JPS62242303A - 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、電圧安定化、異常電圧制御、さ
らにはマ）　ＩＪノクス駆動の液晶、ＥＬなどの表示デ
バイスのスイッチング素子など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（Ｚｎ０）２７・
−１ に酸化ビスマス（Ｂ１２ｏ、）、酸化ニア　ハ／ｌ／　
）　（ＣＯ２０ｓ）。

酸化７７カン（Ｍｎ０２）、　酸化７　ンｆ−Ｅニア　
（５ｂ２０ｓ）などの酸化物を添加して、１ｏｏｏ〜１
３５０℃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バリスタは電圧非直線指数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
ｍＡ１流した時の電圧ｖ１１ｎ人で表される）を低くす
ることに限界があり、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えないものであった
。また、上述したように焼成する際に１ｏｏｏ℃以上の
高温プロセスを必要とするため、ガラス基板上あるいは
回路基板上に電圧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、簿い絶縁被膜を
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
つの粉末とする粉末状の半導体物質が、一方の電極を設
けてなる絶縁基板上に、その一方の電極側となる下層側
を絶縁性の結合剤、上層側を導電性ペーストよりなる他
方の電極でもってそれぞれ固めて設けられたことを特徴
とするものである。

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、かつ絶縁性の結合剤の量によ
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、電極間距離を狭く（数十μｍ以下）して素子を形成
することができ、低電圧化に適した素子がきわめて容易
に得られることとなる。また、塗布したペイントを低い
温度で硬化させて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、ｚｎＯ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、得られた素子は粉末状の半導体物質を固めたもの
であるため、それぞれの半導体物質の粉末間は点接触と
なり、接触面積が基本的に小さいことから並列静電容量
の小さ々ものが得られ、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。

第１図は本発明素子を得るための製造工程の一例を示し
ている。まず、粒子径が０．０５〜１μｍの微粒子状の
酸化亜鉛’１７００〜１３００’（：、で焼成した後、
その焼結されたＺｎＯを０．５〜６０μｍの粒子径（平
均粒子径１〜１０μｍ）に粉砕し、そのＺｎＯ微粉末に
酸化コバルトを０．０５〜１゜ｍｏ１％添加し、６００
〜１３６０℃で１０〜６０分間、熱処理し、そのＺｎＯ
微粉末表面に酸化コバルトの絶縁被膜を形成した。この
時、微粉末状のＺｎＯの表面にはＧｏ　２０５絶縁被膜
がほぼ数十〜数百への厚さで薄く形成されていることが
認められた０次いで、このようにして作成したＣｏ２Ｏ
３絶縁被膜が表面についたＺｎＯ微粉末は弱い力で互い
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、このような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Ｃｏ　２０５絶縁被膜が表面に
形成された粉末状のＺｎＯに、粉末間の結合を図る絶縁
性の結合剤として低融点ガラス粉末と有機バインダーを
添加し、混合した。ここで、結合剤として低融点ガラス
粉未発が粉末状のＺｎＯに対して５〜２ｏｗｔ％　とな
るようにしたものとし、それを有機バインダーと例えば
等重量で混合し、ペイント状とした０ここで、有機バイ
ンダーとしてはエチルセルロースを使用し、その固形分
が溶剤（たとえばターピネオ６　メ ール）に対して１０ｗｔ％となるように薄めたものとし
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２上に例えばスクリ・−ン印刷で
塗布し、３００〜５５０’Ｃで１０〜３ｏ分間、大気中
で熱処理した。次に、もう二方の電極３をカーボンペー
ストラスクリーン印刷することにより形成し、本発明の
素子を得た第２図は、電圧非直線性素子４の拡大断面図
であり、５はＺｎＯ粉末、６はＺｎＯ粉末５の表面に施
されたＣＯ２Ｏ３絶縁被膜、７は上記ＩＴＯ電極１側と
なる下層側のＺｎＯ粉末６間を機械的に結合している絶
縁性結合剤の低融点ガラスであり、この結合剤としての
低融点ガラス７でもって下層側の粉末５の間は互いに固
められている。また、上層側のＺｎＯ粉末５の間は上記
カーボンペーストよりなる電極３で互いに固められてい
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３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
タのそれと比較して示している０本発明の素子は、まず
酸化ＩＥ鉛を７００℃で焼成し、これにＣｏ２Ｏ３を０
・５　ｍｏ１％添加したものを９００’Ｃ，６０分間熱
処理した後、この平均粒子径６〜１ｏμｍのＺｎＯ粉末
と奥野製薬株製の低融点ガラス微粉末（ＺｎＯ粉末に対
して２ｏｗｔ％）に上記有機バインダーを等重量で混合
したものにおいて、素子面積を１ｍ−１電極間距離を３
０μｍ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。

■二Ｋ　ｖα 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、この電圧非直線
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３図の特性に示されるように、特性Ｂで示される従来
のＺｎＯバリスタは低電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　　Ａ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をバリスタ電圧ｖ
１ｍＡと呼び、このバリスタ電圧ｖ４ｍＡと上記電圧非
直線指数αとを使用している０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３図に示すように例えばｖ１□
人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、まず電圧非直線性素子４の素子
厚を薄くさせることができることと、さらにまた第２図
に示すように結合剤としての低融点ガラス７でもって下
層側の電圧非直線性素子４が固められると共に上層側の
電圧非直線性素子４がカーボン電極３で固められること
から、実質的にも電極間距離を狭くして素子を形成する
ことができるためである。この時、低融点ガラス７の量
が少ない場合、カーボン電極３が上層側の電圧非直線性
素子４内に浸透する度合が大きくなりより実質的に電極
間距離を狭くして素子を形成することができるため、バ
リスタ電圧を一層低くすることができるものである。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）’（ｉ７絶縁性
結合剤の低融点ガラスでもって固めたものであるたべそ
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、捷だ結合剤が絶縁性のため、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。

