、ファーネスプラック、アセチレ
ンプラック、サーマルプラック、ランププラックなどで
も良いものであり、それらを単独または組合せて使用す
ることもできる。

さらに、粉末状の半導体物質と粉末状の導電性物質とを
固める絶縁性の結合剤としては、ポリイミド樹脂の他に
も種々考えられることはもちろんであり、熱硬化性樹脂
、たとえばフェノール樹脂ｌフラン樹脂、ユリア樹脂、
メラミン樹脂、不飴和ポリエステル樹脂、ジアリルフタ
レート樹脂、エボギ７樹脂、ポリウレタン樹脂、ケイ素
樹１１旨などでも良いものである。

発明の効果 以上の説明より明らかなように本発明の電圧非直線性素
子は、低電流域における電圧非直線指数αが大きく、ま
た並列静電容量の小さな素子が得られることから、消費
電流の小さい液晶、ＥＬなどのデバイスのスイッチング
素子として１′ヒ適な素子を提供できるものである。ま
た、粉末状の導電性物質全介在させていることによって
、粉末状の半導体物質間の電気的接続を安定にし、特性
のバラツキの少ない素子を得ることができ、かつこの導
電性物質の介在量によってバリスタ電圧を制御すること
ができるという利点が得られるため、電極間距離に制約
されることなく、たとえば電極間距離を極度に狭くしな
くてもバリスタ電圧の低い素子が得られ、上記電圧非直
線指数αが大きいことと相まって従来のＺｎＯバリスタ
では対応することのできなかった低電圧用ＩＣの保護素
子や低い電圧における電圧安定化素子として使用するこ
とができる。さらに、結合剤で固めて素子形成を行う際
に高温プロセスを必要とすることなく簡単にして作るこ
とができるため、回路塞板上やガラス基板上に素子を直
接形成することができるものである。このように種々の
特徴を有する本発明の電圧非直線性素子は、今までのＺ
ｎＯバリスタなどでは考えられない幅広い用途が期待で
きるものであり、その産業性は大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる電圧非直線性素子の一実施例を
示す拡大断面図、第２図および第３図はそれぞれ本発明
の素子をガラス基板上に設けた実施例を示す断面図、第
４図は本発明素子と従来のＺｎＯバリスタの電圧−電流
特性を示す図、第５図は本発明素子においてグラファイ
ト粉末の添加券を変えた場合の電圧非直線指数α、バリ
スタ電圧’／Ｉ、ａＡおよび並列静電容量Ｃの変化する
様子を示す図である。 １、　１ａ、　　１ｂ、　　２・−４ＴＯ電極、３．３
＆。 ４・・・・・ガラス基板、５・・・・・・電圧非直線性
素子、６・・・・・・ＺｎＯ粉末、７・・・・・・グラ
ファイト粉末、８・・・・・結合剤、９・・・・・・Ｂ
ｉ２Ｏ５絶縁被膜０代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏
　男　ほか１名第１図 第３図 第４図 一力　電圧（Ｖ） 第５図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）薄い絶縁被膜を有した微粉末状の半導体物質が複
   数個集まった状態を一つの粉末とし、その粉末間もしく
   は一部に上記微粉末を含む粉末と粉末状の導電性物質と
   を絶縁性の結合剤で固め、電極を備えてなることを特徴
   とする電圧非直線性素子。
2. （２）粉末状の導電性物質が少なくともグラファイトま
   たは無定形炭素を含んでなることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の電圧非直線性素子。