電子寫真技術歷史簡介

 
 中國早在十一世紀宋朝就由畢昇發明活版印刷術,是為濕式印刷術,亦即需要使用油墨的方式印在紙上;西方的第一本活版印刷術則出現在一四五六年由德國人吉廷堡(Gutenberg)印製的《聖經》。自此活版印刷術沿用近千年。直到到了十九世紀末至二十世紀初期,複印技術才開始進入萌芽階段;文件的複印主要用攝影方式、藍圖法和重氮法。這些方式必須使用化學藥劑,不但藥水味濃厚,且由於濕式顯像的關係,翻印的文字模糊又不能持久,只要放上一段時間,隨著化學藥劑的裂解與揮發,複本上的的字體也會跟著變黃、變淡,最後終於揮發消失掉。直到二十世紀中期,乾式印刷才被發明出來;到了70年代,半導體技術萌芽,助長了乾式印刷術的技術提昇,造紙技術越臻成熟列印品質越趨穩定,才漸漸打開市場;到90年代電腦普及資訊技術一日千里,由乾式印刷術為基礎的影印機與雷射印表機才漸漸普及。
 
 乾式印刷術的起源可以追朔到1778年德國物理科學家喬治‧克里斯多夫‧李契騰柏格(Georg Christoph Lichtenberg) (1742-1799)【圖1】電擊絕緣樹酯版
圖1 德國物理科學家喬治‧克里斯多夫‧李契騰柏格
圖1 德國物理科學家喬治‧克里斯多夫‧李契騰柏格
(Georg Christoph Lichtenberg) (1742-1799) 
 
 電子會留在樹酯板上形成靜電影像(electrostatic images),由於肉眼無法看到由靜電所組成的影像,故需在樹酯板上灑上粉塵使其因靜電吸附在樹酯板上,達到顯影的效果;此後電擊在絕緣體上形成的圖樣稱為Lichtenberg Imaging【圖2、圖3】,
Lichtenberg Imaging
圖2 Lichtenberg Imaging
Lichtenberg Imaging-1
  圖3 Lichtenberg Imaging
 
當時就可以利用此技術做文件的印刷【圖4】。
圖4 靜電影像新方法,1762。
圖4 靜電影像新方法,1762。
 
 十年後Villarsy 1788改用紅鉛與硫粉混合來顯像。1842 Ronalds 利用探針連結電棒(lightning rod),掃過絕緣樹酯平面,再利用帶電粉末顯影,這是第一台乾式顯影技術的設備。
 
 十九世紀到二十世紀初期有許科學家對靜電影像(electrostatic images)產生了濃厚的興趣,他們針對的顯影材料做了許多研究,這些研究大部分是改變顯影材料的配方如:Riess(1853)、Swan(1897)、König(1899)、Bürker(1900)、Baker(1922)。
 
 直到1905年愛因斯坦發現光電效應(Photoelectric effect)以後,開啟了近代物理一個新的里程碑;20年代到40年代科學家受到光電效應的啟發,開始思考直接在紙張上形成靜電影像的可行性;他們利用光電效應的原理設法將光線打在特殊處理的紙張上形成光電流(photocurrent),進而使紙張產生靜電影像。如:1920 Hana;1920 Wilcke;1922 von Bronk;1937 Goldmann;1939 Schmieschek &Klutke。
 
 1928年匈牙利物理學家Paul Selenyi利用光電管(phototube)掃描照片,再將訊號傳輸到電壓控制器,由電壓控制器打出離子束或電子束,在絕緣板上寫下圖樣,並利用石松粉顯影,裝置如圖所示【圖5】,Selenyi稱這種顯像方式為電子顯像(electrography),這是第一台利用電子顯像技術的傳真機。Selenyi的貢獻在於使用電子束或離子束在絕緣體上精準的寫下靜電圖樣,而有別於過去利用電擊的方式寫下電子圖樣。他的另外一個重大的貢獻就是發明光導體。所謂光導體物質是照光以後有導體的特性稱為光導體。
 
圖5 第一台利用電子顯像技術的傳真機
圖5 第一台利用電子顯像技術的傳真機
 
 30年代美國科學家賈斯特(Chester Floyd Carlson)分析許多的複製文件的方式,以靜電顯像的方式最有可能成為複製文件的工具,並了解特殊處理的紙張上打上光線以後產生光電流的效果,並無法有效控制紙張上的化學成分,幾乎無法在紙張上形成完整的靜電影像,於是賈斯特與阿圖於是開始著手研究在光導體(Photoconductor)表面產生靜電潛像的課題。
 
