JPS62242307A - 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、異常型圧制間、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 ２ページ 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（＋Ｃｏ２０３
）　＋酸化マンガン（Ｍｎ０２　）　、酸化アンチモン
（Ｓｂ２０３）などの酸化物を添加して、１ｏｏ。

〜１３５０℃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
ｍＡを流した時の電圧Ｖ、。□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３１＼
−。

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Ｓｂ２Ｏ３
　　を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た
め、電極間距離を狭く（数ととなる。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、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
酸化亜鉛を７００〜１３００’Ｃで焼成した後、その焼
結されたＺｎＯを０．５〜５０μｍの粒子径（平均粒子
径１〜１０μｍ　）に粉砕し、分間、熱処理し、そのＺ
ｎＯ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５ｂ２ｏ３絶縁
被膜がほぼ数十〜数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Ｓｂ
２Ｏ３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、微粉末状とした。

次に、上記のようにして得られたＳｂ２Ｏ３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、
ペイント状とした。ここで、有機バインダーとしてはエ
チルセルロースヲ使用し、その固形分が溶剤（たとえば
ターピネオール）に対して１０ｗｔ％となるように薄め
たものとし＼た。

６１、− 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
Ｓｂ２Ｏ３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。

また、上層側のＺｎＯ微粉末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
０．５ｍｏ１％添加したものを９００℃、６０分間熱処
理した後、この平均粒子径５〜１０μｍのＺｎＯ微粉末
と奥野製薬■製の低融点ガラス微粉末（ＺｎＯ＠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１−１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。

Ｉ＝ＫＶα 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’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Ａ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１ｍＡ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ｖｊｍ
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ｖ１□□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９、− 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、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
点性触となり、接触面積が小さいこと、また結合剤が絶
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増離を３
０μｍとした素子についてのものである１０、、。

が、これはＺｎＯ微粉末の平均粒子径が６〜１０／ｊｍ
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、酸化アンチモンの添加量を変
えた場合のバリスタ電圧ｖ１１ＩＡ、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。

との並列静電容量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
によるものであ膚・ 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ｖ
、ｌＩＡ、電圧非直線指数αおよび並列静電容量Ｃの変
化する様子を示した表である。

（以下余白） １４　ｔ・−゛ 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．
０５〜３　ｍｏ１％で特に良好な特性を示した。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
〜１３５０°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。

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、Ｓｂ２Ｏ３単独に
限られることはなく、ｓｂ、、ｏ、を主成分として、ム
ｌ　、Ｔｉ　、Ｓｒ　、Ｍｇ　、Ｎｉ　。

Ｃｒ、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１５　・ ができるものである。

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
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
。

゛、４ 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Ｓ
ｂ２Ｏ３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、　ＫＬ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、４が大
きいことと相まって従来のＺｎＯバリスタ１７１、 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シ、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Ｖ、□
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、−１−１・ カーボン電極、４・・・・・・電圧非直線性素子、５・
・・・・・ＺｎＯ微粉末、　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　中　尾　敏　男　ほか１名１−
Ｙ−Ｊ 寸 第　３　図 一士　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Ｓｂ＿２Ｏ＿３を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
   とする電圧非直線性素子。