Московский государственный университет печати

Уарова Р.М.


         

Основы цифровой печати

Конспект лекций для студентов, обучающихся по специальности 261202.65 - Технология полиграфического производства и направлению 261700.62 - Технология полиграфического и упаковочного производства


Уарова Р.М.
Основы цифровой печати
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление

Введение

1.

ЭЛЕКТРОФОТОГРАФИЯ

1.1.

Зарядка фоторецептора

1.1.1.

Зарядка коронным разрядом

1.1.2.

Факторы, влияющие на зарядку коронным разрядом

1.1.2.1.

Процесс зарядки фоторецептора коротроном

1.1.2.2.

Особенности зарядки скоротроном

1.1.3.

Зарядка валиком

1.2.

Запись скрытого электростатического изображения на органическом фоторецепторе

1.2.1.

Процесс фоторазрядки при записи скрытого изображения на органическом фоторецепторе

1.2.1.1.

Процессы, происходящие в генерационном слое

1.2.1.2.

Инжекция зарядов в транспортный слой

1.2.1.3.

Механизм транспорта носителей заряда

1.2.2.

Устройства записи изображения

1.3.

Проявление скрытого электростатического изображения

1.3.1.

Электрическое поле в зоне проявления

1.3.1.1.

Электрическое поле над сплошными участками скрытого изображения в присутствии проявляющего электрода

1.3.1.2.

Проявляющее электрическое поле над штриховым скрытым изображением

1.3.2.

Способы проявления

1.3.2.1.

Общие сведения

1.3.2.2.

Проявление магнитной кистью из двухкомпонентного проявителя

1.3.2.3.

Проявление однокомпонентными проявителями

1.3.2.4.

Гибридное проявление

1.4.

Перенос тонерного изображения и очистка фоторецептора

1.4.1.

Перенос тонерного изображения с фоторецептора на печатный материал

1.4.2.

Очистка фоторецептора

1.4.2.1.

Предварительная очистка фоторецептора

1.4.2.2.

Очистка поверхности фоторецептора

1.5.

Закрепление тонерного изображения на печатном материале

1.5.1.

Процесс термомеханического закрепления изображения

1.5.2.

Устройства термомеханического закрепления

1.5.3.

Радиационное термозакрепление

1.6.

Тонеры

1.6.1.

Общие сведения о тонерах

1.6.2.

Способы изготовления тонеров

1.6.2.1.

Традиционный (механический) способ производства тонеров

1.6.2.2.

Химические тонеры

1.7.

Технологии многокрасочной печати

1.7.1.

Многокрасочная печать при использовании одного фоторецептора

1.7.2.

Многокрасочная печать при использовании нескольких фоторецепторов

1.8.

Технология Осе Copy Press

1.9.

Электрофотография с жидкостным проявлением

1.9.1.

Жидкий проявитель

1.9.2.

Технологический процесс с жидкостным проявлением

1.9.2.1.

Общие сведения о технологии с проявлением разбавленными красками

1.9.2.2.

Технологии Indigo Electroink с проявлением концентрированными красками и автономными проявляющими устройствами

2.

СТРУЙНАЯ ПЕЧАТЬ

2.1.

Непрерывная струйная печать

2.1.1.

Непрерывная струйная печать с селективной зарядкой капель

2.1.2.

Непрерывная струйная печать с термической активацией каплеобразования

2.2.

Импульсная струйная печать

2.2.1.

Пьезоструйная печать

2.2.1.1.

Понятие о пьезоструйной печати. Виды эмиттеров капель

2.2.1.2.

Управление размером капли и разрешением при пьезоструйной печати

2.2.1.3.

Пьезоструйные печатающие головки последнего поколения

2.2.1.4.

Печать твердыми чернилами

2.2.2.

Импульсная термоэлектрическая струйная печать

2.2.2.1.

Виды эмиттеров капель

2.2.2.2.

Печать фотографического качества

2.2.2.3.

Печатающие головки нового поколения

2.3.

Чернила для струйной печати

2.3.1.

Водные чернила

2.3.1.1.

Водные чернила на красителях

2.3.1.2.

Пигментные водные чернила

2.3.1.3.

Водные пигментные чернила, дающие отпечатки, устойчивые к воде

2.3.1.4.

Бумаги для печати водными чернилами

2.3.2.

Сольвентные чернила

2.3.2.1.

Состав и свойства сольвентных чернил

2.3.2.2.

Материалы для сольвентной печати

2.3.3.

Масляные и твердые чернила

2.3.4.

УФ-отверждаемые чернила

3.

Прямая запись тонерного изображения

3.1.

Общие сведения

3.2.

Прямая запись тонерного изображения на DI-барабане

3.3.

Синтез полноцветного изображения

4.

Магнитография

4.1.

Магнитографическая печатная технология

4.2.

Магнитографическое печатное оборудование

5.

