Московский государственный университет печати

Ванников А.В.
Уарова Р.М.


         

Электрография

Учебное пособие


Ванников А.В.
Электрография
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление

Предисловие

Введение

1.

Получение и характеристики скрытого электростатического изображения

1.1.

Краткий обзор электрофотографических систем

1.2.

Краткий обзор фоторецепторов

1.3.

Заряжение поверхности фоторецептора

1.4.

Темновой спад поверхностного потенциала

1.5.

Фотоиндуцированная разрядная кривая

1.6.

Эффект усиления изображения в ЭФ-процессе

1.7.

Механизм генерации свободных носителей заряда

1.8.

Инжекция носителей заряда из генерационного слоя в транспортный слой

1.9.

Генерационный слой

1.10.

Механизм транспорта свободных носителей заряда

1.11.

Проявляющее электрическое поле

2.

Проявление скрытого электростатического изображения

2.1.

Общие сведения о проявлении

2.2.

Электрическое поле проявления и его связь с характеристиками проявленного изображения

2.2.1.

Проявляющий электрод

2.2.2.

Характеристическая кривая проявления

2.2.3.

Влияние поля проявления на коэффициенты контрастности проявления &#947;<sub>0</sub> и &#947;<sub>w</sub>

2.2.4.

Физический смысл параметров поля проявления

2.3.

Кинетика электрофотографического проявления

2.4.

Проявление скрытого электростатического изображения магнитной кистью

2.4.1.

Двухкомпонентный магнитный проявитель

2.4.2.

Блок проявления магнитной кистью

2.4.3.

Факторы, влияющие на оптическую плотность изображения, проявленного магнитной кистью. Расчет проявления

2.5.

Жидкостное проявление

2.5.1.

Электрофоретическое проявление.

2.5.2.

Факторы, влияющие на оптическую плотность проявленного изображения. Расчет проявления

2.5.3.

Проявление аэрозолем жидкого проявителя

2.6.

Однокомпонентное сухое проявление

2.6.1.

Метод пылевого облака

2.6.2.

Проявление однокомпонентным магнитным проявителем

2.7.

Обращенное проявление

3.

Перенос тонерного изображения. Получение копии.

3.1.

Перенос изображения

3.2.

Закрепление изображения на копии

3.2.1.

Бесконтактное термическое закрепление изображения

3.2.2.

Термосиловой метод закрепления

3.2.3.

Расчет процесса закрепления изображения

3.3.

Перенос изображения в цветных копировальных аппаратах

4.

Очистка фоторецептора

5.

Электрографическое оборудование

5.1.

Общие сведения об оборудовании

5.2.

Копировальные аппараты

5.2.1.

Типы копировальных аппаратов

5.2.2.

Общие сведения о строении и работе черно-белых копировальных аппаратов аналогового типа

5.2.3.

Принципы построения основных блоков аналоговых копировальных аппаратов

5.2.3.1.

Оптический блок

5.2.3.2.

Электрофотографический блок

5.2.4.

Особенности электрографических печатающих устройств цифровых копировальных аппаратов

5.2.4.1.

Оптические системы цифровых копировальных аппаратов

5.2.4.2.

Особенности проявления скрытого электростатического изображения в цифровых копировальных аппаратах

Список использованной и рекомендуемой литературы

Указатели
11  именной указатель
240  предметный указатель
121  указатель иллюстраций
6  указатель компаний

1.
Получение и характеристики скрытого электростатического изображения

1.1.
Краткий обзор электрофотографических систем

В процессе получения ЭФ-копияЭФ-копии используются электростатические силы на стадии проявления изображения, а также при переносе изображения на бумагу, при очистке фоторецептора и т.д. Создающая изображение система, основанная на движении заряженных частиц тонера и их осаждении на подложку, описывается уравнением

где FF - сила, действующая на частицы тонера;

Q - заряд на частице Тонертонера;

F - электрическое поле.

Формирование собственно изображения в оптических плотностях зависит от пространственной вариации dFF силы FF:

где δF и δQ - пространственные вариации F и Q соответственно.

Первый член выражения характеризует Ксерографияксерографический процесс, второй относится к электрофотографическим процессам, базирующимся на электрофоретическом движении заряженных частиц тонера в жидкой диэлектрической среде. В этом случае заряд на частице тонера определяется поглощенным светом, а движение происходит в постоянном электрическом поле.

