影响激光打印机图像密度的主要因素及相关的技术进展

1、 静电数字影像的技术趋势及对电子成像材料技术性能的挑战本文主要概述影响激光打印机图像密度的相关因素，并以简要篇幅介绍了涉及图像质量的静电成像子系统的技术原理及进展。INTERNET 技术的发展及全球的普及，使从因特网方便，海量和迅速地进行信息交流已成为人类生活的一部分，如何将电子文件，电子影像快速和方便，并按需按量地转换成人们熟知的硬拷贝,并能满足远程高速印刷的要求，必将促进数字技术与静电影像术的融合，从而造就出丰富多彩的技术结晶。数字单色/全彩色复印机，激光单色/全彩色打印机和高速激光印刷机，激光传真机及上述产品的集成物多功能复合机等的出现，改变了我们的生活，促进了文明进程。成像的高速化，精

2、细化以及高度的可靠性，较低的工作噪声，同时售价的持续下降是激光打印机高速增长的重要基础。对用户来说，图像的精细化是非常重要的因素，同时，图像质量也是衡量厂商综合技术水准的主要依据。然而，对于任何一家OPC Cartridge组件供应商而言，图像密度是最重要的卖点之一。激光打印机厂商的商业广告所传递的信息将很大程度地影响消费者及潜在消费者的购买决定。激光打印机显影剂的分类：（表一）激光打印机显影剂液体显影剂干粉显影剂单组分墨粉双组分墨粉磁性单组分非磁性单组分墨粉载体跳 动显 影接 触显 影接触显影导电性磁刷绝缘性磁刷静电成像显影方法分类：（表二）分类CADDAD特征放电区域显影，显影由感光鼓电位

3、梯度自高至低，ID由深至浅，止于显影偏压或感光鼓背景电位VL。消电区域显影，显影由感光鼓电位梯度自低至高，ID由深至浅，止于显影偏压或感光鼓暗衰电位Vd的延长线Vdl。显影偏压是控制图像质量的补偿因子，必须介于Vd与Vl之间，数值较小，最低至Vl，非此，则ID降低或BG上升，由此，感光元件的Vl及Vd的稳定性甚为重要。是控制图像质量的补偿因子，必须介于Vd与Vl之间，数值较大，最大至Vd，非此，则ID降低或BG上升，由此，感光元件的Vl及Vd的稳定性甚为重要。墨粉带电极性与感光鼓充电极性相反与感光鼓充电极性相同应用主要用于模拟复印机，数字复印机很少见，如CANON IR5000/6000。用于

4、激光打印机及数字复印机。图像主要缺陷由导电性缺陷点构成黑背景下的白点，绝缘性缺陷点构成白背景下的黑点。由导电性缺陷点构成白背景下的黑点，绝缘性缺陷点构成黑背景下的白点。模拟复印机显影法-CAD法数字复印机激光打印机显影法- DAD法单组分跳动显影过程双组分磁刷显影过程图像密度定义为：测量在特定条件下反射光的量。通常的测量标准程序是，测量色块的45度角光反射量的百分比，并将其转化成对数值。数值愈大，图像密度愈深。通常OEM Cartridge 图像密度范围是1.31.5，国内新颁布的激光打印机显影剂墨粉行业标准规定为1.4。 在没有测量手段的情况下，用户可参照国家标准的测量程序，根据以下几方面来

5、判断打印密度：1） 起始阶段：在初始50-100页之内，是否有足够的密度。2） 均匀性：在整页中，黑块密度是否均匀。3） 一致性：在OPC鼓粉盒组件整体打印寿命中图像密度的变化。显然，图像密度与显影剂墨粉的转印量密切相关，显影剂墨粉的转印量愈大图像密度愈高，直至达到饱和密度，超过此阈值点图像密度不但不能增加，反而会造成定影器的污染。图像质量明显取决于静电成像子系统的物理特性，即，1） OPC鼓的光电性能及其循环稳定性。2） 显影剂墨粉的平均带电量及其分布的均匀性。3） 显影剂墨粉的平均粒径，形状及其分布特性。4） 显影条件。5） 转印条件。显影剂墨粉的转印量主要受OPC鼓及显影磁辊之间电场静电