Библиографический список

Указатели
104   указатель иллюстраций
Рис. 1.1. Схема фоторецептора. На схеме: 1 - заряженный фотопроводниковый слой, 2 - заземленная подложка Рис. 1.2. Фоторецепторы: а - цилиндрический, б - ленточный. На схеме: 1 - фотопроводниковый слой, 2 - основа Рис. 1.3. Схемы позитивного (а) и негативного (б) скрытого электростатического изображения Рис. 1.3.7. Принципиальная схема обращенного проявления. Рисунок справа - потенциальный рельеф скрытого изображения, пунктиром показан потенциал смещения на проявляющем валике Рис. 1.1.1. Принципиальная схема скоротрона. На схеме: 1 - коронная проволочка, 2 - заземленный экран, 3 - сетка, 4 - заземленный фоторецептор, 5 - высоковольтный источник питания Рис. 1.1.2. Дикоротрон. На схеме: 1 - коронная проволочка, 2 - экран, 3 - фоторецептор, 4 - отрицательно заряженные частицы, 5 - положительно заряженные частицы [34] Рис. 1.1.3. Игольчатый скоротрон: а - линейка игольчатых электродов, б - схема скоротрона Рис. 1.1.4. Зарядка фоторецептора зарядным валиком. На схеме: 1 - зарядный валик, 2 - фоторецептор Рис. 1.2.1. Фоторазрядка отрицательно заряженной поверхности двухслойного органического фоторецептора. На схеме: а - схема процесса фоторазрядки, б - скрытое электростатическое изображение, в - потенциальный рельеф скрытого электростатического изображения: 1 - заряженные; 2 - разряженные участки Рис. 1.2.2. Зависимость подвижности зарядов в транспортном слое «мю» от напряженности электрического поля Е и абсолютной температуры Т Рис. 1.2.3. Лазерная запись скрытого электростатического изображения путем веерной развертки лазерного луча: 1 - лазерный блок, 2 - многогранное зеркало (лазерный сканер), 3 - корректирующая линза, 4 - отражающее зеркало, 5 - фоторецептор, 6 - скрытое изображение Рис. 1.2.4. Схема линейки светодиодов а и ее увеличенных фрагментов б и в. На схеме: 1 - светодиоды, 2 - электроды и 3 - контактные площадки для присоединения к управляющим платам [36] Рис. 1.2.5. Схема блока светодиодной линейки [34]. На схеме: 1 - медная штанга (охлаждает линейку), 2 - шина электропитания, 3 - линейка светодиодов, 4 - самофокусирующийся объектив, 5 - фоторецептор, 6 - излучение светодиода Рис. 1.3.1. Схема к процессу проявления сплошного участка скрытого изображения Рис. 1.3.2. Схема скрытого изображения линейной решетки Рис. 1.3.3. Зарядовый рельеф скрытого изображения синусоидальной решетки Рис. 1.3.4. Электрическое поле в зоне проявления над периодической заряженной решеткой с периодом 10 мкм [9]. На схеме (a) d = 250 мкм, а на схеме (б) d = 100 мкм Рис. 1.3.4. Электрическое поле в зоне проявления над периодической заряженной решеткой с периодом 10 мкм [9]. На схеме (a) d = 250 мкм, а на схеме (б) d = 100 мкм Рис. 1.3.5. Графики зависимости величины p(z) от расстояния участка электрического поля от поверхности фоторецептора z для различных пространственных частот штрихового изображения [41] Рис. 1.3.6. Электрические поля для разных напряжений смещения на проявляющем электроде: а - напряжение смещения равно 0, б - напряжение смещения 500 В [9] Рис. 1.3.7. Принципиальная схема обращенного проявления. Рисунок справа - потенциальный рельеф скрытого изображения, пунктиром показан потенциал смещения на проявляющем валике Рис. 1.3.8. Схема частицы двухкомпонентного проявителя. На схеме: 1 - носитель, 2 - тонер Рис. 1.3.9. Узел магнитной кисти: 1 - магнит проявляющего валика, 2 - металлический рукав валика, 3 - фоторецептор, 4 - дозирующий ракель, а - длина щетинок кисти, b - ширина зоны проявления, d - высота зоны проявления Рис. 1.3.10. Магнитная кисть: а - силовые линии магнитного поля магнитного проявляющего валика, б - микрофотография магнитной кисти из частиц носителя, в - кисть на разных участках валика, г - кисть в зоне проявления [27] Рис. 1.3.11. Носители двухкомпонентного проявителя: а - носитель с проводящими свойствами, б - носитель с диэлектрическими свойствами [42] Рис. 1.3.12. Устройство проявления магнитным тонером. На схеме: 1 - дозирующий ракель, 2 - магнитный валик, 3 - источник постоянного напряжения, 4 - источник высокочастотного переменного напряжения, 5 - фоторецептор Рис. 1.3.13. Электрическое напряжение, подаваемое на проявляющий валик Рис. 1.3.14. Схема печатающего устройства с контактным проявлением немагнитным тонером. На схеме: 1 - мягкий подающий валик, 2 - проявляющий валик, 3 - плавающий ракель, 4 - фоторецептор Рис. 1.3.15. Схема устройства гибридного неразрушающего проявления. На схеме: 1 - проявляющие валики, 2 - проволочные электроды, 3 - магнитный валик, 4 - смесители, 5 - фоторецептор, 6 - контроллер, DC - источники постоянного напряжения, АС - источник высокочастотного переменного напряжения [21] Рис. 1.4.1. Перенос тонерного изображения на бумагу при использовании коротрона. На схеме: 1 - фоторецептор, 2 - тонерное изображение, 3 - коротрон переноса, 4 - коротрон отделения, 5 - бумага Рис. 1.4.2. Перенос тонерного изображения на бумагу с помощью зарядного валика. На схеме: 1 - транспортный ремень, 2 - светодиодная линейка, 3 - устройство очистки, 4 - фоторецептор, 5 - бумага, 6 - зарядный валик Рис. 1.4.3. Перенос тонерного изображения на бумагу через промежуточный ремень переноса. На схеме: 1 - фоторецептор, 2 - зарядный валик, 3 - лазер, 4 - проявляющее устройство, 5 - коротрон переноса, 6 - ремень переноса, 7 - устройство вторичного переноса, 8 - устройство очистки фоторецептора, 9 - устройство очистки ремня, 10 - бумага Рис. 1.4.4. Идеализированная кривая переноса тонерного изображения - зависимость оптической плотности перенесенного слоя тонера D от напряжения переноса V. На схеме Vi, Vm, Vp, Vn - пороговый потенциал, потенциал, при котором достигается максимальный перенос тонера и пороговый потенциал ионизации воздуха [33] Рис. 1.4.5. Узел ракельной очистки ремня переноса в машине CLC 3200. На схеме: 1 - ракель, 2 - шнек, 3 - ремень переноса Рис. 1.4.6. Устройство очистки щеткой для машины Xeikon. На схеме: 1 - коротрон предочистки, 2 - устройство очистки от тонера, 3 - заземленная щетка, 4 - заряженный цилиндр (+500 В), 5 - нож, 6 - шнек, 7 - ракельное устройство дополнительной очистки, 8 - скоротрон зарядки [49] Рис. 1.4.7. Схема формирования тонерного изображения в машине CLC 3200. На схеме: 1 - фоторецептор, 2 - зарядный валик, 3 - пластина для очистки зарядного валика, 4 - лазерный луч, 5 - проявляющий валик, 6 - корпус проявляющего устройства, 7 - зарядный валик переноса, 8 - первая вспомогательная щетка, 9 - вторая вспомогательная щетка Рис. 1.5.1. Принципиальная схема фьюзерного устройства. На схеме: 1 - нагревательный (фьюзерный) валик, 2 - прижимной валик, 3 - порошковое тонерное изображение, 4 - пленочное изображение Рис. 1.5.2. Фьюзерное окно (интервал температур термозакрепления). На схеме: t1 - температура холодного офсета, t2 и t3 - допустимые температуры, t4 - температура горячего офсета Рис. 1.5.3. График зависимости вязкости тонерной пленки от температуры для традиционного и полимеризационного тонеров. Штрих-пунктиром выделено фьюзерное окно [52] Рис. 1.5.4. Фотография растрового элемента на отпечатке, полученная в электронном микроскопе Рис. 1.5.5. Общая формула силоксановых полимеров (силиконовых каучуков) Рис. 1.5.6. Варианты построения цилиндрических фьюзерных систем [34]: а - системы, в которых зона контакта образуется во фьюзерном валике, б - системы, в которых зона контакта образуется в прижимном валике, в - фьюзерные системы, в которых деформируются оба валика. На схемах: 1 - основа фьюзерного валика, 2 - покрытие, 3 - лампа, 4 - основа прижимного валика, 5 - зона контакта, 6 - пальцы отделения, 7 - валик подачи фьюзерного масла, 8 - элемент очистки поверхности фьюзерного валика Рис 1.5.7. Система с прижимным ремнем. На схеме: 1 - фьюзерный валик с нагревательной лампой внутри, 2 - нагревательный валик прижимного ремня, 3 - прижимная колодка с радиусом кривизны в зоне контакта с фьюзерным валиком, равным радиусу фьюзерного валика (для увеличения площади контакта), 4 - прижимной ремень, 5 - валик Рис. 1.5.8. Схема фьюзерного устройства с фьюзерным ремнем и индукционным нагревом [43]. На схеме: 1 - фьюзерный валик, 2 - нагревательный валик, 3 - устройство индукционного нагрева, 4 - фьюзерный ремень, 5 - прижимной валик, 6 - термистор, 7 - отпечаток. Диаметры валиков 1, 2, 5 равны 30, 20, 30 мм, диаметр фьюзерного ремня - 45 мм. Толщина покрытия на фьюзерном валике 5 мм, прижимном валике - 2 мм, толщина ремня - 0,26 мм Рис. 1.5.9. Модуль термозакрепления машины Осе VarioStream 9000. На схеме: 1 - батарея ИК-излучателей, 2 - экран, 3 - отсос горячего воздуха, 4 - подача холодного воздуха, 5 - привод экрана, 6 - защитный механизм, 7 - воздушные сопла, 8 - устройство натяжения бумажного полотна, 9 - бумажное полотно [34] Рис. 1.5.3. График зависимости вязкости тонерной пленки от температуры для традиционного и полимеризационного тонеров. Штрих-пунктиром выделено фьюзерное окно [52] Рис. 1.6.1. Общий вид частиц традиционного тонера Рис. 1.7.1. Схема печатного модуля машины Xerox iGen 3. На схеме: 1 - фоторецептор, 2 - зарядное устройство, 3 - лазерное записывающее устройство, 4 - проявляющее устройство, 5 - зарядное устройство предварительного переноса, 6 - коротроны переноса и отделения, 7 - пьезоэлемент (источник ультразвука), 8 - фьюзерное устройство, 9 - устройство очистки, 10 - контроллер печати [21] Рис. 1.7.2. Изменение потенциала поверхности фоторецептора при получении пурпурного и желтого слоев полноцветного изображения. На схеме: Iп - зарядка фоторецептора под пурпурное изображение, IIп - запись скрытого пурпурного изображения, IIIп - проявление пурпурным тонером, Iж - зарядка фоторецептора под желтый тонер, IIж - запись скрытого желтого изображения, IIIж - проявление скрытого изображения желтым тонером. Кружочками обозначены места нахождения тонера Рис. 1.3.15. Схема устройства гибридного неразрушающего проявления. На схеме: 1 - проявляющие валики, 2 - проволочные электроды, 3 - магнитный валик, 4 - смесители, 5 - фоторецептор, 6 - контроллер, DC - источники постоянного напряжения, АС - источник высокочастотного переменного напряжения [21] Рис. 1.7.1. Схема печатного модуля машины Xerox iGen 3. На схеме: 1 - фоторецептор, 2 - зарядное устройство, 3 - лазерное записывающее устройство, 4 - проявляющее устройство, 5 - зарядное устройство предварительного переноса, 6 - коротроны переноса и отделения, 7 - пьезоэлемент (источник ультразвука), 8 - фьюзерное устройство, 9 - устройство очистки, 10 - контроллер печати [21] Рис. 1.5.9. Модуль термозакрепления машины Осе VarioStream 9000. На схеме: 1 - батарея ИК-излучателей, 2 - экран, 3 - отсос горячего воздуха, 4 - подача холодного воздуха, 5 - привод экрана, 6 - защитный механизм, 7 - воздушные сопла, 8 - устройство натяжения бумажного полотна, 9 - бумажное полотно [34] Рис. 1.7.3. Схема печатного устройства Xeikon, использующего технологию One Pass Duplex. На схеме: I - модуль подачи бумаги, II - печатный модуль, III - модуль закрепления и резки: 1 - бумажный рулон, 2 - фоторецептор, 3 - реверсивный валик, 4 - ИК печка, 5 - охлаждающее устройство Рис. 1.7.4. Схема расположения фоторецепторов в машине Xeikon (а) и схема перезарядки бумажной ленты между фоторецепторами (б) [12]. На схемах: 1 и 1а - фоторецепторы, 2, 2а - коротроны переноса, 3 и 3а - коротроны с переменной короной, уменьшающие положительный заряд, 4 - коротрон, заряжающий положительно изображение, входящее в зону действия коротрона переноса следующей секции, 5 - коротрон, заряжающий отрицательно изображение, входящее в зону переноса со стороны фоторецептора Рис. 1.7.5. Схема цифровой печатной машины NexPress SE 2500. На схеме: 1 - многомодульная система подачи бумаги, 2 - устройство автоматического позиционирования листа, 3 - модуль многокрасочной печати, 4 - пятая секция для печати дополнительной краской, 5 - фьюзерное устройство, 6 - устройство выпрямления бумаги, 7 - приемный лоток для пробных оттисков и подвижный стапельный стол, 8 - устройство переворота бумажного листа Рис. 1.7.6. Общий вид печатающего устройства цифровой печатной машины DocuColor 8000. На схеме: 1 - многомодульная система подачи бумаги, 2 - емкости с тонером, 3 - блок формирования полноцветного изображения, 4 - управляющая станция, 5 - устройство двухсторонней печати, 6 - устройство выпрямления бумаги, 7 - ремень переноса, 8 - приемный стапель, 9 - вывод отдельных отпечатков, например контрольных, 10 - блок термозакрепления Рис. 1.8.1. Схема проявления проводящим тонером. На схеме: 1 - магнитный валик, 2 - фотопроводниковый слой со скрытым изображением, 3 - проводящая основа фоторецептора, 4 - щетинки магнитной кисти Рис. 1.8.2. Схема печатающего устройства, работающего по технологии Copy Press, состоящего из блока фоторецептора I, блока ремня переноса II, опорного ремня III и бумагопроводяшей системы IV. На схеме: 1 - скоротрон зарядки, 2 - светодиодная линейка, 3 - проявляющее устройство, 4 - емкость с тонером, 5 и 6 - валики, 7 - устройство подачи бумаги. Ремень переноса и бумага нагреты, нагревательные устройства не показаны Рис. 1.8.3. Схема получения двухстороннего изображения по технологии Gemini. По обе стороны бумажного тракта III расположены симметрично блоки фоторецептора (I) и ремня переноса (II). На схеме: 1 - скоротрон зарядки, 2 - светодиодная линейка. 3 - проявляющее устройство, 4 - емкость с тонером, 5 - валик Рис. 1.9.1. Частица тонера краски Electroink при большом увеличении [29] Рис. 1.9.2. Схема проявляющего устройства машин HP Indigo Press: На схеме: 1 - проявляющий валик, 2 - валик для зарядки и отжима краски, 3 - жесткий валик устройства очистки, 4 - ракель, 5 - мягкий пористый валик, 6 - второй жесткий валик, 7 - входное отверстие во внутреннюю полость проявляющего устройства, 8 - выводное отверстие из проявляющего устройства, 9 - корпус, 10 - внутренняя полость, 11 и 12 - стенки внутренней полости Рис. 1.9.3. Схема технологического процесса в машине с автономными проявляющими устройствами [28]. На схеме: 1 - зарядка фоторецептора скоротронами, 2 - лазерная запись скрытого изображения, 3 - фоторецептор, 4 - красочные резервуары, 5 - проявляющий валик, 6 - валик зарядки и отжима краски, 7 - система очистки проявляющего валика, 8 - лампа, 9-11 - устройство очистки фоторецептора от краски, 12 - стирание скрытого изображения, 13 - офсетный цилиндр. Печатный цилиндр не показан Рис. 1.9.4. Машина HP Indigo 7000 Digital Press [11] Рис. 1.9.5. Схема многокрасочной печати по технологии One Shot. Бумажная лента отводится и подводится к офсетному цилиндру. На схеме: 1 - фоторецептор, 2 - офсетный цилиндр, 3 - опорный цилиндр, 4 - бумажная лента

Введение. Общие сведения об электрофотографическом процессе. Понятие о фоторецепторах

Общие сведения об электрофотографическом процессе

В электрофотографии запись изображения производится на заземленном и заряженном фоторецепторе (рис. 1.1 Рис. 1.1. Схема фоторецептора. На схеме: 1 - заряженный фотопроводниковый слой, 2 - заземленная подложка). Фоторецептор состоит из проводящей основы 2 и тонкого слоя фотопроводника 1, имеющего в темноте высокое электрическое сопротивление. Такой фотопроводник способен в темноте удерживать на своей поверхности большой заряд. Основу фоторецептора заземляют, а на фотопроводник перед записью изображения наносят заряд. Запись производится светом, например, лазерным лучом. Кванты света выбивают из молекул или атомов фотопроводника электроны, в результате этого появляются свободные носители зарядов, положительные и отрицательные. Участки, на которые попал свет, становятся электропроводящими и поэтому разряжаются. На других участках заряд остается и из него формируется скрытое электростатическое изображение (СЭИ). На СЭИ осаждают противоположно заряженный порошок тонера с размером частиц 6...10 мкм. Черный или цветной тонер, прилипший к заряженным участкам СЭИ, образует тонерное изображение соответствующего цвета. Тонерное изображение переносят на печатный материал, например, бумагу. После переноса тонера одновременно происходят два процесса. Первый - закрепление тонерного изображения на отпечатке плавлением порошкового тонера. Второй - очистка фоторецептора от остатков тонера и скрытого электростатического изображения. Фоторецептор используется многократно - для получения тысяч и десятков тысяч отпечатков.

Поскольку при получении каждого отпечатка тиража все операции электрофотографического процесса производятся полностью, с одинаковой скоростью печатаются одинаковые отпечатки и тиражи, в которых отпечатки частично или полностью отличаются друг от друга. Поэтому электрофотографическое печатное оборудование может быть использовано для печати переменных данных и персонализированной продукции.