В другом варианте электрофотографии, называемом Ксерография дипольная«дипольной ксерографией», незаряженные частицы тонера поляризуются градиентом поля (grad) над поверхностью Фоторецептор (фотопроводник)фотопроводника. Индуцированный дипольный момент p пропорционален электрическому полю F. Сила, действующая на частицы тонера, выражается как:

Изображение формируется за счет :

где α - поляризуемость частицы тонера.

Для узких линий значительный полевой градиент существует над изображением. Чтобы создать дипольную силу над изображением большой площади, должна быть произведена модуляция поверхностного заряда. Для этого используются растрирование экспонирующего светового потока или осаждаемого коронного заряда, а также растрированная фотопроводниковая структура фоторецептора.

В настоящее время есть целый ряд электрофотографических и, в более широком понимании, электрографических систем, включая Электрофаксэлектрофакс, Фототермопластикафототермопластику, Ионографияионографию, электрографические печатные формы и др., однако большинство коммерческих электрографических систем основано именно на ксерографии.

Первое ЭФ-изображение было получено Карлсон Ч.Ч. Карлсоном примитивным способом. Он применил в качестве фотопроводника слой серы, нанесенный на цинковую пластину. Поверхность слоя заряжалась трением о шерстяной платок. При экспонировании Оригиналоригинала на поверхности слоя формировалось Скрытое электростатическое изображение (СЭИ)скрытое электростатическое изображение (СЭИ), которое проявлялось порошком и переносилось под давлением на вощеную бумагу. В 1950-е годы процесс был усовершенствован путем введения в него коронного разряда, тонера и носителя, а также селена в качестве фотопроводника. Модернизация всех стадий ЭФ-процессЭФ-процесса привела к разработке скоростных ЭФ-аппаратов, позволяющих получать изображения высокого качества.

1.2.
Краткий обзор фоторецепторов

К Фоторецептор (фотопроводник)фотопроводникам (фоторецепторам), используемым в электрофотографии, предъявляются следующие основные требования.

  1. Фотопроводниковый слой должен удерживать поверхностный коронный заряд до момента экспонирования и сохранять электростатическое изображение, дублирующее оригинал, в промежутке времени между экспонированием и проявлением. Это требует захвата поверхностного заряда ловушками и введения в некоторых случаях блокирующего контакта между проводящей подложкой и фотопроводником. Дополнительно это означает, что скорость темнового разряда поверхности фотопроводника (фоторецептора) минимальна.

  2. Фоторецептор в копировальных аппаратах должен эффективно разряжаться под действием света с длинами волн всего видимого диапазона. В цифровых аппаратах фоторецептор имеет максимальную чувствительность к длине волны излучения полупроводникового лазера (например, 780 нм для GaAlAs-лазерGaAlAs-лазера). Кпд ЭФ-устройства определяется эффективностью фотогенерации свободных носителей заряда, которая, как правило, меньше 1, но возрастает с увеличением электрического поля.

  3. Фотогенерированные носители заряда должны пройти через фоторецептор за время, меньшее интервала между экспонированием и проявлением. Это определяет нижний предел для подвижности носителей заряда при заданной толщине фоторецептора.

  4. Потенциал зарядки и остаточный потенциал должны иметь точно воспроизводимые значения при многократном копировании или печатании. Изменение их связано с увеличением скорости темнового разряда и накоплением захваченного заряда соответственно, которые определяются наличием в фоторецепторе примесных молекул. Для стабильной работы фоторецептора концентрация последних не превышает 1013см-3.

  5. Для фоторецептора выбирают материалы, обеспечивающие формирование бездефектных, большой площади (от 0,1 до 2 м2) пленок с хорошими физико-механическими характеристиками. Эти материалы должны быть достаточно стабильны при работе в атмосфере химически активных молекул (озона, оксидов азота и др.), образующихся в короне, и устойчивы к механическим воздействиям при проявлении и очистке, а также фотохимически инертны к воздействию экспонирующего излучения. Естественно, фоторецепторы должны быть экологически чистыми.

