Физика этапов печати

Этапы электрографического процесса

Что такое электрография? Электрография – это метод формирования изображения использующий для переноса тонера (сухих чернил) электрический заряд. Как вы уже, наверное, знаете, в лазерных принтерах изображение формируется на бумаге заряженными частицами тонера. То есть на входе в принтер у нас есть лист бумаги и порошок, который мы засыпаем в принтер, а на выходе получаем нужный там текст или рисунок. Давайте разберемся, как устроен лазерный принтер.

Основной элемент печатающего устройства – картридж. Существуют различные типы картриджей, мы сейчас не будем останавливаться на их классификации. В разобранном виде картридж представляет собой набор комплектующих: в основном это цилиндрические валы, которые обеспечивают печать. 

Рисунок 1. Картридж в разобранном виде.

В этой статье мы узнаем, из каких этапов состоит процесс электрографии. Разберемся в физике этих процессов, чтобы понять, каким образом создается изображение на бумаге. На Рисунке 2 показаны основные этапы электрографического процесса [1, 2]:

1. Зарядка – электризация поверхности фотобарабана валом заряда
2. Экспонирование – частичное снятие заряда с фотобарабана при помощи лазера (помимо лазера возможно использование других источников света); заряженными остаются только области, необходимые для формирования изображения
3. Проявление скрытого электростатического изображения – перенос частиц тонера на фотобарабан
4. Перенос тонера с фотобарабана на бумагу
5. Закрепление тонерного изображения на бумаге
6. Очистка – снятие с поверхности фотобарабана остатков тонерного изображения и скрытого электростатического изображения

Рисунок 2. Схема электрографического процесса

В целом, задача всей системы – перенести заряженные частицы тонера из бункера с тонером на бумагу. Осталось понять, каким образом частицы переносятся именно в те области, где мы хотим получить изображение или текст. Рассмотрим подробнее каждый из этапов.

Электризация поверхности фотобарабана

На первом этапе необходимо зарядить поверхность фотобарабана. Фотобарабан – ключевой элемент картриджа. Это металлический цилиндр, покрытый фотопроводниковым покрытием. На самом деле, структура фотобарабана сложнее, на него нанесены несколько слоев, каждый из которых имеет свою функцию, но наиболее важным является фотопроводниковый слой. 

Фотопроводник – это материал, который в темноте является диэлектриком, то есть не проводит электрический ток, а при попадании на него света становится электропроводящим. В темноте фотобарабан может удерживать заряд на своей поверхности, а при освещении заряд «стекает» [2].

Рисунок 3. Фотобарабан

Первый этап электрографического процесса – это электризация поверхности фотобарабана, то есть нанесение на его поверхность заряженных частиц (положительно или отрицательно заряженных, в зависимости от системы). Как этого добиваются? В современных аппаратах для передачи фотобарабану заряда используются в основном валы заряда. Это еще один цилиндрический вал, расположенный вблизи фотобарабана. На вал заряда подается высокое напряжение, в результате чего воздух вокруг вала ионизируется. Ионизация – это когда нейтральные молекулы воздуха «разваливаются» на положительно и отрицательно заряженные частицы. После этого, к примеру, положительно заряженные частицы оседают на поверхность фотобарабана, заряжая его.

Рисунок 4. Схема заряда фотобарабана валом заряда.

Валы заряда состоят из металлического стержня, на поверхность которого нанесены эластичный слой силиконовой резины и защитный поверхностный слой. На заряженный валик подается постоянное (DC) и высокочастотное (AC) напряжение. Величина постоянного напряжения определяет потенциал зарядки, а переменное напряжение делает заряд фотобарабана равномерным.

Зарядка фоторецептора также может производиться коротроном (скоротроном, дикотроном). Зарядка коронным разрядом требует высоких напряжений и, кроме того, при отрицательной зарядке выделяется озон [3]. Поэтому все шире используются валы заряда.

Экспонирование

На первом этапе мы получили равномерно заряженную поверхность фотобарабана. Теперь на эту поверхность необходимо перенести шаблон изображения (картинку, которую мы в итоге хотим получить на бумаге). В лазерных принтерах для создания шаблона изображения используют лазер. 