Фоторецепторы

Фоторецептор состоит из проводящей основы и тонкого слоя фотопроводника. Перед записью изображения проводящую основу заземляют, а поверхность заряжают до высоких потенциалов (например, -600 В). В результате тонкий фотопроводниковый слой оказывается в сильном электрическом поле. При облучении актиничным светом в фотопроводнике образуются свободные носители заряда, и он приобретает проводящие свойства. На освещенных участках происходит фоторазрядка (нейтрализация поверхностного заряда). Там, куда свет не падал, поверхностный заряд остается, так как фотопроводники, используемые для фоторецепторов, имеют в темноте высокое электрическое сопротивление. На поверхности образуется скрытое электростатическое изображение.

Фоторецепторы различаются фотопроводниковым слоем и конструкцией. В настоящее время, в основном, используют органические фотопроводники и гидрированный аморфный кремний a-Si:H. По конструкции различают цилиндрические и ленточные фоторецепторы (рис. 1.2 Рис. 1.2. Фоторецепторы: а - цилиндрический, б - ленточный. На схеме: 1 - фотопроводниковый слой, 2 - основа).

Вокруг фоторецептора располагаются функциональные узлы, выполняющие все операции электрофотографического процесса (за исключением закрепления изображения на отпечатке).

Требования к фоторецепторам

Фоторецептор участвует в пяти из шести стадий электрофотографического процесса, поэтому к нему предъявляются жесткие и многообразные требования. Следующие требования являются основными:

  • Поверхность фоторецептора должна сохранять в темноте высокий электрический потенциал, приобретенный при зарядке (400...900 В). Потенциал может быть как отрицательным (поверхность заряжена отрицательно), так и положительным.
  • Фоторецептор должен иметь высокую светочувствительность. Чтобы обеспечить быстродействие ЭФГ аппарата, освещенные участки должны легко и быстро разряжаться.
  • После переноса изображения, очистки от тонера и стирания скрытого изображения фоторецептор должен возвращаться в первоначальное состояние без каких-либо остаточных явлений. Следует учитывать, что процессы зарядки-разрядки следуют с высокой частотой.
  • Поверхность фоторецептора должна быть механически прочной, иначе под действием тонера, печатного материала и ракеля, удаляющего остаточный тонер, на ней могут появиться повреждения. Для повышения износостойкости фоторецептора наносят защитное покрытие, но оно удорожает фоторецептор. Из сказанного выше видно, что создание фоторецептора, отвечающего всем требованиям, дело непростое.

Виды фоторецепторов

Круг фотопроводников, пригодных для электрофотографии, ограничен, так как фотопроводники с высокой светочувствительностью, как правило, не могут удерживать большой заряд длительное время, и наоборот. Особенно это касается неорганических фотопроводников, из которых в настоящее время используются селенид мышьяка <?xml version="1.0"?>
(весьма ограниченно) и гидрированный аморфный кремний a-Si:H. Дадим краткие сведения об этих материалах.

Селенид мышьяка наносится на основу вакуумным термическим испарением в виде однослойного покрытия толщиной ~40...60 мкм. Фоторецептор на его основе заряжается положительно. При записи изображения падающий свет поглощается и генерирует свободные носители заряда в верхнем горизонте фотопроводникового слоя (несколько микрон от поверхности). Электроны (отрицательные носители заряда) разряжают поверхность фоторецептора, а положительные заряды диффундируют к проводящей основе. Фоторецепторы на основе <?xml version="1.0"?>
обладают высокой и равномерной чувствительностью в видимой области спектра, но в диапазоне 680-800 нм его спектральная чувствительность быстро снижается и к 700 нм она становится недостаточной для скоростного процесса. Для записи изображения можно использовать светодиодные линейки с длиной волны излучения 682 нм и нельзя инфракрасные лазеры. Поэтому такие фоторецепторы пригодны для аналоговых копировальных аппаратов и малоперспективны для цифрового электрофотографического оборудования, несмотря на их высокую тиражестойкость (с одним фоторецептором можно напечатать до 500 тыс. страниц).

Более перспективным неорганическим фоторецептором является фоторецептор на основе гидрированного аморфного кремния a-Si:H. Слой аморфного кремния наносят на основу химическим осаждением из паров силана <?xml version="1.0"?>
по реакции <?xml version="1.0"?>
при температуре более 400<?xml version="1.0"?>
С, толщина однослойного покрытия около 30 мкм. Возможны положительная и отрицательная зарядка поверхности. Из-за способа нанесения фоторецептор дорогой, но он обладает серьезными достоинствами. К ним относятся большая скорость фоторазрядки и высокая чувствительность к излучениям видимой и ближней инфракрасной области спектра. Это позволяет использовать для записи изображения ИК лазеры, например полупроводниковый GaA1As лазер с длиной волны излучения 780 нм.

При наличии защитного слоя из карбида кремния фоторецептор имеет высокую устойчивость к истиранию и стабильные свойства. С одним фоторецептором можно напечатать без ухудшения качества от 500 тыс. до миллиона копий.

Широкое применение нашли двухслойные органические фотопроводниковые покрытия. Они, как правило, заряжаются отрицательно. Нижний слой, генерационный, представляет дисперсию твердых микрочастиц фотопроводника (светочувствительного пигмента, например, фталоцианина) в полимере, он отвечает за фотогенерацию свободных носителей заряда. Верхний слой, зарядотранспортный, представляет собой твердый раствор транспортного соединения (ароматического амина или гидразона) в полимере. Молекулы этого соединения переносят положительные свободные носители заряда к отрицательно заряженной поверхности по эстафетному механизму, описанному в разделе 1.2. Положительные заряды нейтрализуют отрицательные заряды поверхности. Так происходит фоторазрядка. Транспортный слой отвечает также за удерживание поверхностного заряда.

Типовой органический фоторецептор состоит из следующих компонентов:

  • Проводящая основа, цилиндрическая или ленточная, выполняется из металла, например алюминия или металлизированной пленки.
  • Барьерно-адгезионный слой толщиной 0,2...1,5 мкм, служит для увеличения адгезии фото генерационного слоя к основе, а также для предотвращения обмена зарядами между генерационным слоем и заземленной основой.
  • Фотогенерационный слой, имеет толщину 1,0...0,2 мкм, в нем происходят поглощение света, образование электронно-дырочной пары, ее разделение в электрическом поле и инжекция носителей заряда в транспортный слой.
  • Транспортный слой толщиной 25...35 мкм, служит для переноса носителей заряда к противоположно заряженной поверхности, а также для удерживания поверхностного заряда на неосвещенных участках.
  • Защитный слой толщиной 0,5...5 мкм (наносится не всегда) служит для защиты поверхности фоторецептора от механического износа и вредного воздействия атмосферы.

Процесс образования скрытого электростатического изображения в двухслойном органическом фоторецепторе, рассмотрен в разделе 1.2.

Стадии электрофотографического процесса рассмотрены в разделах 1.1-1.5. Ниже приводятся лишь общие представления об этих процессах.

Стадии электрофотографического процесса

1. Зарядка фоторецептора (раздел 1.1)

На поверхность фоторецептора осаждаются заряженные частицы, образованные из молекул, содержащихся в воздухе. Зарядка проводится в темноте с использованием скоротрона или зарядного валика. Скоротрон содержит тонкую проволоку (струну), соединенную с высоковольтным источником питания, заземленный экран и управляющую сетку. На проволоку от высоковольтного источника питания подается напряжение в несколько киловольт. Между проволочкой и заземленным фоторецептором образуется сильное электрическое поле и зажигается коронный разряд, ионизирующий воздух около проволочки. Ионы осаждаются на фоторецептор, заряжая его поверхность. Для того чтобы зарядить поверхность фоторецептора до определенного потенциала, например, -600 вольт, на управляющую сетку скоротрона подается такой же потенциал. В настоящее время все большее применение находит зарядка с помощью заряженного валика, на который подается постоянное и высокочастотное напряжение. Величина постоянного напряжения определяет потенциал зарядки, а переменное напряжение делает заряд фоторецептора равномерным.

При зарядке поверхности в заземленной подложке фоторецептора индуцируется заряд противоположного знака, и фотопроводниковый слой оказывается под большим напряжением.

2. Экспонирование (раздел 1.2)

Заряженная полоска вращающегося фоторецептора поступает в зону экспонирования, где на ней записывается скрытое электростатическое изображение (рис. 1.3 Рис. 1.3. Схемы позитивного (а) и негативного (б) скрытого электростатического изображения). Излучение записывающего устройства разряжает освещенные участки, а на неосвещенных участках заряд остается. В цифровой аппаратуре источниками света служат инфракрасный лазер или светодиодная линейка. Длина волны их излучения лежит в красной и ближней ИК-зоне спектра <?xml version="1.0"?>

Разряжаться могут пробелы (записывают позитивное скрытое электростатическое изображение, рис. 1.3, а) или участки изображения (негативное скрытое изображение, рис. 1.3, б). В цифровой электрофотографической аппаратуре профессионального назначения записывается, как правило, негативное скрытое изображение.

3. Проявление скрытого электростатического изображения (раздел 1.3)

Скрытое изображение проявляют, осаждая на него окрашенные в соответствующий цвет заряженные частицы тонера. Тонер используется либо один в виде порошка, либо в составе проявителя, содержащего помимо тонера носитель. В зависимости от типа носителя различают сухой и жидкий проявители. У сухого проявителя и тонер, и носитель - порошки, а у жидкого проявителя тонер находится в виде дисперсии в жидком носителе. Частицы тонера имеют, как правило, диэлектрические свойства. Проводящий тонер используется в технологии Copy Press.

Здесь и в разделах 1.1-1.7 описывается технологический процесс с сухим проявлением, нашедший основное применение в электрофотографическом оборудовании.

Для того чтобы тонер мог участвовать в проявлении, он должен приобретать заряд соответствующего знака и величины. Заряжается тонер за счет трибоэлектризации (зарядка трением), например, при перемешивании тонера с носителем. Тонер и носитель в проявителе составляют трибоэлектрическую пару, где один компонент (например, носитель) отдает другому (тонеру) электроны, заряжая его отрицательно. При этом носитель приобретает положительный заряд. Средний размер частиц тонера 6-10 мкм.

Для проявления может быть использован либо просто тонер (однокомпонентный проявитель), либо двухкомпонентный проявитель, в котором тонер находится на частицах носителя (порошок со средним размером частиц 40...100 мкм). Изображение формируется из частиц тонера. Назначение носителя состоит в зарядке тонера и транспортировке его в зону проявления на поверхности магнитного проявляющего валика. Частицы носителя состоят из ферромагнитного ядра и полимерной оболочки. Ядро придает носителю свойство намагничиваться в магнитном поле проявляющего валика, а оболочка - способность заряжать тонер путем трибоэлектризации.

Рассмотрим в общих чертах проявление двухкомпонентным проявителем. В проявляющем устройстве тонер перемешивается с носителем. Так как оболочка носителя и тонер составляют трибоэлектрическую пару, при трении друг о друга они приобретают заряды противоположных знаков, тонер налипает на носитель, образуя проявитель.

Проявитель подается к проявляющему магнитному валику и попадает в зону действия его магнитного поля. Валик состоит из магнитного сердечника и вращающегося полого проявляющего цилиндра, выполненного из немагнитного металла. Частицы проявителя притягиваются магнитным полем сердечника и прижимаются к проявляющему цилиндру. На поверхности цилиндра образуются цепочки проявителя, расположенные вдоль силовых линий магнитного поля. Валик начинает походить на щетку, ее в русскоязычной литературе называют магнитной кистью. Вращающийся валик доставляет проявитель в зону проявления - узкий зазор между проявляющим валиком и фоторецептором.