Фоторецепторы из аморфного селена (α-Se), состоящие из a – пленок толщиной 20-100 мкм, вакуумно осажденных на алюминиевые цилиндры при повышенной температуре, - первые промышленные фоторецепторы, используются и сейчас. Аморфный α-Se отвечает многим из перечисленных выше требований, однако чувствителен только в синей области спектра, имеет плохие физико-механические характеристики и токсичен. Кроме того, α-Se кристаллизуется при относительно низкой температуре (~60°С), при этом сильно возрастает темновая электропроводность и исчезает фотопроводимость. Добавление теллура или мышьяка расширяет область спектральной чувствительности на весь видимый и ближний инфракрасный (ИК) диапазон.

Сравнительно недавно в качестве материала для фоторецепторов применяется аморфный гидрированный кремний α-Si:H, который чувствителен в видимом диапазоне и имеет достаточную чувствительность при 780 нм - длине волны генерации GaAlAs-лазерGaAlAs-лазеров.

В современных ЭФ-аппаратЭФ-аппаратах и машинах доминирующее положение занимают разнообразные органические фотопроводники. Их преимущества: высокие физико-механические свойства, экологическая безопасность и низкая стоимость. В высокоскоростных копировальных машинах в качестве фоторецепторов используются ремни, покрытые несколькими слоями органических фотопроводников, а в большинстве копировальных аппаратов - алюминиевые барабаны с многослойным покрытием из органических фотопроводников. Большинство органических материалов обладает хорошими фотогенерационными или электронно-транспортными свойствами. Поэтому в настоящее время в основном производятся двухслойные органические фоторецепторы, в которых функции фотогенерации и транспорта носителей заряда распределены между различными слоями. Слой толстый транспортныйТолстый транспортный слой (ТС) наносится на более Слой тонкий генерационныйтонкий генерационный слой (ГС) органического пигмента или красителя. ТС состоит из электронно-транспортного полимера или из инертного полимерного связующего, где однородно распределены мономерные транспортные молекулы.

В ГС наиболее часто применяются новые классы фотопроводящих органических соединений: перилены, скварилиевые красители, тиапириллиевые красители, азосоединения, безметальный фталоцианин, фталоцианин ванадила. Эффективность фотогенерации свободных носителей заряда определяется конкуренцией процессов геминальной (парной) рекомбинации носителей заряда, то есть вероятностью рекомбинации пары электрон - дырка, образованной при поглощении одного фотона, и их перехода в свободное состояние, а именно вероятностью диссоциации пары на свободные носители заряда. На Эффективность фоторецептораэффективность фоторецептора влияет также величина энергетического барьера для инжекции носителей заряда из ГС в ТС.

ТС состоит из полимерного связующего, допированного (легированного) транспортными молекулами, поэтому возможно независимое изменение его транспортных и физико-механических характеристик. Для того, чтобы служить транспортными центрами для дырок, молекулы допанта (специально введенной примеси) должны иметь низкий потенциал ионизации.

Процесс транспорта дырок инициируется переходом электрона от нейтральной транспортной молекулы в ТС к фотовозбужденной дырке в ГС. Собственно процесс транспорта дырок в ТС заключается в стимулированных электрическим полем последовательных актах переноса электрона от нейтральной транспортной молекулы к ее катион-радикалу. При этом потенциал ионизации определяет скорость переноса. Наиболее подходящие дырочные транспортные центры - молекулы пиразолинов, гидразонов, производные ароматических трифениламинов (ароматических молекул), содержащие атомы азота. Величина потенциалов ионизации таких молекул ~7-8 эВ.

Для эффективного транспорта электронов решающее значение имеет высокое положительное сродство с электроном молекул допанта. Транспорт электронов происходит посредством переноса электрона с молекулы анион-радикала на соседнюю нейтральную молекулу. Подходящие для электронного транспорта производные ароматические молекулы, включающие кислород, например, нитрофлуореноны. Полимерным связующим обычно выступает поликарбонат, обладающий отличными стабильными во времени диэлектрическими, оптическими и физико-механическими свойствами.