6、合力的影响，关键取决于以下三个方面：A 显影率，即显影剂墨粉从显影磁辊传递到OPC鼓面的量。B 在OPC鼓对显影剂墨粉粒子的静电力及相互之间的范德华力。C 转印率，即显影剂墨粉从OPC鼓面传递到纸上的量。这三个方面与墨粉的诸因素相关，如：· 墨粉的快速摩擦带电能力· 快速带电平衡能力· 在较大湿度范围内（15-85RH%）稳定的带电能力· 良好流动性上述三个方面之中的任何一项性能劣化，都会导致图像密度降低。这类问题在Cartridge再生厂商中经常遇到。图像质量劣化，并不能完全归于墨粉，虽然改变显影剂墨粉可以改善图像密度，优秀图像的获得一定是上述三个方面

7、良好匹配的结果。这就是为什么同一显影剂墨粉在此OPC鼓粉盒组件上表现优秀，而在彼OPC鼓粉盒组件上表现劣化的原因。HP/CANON 激光打印机静电显影系统称为磁性绝缘性单组分跳动显影系统，即色粉在显影器磁辊及OPC鼓面之间构成的静电场的间隙中以某种特定的频率往复高速震荡运动，这种震荡运动可使墨粉流颗粒摩擦带电，并使显影以可控的方式进行。大多数激光打印机墨粉带负电，墨粉颗粒通过与墨粉粒子间，磁辊及限量刮板的相互摩擦而带电，其带电能力及极性是由上述过程中摩擦强度及相互摩擦接触的材料特性决定，有些材料会产生很高的电量，而有些材料则一点都不会产生电量，有些甚至会产生相反电量。常见的激光打印机墨粉是由磁

8、性颜料（17%），树脂（80%），极少的碳黑材料（3%）及各种添加剂包括电荷控制剂（CCA），流动剂组成（0.2%）。电荷控制剂影响墨粉的极性及电量。其他激光打印机，如利盟，Epson，三星，XEROX，方正，联想等多数低端激光打印机，如三星4500，5100，1220，XEROX P8E，方正210，280，联想1600，2312，2500，4000等激光打印机墨粉采用接触式（感光鼓与显影辊紧密接触）非磁性单组分显影系统，其中，联想2312，2500，4000及其相应的衍生激光组合机采用正电性聚合型非磁性单组分显影剂墨粉，由于其极细的墨粉粒径及极窄粒径分布，只能采用特殊的清洁系统，以提高清洁

9、能力，提高图像质量。非磁性单组分显影系统由于其结构简洁，成本低廉，耗粉率低。有的采用无废粉或墨粉可以循环使用的技术方案，是非常有利于环境保护的显影系统，在短短几年内已发展成为低端激光打印机及彩色激光打印机的主流技术之一，但由于系统需靠重力及粘结力实现墨粉的输送与传递，墨粉的输送量及带电量（电极充电式带电）具有不确定性。因此，要求墨粉有十分精确的带电及显影能力，很高的稳定性及均匀性，优异的流动性能。因此，有些采用化学合成法制造，即，采用悬浮聚合法包括半悬浮，微悬浮聚合法，乳液聚合，界面/自由基微胶囊聚合法及chemical milling等方法制造。虽然化学合成法墨粉其过程均为异相聚合，但化学反

10、应过程中，分子的原子间或准分子尺寸（纳米尺寸 0.1-10nm）的反应基团间重新组合成聚合微粒，反应的速度分布，温度分布，搅拌速度，反应介质的控制，决定粒径及粒子形状。化学聚合墨粉使其具有传统粉碎法墨粉所不具备的在组成和电荷分布方面高度的同质性，可以使化学聚合墨粉颗粒做的更小，粒径分布更窄，由于粒子形状控制技术的完善，使粒子的几何中心，质量中心和电荷中心高度地趋于一致，使之带电，运动，及显影过程中墨粉粒子在OPC鼓面的定位精度和随后的转印精度均有明显提高，尤其适合于彩色成像。因此化学聚合墨粉具有:·高的比电阻率（>1013 omh.m )， 图像密度高， 半色调再现优良。

