電子顯像技術剖析

 

光導體

光導體是一種端電阻會隨入射光強度變化的兩端點半導體裝置。材料設計上需要感光物質與電子傳遞物質來作為光導體的基礎材料;其運作原理簡單的說是利用感光物質接受光能量以後會失去電子,再利用電子傳遞物質作為電子傳遞的介質達到降低電阻的較果。市面上製作光導體的材料可以分為兩大類--有機光導體與無機光導體。有機光導體即我們常聽到的OPC英文全名叫做Organic Photo-Conductor,是利用樹酯、感光物質與導電物質組成的元件;而無機光導體則是利用半導體材料製備而成一般常用的材料如:硫化鎘及硒化鎘。

有機感光體可以分成兩種製作方式,一種是單層感光體即是將樹酯、感光物質與導電物質三者混合;另一種是多層感光體,是將感光物質與導電物質分開,目前市面上的有機感光體大都屬於這一種。

多層有機光導體的剖面結構如圖一所示。光導體的基材為鋁或鋁合金(aluminum substrate),其上有3層材料藉以形成光導體的機構。第一層為吸附層或氧化層(adhesive layer or metal oxide blocking layer)約5μm(1μm=1×10-6公尺);第二層為感光層亦為電荷產生層(Charge Generation Layer簡稱CGL) <1μm,此層的組成為染料,其作用是曝光以後產生正電荷;第三層為導電層亦為電荷傳導層(Charge Transport Layer簡稱CTL)20~50 μm,其作用是將負電荷傳導至第二層,將曝光後所產生的正電荷中和。

在電子顯像技術中多層有機光導體的機構與物理原理是藉由CTL與CGL來共同完成,針對佈負電的機構而言,光導體進行過程可以分成以下三大步驟:

1CTL表面佈負電:首先必須對光導體表面佈負電(Charging)使其表面有-650伏特的靜電,如圖二所示。

2CGL曝光形成正電:接下來利用雷射或可見光等電磁波將所需列印的文樣寫在光導體上;由於CTL可被光線穿透故光線打在CGL的染料上,將染料的負電荷激發經由吸附層傳導到鋁基材上,如此可在CGL形成正電荷。

3正負電中和:此時光導體上的負電荷受CGL的正電荷吸引,負電荷會經由CTL傳至CGL與之中和。圖三為雷射寫入示意圖。

當雷射光寫入欲列印的文樣以後,曝光區域與未曝光區域會在光導體表面產生電位差,此時稱為“靜電潛像”,如圖四。“靜電潛像”意指光導體表面已經有由靜電所組成的影像。靜電潛像亦即碳粉將在此區域顯影;此時若將碳粉帶靜電,碳粉即會顯影在光導體上

 

雷射印表機運作

在電子顯像的領域中,我們常常聽到”感光鼓”這個名詞(有人稱”感光滾筒”、”滾筒”),其實感光鼓的英文全名叫做Organic Photo-Conductor Drum簡稱OPC Drum。電子顯像技術總共有六個步驟(或七個步驟):【1】佈電、【2】寫入、【3】顯像、【4】轉像、【5】融印、【6】清除、【7】除電。上述六大步驟除融印步驟外,都必須環繞在感光鼓動作,而整個技術設計上亦利用光導體的原理為主軸;目前所發展出來的許多列印機構,其光導體的原理不變,只是達成各個單一步驟的方式依各家廠商設計而有所不同。圖五為電子顯像技術示意圖。

 

1佈電:佈電為電子寫真技術第一個步驟,此步驟即是在原本表面無電荷之感光鼓表面均勻佈電。佈電技術常見有下列三種方式:電暈佈電(Corona)、佈電滾輪(PCR)佈電以及電刷佈電。

1.電暈佈電:

可分成佈正電與佈負電兩種。利用高壓電離感光鼓周圍的空氣(約6000伏特),以達到佈電的目的;其缺點是會造成臭氧(O3),且因高電壓解離空氣,需要較高的能量,故此方式較為耗電。此方式佈電常見於複印機;其優點在於佈電均勻。早期雷射印表機多半使用此技術。圖六所示

2.佈電滾輪佈電:

此方式是利用導電性橡膠材質與光導體接觸,在光導體表面放約650 ~ 750伏特的靜電。如圖七所示。目前大部分列表機已經採用此方式作為佈電方式。其缺點是在卡匣運轉過程中,碳粉會污染佈電滾輪表面,以致會有佈電不均的現象

3.電刷佈電:

此方式是利用導電毛刷與感光鼓接觸,在感光鼓表面放電。電刷佈電的缺點與佈電滾輪類似,但其污染性更為嚴重。目前各主要廠牌的印表機已經少用此種佈電方式

 

2寫入:由於感光鼓為一光電材料,照光前為絕緣體,照光後為導體。感光鼓照光後,表面電荷因感光鼓變導體而將電荷導掉,故只需要將欲寫入的符號變成數位訊號利用光束打在感光鼓上,在被光打到的區域即會有一"靜電潛像"。如圖八所示

 