ここで、第３図の特性は上述したように電極間距離を３
０μｍとした素子についてのものであるが、これはＺｎ
Ｏ粉末の平均粒子径が５〜１０μｍ１　ｏ　・＼ という比較的大きな粒子径のためにこれ以上狭くするこ
とができ々いからである。すなわち、ＺｎＯ粉末の平均
粒子径が０．３〜３μｍのものを使えば、電極間距離が
１０μｍ程度もしくはそれ以下の素子を作ることができ
るのであり、その場合においても第３図に示すような良
好な特性が得られることを本発明者らは実験により確認
した。

第４図は本発明において、酸化コバルトの添加量を変え
た場合のバリスタ電圧ｖ１１．ｔＡ　％電圧非直線指数
αおよび並列静電容量Ｃの変化する様子を示している。

ここで、酸化亜鉛の焼成温度など、その他の条件は第３
図の場合の条件と同一とした。

第４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１０００〜２００００
ＰＦ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Ｃ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、下記に示す第１表は本発明において酸化コバルト
の添加量と熱処理温度を変えた場合のバリスタ電圧ｖ１
ｐｋｚ電圧非直線指数αおよび並列静電容量Ｃの変化す
る様子を示した表である。

（以下余白） １３　ｌ−ノ １４・　−７ 上記第１表および第４図より明らかなように、各特性値
は酸化コバルトの添加量と熱処理温度に依存しているこ
とがわかる。ここで、酸化コバルトの添加量は０．０５
〜３ｍｏ１％で特に良好特性を示した。また、熱処理温
度は酸化コバルトの添加量にもよるが６００〜１３５０
℃の範囲で良好な特性を示した。この熱処理温度が上記
温度範囲以外、例えばｅｏｏ°Ｃ未満では十分な絶縁被
膜の形成が困難であることや１３５０℃を超えた温度で
は電圧非直線指数αが必要とする値以下になるなどの原
因で良好な特性が得られないのである。

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。１だ、同様
に絶縁被膜を構成する材料としては、Ｇｏ２０Ｂに限ら
れることはなく、ムｌ、Ｔｉ。

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酸化物などでもよいもので
あり、それらを単独または組合せて使用することができ
るものである。

さらに、粉末状の半導体物質を固める結合剤としては、
ガラス粉末と有機バインダーとを組合せた形以外に絶縁
性の有機接着剤でもよく、熱硬化樹脂、たとえばポリイ
ミド樹脂、フェノール樹脂。

フラン樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエ
ステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、エポキシ樹脂、
ポリウレタン樹脂、ケイ素樹脂などでも良いものである
。

さらにまた、上記実施例では結合剤としてガラス粉末単
独を用いた場合について示したが、ガラス粉末を上記の
絶縁性有機接着剤と併用する形で用いても良いものであ
り、たとえばガラス粉末でＺｎＯ粉末を結合させた後、
素子の上部から上記有機接着剤を印刷し、素子内に充填
するなどによっても素子形成ができるものである。

また、上記の実施例では素子および電極の形成をスクリ
ーン印刷法により行ったが、それ以外の塗布法、例えば
スプレー、浸漬などの方法で行ってもよいものである。

さらにまた、上記実施例による製造工程では、まず最初
に無機質半導体である微粒子状のＺｎＯを熱処理、粉砕
し、粉末とした後に、絶縁性の無機質化合物であるＣｏ
２Ｏ３を添加し、その後熱処理を行ったが、これは無機
質半導体の粉末に直接無機質化合物を添加するようにし
、上記無機質半導体微粒子の焼成、粉砕という処理工程
を省略しても差支えないものである。

発明の効果 以上の説明より明らかなように本発明による電圧非直線
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
ング素子として最適な素子を提供できるものである。ま
た、電極間距離を狭くして素子を形成することができる
ため、バリスタ電圧の低いものが得られ、しかも絶縁性
有機接着剤量またはガラス粉末量によってバリスタ電圧
を制御することもでき、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
のでき々かった低電圧用ＩＣの保護葉子や低い電圧にお
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、塗布したペイントを低い温度で硬化させて簡単にし
て作ることができるため、回路基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Ｚｏｏ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図の本発明による電圧非直線性素子の製造工程の一
例を示す図、第２図は本発明による電圧非直線性素子の
一実施例を示す拡大断面図、第３図は本発明による素子
と従来のＺｎＯバリスタの電圧−電流特性を示す図、第
４図は本発明による素子においてＧｏ　２０３の添加量
を変えた場合の電圧非直線指数α、バリスタ電圧Ｖ１．
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・・・・・・ＩＴＯ電極、２・・・・・・ガラス基板
、３・・・・・・カーボン電極、４・・・・・・電圧非
直線性素子、５・・・・・・１８　／・−、 ＺｎＯ粉末、６・・・・・・Ｃｏ　２０５絶縁被膜、７
・・・・・・低融点ガラス（結合剤）。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第３
図 一士　電圧（Ｖ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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する粉末状の半導体物質が
   、一方の電極を設けてなる絶縁基板上に、その一方の電
   極側となる下層側を絶縁性の結合剤、上層側を導電性ペ
   ーストよりなる他方の電極でもってそれぞれ固めて設け
   られたことを特徴とする電圧非直線性素子。