JPS62242310A - 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なと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（Ｂｉ２Ｏ，）　＋酸化コバルト（ＣＯｚＯｓ
）。

酸化マンガｙ（ＭｎＯ２）　、酸化アンチモｙ（Ｓｂ２
０５　）などの酸化物を添加して１０００〜１３６０℃
で溶結した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
とに限界があるだめ、バリスタ電圧（バリスタに電流１
ｍＡを流した時の電圧ＶＩｍ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。

まだ、上述したように溶成する際に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いという
問題があった。さらに、従来のものけ並列静電容量が大
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。

問題点を解決するだめの手段 この問題点を解決するだめに本発明は、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テモッテ固められたＢｉ２Ｏ３
、Ｃｏ２Ｏ３、ＭｎＯ２および５ｂ２ｏ５の全てを少な
くとも含んでな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々るた
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、得られた素子は微粉末状の半導体物質を固めたも
のであるだめ、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、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℃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Ｂｉ２Ｏ
３、Ｃｏ２Ｏ３、ＭｎＯ，、、５ｂ２０３の総量を０．
０５〜１０ｍｏ１％添加し、６０ｏ〜１３５０℃で１０
〜６０分間、熱処理し、そのＺｎＯ微粉末表面にこれら
酸化物の絶縁被膜を形成した。この時、微粉末状のＺｎ
Ｏの表面には上記酸化物の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酸化物の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ボットミルでほぐし、微粉末状と
しだ。

次に、上記のようにして得られた酸化物絶縁被膜が表面
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５〜２０ｗｔ％　　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、ペイント状としだ。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１０　ｗｔ％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℃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５の表面に施された
酸化物絶縁被膜、７は上記ＩＴＯ電極１側となる下層側
のＺｎＯ微粉末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でもって下層側の微粉末５の間は互いに固められ
ている。まだ、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７ｏｏ℃で焼成し、こ
れにＢｉ２Ｏ３、Ｃｏ２Ｏ３、ＭｎＯ２、５ｂ２０３を
それぞれ０．２　ｍｏｌ係、つ壕り総量でｏ、ｓｍｏｌ
係添加したものを９００”ｌ：　、６０分間熱処理した
後、この平均粒子径５〜１０μｍのＺｎＯ微粉末と実計
製薬（株）製の低融点ガラス微粉末（ＺｎＯ微粉末に対
して２０ｗｔ％　）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［ＩＩＩＩＰ、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＝ＫＶ“ ここで、■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　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Ｖ１ｍ
Ａ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ｖ１１ｉ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じての低融点ガラス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
い々いが、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蓄離を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５〜１０μｍ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０．３
〜３μｍのものを使えば、電極間距離が１ｏμｍ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、Ｂｉ２Ｏ３、Ｇｏ。０５．　
ＭｎＯ２。

Ｓｂ２Ｏ３の総添加量を変えた場合のバリスタ電圧７１
１１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Ｂｉ２Ｏ３、
Ｃｏ２Ｏ３、ＭｎＯ２、５ｂ２０５　ノ総添加量と熱処
理温度を変えた場合のバリスタ電圧ｖ１□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） 上記第１表および第４図より明らかなように、各特性値
は上記酸化物の総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、これら酸化物の総添加量は０．０
６〜３　ｍｏｌ　％で特に良好な特性を示した。また、
熱処理温度は酸化物の総添加量にもよるが６００〜１３
５０℃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℃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々いのである。

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。また、同様
に絶縁被膜を構成する材料としては、Ｂｉ２Ｏ３、Ｃｏ
２Ｏ３、ＭｎＯ２、５ｂ２０３だけに限られることはな
く、Ｂｉ　、　Ｇｏ　、　Ｍｎ　、　Ｓｂの全てを主成
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で奪単独まだは組合せ１使用す
る員が７き６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、メラばン樹脂。

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、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、微粉末とした後に、絶縁性の無機質化合物であるＢ
ｉ２Ｏ３、Ｃｏ２Ｏ３、ＭｎＯ２、５ｂ２０３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、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１７、−１ 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
犬なるものである。

【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、Ｃｏ２Ｏ
３、ＭｎＯ２、５ｂ２０５ノ総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／ｉ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。 １８、。 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・・・・・・ＺｎＯ微粉末、６・・・・
・・添加物による酸化物絶縁被膜、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（Ｖ）

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、Ｃｏ＿２Ｏ＿３、ＭｎＯ＿２お
   よびＳｂ＿２Ｏ＿３の全てを少なくとも含んでなる薄い
   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電圧非直線性素子。