JPS62242305A - 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
らにはマトリックス駆動の液晶。

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（ＺｎＯ）に酸化
ビスマス（Ｂｉ２０ｓ）　＋酸化コバルト（ＣＯ２０３
）。

酸化マンガン（Ｍｎ０２）、酸化アンチモン（Ｓｂ２０
５）などの酸化物を添加して、１０００〜１３５０’Ｃ
で焼結したＺｎＯバリスタなど、種々のものがある０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、ノクリスタ電圧（バリスタに電流
１ｍ人を流した時の電圧Ｖ１ｍＡ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１０００°Ｃ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ソ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。

問題点を解決するだめの手段 この問題点を解決するために本発明は、Ｓｂ２Ｏ３を主
成分とする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だ
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だめ、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。

第１図は本発明素子を得るだめの製造工程の一例を示し
ている。まず、粒子径が０．０６〜１μｍ　　　”の微
粒子状の酸化亜鉛を７００〜１３００’Ｃで焼成した後
、その焼結されだＺｎＯを０．０６〜５ｏμｍの粒子径
（平均粒子径１〜１０μｍ）に粉砕し、そのＺｎＯ微粉
末に酸化アンチモンを０．０５〜１０ｍｏ１％添加し、
６０ｏ〜１３５０°ＣでＩＣ）−６０分間、熱処理し、
そのＺｎＯ微粉末表面に酸化アンチモンの絶縁被膜を形
成した。この時、微粉末状のＺｎＯの表面にはＳｂ２Ｏ
３絶縁被膜がほぼ数十〜再入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
Ｓｂ２Ｏ３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、このよりなＺｎ
Ｏ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Ｓｂ２Ｏ５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
ガラス粉末外が粉末状のＺｎＯに対して６〜２０ｗｔ％
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。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ール）に対して１０ｗ
ｔ％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上に例えばスクリーン印刷で塗
布し、３００〜５５０　”Ｃで１０〜３０分間、大気中
で熱処理した。次に、もう一方の電極３をカーボンペー
ストをスクリーン印刷することにより形成し、本発明の
素子を得だ。

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Ｓｂ
２Ｏ３絶縁被膜、７は上記ＩＴＯ電極１側となる下層側
のＺｎＯ粉末５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６０間は互いに固められてい
る。まだ、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。本発明の素子は、まず
酸化亜鉛を７００″Ｃで焼成し、これにＳｂ２Ｏ３をｏ
、５ｍｏ１％添加したものを９ｏ○°Ｑ、６０分間熱処
理した後、この平均粒子径６〜１０７＋ｍ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２゜ｗｔ％）に上記有機バインダーを等重量で
混合したもの姉おいて、素子面積を１−９電極間距離を
３０Ｂｍ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。

Ｉ＝ＫＶｃｔ ここで、工は素子に流れる電流、■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、１０−４　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、１Ｏ−１０Ａ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。まだ、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　ｍ
人の電流を流ｌ〜だ時の電極間に現れる電圧をバリスタ
電圧Ｖ１ｍＡと呼び、このバリスタ電圧Ｖ１ｍＡ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３図に
示すように例えばＶ１＝Ａ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、さらにまだ第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
とができるだめである。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。１だ
、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）を絶縁性結合剤の
低融点ガラスでもって固めだものであるだめ、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、１だ結合剤が絶縁性のだめ、漏れ電流が小さくなっ
ていることによると考えられる。

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５〜１０　ｌｔ　ｍｌ。

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
とができないからである。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
１０　Ｂｍ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、酸化アンチモンの添加量を変
えた場合のバリスタ電圧Ｖ１　ｌｉＡ、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１０００〜２ｏ○０Ｏ
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アンチモ
ンの添加量と熱処理温度を変えた場合のバリスタ電圧７
１１１人、電圧非直線指数αおよび並列静電容量Ｃの変
化する様子を示しだ表である。

（以下余白） １４・ 上記第１表および第４図より明らかなように、各特性面
は酸化アンチモン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、酸化アンチモンの添加量は０．
０５〜３ｍ０１％で特に良好特性を示した。また、熱処
理温度は酸化アンチモンの添加量にもよるが６００〜１
３５０’Ｃ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６００°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’Ｃ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０ 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、Ｓｂ２Ｏ５単独に
限られることはなく、Ｓｂ２Ｏ３を主成分としてＡｌ、
Ｔｉ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｏｒ、Ｓｉなどの金属酸化物
まだはこれら金属の有機金属酸化物を単独まだは組合せ
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態外に絶縁
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、ジアリルンタレート樹脂、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Ｓｂ
２Ｏ５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処し
、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ＪＬ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。まだ
、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
、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Ｓｂ２Ｏ３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ｖ１１１
人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・・・・・・１８、、。 カーボン電極、４・・・・・・電圧非直線性素子、６・
旧・・ＺｎＯ粉末、６・・・・・・Ｓｂ２Ｏ３絶縁被膜
、７・・・・・・低融点ガラス（結合剤）。 代理人の氏名　弁理士　巾　尾　敏　男　ほか１名第３
図 一±　電圧（１’）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　Ｓｂ＿２Ｏ＿３を主成分とする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。