Обзор направлений развития и анализ электрографических фоторецепторов

Введение

Функционирование современной электрографической аппаратуры цифровой печати требует применения специальных расходных материалов следующих типов:

а) электрографических (ЭФ) фоторецепторов (ФР);

б) электрографических (ЭГ) проявителей (будет рассмотрено в отдельной статье).

Аппаратура цифровой печати выдвигает к расходным материалам определенные требования, которые вызваны специфическими условиями их эксплуатации. В основном это особый технологический режим лазерного экспонирования и необходимость оперативного воспроизведения составного изображения – в том числе и цветного.

Фоторецептор – это основа, на которой реализуется процесс цифровой электрографии и, прежде всего, происходит основной этап экспонирования и проявления. ФР – фоточувствительный элемент – это фотопроводниковое изделие, на котором происходит формирование электрографического изображения. Обычно он состоит из электропроводящей основы и электрографического слоя (ЭС), который в свою очередь содержит генерирующий (CGL) и транспортный (CTL) слои. В некоторых случаях могут быть и другие слои: защитный, адгезионный, барьерный и т.д.

Специфика применения расходных материалов в ЭФ-аппаратуре цифровой печати в технологическом режиме лазерной записи позволяет априори сформулировать следующие технические требования к фоторецепторам:

1. Приоритетное использование многослойных (CGL/CTL) систем, содержащих органические фотополупроводники с определенной сенсибилизацией или примесными добавками. Примечание. Обычно этот тип фоторецепторов именуется (обозначается) органическими слоями.
2. Необходима высокая энергетическая чувствительность фоторецепторов не менее 100 мДж/см² в ИК-области спектра (λ ≈ 700–900 нм). Это требуется для обеспечения согласования с зоной излучения полупроводниковых лазеров.
3. Рабочая экспозиция (при пятикратной величине экспозиции полураспада) ориентировочно должна быть 4-6 мДж/м² при диаметре пятна лазерного излучения в плоскости ФР равном 20-40мкм.
4. ФР должны быть приспособлены к режиму отрицательной зарядки до потенциала ориентировочно 600-700 В  и фоторазрядки под воздействием суперкоротких, но мощных импульсов лазерного излучения. Ориентировочно минимальная длительность импульсов в зоне пикселя достигает 20 НС при энергетической облученности порядка 9⁶ Вт/м². Электростатический контраст созданного скрытого электростатического изображения (СЭИ) должен быть ориентировочно 400-600 В при остаточном потенциале не более 100 В.
5. ФР должны быть приспособлены к цикличной работе в режиме «зарядка–экспонирование–проявление–перенос–очистка». Минимальная длительность цикла достигает 0,5-1,0 с, минимальная тиражестойкость -100тысяч циклов.
6. Для вариантов цветной аппаратуры ФР должны быть приспособлены к работе при различных режимах накопления цветного изображения.

Характеристика и приоритетные направления развития фоторецепторов

Электрографические фоторецепторы (ЭФ) – фоторецепторы многоразового применения исторически создавались на базе CdS и Se/Te фотополупроводников.  Уже с самого начала применения цифровых технологий воспроизведения изображения (1987 г.) они постепенно стали вытесняться органическими материалами. В 1999–2000 гг. на рынке фоторецепторов органические материалы (Organic Photoconductor, OPC) уже занимали более 96%. Таким образом, к настоящему времени явно выраженным приоритетным направлением создания ФР (для  целей цифровой печати в том числе) стали органические фотополупроводники.

В лидирующих моделях высокопроизводительной аппаратуры цифровой печати уже сейчас используются исключительно этот тип ФР. Только при создании тиражных принтеров иногда находят применение, обладающие более высокой тиражестойкостью, (более 500 тысяч оттисков), кремний органические материалы. Их применение ограничивается более сложной технологией изготовления (напыление в вакууме).

Для создания органических ФР используются различные полимеры, допированные ароматическими аминами, карбоцепные  полимеры типа поливинилкарбазола,  различные сополимеры, полифениленвинилидены и другие соединения. Механизм фоточувствительности таких материалов основан на миграции подвижных носителей заряда (электронов и /или дырок) в электрическом поле заряженного электрофотографического слоя (ЭФС). Преобладает именно дырочный тип. В поливинилкарбозоле и полистироле транспорт дырок (основных носителей заряда) в широком временном интервале является сильно неравновесным и носит не зонный, а прыжковый характер. В качестве таких прыжковых центров выступают ароматические группы.

По своей структуре органические фоторецепторы (ФР) делятся на два типа: однослойные и многослойные (CGL/CTL).

Генерирующий слой (Charge Generation Layer, CGL) чаще всего представляет собой гетерогенный  слой толщиной от  0,5 до 2 мкм, состоящий из кристаллического пигмента или красителя, диспергированного в полимерном связующем. Такими пигментами могут быть фталоцианины, бисазокрасители, перилен, тиапириллиевый краситель и другие. Кристаллы в виде частиц размером 0,002- 1 мкм в связующем полимере наносятся на основу методом полива. Иногда в качестве CGL используется напыляемый в вакууме тонкий слой (0,1-0,5 мкм) селена.

Более толстый (10-40мкм)транспортный слой  (Charge Transport Layer) состоит из электронно- транспортного полимера или из инертного полимерного связующего, где однородно распределены мономерные транспортные молекулы, например, поливинилкарбозола, полиэпоксипропилкрбозола, пирозолина и других.

Чувствительность органических ФР достигает 100–1000 мДж/см² и приближается к чувствительности инфракрасных аэрографических пленок.

Параметры органических ФР во многом зависят от поверхности. Разработана технология управления поверхностной проводимостью органических материалов путем их покрытия твердым электролитом, имеющим ионную проводимость.

Особый вариант применения органических ФР – это создание фотопроводящих слоев для технологического процесса электрофотографической печати. Сравнительно новый процесса электрофотографии объединяет её с технологией жидких кристаллов. В этом случае органический слой выполняет роль инжектора носителей тока, создающих увеличение перепада потенциала на жидкокристаллическом слое с его возбуждением. Как и в обычном ЭФГ процессе органический фоторецептор также содержит многослойную систему типа CGL/CTL, только с дополнительным слоем жидкого кристалла и прозрачным электродом сверху.

Генерирующий слой CGL изготавливается в два этапа. На первом этапе путем вакуумного напыления и обработки растворителем получают порошковый пигмент. На втором этапе этот пигмент диспергируется в связующем из поливинилбутираля и поливается на основу. Окончательная толщина генерирующего слоя составляет 0,3 мкм.

Транспортный слой CTL также поливается из эмульсии трифениламина в связующем поликарбонатной смолы. Толщина слоя после сушки -10мкм.

 Фоточувствительность системы проверялась в режиме фотосопротивления при длине волны равной 100-700 нм. Для двухслойной системы она достигала 6 мкА/см². С целью увеличения фоточувствительности до 100мкА/см² и расширения спектрального диапазона в ИК-области использовался третий тонкий (0.01 мкм) слой. Это инжектирующий слой, состоящий из азокрасителя в связующем, который наносился под слой CGL.