Лазер – это прибор, который создает узконаправленный пучок света с одной длиной волны. Помимо лазера могут использоваться другие источники света, например, светодиоды.

После заряда поверхности лазерный луч «выжигает» шаблон изображения на поверхности фотобарабана. Лазером облучаются те области, где изображения быть не должно, в результате заряд с этих областей «стекает» и они разряжаются (либо наоборот – заряд снимается с тех областей, где изображение должно быть, в таком случае заряд тонера и фотобарабана одного знака. В разных аппаратах реализуется одна либо другая система).

Рисунок 5. Схема формирование скрытого электростатического изображения: лазер формирует шаблон на поверхности фотобарабана.

В итоге получаем так называемое скрытое изображение: оно уже сформировано, но пока только в виде зарядов на поверхности фотобарабана (Рисунок 6Б). Допустим, мы хотим напечатать изображение как на Рисунке 6В. Для этого лазер снимает заряд с областей, где не должно быть изображения (Рисунок 6Б), а на оставшиеся заряженными области затем переносятся частицы тонера. 

Рисунок 6. Схема, иллюстрирующая равномерный заряд поверхности фотобарабана (А), экспонирование позитивного скрытого изображения (Б), проявление скрытого изображения на фотобарабане тонером (В).

Еще раз обратим внимание, что существуют два типа систем: когда остаются заряженными лишь те области, где мы хотим получить изображение (в таком случае тонер и фотобарабан заряжены противоположно) и когда заряженными остаются те области, где не должно быть изображения (тогда тонер и фотобарабан должны иметь заряд одного знака). Так называемые позитивное и негативное скрытые изображения. Кроме того, у различных производителей, заряд фотобарабана может быть как положительным, так и отрицательным.

Рисунок 7. Схема записи: а - позитивного скрытого изображения; б - негативного скрытого изображения [1].

Давайте разберемся, куда же пропадает заряд при облучении поверхности лазером. На Рисунке 8 изображена поверхность фотобарабана в разрезе. Луч лазера (свет) падает на поверхность фотобарабана и проникает вглубь фотопроводника. В глубине свет взаимодействует со средой, образуя отрицательный и положительный заряды (выделены красным на Рисунке 8). Положительный заряд идет наверх (т.к. на поверхность заряжена отрицательно) и нейтрализует заряд на поверхности фотобарабана, отрицательный же заряд стекает в проводящую подложку.

Рисунок 8. Схема образования «скрытого» изображения: А - образование зарядов + и – при возбуждении среды фотопроводника источником света; Б - нейтрализация поверхностного заряда и заряда в подложке; В – «скрытое» изображение (незаряженные участки – пробелы в изображении).

Проявление (проявка)

Получив скрытое изображение на поверхности фотобарабана, нам необходимо проявить его. Проявка заключается в переносе заряженного тонера из блока проявки на фотобарабан (Рисунок 9). То есть после второго этапа у нас был шаблон изображения из зарядов (мы его не можем увидеть), теперь мы проявим его частицами тонера. В этом процессе можно выделить три стадии:

• зарядка частиц тонера. Как мы помним, электрография подразумевает перенос заряженных частиц тонера. Частицы тонера заряжаются при перемешивании в резервуаре с тонером: при трении о корпус, мешалку и другие компоненты частицы приобретают заряд;
• доставка заряженного тонера в зону проявки – область переноса тонера на фотобарабан. Это осуществляется за счет вспомогательных валов, которые мы рассмотрим чуть позже;
• перенос тонера на скрытое электростатическое изображение на фотобарабане. Осуществляется за счет разности потенциалов между валом проявки (магнитным валом) и фотобарабаном.

Рисунок 9. Этап проявления скрытого изображения на фотобарабане тонером. Тонер заряжается в резервуаре за счет трения, затем доставляется в зону проявки (в данном случае с помощью магнитного вала, но могут быть и другие системы), и переносится на скрытое изображение на фотобарабане.