Проявляющий валик служит также проявляющим электродом, он участвует в создании в зоне проявления электрического поля, осаждающего тонер на скрытое изображение. При проявлении двухкомпонентным проявителем поле отрывает от частиц проявителя заряженные частицы тонера и перемещает их к скрытому изображению. Для управления процессом на проявляющий валик подают потенциал смещения <?xml version="1.0"?>
Сила электрического поля, движущая тонер в зоне проявления, F равна:

<?xml version="1.0"?>

Q - заряд частицы тонера, а Е - напряженность электрического поля, которая зависит от разности потенциалов скрытого изображения <?xml version="1.0"?>
и потенциала смещения <?xml version="1.0"?>
подаваемого на проявляющий валик (<?xml version="1.0"?>
обычно называют напряжением смещения) и от величины зазора между проявляющим электродом и фоторецептором d.

Изменяя заряд тонера и потенциал смещения, можно осуществлять прямое или обращенное проявление.

При прямом проявлении тонер оседает на заряженные участки скрытого изображения, поэтому тонер имеет противоположный знак заряда. При обращенном проявлении тонер и скрытое изображение имеют одинаковые знаки заряда, и тонер осаждается на разряженные участки, соответствующие участкам изображения на оригинале и копии. Принципиальная схема обращенного проявления, широко используемого в цифровых электрофотографических устройствах, показана на рис. 1.3.7 Рис. 1.3.7. Принципиальная схема обращенного проявления. Рисунок справа - потенциальный рельеф скрытого изображения, пунктиром показан потенциал смещения на проявляющем валике раздела 1.3.

После выхода из зоны проявления магнитная кисть, обедненная тонером, снимается с проявляющего валика, и составляющие ее частицы проявителя перемешиваются с тонером. На проявляющий валик поступает порция свежего проявителя.

4. Перенос тонерного изображения на запечатываемый материал (раздел 1.4.1)

Тонерное изображение удерживается на скрытом изображении фоторецептора, в основном, электростатическими силами, и его можно оторвать и перенести на другую подложку более сильным электрическим полем. Такое поле создают, заряжая оборот бумаги или поверхность, на которой находится бумага. Знак заряда бумаги должен быть противоположен знаку заряда тонера. При проявлении отрицательно заряженным тонером оборот бумаги заряжают положительно. Для зарядки используют коротрон переноса или (чаще) зарядный валик.

После переноса тонерного изображения на бумагу ее оборот частично разряжается, и отпечаток поступает на закрепление.

Участок фоторецептора, вышедший из зоны переноса, перемещается в зону очистки. Там с него снимают остатки тонера (переносится на бумагу 80-90% тонера).

5. Очистка фоторецептора от тонера и скрытого электростатического изображения (раздел 1.4.2)

В устройстве очистки, расположенном у фоторецептора вслед за устройством переноса, производят вначале предварительную очистку, а затем удаление остатков тонера. На стадии предварительной очистки изменяют заряд фоторецептора так, чтобы тонер легко и полностью снимался с его поверхности.

Удаление тонера производится ракелем или заряженной щеткой. Снятый тонер перемещают в емкость для отработанного тонера.

Скрытое изображение нейтрализуют (стирают) с помощью равномерной засветки лампой или светодиодной линейкой. Совершенно чистый участок фоторецептора перемещается в зону зарядки, где начинается новый цикл.

6. Закрепление тонерного изображения на копии (раздел 1.5)

После переноса тонерное изображение удерживается на бумаге электростатическим полем, так как на обороте бумаги сохраняется остаточный заряд. Когда заряд стечет, порошок тонера начнет осыпаться с бумаги. Порошковое изображение надо закрепить, что в современной аппаратуре делается только термическими методами. Этих методов два: термосиловое закрепление и бесконтактное термозакрепление.

Самым распространенным способом является термосиловое закрепление изображения, которое проводится во фьюзерном устройстве. Основными его компонентами являются нагретый фьюзерный валик и прижимной валик. Отпечаток проходит между этими валиками, прижимаясь изображением к фьюзерному валику. Тонер разогревается и начинает плавиться. Его частицы сливаются друг с другом в пленку, и под давлением валиков часть тонера проникает в поверхностные поры бумаги. На выходе из зоны контакта тонерное изображение затвердевает, и отпечаток выводится из машины.

Фьюзерный валик представляет собой полую металлическую трубку с антипригарным покрытием, внутри которой находится галогенная лампа, нагревающая валик до 140-200<?xml version="1.0"?>
С. Температура лампы регулируется изменением напряжения, подаваемого на лампу.

Поверхность валиков имеет антипригарное покрытие, тефлоновое или силиконовое. Для улучшения защиты фьюзерного валика от налипания тонера его поверхность смазывают фьюзерным (силиконовым) маслом. Однако масло ухудшает качество копии, поэтому в современном оборудовании делают все, чтобы свести количество масла к минимуму. Для этого в состав тонера вводят частицы полимерного воска, которые, плавясь, действуют в качестве смазки.

В некоторых электрофотографических печатающих устройствах используется бесконтактное термозакрепление инфракрасным излучением. Закрепление черно-белых изображений можно производить ближним ИК излучением (до 2 мкм), которое черный тонер поглощает. В этом случае используют лампы накаливания и импульсные ксеноновые лампы. Для закрепления цветных изображений пригодно ИК-излучение длиной волны 3-4 мкм, оно поглощается бумагой, а от бумаги разогревается цветное тонерное изображение. Часто после радиационного закрепления следует каландрирование отпечатка в глянцевателе машины. Глянцеватель подобен фьюзерному устройству, но нагревается до меньшей температуры (например, 90<?xml version="1.0"?>
С).

Способы электрофотографической печати

На технологические схемы электрофотографической печати влияет используемый проявитель. Различают электрофотографию с сухим проявлением диэлектрическим тонером (разделы 1.1-1.7).

Второй способ - электрофотография с сухим проявлением проводящим тонером. Это технология «Copy Press». Ее особенности заключаются в том, что тонер заряжается не трибоэлектризацией, а индукционной зарядкой. Осаждается он на заряженные участки, и ложится только монослоем. Перенос тонера с фоторецептора на печатный материал производится с использованием сил адгезии и нагрева. Если перенос осуществляется на бумагу не сразу, а через разогретый ремень переноса, то закрепления изображения не требуется, тонер расплавляется на этом ремне. Технология описана в разделе 1.8.

Третий способ - электрофотография с жидкостным проявлением. Он используется в настоящее время в цифровых печатных машинах «HP Indigo Press». Здесь проявитель представляет собой дисперсию тонера в неполярной жидкости и называется электрокраской (краской Electroink). Заряжается тонер в электрическом поле зоны проявления, и его осаждение имеет механизм электрофореза. Далее следует перенос краски на положительно заряженный и разогретый офсетный цилиндр. Перенос осуществляется электрическим полем. Нагретая до температуры выше 100<?xml version="1.0"?>
С краска теряет жидкий носитель, тонер плавится и переносится с цилиндра на бумагу. Дополнительного закрепления не требуется. Способ описан в разделе 1.9.

Первой стадией электрофотографического процесса является равномерная зарядка фоторецептора. Зарядка фоторецептора может производиться коронным разрядом и зарядным валиком.

Для зарядки коронным разрядом используют коротроны, скоротроны и дикоротроны.

Коротрон представляет тонкую проволочку (с диаметром 25...80 мкм), в заземленном экране, на которую подается потенциал от 3 до 8 кВ.

Заземленные экран и основа фоторецептора служат электродами, между ними и коронной проволочкой возникает электрическое поле. Поле неравномерно: у тонкой проволочки оно настолько сильно, что генерирует вокруг проволочки плазму, состоящую из электронов, ионов и возбужденных молекул. Под действием электрического поля ионы и электроны движутся к противоположно заряженным электродам (проволочке и фоторецептору), поддерживая ток разряда. Возбужденные молекулы, возвращаясь в основное состояние, излучают сильное ультрафиолетовое и слабое голубоватое свечение. Этот светлый ореол образует вокруг проволочки подобие короны, отсюда название «коронный разряд». Высокоэнергичные электроны ионизируют и возбуждают все новые молекулы воздуха. Образуются электронные лавины, которые являются основной причиной ионизации воздуха. Около фоторецептора электрическое поле относительно невелико. В нем ионизация не происходит, а, наоборот, отрицательные и положительные ионы соединяются с молекулами воздуха. Образовавшиеся заряженные частицы оседают на поверхности фоторецептора.

В случае положительно заряженной коронной проволочки электронные лавины движутся к проволочке, а катионы - к фоторецептору. На фоторецепторе осаждаются кластеры <?xml version="1.0"?>
и <?xml version="1.0"?>
В случае отрицательной зарядки проволочка бомбардируется катионами плазмы, и электронные лавины, ионизирующие воздух, испускаются поверхностью проволочки. Образуются ионы <?xml version="1.0"?>
которые во внешней области короны (у фоторецептора) присоединяются к молекулам воздуха, образуя анионы, в том числе ион <?xml version="1.0"?>
Эти ионы заряжают поверхность фоторецептора отрицательно. Образующиеся также ионы озона <?xml version="1.0"?>
активны и неустойчивы и являются источником проблем, они вредно воздействуют на операторов и на фоторецептор. Для ликвидации озона в аппаратах предусмотрены озоновые фильтры. На них озон превращается в кислород по схеме: <?xml version="1.0"?>

Роль заземленного экрана заключается в стабилизации тока разряда и предотвращении слишком большой зарядки поверхности фоторецептора. Ток разряда течет от проволочки к фоторецептору и экрану, поэтому он складывается из тока к фоторецептору и тока к экрану. Когда потенциал фоторецептора невысок, ток течет, в основном, к фоторецептору. Когда фоторецептор заряжен до высокого потенциала, ток, в основном, течет к заземленному экрану. Для повышения равномерности зарядки в одном экране может быть расположено несколько параллельно расположенных коронных проволочек. Коротроны используют, в основном, при положительной зарядке фоторецептора.

В случае отрицательной короны электроны излучаются проволочкой. Плотность потока электронов с проволочки неоднородна по длине проволочки и сильно зависит от ее чистоты, поэтому существует опасность неравномерной зарядки фоторецептора коротроном.

Проблема решается использованием скоротрона (коротрона с сеткой). В этом устройстве коронная проволочка экранирована металлической сеткой, электрически изолированной от заземленного экрана. Схема скоротрона с одной проволочкой показана на рис. 1.1.1 Рис. 1.1.1. Принципиальная схема скоротрона. На схеме: 1 - коронная проволочка, 2 - заземленный экран, 3 - сетка, 4 - заземленный фоторецептор, 5 - высоковольтный источник питания.

Сетка повышает равномерность зарядки и позволяет управлять процессом зарядки. На нее подается напряжение смещения <?xml version="1.0"?>
зависящее от потенциала зарядки фоторецептора. Пока потенциал фоторецептора меньше потенциала сетки, заряженные частицы (ионы) проходят через сетку и осаждаются на поверхности фоторецептора. Когда потенциал поверхности фоторецептора становится равным потенциалу сетки, зарядка прекращается, и весь ток разряда течет через экран на землю.

В современных аппаратах величина напряжения смещения на сетке поддерживается автоматически на заданном уровне. Потенциал заряженной поверхности фоторецептора измеряется специальным датчиком. При отклонении измеренного потенциала от заданной величины напряжение смещения, подаваемое на сетку, изменяется соответствующим образом.

Сетка может не иметь отдельного источника питания, а быть заземленным вместе с экраном через варистор. Варистор до определенного напряжения имеет свойства резистора, а при превышении этой величины начинает проводить ток на землю.

В корпусе дикоротрона (рис. 1.1.2 Рис. 1.1.2. Дикоротрон. На схеме: 1 - коронная проволочка, 2 - экран, 3 - фоторецептор, 4 - отрицательно заряженные частицы, 5 - положительно заряженные частицы [34][ссылка на источники литературы]) находится коронод (коронная проволочка), на который подается высоковольтное переменное напряжение высокой частоты. Проволочку обычно заключают в защитную оболочку. Вокруг проволочки происходит ионизация воздуха (образуются заряженные частицы).