 賈斯特1930年畢業於加州理工學院物理系,當時他24歲;畢業後在貝爾實驗室工作當時週薪才35美金,他嫌在貝爾實驗室工作單調沒多久就離職了。他選擇了菲立普‧馬洛里(Philip Rogers Mallory & Co.),這家電池製造商的專利部門工作,沒多久就升為專利部門經理,為了當一個專利律師,晚上在紐約法律學院上課,35歲畢業;當時他時常碰到文件需謄本的問題,為了解決這個問題,他利用下班與週末時間,埋首在紐約公立圖書館數個月;當時流行許多複印文件的技術如攝影術、藍圖法、重氮法等,這些技術都需要一些溶劑而且製程很麻煩,所以他排除利用這些技術作為文件謄本的可行性,最後他找到由匈牙利物理學家Paul Selenyi所發現的光導體作為謄本的基本原理。賈斯特領悟到如果照片或文件的影像投射到光導體,光照射的區域將會產生電流而失去靜電,光沒有照到的區域(亦即複製的區域)將沒有任何靜電。
 
 起初賈斯特在長島市公寓家中廚房裡作為實驗室,不過他的老婆對於這個無窮無盡的實驗越來越厭惡,他們只好把實驗室搬到他岳母開的美容院後面,繼續他的實驗,在實驗過程中他得了遺傳性關節炎,加上一個人忙不過來,為了實驗的延續他僱用的一個失業的奧地利物理學家阿圖.柯尼(Otto Kornei)。
 
 硫本身可以導電,但是照光以後可以產生的電流實在少的可憐,故阿圖利用金屬板表面做硫化處理作為光導體材料;1938年十月22日阿圖用油墨在顯微鏡用的玻片上寫下"10-22-38 Astoria",硫化的鋅板表面用棉質手帕磨擦使其表面帶電,上面放著玻片,在暗房內曝光幾秒鐘,拿開玻片灑上石松粉,在吹掉沒有靜電吸附的區域即得到"10-22-38 Astoria"字樣,賈斯特為了保存這個影像利用蠟紙當時是蓋在鋅板上面加熱,讓石松粉定著在蠟紙上。得到全世界第一個用乾式方法的複製影像。【圖6】 
圖6 第一個用乾式方法的複製影像
圖6 第一個用乾式方法的複製影像
 
 賈斯特稱這種經由光導體磨擦帶電後曝光形成的影像在利用帶電粉末顯影的技術為”electrophotographic technology ”我們翻譯為”電子顯像技術”,不過日本人給一個更傳神的翻譯,他們稱為”電子寫真技術”。其後的六年賈斯特依舊在電池公司上班,而阿圖因為沒有看清這一個發明在商業的價值,故離開賈斯特,到IBM服務。
 
 經過一次成功的例子,證明賈斯特原始構想無誤,1942年寫下第一篇電子顯像(electrophotography)技術的專利【圖7】;
圖7 電子顯像(electrophotography)技術的專利
圖7 電子顯像(electrophotography)技術的專利
 
 期間他一直在尋找合作廠商,以求有更大的資金來源,當時他找過許多大廠包括RCA,  General Electric(GE), Eastman Kodak和 IBM,不過沒有一家廠商有興趣;1944賈斯特寫下第一篇自動複印機的專利【圖8】;
圖8 第一篇自動複印機的專利
圖8 第一篇自動複印機的專利
 
 同年還在當專利律師的他,在一個偶然的機會裡遇到俄亥俄州的巴特爾研究院(Battelle Memorial Institute)的德通博士(Dr. Russell W. Dayton)討論有關兩家公司間的生意問題,當時賈斯特就告訴德通博士有關他在1938年的發明,德通博士開始對這個發明產生興趣。隨後巴特爾研究院聘請賈斯特在俄亥俄州哥倫布市從事這計劃的主持人。
 
 當時正值二次世界大戰,巴特爾研究院只能撥出少許的人力研究,他們發現純硒(selenium)是優良的光導體;而在顯影粉末上則是利用染色的樹酯粉末與較大顆粒的粉末擦電,利用樹酯粉末的好處在於可以融印在紙張上;其他的發展如利用電暈佈電方式在硒表面佈電、利用電暈將樹酯粉末轉移到紙張上等技術。不過它們還是有需多未解決的技術問題與資金問題,於是巴特爾研究院決定在尋找合作夥伴,以解決龐大的研發與生產設備的支出,他們找到原本生產相紙的賀洛依公司(Haliod Company),二次世界大戰結束後沒多久,賀洛依公司總經理Joseph C. Wilson 與研發主管Dr. John Dessauer 認為這種產品有很大的市場,決定全力發展這樣的產品。由於Carlson發明的複合字”electrophotography”太長了,決定改成較簡潔有力的”Xerography”,來描述這個技術。Xerography是由希臘字xèrosgraphein所組合的字,xèros的意思是”乾”(dry)、graphein的意思是”寫”(writing or drawing.)
 