Проявка – наиболее сложный этап печати: частицы тонера должны в нужном количестве попасть в зону проявки, при этом иметь правильную величину заряда. Затем также в требуемом количестве перенестись на фотобарабан и закрепиться в нужных областях. Для различных типов ПУ у разных производителей используется несколько типов проявок. Мы выделим и разберем основные из них.

Типы проявок

Существует несколько типов проявки, которые можно классифицировать по типу проявителя: однокомпонентная (когда в качестве проявителя используется только тонер) и двухкомпонентная системы проявки (когда используется смесь тонера и носителя – так называемый девелопер [5]). Кроме того, тип проявки зависит от самого тонера: он может быть магнитным (когда тонер имеет в составе большое количество магнитного вещества – магнетита), и немагнитным (когда магнетита в составе нет, либо очень мало). Как мы уже упоминали выше, в зависимости от того, на какие участки скрытого изображения осаждаются частицы тонера, проявка также будет различаться: так называемые прямая и обратная системы проявки. С них и начнем.

Прямая и обратная системы проявки

В зависимости от того, на какие участки скрытого изображения осаждается тонер, различают прямой и обратный способы проявления. 

Рисунок 10. Перенос тонера с магнитного вала или вала проявки (на схемах изображен сверху) на фотобарабан (снизу). Левая схема – прямой способ проявления, правая схема - схема обратного проявления.

При прямой проявке (Рисунок 10, слева) тонер и скрытое изображение имеют противоположные знаки: если фотобарабан заряжен отрицательно, то частицы тонера должны быть положительными. Тогда, тонер садится на заряженные участки фотобарабана.

При обратной проявке тонер имеет одинаковый заряд со скрытым электростатическим изображением. Он осаждается на разряженные участки фотобарабана (Рисунок 10, справа). В подавляющем большинстве цифровых аппаратов используется именно обратная система проявки, что объясняется, в первую очередь, минимизацией работы лазера (чем меньше заполнение листа, тем меньше работает лазер).

Однокомпонентная проявка

В случае однокомпонентной системы в качестве проявителя используется только сам тонер. При этом, в таком механизме могут использоваться как магнитный, так и немагнитный тонеры.

Магнитный тонер в однокомпонентной системе проявки

Такая прямая система проявки в основном используется в копировальных аппаратах Canon [7]. Пример однокомпонентной системы проявки с магнитным тонером приведен на Рисунке 11.

Рисунок 11. Схема однокомпонентной проявки магнитным тонером Canon. Магнитный вал вращается вокруг неподвижных магнитов, перенося магнитный тонер, дозированный лезвием (Doctor Blade) в зону проявки [2].

Сначала частицы тонера перемешиваются в резервуаре и заряжаются в результате трибоэлектризации о стенки резервуара и друг о друга (о том, что такое трибоэлектризация расскажем чуть позже). После этого тонер подается на магнитный вал.  

Магнитный вал - это вращающийся металлический полый цилиндр, внутри которого неподвижно закреплён многополюсный магнит. На сегодняшний день существуют различные технологические решения по строению магнитных валов [2]. Поверхность магнитного вала выполнена из немагнитного металла и имеет специальное покрытие, составляющее трибоэлектрическую пару с тонером.

Магнитный тонер отличается от немагнитного наличием частиц магнетита (FeO·Fe₂O₃). За счет них тонер притягивается к магнитному валу и удерживается на нем. При трении о магнитный вал, а также о дозирующее лезвие тонер приобретает дополнительный электрический заряд. При этом магнитный вал заряжается противоположно. В такой системе тонер притягивается к магнитному валу электростатической силой F_es (т.к. тонер и вал заряжены противоположно) и магнитной F_M [2, 8]. Перед входом в зону проявления часть тонера «отрезается» дозирующим лезвием, который обеспечивает всегда одинаковое количество тонера.