На экран подают постоянное напряжение, например 1 кВ. Между экраном и заземленным фоторецептором возникает электрическое поле, движущее заряженные частицы. Если экран заряжен отрицательно, то к фоторецептору движутся отрицательно заряженные ионы, а к экрану - положительно заряженные частицы. Заряд фоторецептора (его потенциал) можно регулировать, изменяя потенциал экрана. Если между коронной проволочкой и фоторецептором поставить управляющую сетку, получим дискоротрон.

Фоторецептор может также заряжаться игольчатым устройством, например, выполненным в форме пилы, где кончики зубцов - игольчатые электроды (рис. 1.1.3 Рис. 1.1.3. Игольчатый скоротрон: а - линейка игольчатых электродов, б - схема скоротрона). При зарядке до высокого потенциала у кончиков иголок образуется сильное электрическое поле. В этих участках происходит пробой воздуха, и возникает ионное облако, которое может быть использовано для зарядки фоторецептора. Равномерная зарядка большой площади возможна при использовании ряда иголок, расположенных друг от друга на равных расстояниях (несколько мм) по длине зарядного устройства.

При зарядке коронным разрядом на поверхность фоторецептора ocаждаются заряженные частицы воздуха. Поверхностная плотность заряда зависит от числа частиц на единице поверхности и от заряда этих частиц.

Пусть заряд частицы равен заряду электрона <?xml version="1.0"?>
Кл, а поверхностная плотность заряда (число частиц на единице поверхности фоторецептора) равна N. Тогда поверхностная плотность заряда может быть рассчитана по формуле <?xml version="1.0"?>

После зарядки в темноте (в этих условиях фотопроводниковый слой фоторецептора имеет диэлектрические свойства) в заземленной проводящей подложке фоторецептора индуцируется заряд противоположного знака. В фотопроводнике возникает электрическое поле, направленное перпендикулярно поверхности в сторону отрицательного заряда. Напряженность поля равна <?xml version="1.0"?>
Электрическая постоянная равна <?xml version="1.0"?>
а <?xml version="1.0"?>
представляет собой относительную диэлектрическую проницаемость, показывающую, во сколько раз среда (фотопроводник) ослабляет электрическое поле.

Заряженная поверхность приобретает некоторый потенциал V относительно земли (последний принимается равным нулю). Напряженность поля внутри фотопроводника зависит от разности потенциалов заряженной поверхности (V) и заземленной подложки (0) и толщины фотопроводникового слоя L по формуле <?xml version="1.0"?>
Она выражается в В/м.

Поверхностная плотность заряда, осажденного на фоторецептор, определяется потоком заряженных частиц в сторону фоторецептора (током разряда I) и временем осаждения частиц на данный участок поверхности. Последнее зависит от скорости прохождения фоторецептора под зарядным устройством.

Если при зарядке нет темнового тока (утечки заряда) скорость зарядки равна току разряда <?xml version="1.0"?>
где I выражается в <?xml version="1.0"?>
или в <?xml version="1.0"?>

При темновом токе j через фотопроводник <?xml version="1.0"?>

Ток разряда, в свою очередь, зависит от концентрации заряженных частиц, их заряда и их подвижности, а также от напряженности электрического поля (разности потенциалов проволочки и фоторецептора и от расстояния между ними). Концентрация заряженных частиц (в дальнейшем мы будем говорить об ионах) зависит не только от разности потенциалов проволочки и фоторецептора, но и от порогового потенциала, при котором зажигается разряд <?xml version="1.0"?>

Рассмотрим вначале случай, когда разряд возникает между коронной проволокой и заземленной металлической пластиной (в коротроне это экран). Зарядка такой пластины не происходит, так как заряд стекает на землю. В этом случае ток разряда описывается следующим выражением:

<?xml version="1.0"?>

где А - величина, зависящая от подвижности ионов <?xml version="1.0"?>
и расстояния между проволокой и пластиной R.

Подвижность связывает скорость перемещения заряженной частицы с напряженностью электрического поля.

<?xml version="1.0"?>

В формуле (1) <?xml version="1.0"?>
определяет концентрацию заряженных частиц в токе разряда, a <?xml version="1.0"?>
определяет скорость движения заряженных частиц.

При зарядке фоторецептора металлическая пластина (заземленная подложка) экранирована фотопроводниковой пленкой, которая в темноте имеет свойства диэлектрика. На поверхности фотопроводника накапливается заряд, и поэтому напряжение между коронной проволокой и фоторецептором <?xml version="1.0"?>
непрерывно понижается. Вставив V в формулу (1), получим:

<?xml version="1.0"?>

Таким образом, при зарядке фоторецептора ток разряда будет все время уменьшаться, как за счет уменьшения концентрации ионов, теперь зависящей от <?xml version="1.0"?>
так и за счет снижения напряженности электрического поля, определяемой <?xml version="1.0"?>
При наличии заземленного экрана создается напряжение между проволочкой и экраном. Концентрация ионов в токе разряда станет постоянной, так как она будет определяться током к заземленному экрану и будет пропорциональна <?xml version="1.0"?>
Ток разряда не будет зависеть от потенциала фоторецептора. Он будет складываться из тока к фоторецептору и тока к экрану. По мере повышения потенциала фоторецептора ток к экрану начинает преобладать. Это предотвращает зарядку фоторецептора до слишком высоких потенциалов.

В отсутствие экрана при повышении потенциала фоторецептора в фотопроводниковом слое увеличивается темновой ток j, разряжающий фоторецептор. Темновой ток растет в соответствии с формулой <?xml version="1.0"?>
где В - константа, связанная с темновой проводимостью. Следовательно, при высоких потенциалах темновая проводимость быстро увеличивается вплоть до наступления стационарного состояния, когда ток зарядки становится равным темновому току (I - j = 0) и зарядка прекращается. Фоторецептор приобретает предельный потенциал <?xml version="1.0"?>
Это опасный потенциал, так как он приводит к пробою и порче фоторецептора. При наличии заземленного экрана предельный потенциал не достигается и опасность пробоя меньше.

Потенциал зарядки можно сделать независимым от характеристик фоторецептора. Для этого между коронной проволочкой, заключенной в экране, и фоторецептором устанавливают управляющую сетку, на которую подается «потенциал смещения», приблизительно равный тому потенциалу, до которого необходимо зарядить фоторецептор. В этом случае ток разряда можно разделить на два: на ток, идущий к сетке, и на ток, идущий от сетки к фоторецептору. Последний определяется потенциалами сетки и фоторецептора. Когда на пластине достигается потенциал, равный потенциалу сетки, зарядка прекращается.

Посмотрим, до какого потенциала можно зарядить фоторецептор с помощью скоротрона, на сетку которого подан потенциал смещения <?xml version="1.0"?>
Запишем выражения для тока к сетке (4а) и для тока к фоторецептору без сетки (4б):

<?xml version="1.0"?>

Шафферт вычислил величины <?xml version="1.0"?>
и <?xml version="1.0"?>
для типичного скоротрона. Они оказались равными <?xml version="1.0"?>
а <?xml version="1.0"?>

Зарядка прекратится, когда <?xml version="1.0"?>

Если принять <?xml version="1.0"?>
а темновой ток j = 0, то зарядка фоторецептора прекратится, как только потенциал фоторецептора сравняется с потенциалом сетки.

На практике измеряют фактический потенциал на неэкспонированных участках фоторецептора (на контрольном поле) перед проявлением и корректируют потенциал смещения на сетке таким образом, чтобы контролируемый потенциал фоторецептора был равен заданному потенциалу.

Зарядка коронным разрядом требует высоких напряжений и, кроме того, при отрицательной зарядке выделяется озон. Поэтому все шире используются зарядные валики (рис. 1.1.4 Рис. 1.1.4. Зарядка фоторецептора зарядным валиком. На схеме: 1 - зарядный валик, 2 - фоторецептор). Валики состоят из металлического стержня, на поверхность которого нанесены эластичный слой из проводящей силиконовой резины и защитный поверхностный слой. На стержень валика подается переменное напряжение с постоянным смещением. Постоянное напряжение определяет потенциал зарядки, а переменная составляющая увеличивает равномерность зарядки. В противном случае на отпечатке могут появиться полосы [ссылка на источники литературы]. Механизм зарядки - электрический разряд.

Существует два способа зарядки. При одном валик касается заряжаемой поверхности, а при другом имеет место бесконтактная зарядка. Контактная зарядка используется, например, в копировальных аппаратах CLC 3200. Пример режима зарядки: постоянное напряжение - 450 В, переменное 1500 В от пика к пику.

Зарядка валиками решает проблему, связанную с выделением большого количества озона, возникающую при использовании коронного разряда.

После зарядки поверхности в подложке заземленного фоторецептора индуцируется заряд противоположного знака. В результате фотопроводниковый слой оказывается в сильном электрическом поле (разность потенциалов поверхности и подложки составляет несколько сот вольт). Поле необходимо для записи изображения (раздел 1.2).

Запись скрытого электростатического изображения производится путем селективной фоторазрядки равномерно заряженной поверхности фоторецептора. В результате образуется зарядовое изображение, которое называют скрытым электростатическим изображением. В дальнейшем изложении этот термин может быть сокращен до «скрытое изображение» или аббревиатуры «СЭИ».

Если при записи разряжались пробельные участки изображения, СЭИ будет позитивно по отношению к изображению на отпечатке. При разрядке участков, соответствующих печатным элементам изображения, СЭИ будет негативным. В цифровой электрофотографической печати чаще используется негативная запись изображения.

При зарядке поверхности фоторецептора в заземленной подложке индуцируется заряд противоположного знака, и в фотопроводниковом слое возникает сильное электрическое поле. Оно сохраняется в темноте, когда в фотопроводниковом слое практически нет свободных заряженных частиц и слой имеет высокое электрическое сопротивление. При записи изображения на отдельные участки фотопроводника попадает свет. Поглощенные кванты света выбивают из атомов или молекул фотопроводника электроны, в результате чего образуются свободные носители заряда <?xml version="1.0"?>
и <?xml version="1.0"?>
, фотопроводниковый слой становится электропроводящим. Электрическое поле перемещает заряды к противоположно заряженным электродам (поверхности и основе). В освещенных участках происходит разрядка поверхности, а там, куда свет не падал, заряд остается. На поверхности фоторецептора образуется скрытое электростатическое изображение, состоящее из зарядов.

Фотопроводниковые покрытия фоторецепторов могут быть неорганическими и органическими. Неорганических фотополупроводников известно много, но большинство из них не годится для фоторецепторов, так как не отвечает предъявляемым в электрофотографии требованиям. Фотопроводники должны в темноте удерживать на поверхности большой заряд и, в то же время, обладать большой чувствительностью к излучениям, используемым для записи изображения. До недавнего времени практическое применение находили селенид мышьяка и аморфный кремний. В современной электрофотографической аппаратуре используется гидрированный аморфный кремний a-Si:H. Наиболее используемыми являются органические фотопроводники.

Фотопроводниковое покрытие фоторецепторов может состоять из одного или двух слоев. В однослойных фоторецепторах (фоторецепторах с однослойным фотополупроводниковым покрытием) кванты света поглощаются в приповерхностных слоях. Из образующейся пары носителей заряда один перемещается к поверхности, а другой дрейфует через толщу фотопроводника к заземленной основе. В этом случае оптимальной является положительная зарядка фоторецептора.