1.3.
Заряжение поверхности фоторецептора

Для заряжения поверхности Фоторецептор (фотопроводник)фоторецептора применяют коронный разряд, возбуждаемый в воздухе сильным электрическим полем. Образующиеся в разряде ионы осаждаются в электрическом поле на фоторецепторе, создавая определенную поверхностную плотность заряда и соответствующий поверхностный потенциал V. В качестве устройства, генерирующего коронный разряд, применяется коротрон, представляющий экранированную проволоку или сетку, на которую подается высокое напряжение ~3-8 кВ, или скоротрон, содержащий дополнительно управляющийся током элемент. Коронный разряд начинается при некотором пороговом потенциале Vп, подаваемом на коронирующую сетку относительно металлического заземленного электрода. Ток коронного разряда I определяется произведением инжектируемого из коронирующего электрода заряда и разности потенциалов между сеткой и облучаемой поверхностью, при этом потенциал отсчитывается от Vп. Количество инжектируемого заряда ограничивается величиной потенциала на сетке V0 и емкостными характеристиками системы сетка - облучаемая поверхность. Отсюда, в отсутствие фоторецептора, ток на металлическую поверхность составляет

где A - константа, не зависящая от потенциала.

Если на металлическую поверхность нанесен фоторецептор, то ток на поверхность фоторецептора будет равен:

В реальных случаях фоторецептор всегда обладает темновой проводимостью γ, которая влияет на величину V. В стационарных условиях плотность поверхностного заряда остается постоянной и выполняется зависимость:

где s - плотность поверхностного заряда Кл/см2;

j = γV/L - плотность тока через слой фоторецептора (L - толщина фоторецептора, см).

Как правило, при малой толщине фоторецептора выполняется условие V0>>V, тогда

т.е. при малых γ  при больших -

1.4.
Темновой спад поверхностного потенциала

Фоторецептор (фотопроводник)Фоторецептор в отсутствие фотогенерированных и инжектированных из металла зарядов представляет собой идеальный конденсатор. Поверхностный потенциал V связан с поверхностным зарядом соотношением

где C - геометрическая емкость на единицу площади Ф/см2;

ε - диэлектрическая проницаемость фоторецептора;

ε0 - электрическая постоянная (ε0 = 8,8×10-14 Ф/см);

F - электрическое поле, В/см.

При рассмотрении темнового разряда заряженной поверхности необходимо описать механизмы Проводимость слоя фоторецепторапроводимости слоя фоторецептора. В первом - под действием тепловой энергии в фоторецепторе равномерно по всему объему генерируются электронно-дырочные пары, носители зарядов обоих знаков подвижны, в результате их дрейфа в электрическом поле происходит разряжение поверхности без образования в объеме фоторецептора пространственного заряда. В этом случае скорость спада поверхностного потенциала:

где Gs и Gb - поверхностная и объемная скорость генерации носителей заряда соответственно.

В координатах темновой спад выражается линейной зависимостью, которая при экстраполяции L 0 дает величину Gs.

Если в процессе генерации носители одного знака подвижны, а другого захватываются глубокими ловушками, как, например, в случае As2Se3 или органических фоторецепторов, то разряд включает постепенное удаление одного (подвижного) знака носителей и образование объемного заряда противоположного знака. При этом процесс спада разбивается на две временные зоны. Предположим, что поверхность заряжена положительно, а в объеме подвижны положительные носители заряда и захватываются ловушками отрицательные. В первой зоне (t < td) выполняется условие q > ρ L, где q - поверхностная плотность заряженных частиц, ρ - концентрация захваченных носителей заряда, однородная по всему объему. Тогда

Во второй зоне (t > td) число захваченных зарядов на единицу площади остается постоянным и равным q, а ρ увеличивается благодаря смещению области объемного заряда к поверхности и уменьшению ее толщины в процессе выноса положительных зарядов и их рекомбинации с захваченными зарядами q < ρL и

При t = td выполняются равенства: q = ρL, V = Vd = eLq/2εε0 и Vd = 0,5 Vн, где Vн - начальный потенциал.

В общем случае нарастание объемного заряда во времени выражается зависимостью ρ = atP, где 0 < p × 1. Тогда для первой и второй зон, соответственно, имеем:

Отсюда следует, что в координатах lg(dV/dt) - lgt темновой спад представляется двумя прямыми, сумма наклонов которых равна -2 (переход при t = td).

1.5.
Фотоиндуцированная разрядная кривая

Оптическая экспонирующая система преобразует оптические плотности Оригиналоригинала в световые экспозиции на заряженном фоторецепторе. Экспонирующая система в копировальном аппарате включает экспонирующие лампы, оптические элементы (линзы, зеркала и т.д.) и держатель оригинала, необходимые для образования сфокусированного изображения на фоторецепторе.