 電子顯像技術發明的十年後October 22 1948第一次被發表在annual meeting of the Opical Society of America,由Schaffert與Oughton發表,不過此一技術當時並沒有引起太多人青睬,1949年第一部利用此技術的商品化影印機是賀洛依公司發表的 XeroX Copier Model A,這台機器也只是原型機,印一張紙需要三到四分鐘,而且許多步驟需要靠人工操作,不是很適合辦公室使用。
 
 1955年賀洛依公司發表第一台全自動的乾式影印機Copyflo,有別於過去光導體設計成平面狀,這台機器是第一台將光導體作成滾筒狀的機器,以配合連續列印,這是現在統稱的感光滾筒或是感光鼓(PhotoConductive Drum),後來各大廠商為了降低成本發展有機感光鼓—OPC Drum (Organic PhotoConductive Drum)。這台機器引起市場廣大的迴響,有鑑於這個技術成功的打進市場,賀洛依公司在1958年更名為” 賀洛依.全錄公司”( Haloid Xerox Corporation);一年後該公司即全力發展低成本,影印速度快的影印機。從1950到1959該公司的財務狀況十分吃緊,現金流量低的可憐,總投入研發經費高達一億兩千萬美元,這個數字已經大於總收入。1959年賀洛依.全錄公司在萬國博覽會上發表一台可以影印9〞×14〞的影印機稱為 Xerox 914,這是第一台商業化的影印機,造成市場很大的震撼;當時賀洛依.全錄公司預測其Xerox 914的未來市場僅約五千台左右,然而,十年後賣出了二十萬台914型影印機,且已是年營業額高達10億美元的公司。此時許多公司才開始關注電子顯像技術的廣大市場。1961年賀洛依.全錄公司更名為全錄公司(XeroxCorporation)。
 
 1973年全錄的電子顯像技術世界專利已屆期滿,已經準備切入此一技術的公司如潮水般的湧入,包括:CANON、U-Bix、RICOH、COPIER、MINOLTA、IBM、SHARP、TOSHIBA、MITA…等。當時半導體技術正開始蓬勃發展,而計算機技術尚在起步階段,各家公司很快的利用半導體材料技術與計算機處理技術加諸於電子顯像技術上。
 
 談到雷射印表機的發展上就必須提到雷射印表機之父—蓋瑞·斯塔克維(Gary Starkweather),1960年蓋瑞從密西根州立大學畢業,獲得了物理學學士學位,隨後進入紐約羅撤斯特大學攻讀光學碩士;畢業以後蓋瑞來到全錄的Webster實驗室,這是當時世界一流的從事基礎性研究的機構,在那裏繼續他的雷射技術的研究。當時他就構想到雷射光應該會比一般光線更準確的打在光導體上,不過他的構想並沒有得到上司的青睞而獲得研究上的資助,他盡可能每天幾出一兩個小時做雷射的實驗,1969年蓋瑞做出將影印機與雷射結合在一起做出第一台雷射印表機的雛形。一直到1970年夏天受到全錄的帕克(Palo Alto Research Center簡稱PARC)研究中心主管傑克·懷特認為蓋瑞的想法有其可行性,此時蓋瑞才轉任帕克研究中心,正式開始研究雷射印表機。1977年全錄製造該公司一台雷射印表機—-Xerox 9700。這台雷射印表機每分鐘可以列印120張,解析度300dpi。不過全世界第一台雷射印表機是在1976年由IBM推出的IBM 3800【圖9】,240 dpi 的解晰度,每分鐘可以列印 215 頁;不過體積非常龐大,價格也十分的高;一直到1989年的13年裏,IBM 共售出 8000 多套。
圖9 第一台商用雷射印表機IBM 3800
圖9 第一台商用雷射印表機IBM 3800
 
 1980年代初期,個人電腦漸漸普及,點陣式印表機已經不敷需求,市場需要解析度更高、更便宜、適合辦公室安靜環境使用的雷射印表機,1984年Hewlett Packard與Canon合作發表第一台雷射印表機—LaserJet,每分鐘列印八張,300dpi的解析度,售價3600美金;這台印表機將感光鼓、碳粉槽、顯像機構、佈電機構、清除機構等結合在一起,是第一個使用三合一碳粉匣(all-in-one)的印表機,這一個發明造就出另一個市場—碳粉匣(Toner Cartridge)。
 
 由於大量的碳粉匣造成環境的污染,1986年碳粉匣再生事業在美國開始起步,如今歐美先進國家使用再生碳粉匣已達30﹪。
 作者:綠德光電研發部 吳協理