Органические фоторецепторы, как правило, имеют двухслойное покрытие (рис. 1.2.1 Рис. 1.2.1. Фоторазрядка отрицательно заряженной поверхности двухслойного органического фоторецептора. На схеме: а - схема процесса фоторазрядки, б - скрытое электростатическое изображение, в - потенциальный рельеф скрытого электростатического изображения: 1 - заряженные; 2 - разряженные участки), включающее тонкий генерационный слой, и более толстый транспортный слой. Генерационный слой толщиной 1-2 мкм, обладает фотопроводниковыми свойствами. Именно в нем происходит поглощение света и образование пары свободных зарядов (противоположно заряженных частиц). Транспортный слой (20-30 мкм) содержит в своей толще транспортные центры, служащие для перемещения свободных зарядов от генерационного слоя к противоположно заряженной поверхности. Легко и беспрепятственно через толщу транспортного слоя мигрируют положительные заряды, поэтому поверхность двухслойных фоторецепторов обычно заряжают отрицательно. Перемещение зарядов через транспортный слой происходит вдоль линий напряженности электрического поля эстафетным порядком по следующей схеме, где М - транспортные центры, а <?xml version="1.0"?>
- поверхностный заряд.

В результате процесса фоторазрядки происходит нейтрализация отрицательных поверхностных зарядов положительными свободными зарядами.

Образование пары свободных носителей заряда (электрона и катиона) в генерационном слое происходит следующим образом:

  • молекула поглощает квант света;
  • происходит ее фотолиз с образованием пары зарядов;
  • заряды расходятся на достаточное расстояние и становятся свободными, то есть могут перемещаться независимо друг от друга.

Скорость образования свободных зарядов описывается выражением (5).

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- интенсивность поглощенного света, выраженная в <?xml version="1.0"?>
, где кв. = квант.

Интенсивность поглощенного света <?xml version="1.0"?>
зависит от интенсивности упавшего света <?xml version="1.0"?>
и коэффициента поглощения <?xml version="1.0"?>
.

<?xml version="1.0"?>

Из поглощенного света лишь часть расходуется полезно, то есть на образование свободных носителей заряда. Доля полезно израсходованного поглощенного света называется квантовой эффективностью образования свободных зарядов <?xml version="1.0"?>
.

Коэффициент поглощения и квантовая эффективность образования свободных зарядов зависят от спектрального состава излучения. Поэтому выражение (5) правильнее записать следующим образом:

<?xml version="1.0"?>

то есть скорость образования свободных носителей заряда зависит от спектрального состава излучения и спектральной чувствительности фотопроводникового слоя. Последняя зависит от кривой поглощения слоя <?xml version="1.0"?>
и квантовой эффективности образования свободных зарядов <?xml version="1.0"?>
.

Квантовая эффективность процесса образования свободных зарядов <?xml version="1.0"?>
без наложения электрического поля низкая. Она увеличивается с ростом напряженности электрического поля и достигает максимального значения при напряженности поля около <?xml version="1.0"?>
В/м), где <?xml version="1.0"?>
При записи изображения фотопроводниковое покрытие находится в электрическом поле, с напряженностью <?xml version="1.0"?>
В/м.

Квантовую эффективность и светочувствительность фоторецептора уменьшает рекомбинация части образовавшихся при фотолизе носителей зарядов - электрона и катиона <?xml version="1.0"?>
Рекомбинации препятствует наличие в генерационном слое акцепторов электрона, а также гетерогенность генерационного слоя. Поверхность частиц пигмента содержит ловушки электронов, захватывающие электроны или изменяющие их спиновое состояние так, что они не могут соединиться со своими катионами. Поэтому в практически используемых фоторецепторах генерационный слой представляет собой суспензию светочувствительного пигмента, например, фталоцианина, в полимере.

Заряды под воздействием электрического поля диффундируют по частицам пигмента к границе с транспортным слоем.

Образовавшиеся в генерационном слое свободные положительные заряды перемещаются электрическим полем в транспортный слой. Однако не все заряды попадают в транспортный слой.

Для ионизации молекулы пигмента генерационного слоя необходима сравнительно небольшая энергия (инфракрасное или красное излучение). Транспортные молекулы требуют для ионизации более высокой энергии. Поэтому на границе (фото)генерационного и (зарядо)транспортного слоев положительный заряд встречает энергетический барьер. Энергию, необходимую для преодоления зарядом энергетического барьера и инжекции его в транспортный слой, дает электрическое поле. От величины энергетического барьера и напряженности поля зависит константа скорости инжекции <?xml version="1.0"?>
и доля свободных зарядов, инжектированных в транспортный слой (эффективность процесса инжекции).

Скорость инжекции заряда равна

<?xml version="1.0"?>

где n - концентрация свободных зарядов в генерационном слое (зависит от скорости образования свободных зарядов), a N - концентрация транспортных центров в транспортном слое.

Эффективность процесса инжекции зарядов в транспортный слой равна

<?xml version="1.0"?>

Транспортный слой удерживает на своей поверхности заряд, поэтому он должен иметь диэлектрические свойства. С другой стороны, он не должен задерживать пролетающие через него заряды. Поэтому транспортный слой обычно представляет собой твердый раствор транспортных молекул в полимере.

Дрейф зарядов (он идет так быстро, что называется пролетом), происходит за счет прыжков электрона от нейтральной транспортной молекулы к соседнему катиону. В результате катион восстанавливается, а молекула, отдавшая электрон, окисляется и превращается в катион (схема приведена выше).

Быстродействие аппарата зависит от времени пролета зарядов через транспортный слой, то есть от скорости пролета и толщины этого слоя.

Скорость пролета носителей заряда в направлении поля <?xml version="1.0"?>
пропорциональна напряженности электрического поля Е:

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- подвижность носителя заряда, имеющая размерность <?xml version="1.0"?>
. Величина <?xml version="1.0"?>
, в свою очередь, зависит от природы транспортных молекул, расстояния между транспортными молекулами, температуры и напряженности электрического поля. Это показано на рис. 1.2.2, где <?xml version="1.0"?>
а Т - температура.

Рис. 1.2.2. Зависимость подвижности зарядов в транспортном слое «мю» от напряженности электрического поля Е и абсолютной температуры Т

Рис. 1.2.2. Зависимость подвижности зарядов в транспортном слое <?xml version="1.0"?>
от напряженности электрического поля Е и абсолютной температуры Т

Чтобы обеспечивать высокую подвижность носителей заряда транспортные группы молекул должны иметь низкий потенциал ионизации, такой потенциал характерен, например, для аминов (7...8 эВ). Концентрация молекул должна быть оптимальной (30-40%). При слишком большой концентрации образуются агломераты транспортных молекул, которые являются ловушками зарядов. Они захватывают заряды и тем самым снижают количество перенесенных зарядов либо временно задерживают заряды, снижая их подвижность. В обоих случаях будет снижено быстродействие фоторецептора, что недопустимо в скоростных аппаратах. При пониженных концентрациях транспортные молекулы далеко отстоят друг от друга, что затрудняет перескок электронов между ними. Подвижность носителей заряда снижается, и транспорт может вообще не происходить.

Для записи изображения на фоторецепторе в цифровой электрофотографической аппаратуре используются лазерные устройства или светодиодные линейки.

Лазерная запись изображения

В основе лазерной записи лежит веерная развертка модулированного лазерного луча с помощью вращающегося многогранного зеркала (рис. 1.2.3 Рис. 1.2.3. Лазерная запись скрытого электростатического изображения путем веерной развертки лазерного луча: 1 - лазерный блок, 2 - многогранное зеркало (лазерный сканер), 3 - корректирующая линза, 4 - отражающее зеркало, 5 - фоторецептор, 6 - скрытое изображение).

Лазерный луч попадает на грань многогранного зеркала, которое вращается с очень большой скоростью. Отражаясь от зеркала, луч через неподвижное зеркало попадает на фоторецептор и скользит вдоль его образующей. При этом в соответствии с сигналами, поступающими от генератора изображения, лазерный луч включается и выключается, либо изменяется его яркость. Так записывается одна строчка изображения. Следующая грань зеркала записывает следующую строчку. Переход от строчки к строчке на фоторецепторе обеспечивается его вращением.

В качестве источника лазерного излучения используют, в основном, лазерные диоды. Для ускорения записи лазерное устройство может одновременно записывать несколько строк (2-12). Для этого используют либо многоэмиттерные лазерные диоды, либо лазерный луч расщепляется на несколько автономно управляемых лучей, либо используется несколько (например, 2) отдельных лазеров.

На пути к фоторецептору лазерный луч проходит через корректирующую линзу. Ее назначение - линеаризация хода луча. Дело в том, что хотя угловая скорость перемещения лазерного луча постоянна, лазерный луч падает на плоское отражающее зеркало 5 в разных участках своего пути под разными углами, поэтому световое пятно перемещается по зеркалу (и фоторецептору) с переменной скоростью. Для компенсации нелинейности перемещения следа лазерного луча служит корректирующая линза сложной формы или система линз.

Важно отметить, что такой способ линеаризации эффективен только при углах развертки до 60<?xml version="1.0"?>
. Это ограничивает лазерную запись форматом A3. При ширине записи <?xml version="1.0"?>
450 мм (формат А2) необходимо использовать другое экспонирующее устройство, например, светодиодную линейку.

Светодиодные линейки

Другой тип записывающего устройства - светодиодная линейка (Light Emitting Diode, LED). Светодиодная линейка имеет в качестве излучательных элементов светоизлучающие диоды. В отличие от лазерных диодов светодиоды испускают некогерентное излучение.

На рис. 1.2.4 Рис. 1.2.4. Схема линейки светодиодов а и ее увеличенных фрагментов б и в. На схеме: 1 - светодиоды, 2 - электроды и 3 - контактные площадки для присоединения к управляющим платам [36][ссылка на источники литературы], б и 1.2.4, в показаны два фрагмента светодиодной линейки (а). На фрагменте «б» видны проводники 2, идущие к диодам 1 от контактных площадок 3 управляющих плат. Управляющие платы получают сигналы от генератора изображений. На фрагменте «в» видны светодиоды. Светодиоды вытянуты в линию посередине линейки. Длина одной линейки (светодиодного чипа) ограничена, например, она содержит 128 светодиодов. Соединяя линейки в длину, можно получить записывающее устройство большой ширины (например, <?xml version="1.0"?>
500 мм). Светодиоды соседних чипов соединяются таким образом, чтобы не было разрывов и, соответственно, полос при записи. Соединение может производиться в шахматном порядке с перекрыванием крайних светодиодов соседних чипов и встык с добавлением светодиодов в местах соединения чипов. Плотность размещения светодиодов 600 или 1200 на дюйм. Четными и нечетными светодиодами управляют платы, расположенные с разных сторон линейки.

Излучение светодиодов фокусируется на поверхности фоторецептора с помощью самофокусирующегося объектива. Это - волоконный объектив, имеющий вид линейки, вытянутой параллельно линейке светодиодов (рис. 1.2.5 Рис. 1.2.5. Схема блока светодиодной линейки [34]. На схеме: 1 - медная штанга (охлаждает линейку), 2 - шина электропитания, 3 - линейка светодиодов, 4 - самофокусирующийся объектив, 5 - фоторецептор, 6 - излучение светодиода[ссылка на источники литературы]).

Скрытое изображение создается световыми точками, например, лазерными пятнами. Для получения тонового изображения его площадь разбивается на растровые ячейки одинакового размера, но с переменным количеством краски в разных ячейках. Так, на сплошных участках растровые ячейки содержат максимальное количество краски. Ячейка разбивается на микроячейки, каждая из которых соответствует одному световому пятну. Максимальное число вариантов градаций (количества краски в растровой ячейке) равно <?xml version="1.0"?>
где R - разрешение записи, a L - линиатура растра. В рекламной и технической мировой литературе принято выражать разрешение в количестве точек на дюйм, а линиатуру в числе линий (растровых ячеек) в дюйме. Величина R в аппаратуре профессионального применения составляет 600...2400 dpi, а величина L = 150 - 200 lpi. Стандартным считается получение 256 градаций по черной краске. Для увеличения количества градаций изображения при разрешении 600 dpi используется так называемый режим серой шкалы: при записи растровых элементов изменяются яркости свечения и/или продолжительность свечения лазера и светоизлучающих диодов. Это позволяет изменять количество краски в микроячейке.