Затем тонер попадает в зону проявки. Это область между фотобарабаном и магнитным валом с зазором около 300-350 мкм, в которой создается внешнее электростатическое поле. Чтобы перенести тонер с вала на фотобарабан сила Кулона F, действующая со стороны этого поля, должна быть больше или равна суммарной силе притяжения. Оторвавшийся от магнитного вала тонер образует в воздушном зазоре тонерное пылевое облако [2]. Частицы тонера из этого облака осаждаются на выборочные участки поверхности фотобарабана.

Регулируя величину поля между фотобарабаном и магнитным валом (изменяя разность потенциалов между ними), подбирается оптимальное количество переносимого тонера. Это одна из причин, почему один тонер нельзя использовать в различных ПУ. 

Рисунок 12. Силы, действующие на частицу тонера, находящуюся в зоне проявки между фотобарабаном (сверху) и магнитным роликом (снизу). F=QE – электростатическая сила, действующая на частицу тонера со стороны электростатического поля между магнитным валом и фотобарабаном (Q – заряд тонера, E – напряженность электростатического поля), F_es – электростатическая сила, действующая на частицу тонера со стороны магнитного ролика, Fm - магнитная сила, действующая на частицу тонера со стороны магнитного ролика.

Немагнитный тонер в однокомпонентной системе проявки [4, 9]

Однокомпонентная система с немагнитным тонером используется в цифровых аппаратах Samsung, OKI, Brother и т.д., а также в большинстве современных полноцветных аппаратов [7]. В чем же отличие системы, использующей немагнитный тонер?

Во-первых, так как в тонере нет магнетита (или же его совсем мало), магнитный вал не имеет смысла в такой системе. Вместо него используют так называемый вал проявки.

Вал проявки - аналог магнитного вала для двухкомпонетной системы, представляет собой полимерный цилиндр на металлической оси, либо целиком металлический цилиндр.

Обязательным в подобных системах является наличие вала предварительного дозирования (Supply Roller). Так как тонер в немагнитных системах весьма лёгкий и мягкий, то есть опасность чрезмерного налипания тонера на вал проявки [7]. В этом случае дозирующее лезвие может не справиться со своей функцией, поэтому тонер предварительно дозируется отдельным валом из губчатого материала.

Магнитные силы отсутствуют, поэтому за удержание тонера на валу и его перенос отвечает только электростатика.

Проявка может быть контактной или с зазором между фотобарабаном и валом проявки. При контактной проявке тонер перемешивается и подается на вал предварительного дозирования, затем на вал проявки и с него на фотобарабан при непосредственном контакте. В случае проявки с зазором, тонер переносится с вала проявки электростатическим полем (как при проявлении магнитным тонером). 

Рисунок 13. Схема блока однокомпонентной немагнитной проявки Ricoh. Тонер подается на вспомогательный вал, где он получает заряд. Затем с помощью вала проявки тонер подается в зону проявки, где переносится на фотобарабан (не изображен на схеме) [2].

Зарядка тонера в однокомпонентной системе проявки

Как мы уже выяснили, частицы тонера переносятся с вала на фотобарабан за счет электростатических сил: поле E взаимодействует с заряженной частицей тонера, в результате чего та движется в нужном нам направлении. Сила переноса F зависит напрямую от поля E и заряда частицы тонера Q.

F = QE

Очевидно, что величина заряда частиц крайне важна для правильного переноса тонера. Слишком малый, как и слишком большой заряды могут привести к возникновению дефектов печати. Но откуда же частицы получают свой заряд?

Тонер получает заряд в ходе трибоэлектризации. Если два разных вещества привести в контакт (потереть друг о друга), то они могут обмениваются зарядами (одно отдает электроны или другие заряженные частицы, второе их принимает). Если тонер принимает электроны – он станет отрицательным, а если отдает – то положительным. Этот заряд тонер приобретает при его контакте с комплектующими принтера и при перемешивании в резервуаре картриджа.

Переход зарядов весьма сложный процесс, связанный с внутренней структурой атомов вещества. Вы можете ознакомиться с физикой этих процессов самостоятельно с помощью, следующих статей: [10, 11, 12, 13]. Самое главное, что нам нужно знать – величина трибозаряда зависит от материала контактирующих веществ. В однокомпонентных системах трибозаряд приобретается при контакте частиц тонера друг с другом, при контакте тонера и магнитного вала, тонера и дозирующего лезвия.