3顯像:顯像步驟即是利用擦電原理或電荷注入的方式,讓碳粉表面帶靜電,接著在感光鼓與顯像滾筒間施加電場將碳粉轉移至已有靜電潛像的感光鼓上,達成顯影的目的。

顯像步驟的重點在於碳粉製造技術與如何讓碳粉均勻帶電?目前發展出來的方式大致可分成三種碳粉帶電方式:非接觸式單成分磁性碳粉顯像、接觸式單成分非磁性碳粉顯像與雙成分顯像

1.非接觸式單成分磁性碳粉顯像:

所謂單成分磁性碳粉是指碳粉為添加肥粒鐵(Fe3O4)使碳粉本身有磁性;顯像滾輪設計上外面有一鋁質套筒,內部則有一磁棒,運作時磁棒不動,鋁質套筒則伴隨感光鼓旋轉,由於碳粉為磁性因磁棒的關係會吸附在套筒表面,此時只要在套筒表面施予電壓對碳粉做電荷注入,碳粉即因此得到靜電;再利用佈粉刮刀(PU或矽材質的絕緣體)決定碳粉在顯像滾筒表面的厚度

“非接觸式”是指感光鼓與顯像滾輪之間有一個約0.2~0.4mm的間隙,碳粉是利用”跳躍”的方式由顯像滾輪轉移到感光鼓上,這就是著名的”跳躍顯像”(Jumping Developing)

2.接觸式單成分非磁性碳粉顯像

碳粉為非磁性,碳粉的帶電來源是來自金屬材質刮刀上的電荷注入,或是經由導電的顯像滾筒、或是經由顯像滾輪旁的碳粉佈電滾輪做電荷注入;當碳粉佈電之後與感光鼓直接加上電場,即可將碳粉轉移至感光鼓。有別於非接觸磁性單成分顯像機構,此機構顯像滾輪與感光鼓直接接觸的關係,解析度與列印品質會受到感光鼓與顯像滾輪表面功函數和費米能階的影響,故滾輪需具備高耐磨耗性、物理穩定性與化學穩定性的特質。

3.雙成分顯像:

在單成分顯像系統中,碳粉帶電的方式是利用外加電壓的方式讓碳粉帶電,雙成分系統有別於單成分顯像系統,碳粉帶電方式是利用摩擦帶電的方式讓碳粉帶電。設計上是將碳粉與載珠(有些人稱之為鐵粉或磁粉),混合攪拌後由於碳粉與載珠表面功函數不同,故碳粉會得到載珠所賦予的靜電。載珠的粒徑一般大小為50 ~ 80mm,是一種磁性粉末(通常為肥粒鐵)外面鍍上一層高分子材料(一般外面包覆壓克力樹酯)。如圖1-10一所示。此種碳粉擦電機構的缺點是載珠長期使用下會遭碳粉與碳粉添加物污染,使得碳粉擦電量會因載珠污染而下降,因此載珠使用過一段時間後需要更換而增加列印成本。在雷射印表機中使用雙成分顯像的並不常見,而影印機部分則常常可以在市面上看到;市面上的影印機只要是需加鐵粉或是磁粉的都是雙成分顯像機構

雙成分顯像機構中碳粉轉移到感光鼓的方式也十分有趣。此機構中顯像滾輪的設計與非接觸性單成分磁性顯像系統的顯像滾輪類似,使用鋁質套筒內部放上磁棒;載珠經由攪拌擦電後碳粉會因靜電的關係吸附在載珠上,使得載珠外面包覆一層碳粉,而載珠為磁性粉末會使得載珠內部的S極與N極相互吸引,一根根的”站”在內部有磁棒的套筒上類似刷子一般。當轉動顯像滾輪時,載珠會刷過感光鼓,而將載珠上的碳粉轉移到感光鼓上,達到顯影的效果

 

4轉印:感光鼓表面的碳粉影像轉移至紙張的動作稱為轉印或是轉像。其方式亦是藉助感光鼓與轉像滾輪間加上偏壓使碳粉轉移至紙張上。

 

5融印:轉印到紙張上的碳粉只是附著在紙張表面,需更進一步的讓碳粉壓融在紙張表面;整個融印機構分成加熱滾筒與加壓滾筒兩部分,其加熱溫度約150℃ ~ 270℃。當轉印後的紙張會通過融印機構,令碳粉定著在紙張的纖維上。如圖1-12所示。

 

6清除:感光鼓經由轉像步驟後,感光鼓上的碳粉不會完全轉移至紙張,約有5%~10%的碳粉殘留其上。故需將碳粉完全清除,否則殘留的碳粉會在下次轉像時轉移至紙張上,造成列印的缺陷。利用清除刮刀將感光鼓表面的碳粉刮除乾淨,清除刮刀一般為PU材質。

 

7除電:感光鼓表面經一連串步驟後,還會有殘餘的電荷。若不將這些電荷完全清除乾淨,會再下次的靜電潛像顯現出來,造成列印的重影。通常清除電荷有兩種方式:

1.再次曝光:

利用光線在感光鼓表面再次曝光,使得感光鼓變成導體,進而將表面的靜電潛像導掉

2.利用佈電滾輪:

在佈電滾輪上加交流偏壓,使感光鼓表面電荷中和

 


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