JPS62242309A - 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、異常電圧側（財）
、さらにはマトリックス駆動の液晶。

ＫＬ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、酸化唾鉛（ＺｎＯ）に酸化
ビスマス（Ｂｉ２Ｏ５）　、酸化コバルト（Ｃ０ｚＯｓ
　）　、酸化マンガｙ　（ＭｎＯ２）　、酸化’７７ｆ
モン（５ｂ２０３　）などの酸化物を添加して、１００
０〜１３６０’Ｃで焼結しだＺｎＯバリスタなど１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
とに限界があるだめ、バリスタ電圧（バリスタに電流１
　ｍＡ　を流しだ時の電圧Ｖ１ｍＡで表される）′ｆ：
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℃
以上の高温プロセスを必要とするだめ、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
３・・　。

いという問題があった。さらに、従来のものは並列静電
容量が犬きく１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。

問題点を解決するだめの手段 この問題点を解決するために本発明は、絶縁基板と、上
記絶縁基板上に設けられた一方の電極と、上記一方の電
極上に設けられ、その一方の電極側となる下層側は絶縁
性の結合剤でもって固められ。

かつ上層側は導電性ペーストよりなる他方の電極でもっ
て固められたＢｉ２Ｏ５に主成分とする薄い絶縁被膜を
施した微粉末状の半導体物質とから構成されたことを特
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ため１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、得られた素子は微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微粉末間は点
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１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１粒子径が０．０６〜１μｍの微粒子状の
酸化亜鉛を７００〜１３００℃で焼成した後、その焼結
されだＺｎＯｅ　ｏ、６〜６０μｍの粒子径（平均粒子
径１〜１０μｍ　）に粉砕し。

そのＺｎＯ微粉末に酸化ビスマスを０．０６〜１０ｍｏ
ｌチ添加し、６００〜１３６０℃で１０〜６０ｉ 分間、熱処理し、そのＺｎＯ微粉末表面に酸化ビスマス
の絶縁被膜を形成した。この時、′微粉末状のＺｎＯの
表面にはＢｉ２Ｏ３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。

次いで、このようにして作成したＢｉ２Ｏ５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、微
粉末状とした。次に、上記のようにして得られたＢｉ２
Ｏ３絶縁被膜が表面に形成された微粉末状のＺｎＯに、
微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、
結合剤としては低融点ガラス粉未発が微粉末状の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１ｏｗｔ％　　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ラ第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℃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
ラスクリーン印刷することにより形成し１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、６
はＺｎＯ微粉末、６はＺｎＯ微粉末６の表面に施された
Ｂｉ２Ｏ５絶縁被膜、７は上記ＩＴＯ電極１側となる下
層側のＺｎＯ微粉末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でもって下層側の微
粉末５の間は互いに固められている。また。

上層側のＺｎＯ微粉末６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℃で焼成し、こ
れにＢｉ２Ｏ３を０．５　ｍｏ１％添加したものを９０
０’Ｃ，６０分間熱処理した後、この平均粒子径５〜１
０μｍのＺｎＯ微粉末と実計製薬味製の低融点ガラス微
粉末（ＺｎＯ微粉末に対して２０　ｗｔ％　）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１−１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。

Ｉ　＝　Ｋ　Ｖａ ここで、■は素子に流れる電流、Ｖは素子の電極間の電
圧、に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　Å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。

まだ、通常、　ＺｎＯバリスタにおいてはバリスタ特性
を表すのに１例えば素子に１　ｍＡの電流を流しだ時の
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が犬きく、バリスタ電
圧を第３図に示すように例えばｖ１μ人で表すことがで
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９　・
− 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だめ、
バリスタ電圧を一層低ぐすることができるものである。

まだ１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、微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たものであるだめ、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、また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微粉末の平均粒子径が５〜１０７１ｍ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微粉末の平均粒子径が
０３〜ｓ７ｚｍのものを使え１　。

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、酸化ビスマスの添加量を変え
た場合のバリスタ電圧ｖ１μＡ％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１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。

まだ、下記に示す第１表は本発明において酸化ビスマス
の添加量と熱処理温度を変えた場合のバリスタ電圧Ｖ１
１ｔｈ　、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。

１１　・ １３・・−７ 上記第１表および第４図より明らかなように。

各特性値は酸化ビスマス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、酸化ビスマスの添加量は
０．０６〜３ｍ０１％で特に良好な特性を示しだ。また
、熱処理温度は酸化ビスマスの添加量にもよるが６００
〜１３６０℃の範囲で良好な特性を示しだ。この熱処理
温度が上記温度範囲以外１例えば６００℃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。

なお、上記の実施例においては、半導体物質としては、
Ｚｎｏｉ例にとり説明しだが、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。まだ、同様
に絶縁被膜を構成する材料としては、　Ｂｉ２Ｏ５単独
に限られることはなく。

Ｂｉ２Ｏ３’に主成分として、ムｌ、Ｔｉ、Ｓｒ、Ｍｇ
、Ｎｉ。

Ｏｒ　、　Ｓｉなどの金属酸化物またはこれら金属の有
機金属酸化物を単独または組合せて使用することＭＸで
きるものである。

さらに、微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影身外に絶
縁性の有機接着剤でもよく、熱硬化性樹脂、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
ボキン樹脂、ポリウレタン樹脂、ケイ素樹脂などでも良
いものである。

さらにまだ、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、ガラス粉末と上記の
絶縁性有機接着剤を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微粉末を熱処理し結合
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１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ＺｎＯｆ熱処
理、粉砕し、微粉末としだ後に、絶縁性の無機質化合物
であるＢｉ２Ｏ３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微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、！Ｌ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
有機接着剤量まだ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、塗布したペイントラ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図は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Ｂｉ２Ｏ３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ｖ１μ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・・・・・・カーボン電極、４・・・・・・電圧非
直線性素子％５・・・・・・１７１、−ノ ＺｎＯ微粉末、６・・・・・・Ｂｉ２Ｏ５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 一力電圧（１’）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　絶縁基板と、上記絶縁基板上に設けられた一方の電極
   と、上記一方の電極上に設けられ、その一方の電極側と
   なる下層側は絶縁性の結合剤でもって固められ、かつ上
   層側は導電性ペーストよりなる他方の電極でもって固め
   られたＢｉ＿２Ｏ＿３を主成分とする薄い絶縁被覆を施
   した微粉末状の半導体物質とから構成されたことを特徴
   とする電圧非直線性素子。