При записи текста изображение строится из микроячеек и используется специальная технология сглаживания (повышения разрешения), позволяющая печатать ровные наклонные линии и штриховые элементы сложной формы.

При проявлении на скрытое электростатическое изображение осаждают заряженный окрашенный порошок - тонер. Получают тонерное изображение, которое затем переносится на печатный материал. Тонер в зависимости от знака заряда осаждается только на заряженные участки скрытого изображения либо только на разряженные участки. Селективным осаждением тонера управляет электрическое поле между скрытым электростатическим изображением и проявляющим валиком, доставляющим тонер к фоторецептору. На валик подается определенный потенциал <?xml version="1.0"?>
чем обеспечивают напряжение смещения, необходимое для оптимизации процесса проявления.

Тонерный порошок состоит из очень мелких частиц (6-10 мкм) окрашенного полимера, имеющего соответствующие добавки. Частицы тонера перемещаются к фоторецептору электрическим полем, при этом сила F, действующая на каждую частицу, равна <?xml version="1.0"?>
где Q - заряд частицы, а Е - напряженность электрического (электростатического) поля. Поле возникает между двумя электродами: фоторецептором со скрытым электростатическим изображением <?xml version="1.0"?>
и проявляющим электродом, роль которого выполняет проявляющий валик. Напряженность электрического поля Е зависит от электрического напряжения в зоне проявления <?xml version="1.0"?>
где <?xml version="1.0"?>
- потенциал скрытого электростатического изображения.

Заряженные частицы тонера движутся вдоль линий напряженности Е электрического поля. Направление движения зависит от знака заряда тонера: положительно заряженный тонер перемещается по направлению электрического поля, а отрицательно заряженный тонер - в противоположном направлении.

Для упрощения математического описания электрического поля напряженность Е представляют в виде трех составляющих <?xml version="1.0"?>
и <?xml version="1.0"?>
где <?xml version="1.0"?>
и <?xml version="1.0"?>
лежат в плоскости фоторецептора (если фоторецептор цилиндрический, то направление х параллельно оси, а у - тангенциально). Нас будет, в основном, интересовать нормальная составляющая поля <?xml version="1.0"?>
так как она отвечает за перемещение тонера от проявляющего валика к фоторецептору вдоль оси z.

Таким образом, первым фактором, от которого зависит качество проявления, является электрическое поле.

После зарядки фоторецептора между его заряженной поверхностью и заземленной основой возникает электрическое поле, которое практически целиком сосредоточено внутри фотопроводникового слоя. При отрицательной зарядке оно направлено в сторону поверхности, при положительной зарядке - к основе. При этом направление векторов напряженности совпадает с нормалью к поверхности: <?xml version="1.0"?>

Величина напряженности равна:

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- нормальная составляющая электрического поля внутри фотопроводникового слоя, выраженная в В/м,

<?xml version="1.0"?>
- поверхностная плотность заряда в <?xml version="1.0"?>
,

<?xml version="1.0"?>
- электрическая постоянная, равная <?xml version="1.0"?>
Ф/м, (Ф = Кл/В), а

<?xml version="1.0"?>
- относительная диэлектрическая проницаемость фотопроводникового слоя (безразмерная величина).

Нормальная составляющая внешнего электростатического поля <?xml version="1.0"?>
равна нулю.

После записи изображения над поверхностью фоторецептора возникает электрическое поле. Оно появляется на границах широких элементов и над мелкими элементами скрытого электростатического изображения.

Для того чтобы получить проявляющее поле над крупными и сплошными участками изображения, во всех современных электрофотографических печатающих устройствах используют проявляющий электрод, вытянутый вдоль всей зоны проявления. Его роль выполняет проявляющий валик, приносящий тонер в зону проявления. В присутствии проявляющего электрода в зоне проявления над скрытым изображением образуется электрическое поле, которое изменяется как в вертикальном направлении (от подложки фоторецептора к проявляющему электроду), так и по площади скрытого изображения. Подавая на проявляющий электрод напряжение смещения, можно управлять напряженностью проявляющего поля.

Рассмотрим вначале электрическое (электростатическое) поле в зоне проявления над равномерно заряженным участком скрытого изображения, имеющим большую площадь.

В электрическом поле, образованном между заземленной подложкой равномерно заряженного фоторецептора и проявляющим электродом (проявляющим валиком), можно выделить два участка поля. Один находится внутри слоя фотопроводника и имеет напряженность <?xml version="1.0"?>
, а другой - в зоне проявления <?xml version="1.0"?>
. Линии напряженности проявляющего поля <?xml version="1.0"?>
направлены от положительного к отрицательному потенциалу (либо в сторону уменьшения положительного потенциала, либо в сторону увеличения отрицательного потенциала). Примем, что в зоне проявления находится тонерное облако и отсутствует воздушная прослойка, не содержащая тонера (рис. 1.3.1 Рис. 1.3.1. Схема к процессу проявления сплошного участка скрытого изображения).

В этом случае для напряженности электрического поля в зоне проявления может быть записано следующее выражение [ссылка на источники литературы]:

<?xml version="1.0"?>

где V - потенциал скрытого изображения, <?xml version="1.0"?>
- потенциал проявляющего валика, l - толщина фотопроводникового слоя, d - толщина зоны проявления, <?xml version="1.0"?>
и <?xml version="1.0"?>
- величины относительной диэлектрической проницаемости зоны проявления и фотопроводника. Из выражения 9 понятно, что на величину электрического поля влияют свойства тонера и фоторецептора. Толщина зоны проявления (зазор между проявляющим валиком и фоторецептором) много больше толщины фотопроводникового слоя (например, 350 мкм против 20 мкм), поэтому при практических рассуждениях, когда не требуется точных расчетов, член <?xml version="1.0"?>
можно исключить и использовать упрощенную формулу:

<?xml version="1.0"?>

Рассмотрим проявляющее поле над скрытым изображением периодического штрихового рисунка, схема которого показана на рис. 1.3.2 Рис. 1.3.2. Схема скрытого изображения линейной решетки. Оси х и у лежат в плоскости фоторецептора, а ось z направлена по нормали к фоторецептору.

Примем, что плотность заряда в направлении оси у изменяется по синусоидальному закону (рис. 1.3.3 Рис. 1.3.3. Зарядовый рельеф скрытого изображения синусоидальной решетки), что близко к реальному скрытому изображению такого рода рисунков. В направлении оси х плотность заряда постоянна.

Такое зарядовое изображение может быть описано выражением:

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- постоянная составляющая, равная усредненной по площади плотности заряда: <?xml version="1.0"?>
Переменная составляющая <?xml version="1.0"?>
показывает отклонение плотности заряда от средней величины при перемещении вдоль оси у. Параметр k является пространственной частотой, равной

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- период зарядового рельефа (например, расстояние между центрами штрихов). В свою очередь, <?xml version="1.0"?>
где <?xml version="1.0"?>
- частота линий в штриховом рисунке. Величины k и <?xml version="1.0"?>
связаны между собой формулой <?xml version="1.0"?>
Величина <?xml version="1.0"?>
показывает, сколько линий содержится в 1 мм, а величина k равна числу радиан в миллиметре (одна линия содержит <?xml version="1.0"?>
радиан). Выражаются обе эти величины в <?xml version="1.0"?>
Для участков с плотностью заряда выше средней <?xml version="1.0"?>
- положительная величина, а для участков с плотностью заряда ниже средней - отрицательная.

Характер проявляющего электрического поля над зарядовым рельефом (рис. 1.3.4 Рис. 1.3.4. Электрическое поле в зоне проявления над периодической заряженной решеткой с периодом 10 мкм [9]. На схеме (a) d = 250 мкм, а на схеме (б) d = 100 мкм[ссылка на источники литературы]) изменяется с ростом координаты z от нуля (на поверхности фоторецептора) до d (y проявляющего электрода).

Математическое описание проявляющего электрического поля над штриховым изображением очень сложно. Р. Шафферт (R. Schaffert) предложил использовать упрощенную модельную систему, состоящую из двух электродов и трех диэлектрических слоев между ними. К электроду, представляющему заземленную основу фоторецептора, примыкает диэлектрический слой, представляющий фотопроводниковый слой в темноте. На нем находится периодическая синусоидальная зарядовая решетка, описываемая выражением (11). Далее следует два слоя, представляющие зону проявления с проявителем. Электрод, находящийся сверху заменяет проявляющий валик, на который подано напряжение смещения. Диэлектрические слои по толщине и диэлектрической проницаемости совпадают с фотопроводниковым слоем и зоной проявления. Р. Шаффертом было получено математическое выражение для нормальной составляющей электрического поля, образуемого зарядовой решеткой в диэлектриках, моделирующих зону проявления [ссылка на источники литературы]. М. Scharfe, преобразовав это выражение, представил его в следующей удобной форме [ссылка на источники литературы]:

<?xml version="1.0"?>

где <?xml version="1.0"?>
- электростатический контраст, численно равный разности электрических потенциалов изображения и фона, а <?xml version="1.0"?>
- потенциал смещения на проявляющем электроде. Параметры <?xml version="1.0"?>
и <?xml version="1.0"?>
- константы, связанные с постоянной и переменной составляющими электрического поля. Величина p(z) - переменная величина, изменяющаяся с расстоянием от фоторецептора z и с перемещением вдоль оси у.

Математические выражения для параметров электрического поля <?xml version="1.0"?>
и <?xml version="1.0"?>
зависят от выбранного варианта модели. Она может быть трехслойной, когда между двумя электродами (подложка и проявляющий электрод) расположены три слоя, например, фотопроводник <?xml version="1.0"?>
тонер <?xml version="1.0"?>
воздушная прослойка, или двухслойной (фотопроводник <?xml version="1.0"?>
тонер с величинами относительной диэлектрической проницаемости <?xml version="1.0"?>
и <?xml version="1.0"?>
).

Приведем формулы для двухслойной модели:

<?xml version="1.0"?>

Гиперболический косинус и гиперболический тангенс рассчитываются по формулам

<?xml version="1.0"?>

В этих формулах х - выражение, стоящее под знаком косинуса или тангенса, например, величины kd или k(d - z).

Чтобы лучше понять физический смысл уравнения (13), попробуем объяснить с его помощью некоторые закономерности.

Влияние расстояния d между фоторецептором со скрытым
изображением и проявляющим электродом

Из приведенных выше формул и рис. 1.3.4 Рис. 1.3.4. Электрическое поле в зоне проявления над периодической заряженной решеткой с периодом 10 мкм [9]. На схеме (a) d = 250 мкм, а на схеме (б) d = 100 мкм[ссылка на источники литературы] ясно, что напряженность электрического поля в направлении координатной оси z заметно увеличивается с приближением проявляющего электрода к фоторецептору (с уменьшением d). При очень маленьких величинах d исчезают арки из линий напряженности, ухудшающие точность осаждения тонера на скрытое изображение.

Изменение электрического поля над штриховым скрытым
изображением от фоторецептора к проявляющему электроду

На рис. 1.3.4 видно, что по мере удаления от поверхности фоторецептора характер электрического поля быстро изменяется, и на некотором расстоянии поле становится равномерным.

Перепишем уравнение (13) следующим образом:

<?xml version="1.0"?>

Первый член уравнения представляет собой постоянную составляющую поля. Она соответствует полю над сплошным участком скрытого изображения, заряд которого равен усредненному по площади заряду штрихового изображения <?xml version="1.0"?>
Постоянная составляющая не зависит от координаты z.