Процессы фотогенерации и транспорта носителей заряда трансформируют изображение в световых экспозициях в зарядовое (или электропотенциальное) изображение, часто называемое Скрытое электростатическое изображение (СЭИ)скрытым электростатическим изображением (СЭИ). Поглощенные фотоны экспонирующего света создают электронно-дырочные пары. После диссоциации пар свободные заряды выходят из области генерации и дрейфуют к поверхности фоторецептора, уменьшая поверхностный потенциал. Соотношение между поверхностным потенциалом и экспозицией дается в виде Фотоиндуцированная разрядная кривая (ФИРК)фотоиндуцированной разрядной кривой (ФИРК). Световой поток I0 (фотон×см-2×c-1), коэффициент поглощения в ГС A и скорость изменения электрического поля в фоторецепторе связаны так:

где η - Эффективность фоторецептораэффективность фоторецептора, определяемая как отношение числа фотогенерированных свободных носителей заряда, разряжающих поверхностный заряд фоторецептора, к числу поглощенных фотонов.

В случае Фоторецептор многослойныймонослойных фоторецепторов (α-Se, α-Si:H), в которых дырки являются основными носителями, поверхность фотопроводника заряжается положительно, экспонирующий свет поглощается в тонкой приповерхностной области (< 1 мкм) слоя (рис. 1.1,аРис. 1.1. Фоторецепторы: а - однослойные, б - двуслойные). Толщина слоев составляет десятки микрометров, η фактически равно числу дырок, эмиттированных в объем на один поглощенный фотон, и включает эффективность фотогенерации и потери, связанные с рекомбинацией зарядов в области генерации.

При Фоторецептор двуслойный органическийдвухслойном органическом фоторецепторе поверхность обычно заряжается отрицательно (рис. 1.1,бРис. 1.1. Фоторецепторы: а - однослойные, б - двуслойные), экспонирующий свет проходит прозрачный ТС и поглощается в ГС. Фотогенерированные дырки инжектируются в ТС и далее разряжаются на поверхности, а η включает процесс фотогенерации, рекомбинационные потери и потери на стадии инжекции. Уравнение предполагает, что время пролета tпр носителей заряда через пленку или ТС мало по сравнению с временным интервалом, в котором проводятся измерения. В противном случае скорость разрядки определяется еще и временем пролета tпр.

Если пренебречь зависимостью η от электрического поля, то интегрирование за время экспонирования дает

где Sλ - чувствительность, определяемая по образованию скрытого электростатического изображения, выражаемая в единицах В× мкДж-1×см2 или В×мДж-1×м2 = (В×эрг-1×см2);

F0 - электрическое поле до начала экспонирования;

H - экспозиция, которая находится по формуле

где h - постоянная Планка;

c - скорость света;

λ - длина волны экспонирующего света.

Из выражения

следует, что Sλ зависит от свойств пигмента (hc/λ равно энергии первого возбужденного синглетного уровня молекулы пигмента или ширине запрещенной зоны, A определяется силой осциллятора оптического перехода, концентрацией поглощающих свет молекул) и макроскопических характеристик фоторецептора ε и L.

Фоточувствительность зависит от характеристик красителя и макроскопических параметров фоторецептора. Поверхностный потенциал V связан с F простым соотношением V = FL, следовательно, для ФИРК, принимая во внимание

справедливо выражение

С ростом H поверхностный потенциал не достигает нулевого значения, а стремится к некоторой величине Vост, которая называется остаточным потенциалом и определяется носителями заряда, захваченными глубокими ловушками. Как следует из уравнений

по линейному участку Фотоиндуцированная разрядная кривая (ФИРК)ФИРК можно определить чувствительность фоторецептора и его эффективность. Если η не зависит от F (как в фоторецепторе из аморфного кремния) и отсутствуют глубокие ловушки для носителей заряда, то ФИРК линейна на всех участках и Vост = 0. Однако в органических фоторецепторах η зависит от F и параметры фоторецептора определяются по начальному участку ФИРК. Из

следует, что (dV/dH) = -S. Измерения ФИРК на начальных участках при различных V0 позволяют найти, используя

полевую зависимость η (F).

В технических характеристиках фоторецепторов чувствительность выражается как обратная величина критериальной экспозиции, необходимой для снижения начального потенциала на заданное число процентов (обычно 20% или 50%): . Отсюда следует связь между S0,2 и S:

© Центр дистанционного образования МГУП