Таким образом, комбинация материалов тонера, магнитного ролика и дозирующего лезвия влияет на итоговую величину заряда тонера.

Помимо электронов, в трибозарядке могут участвовать и другие заряженные частицы. Чтобы добиться необходимого заряда производители добавляют в тонер специальные вещества, позволяющие контролировать их заряд. Так называемые CCA - charge control agents [14]. 

Двухкомпонентная проявка

С однокомпонентной проявкой теперь всё стало понятно: частицы зарядили, с помощью вала перенесли в зону проявки, электростатическим полем перенесли на фотобарабан. Настало время разобраться, в чем заключается механизм двухкомпонентной системы.

В двухкомпонентной системе проявки в качестве проявителя изображения на фотобарабане выступает девелопер – это смесь частиц тонера и носителя [15]. Носитель – это крупные частицы размером 20-200 мкм, состоящие обычно из магнетита и различных полимеров. Он выполняет несколько функций [16]:

• cпособствует заряду тонера;
• переносит тонер из резервуара на магнитный вал.

Тонер в таких системах используется немагнитный. Строго говоря, часто в частицы тонера добавляют магнетит, что придает ему магнитных свойств, но они настолько слабы, что можно пренебречь. В резервуаре при перемешивании тонер «цепляется» на носитель за счет электростатики, оседая на противоположно заряженные участки носителя. Затем частицы носителя благодаря своим магнитным свойствам притягиваются к магнитному валу, перенося с собой тонер. Частицы располагаются вдоль силовых линий, образуя щетинки магнитной кисти.

В зоне проявки тонер переносится на скрытое изображение на фотобарабане под действием электростатического поля между валом и фотобарабаном, а носитель возвращается обратно в резервуар (Рисунок 14). 

Рисунок 14. Схема проявления магнитной кистью. Носитель с удерживаемым на поверхности тонером подается на вращающийся магнитный вал, а затем переносится в зону проявки [2].

Такие системы применяются, к примеру, в цифровых аппаратах Sharp, Toshiba, Ricoh, Konica-Minolta и т.д., а также в некоторых полноцветных аппаратах [7].

Перенос тонера на бумагу и закрепление

После проявки скрытого изображения на фотобарабане необходимо перенести сформированное тонерное изображение на бумагу, а затем закрепить его (Рисунок 15).

Рисунок 15. Перенос тонерного изображения с фотобарабана на бумагу с помощью вала переноса.

Перенос может быть прямым, когда печатный материал находится в непосредственном контакте с фоторецептором, либо может производиться через промежуточный носитель (резиновый ремень).

Чтобы перенести тонерное изображение на бумагу его необходимо «оторвать» от фотобарабана. Для этого оборотную сторону бумаги заряжают противоположно заряду тонера, таким образом создавая разность потенциалов с помощью вала переноса. Возникающее при этом электростатическое поле переносит тонер на бумагу.

На бумагу переносится не весь тонер, часть его удерживается фотобарабаном. Эффективность переноса оценивается коэффициентом переноса К, равным

где m₀ - масса тонера на фотобарабане до переноса; m - масса тонера, оставшегося после переноса. Коэффициент переноса равен доле перенесенного тонера. Идеальным является K = 1. Однако на практике переносится лишь 80...90 % тонера и K = 0,8...0,9. Эффективность переноса зависит от ряда факторов, в том числе от относительной влажности воздуха и электрических свойств бумаги.

Затем тонерное изображение необходимо закрепить на бумаге. Закрепление состоит в превращении тонерного порошка в вязкотякучую жидкость и вдавливании ее в поверхностные поры бумаги. Получается пленочное изображение, имеющее хорошее сцепление с бумагой.

Рисунок 16. Закрепление тонера на бумаге с помощью фьюзерного вала

В современной аппаратуре используют исключительно термические способы закрепления:

• термосиловое (фьюзерное) закрепление, при котором происходит одновременное плавление тонерного изображения и вдавливание его в поверхностные поры бумаги;
• бесконтактное закрепление инфракрасным излучением, которое поглощается и нагревает тонер до температуры плавления.