Второй член уравнения - переменная составляющая поля. Она связана со штриховым изображением <?xml version="1.0"?>
и содержит параметр p(z), изменяющийся с координатой z (расстоянием точки поля от фоторецептора). При увеличении z, величина <?xml version="1.0"?>
так как coshkd остается постоянным, a coshk(d - z) быстро уменьшается, и при достижении достаточно маленького значения p(z) можно принять равным нулю. Переменная составляющая исчезает. Электрическое поле становится равномерным, зависящим от усредненной величины зарядов изображения: <?xml version="1.0"?>
и <?xml version="1.0"?>
.

Зависимость электрического поля над штриховым изображением
от электростатического контраста скрытого изображения

Примем потенциал смещения равным потенциалу фона: <?xml version="1.0"?>
Тогда член <?xml version="1.0"?>
выражения (13) станет равным нулю и выражение упростится до (15):

<?xml version="1.0"?>

Становится ясным, что электрическое поле над скрытым штриховым изображением определяется его электростатическим контрастом <?xml version="1.0"?>
то есть разностью потенциалов штрихов и просветов между ними.

Зависимость параметра p(z) и напряженности электрического
поля над скрытым изображением от пространственной частоты
рисунка и удаления от фоторецептора

Если пространственная частота штрихового рисунка k = 0, мы имеем дело со сплошным участком. В этом случае р(z) = 1; а <?xml version="1.0"?>
то есть <?xml version="1.0"?>
Выражение (13) упрощается до приведенного выше выражения (9) для электрического поля над сплошным участком скрытого изображения:

<?xml version="1.0"?>

Увеличим пространственную частоту от 0 до 1 <?xml version="1.0"?>
и до 10 <?xml version="1.0"?>
(размеры штрихов 500 мкм и 50 мкм). На рис. 1.3.5 Рис. 1.3.5. Графики зависимости величины p(z) от расстояния участка электрического поля от поверхности фоторецептора z для различных пространственных частот штрихового изображения [41][ссылка на источники литературы] показаны три кривые: для сплошного участка <?xml version="1.0"?>
для штрихового рисунка с частотой <?xml version="1.0"?>
= 1 лин/мм (k = 6,28 рад/мм) и для штрихового рисунка с частотой <?xml version="1.0"?>
= 10 лин/мм (k = 62,8 рад/мм). Чем больше частота штрихового рисунка (меньше размеры штрихов), тем быстрее падает величина p(z) с удалением от фоторецептора, стремясь к нулю. Когда p(z) = 0, переменная составляющая поля исчезает. Поле становится таким же, как над сплошным участком с усредненным по решетке зарядом. На рис. 1.3.5 видно, что при размере штрихов 50 мкм (частота 10 лин/мм) штрихи не распознаются уже на расстоянии 100 мкм. Это предельная разрешающая способность для электрофотографии. Для эффективного проявления изображений с очень мелкими деталями тонер должен доставляться к поверхности скрытого изображения настолько близко, чтобы выполнялось условие p(z) > 0.

Влияние потенциала смещения на проявляющем электроде
на электрическое поле

На рис. 1.3.6 Рис. 1.3.6. Электрические поля для разных напряжений смещения на проявляющем электроде: а - напряжение смещения равно 0, б - напряжение смещения 500 В [9][ссылка на источники литературы] приведены 2 схемы электрических полей для различных напряжений смещения на проявляющем электроде. На рис. 1.3.6, а потенциал проявляющего электрода равен нулю. Максимальная напряженность поля (а именно туда движется заряженный тонер) приходится на участки с максимальной плотностью заряда скрытого изображения. Тонер должен осаждаться на заряженные участки. Знак заряда тонера должен быть противоположным заряду скрытого изображения. Скрытое изображение имеет положительные заряды, поэтому тонер следует заряжать отрицательно.

В случае, показанном на рис. 1.3.6, б, на проявляющий электрод подан потенциал смещения 500 В. Как видно на рисунке, максимальная напряженность электрического поля здесь приходится на участки скрытого изображения с минимальным зарядом. Тонер следует осаждать на разряженные участки, поэтому он должен иметь заряд, одинаковый с зарядом скрытого изображения (в данном случае положительный). Ситуация соответствует обращенному проявлению. Рассмотрим эти варианты проявления подробнее.

Прямое и обращенное проявление

При прямом проявлении тонер и скрытое изображение имеют противоположные знаки. Поэтому тонер осаждается на заряженные участки. Такое проявление еще называют CAD = Charged Areas Development (появление заряженных участков). При прямом проявлении потенциал смещения немного больше потенциала тех участков, на которые не должен осаждаться тонер (фон или загрязнения).

При обращенном проявлении тонер и скрытое изображение имеют одинаковые знаки заряда, и тонер осаждается на разряженные участки, соответствующие участкам изображения на оригинале и копии. На рис. 1.3.7 Рис. 1.3.7. Принципиальная схема обращенного проявления. Рисунок справа - потенциальный рельеф скрытого изображения, пунктиром показан потенциал смещения на проявляющем валике показана принципиальная схема обращенного проявления, широко используемого в цифровых печатающих устройствах.

Предположим, заряженные участки скрытого электростатического изображения имеют потенциал -500 В, а разряженные участки -50 В. Тонер также заряжен отрицательно, поэтому он движется в сторону поверхности с меньшей (абсолютной) величиной потенциала. Подадим на проявляющий валик напряжение смещения, равное -400 В. Тогда на участках фона, имеющих потенциал -500 В, тонер будет прижиматься электрическим полем к проявляющему валику, и фон на копии будет чистым. На разряженных до -50 В участках изображения тонер будет переноситься на фоторецептор.

Способы проявления можно разделить на жидкостное проявление и проявление сухим проявителем. Жидкий проявитель представляет собой дисперсию тонера в неполярной жидкости (жидком носителе). Сухой проявитель содержит либо один сухой (порошковый) тонер, либо тонер на частицах носителя. Во втором случае проявитель называют двухкомпонентным. Технологические схемы получения изображения с сухим и жидкостным проявлением существенно различаются на стадиях проявления, переноса и закрепления изображения. Поэтому электрофотографии с жидкостным проявлением посвящен отдельный раздел.

Широко используемое в оборудовании сухое проявление имеет несколько разновидностей. К ним относятся проявление магнитной кистью из двухкомпонентного проявителя, проявление однокомпонентными проявителями, магнитным и немагнитным, и гибридное проявление.

Проявление включает три операции:

  • зарядку частиц тонера;
  • доставку заряженного тонера в зону проявления;
  • избирательное осаждение тонера на скрытое электростатическое изображение (собственно проявление).

Каждый из перечисленных выше способов сухого проявления имеет свои особенности проведения этих операций. Следует отметить, что для зарядки тонера во всех способах используется трибоэлектризация.

Тонер будет рассмотрен в разделе 1.6. Здесь приводятся лишь основные сведения о нем. необходимые для понимания процесса проявления. Тонер представляет собой порошок окрашенного полимера с очень мелкими частицами (6-10 мкм). Основные требования, предъявляемые к тонеру - способность к трибоэлектризации (зарядке его частиц при трении о носитель), термопластические свойства и малая склонность к слипанию частиц в агрегаты. Тонер имеет сложный состав. Основными компонентами тонера являются: полимер, пигмент, регулятор заряда, полимерный воск и поверхностная добавка, защищающая частицы от слипания.

  • Полимер составляет до 90% от общего веса тонерной массы, в нем распределены остальные компоненты тонера. От выбора полимера зависят практически все свойства тонера, в том числе способность к трибоэлектризации и термопластические свойства. Наиболее используемыми являются полиэфиры и сополимеры стирола с акрилатами.
  • Пигмент, как и в печатных красках, выбирается в зависимости от требуемого цвета тонера. Он должен образовывать тонкую дисперсию в полимере и не ухудшать его трибоэлектрические свойства.
  • Регулятор заряда является трибоэлектрической добавкой. Благодаря нему частицы тонера приобретают при трении о носитель заряд требуемой величины и знака. Заряд должен быть стабильным во времени и мало зависеть от температуры тонера и влажности воздуха.
  • Полимерный воск - вещество, твердое при комнатной температуре и легко плавящееся при нагревании. При термическом закреплении тонерного изображения на отпечатке воск плавится первым, и служит смазкой, предотвращающей прилипание тонера к фьюзерному валику. Это может быть низкомолекулярный полиэтилен или полипропилен (с молекулярной массой 1-7 тыс.).
  • Добавка, повышающая сыпучесть тонера, представляет собой, обычно, порошок окисла кремния с развитой поверхностью и/или соль жирной кислоты (например, стеарат цинка). Назначение этой добавки - предотвращать слипание (агрегацию) частиц тонера при его хранении и во время электрофотографического процесса. Частицы тонера, имеющего высокую сыпучесть, легко скользят друг по другу. В англоязычной литературе это свойство называют текучестью (flowability). Эта добавка является наружной, она наносится на поверхность тонерных частиц в виде порошка размером в несколько десятков нм. Способ нанесения - перемешивания тонера с добавкой.

Другие добавки, вводимые в тонер, предназначены для улучшения технологических свойств конкретного тонера.

Способы проявления скрытого электростатического изображения
сухим тонером

Как было сказано выше, процесс проявления включает в себя зарядку тонера, его доставку в зону проявления и перенос тонера на скрытое изображение - собственно проявление.

Тонер доставляется к фоторецептору (в зону проявления) на проявляющем валике. На валике находится либо тонер в составе двухкомпонентного проявителя (тонер + носитель), либо один тонер. В первом случае носитель обладает способностью намагничиваться, и проявитель переносится магнитными силами. Заряжается тонер за счет трения тонера о носитель при их смешивании друг с другом. Во втором случае носителем для тонера служит проявляющий валик. Порошкового носителя нет, поэтому проявитель называют однокомпонентным. В настоящее время существует несколько вариантов проявления однокомпонентным проявителем. Тонер может быть магнитным (способным намагничиваться) и немагнитным. Проявление может быть контактным (между проявляющим валиком и фоторецептором нет зазора) и бесконтактным, когда между валиком и фоторецептором существует зазор около 350 мкм. В так называемом гибридном проявлении зарядка тонера производится при образовании двухкомпонентного проявителя, но на проявляющем валике оказывается один тонер без носителя. Рассмотрим эти способы подробнее.

Двухкомпонентный проявитель состоит из ферромагнитного носителя с диаметром частиц около 100 мкм и тонера со средним размером частиц 6...10 мкм (рис. 1.3.8 Рис. 1.3.8. Схема частицы двухкомпонентного проявителя. На схеме: 1 - носитель, 2 - тонер). Основная задача носителя состоит в переносе тонера в зону проявления. Вторая его важная функция заключается в зарядке частиц тонера.

Зарядка тонера

Материалы тонера и носителя составляют друг с другом трибоэлектрическую пару: при перемешивании они обмениваются электронами и приобретают заряды противоположных знаков. Используется различие в работе выхода электронов из материалов разной природы. Те материалы, которые характеризуются относительно большой работой выхода электрона, склонны захватывать электрон и удерживать его. Они являются акцепторами электронов и склонны заряжаться отрицательно. Некоторые материалы, наоборот, имеют невысокую работу выхода электрона. Они легко его теряют, получая положительный заряд. В трибоэлектрической паре эти материалы являются донорами электронов. При создании тесного подвижного контакта между донорами и акцепторами происходит передача электрона от донора к акцептору, и они приобретают заряды разных знаков (табл. 1.3.1). Такой контакт имеет место при трении, поэтому процесс получил название «Трибоэлектризация» (в научной литературе это явление называют контактной электризацией).

Компонент проявителя

Таблица 1.3.1

Примеры трибоэлектрических пар тонер — носитель

Компонент проявителя

Работа выхода электрона,
W, эВ

Знак заряда компонентов проявителя

Работа выхода электрона,
W, эB

Знак заряда компонентов проявителя

Тонер

4,3...4,5

+

4,3...4,5

-

Носитель

4,9...5,1

-

4,0

+

© Центр дистанционного образования МГУП