Наибольшее применение имеет термосиловой способ закрепления, который также называют фьюзерным закреплением.

Очистка фотобарабана

После переноса тонера на бумагу на фотобарабане может частично оставаться тонер и заряд скрытого изображения. Поверхность фотобарабана необходимо полностью очистить и подготовить к следующему циклу печати – получению нового отпечатка.

Процесс очистки включает слеюущие этапы:

• предварительную очистку – ослабление связи тонера с фотобарабаном;
• удаление оставшихся частиц тонера;
• удаление скрытого электростатического изображения.

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

Список использованных источников:

1. Y. H., Li, K., Karunanayake, Hasegawa, T. Review of Toner-Based Printing Technologies and Fundamentals of Toner Charging Mechanism. Science, 54(5), 1–5, 2010. doi: 10.2352/J.ImagingSci.Technol.2010.54.5.050201
2. L. B. Schein, Electrophotography and Development Physics, 2nd ed., Springer, New York, 1992. doi: 10.1007/978-3-642-97085-6
3. M. Kadonaga, T. Katoh and T. Takahashi, A Study of Non-Uniform Charging by Charging Roller with DC Voltage, J. Imaging Sci. Technol. 43, 3, p. 274-279, 1999.
4. Р.М. Уарова, Основы цифровой печати, Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова, 2011.
5. Inoue et al, Patent US00793.9233B2, Magnetic carrier and two-component developer, May 10, 2011.
6. Burbage, J. J., Briggs, J. C., & Tse, M. The Effect of Magnetic Roller Field Uniformity on Print Quality in Electrophotography, 452–455, 1998.
7. http://startcopy.ru/likbez/proyavlenie.shtml
8. Hoshino, Y., & Kiatkamjornwong, S. Toner jumping phenomenon in an electric field. Particulate Science and Technology, 25(2), 147–162, 2007. doi: 10.1080/02726350701257667
9. Shimada, A., Systems, R. P., Saito, M., Division, D., Systems, R. P., Sano, Y., & Engineering, M. (Property of Toner Layer on Developing Roller for Mono-Component Developing System, 582–585. 21st International Conference on Digital Printing Technologies Final Program and Proceedings
10. Matsusaka, S., Maruyama, H., Matsuyama, T., & Ghadiri, M. Triboelectric charging of powders: A review. Chemical Engineering Science, 65(22), 5781–5807, 2010. https://doi.org/10.1016/j.ces.2010.07.005
11. C. Xu et al., On the Electron-Transfer Mechanism in the Contact-Electrification Effect Adv. Mater., vol. 30, no. 15, pp. 1–9, 2018.
12. Tsunemi, K., Shinjo, Y., Saito, M., & Hosoya, M. Influence of Charge Control Agent and Development Roller Surface on Toner Charging, 40(5), 472–477, 1996.
13. Mccarty, L. S., & Whitesides, G. M. Electrostatic Charging Due to Separation of Ions at Interfaces: Contact Electrification of Ionic Electrets, 2188–2207, 2008. https://doi.org/10.1002/anie.200701812
14. Tsunemi, K., Suka, A., Iimura, T., Oguchi, T., Nakamura, K., & Kobayashi, N. Toner Charge Control With Externally Added Charge Control Agent Particles. Journal of Imaging Science and Technology, 55(5), 050604, 2011. https://doi.org/10.2352/J.ImagingSci.Technol.2011.55.5.050604
15. Baba et al., Patent US008921023B2, Magnetic carrier and two-component developer, Dec. 30, 2014.
16. Nash, R. J., Grande, M. L., Muller, R. N., Corporation, X., & York, N. The Effect of Toner and Carrier Composition on the Average and Distributed Toner Charge Values, 332–340, 1998.
17. T. Kubota et al., Numerical analysis for behavior of developer in magnetic brush system by the particles method. IS&T’s NIP 16: 2000 International Conference on Digital Printing Technologies, p. 751-755.