11、83; 好的带电性及均匀性 ，粉粒球形化 ，精细化(3-5m)， 均匀化 。· 流动性优异，优异的热性质和机械性质 ，耐环境性好，寿命长。· 显影粉层薄，墨粉移动空间小，定位精度高，透明度好，有利于低温定影及彩色成像。· 低耗粉率，化学聚合墨粉比同性能传统墨粉节省35%，这对于近来全球每年近20万吨的需求量，无论是减少对资源和能源的消耗都是有意义的。化学合成墨粉和传统墨粉的生产流程传统显影剂化学合成显影剂化学聚合墨粉技术产业现状及趋向· 首先1993年化学聚合墨粉的首次出现，进一步拓展图像处理，静电成像显影物理学，静电显影新方法及显影剂墨粉等方面的技术发

12、展空间，同时显影技术的发展又为化学聚合墨粉提供广阔的应用前景。· 各种化学工艺聚合制造的墨粉颗粒的性能更复合化、个性化，即，将pigment，cca，wax等功能性成分以纳米尺寸逐层接入或镶嵌进聚合物颗粒中，就象聚合物中的官能团，各自发挥作用，构成功能分离型结构的墨粉，这就是aggregation作用的含义，以满足静电数字成像，尤其是高速彩色成像的特殊要求。· 由于化学聚合墨粉的工艺设备与传统高分子合成化学厂商趋同，因此化学聚合墨粉的产业制造有向高聚物树脂厂商转移的趋势。· 鉴于此，迫使很多传统墨粉制造厂放弃观望转而对新领域，新技术及新生产工艺设备的进行投资，以保

13、持自己的市场地位及形象并满足未来之商业利益。· 目前市场以悬浮聚合法制造的墨粉为主流产品（d50约5-8m），主要是以CANON/HP，ZEON等为OEM厂商，以LG，CIT等为AFTERMARKET厂商。· 产品有向技术上更富于设计空间，墨粉颗粒的组成结构，表面状况，形状更便于控制，粒径更小（d50约为3-6m）的乳液聚合法（emulsion/aggregation）方向发展的趋势，通过控制诸色颜料或磁性颜料、CCA在粒径为0.1-0.5m的聚合物乳液粒子的凝聚（aggregation）过程来控制墨粉的粒径，通过在聚合物玻璃转化温度附近的温度处理，并控制聚合物的流变性能，

14、利用其内应力和表面张力来控制粒子形状，墨粉的形状可以从不规则形到完全球形上变化，主要厂商FUJIXEROX/XEROX，ZEON，KONICA-MINOLTA及MITSUBISHI CHEMICAL 等。悬浮聚合，乳液聚合墨粉和传统墨粉的性能比较化学聚合墨粉技术顺应静电影像技术的发展方向，即成像高速化，精细化及彩色化，墨粉长寿化，定影低温化的趋势，今后会占有愈来愈大的市场分额。新开发的彩色激光打印机和数字复印机，如Hp 2600，1600，3700，5500，Xerox c2100 ，Docucentre1085/1055 /3005/2055， Konica-Minolta350 /c350

15、/c450等，目前技术及市场主要由国际OPC鼓，墨粉制造业的实业寡头所垄断，如，XEROX/FUJIXEROX，CANON，ZEON，MINOLTA-KONICA，MITSUBISHI CHEMICAL，RICOH，SANYO CHEMICAL等。非磁性单组分显影系统在显影结构及墨粉的传递方式上明显不同于磁性单组分显影系统，它主要是由供粉辊，导电聚合物橡胶显影辊或含有导电聚合物泡沫塑料辊芯的导电塑料套筒组成的显影辊构成。非磁性单组分显影系统与磁性单组分显影系统相比，影响成像密度的因素是相似的，有许多共同之处。非磁性单组分显影剂是由树脂，碳黑颜料及各种添加剂包括电荷控制剂（CCA），流动剂组成。

16、磁性显影剂墨粉从粉仓中通过重力及磁辊的磁力迁移到磁辊表面，并随磁套筒的旋转而产生的摩擦而带电。限量刮板(Doctor Blade)同样影响墨粉带电，并对墨粉施与压力使之形成墨粉层，显影器的这种构造可以通过增加墨粉与磁辊表面的摩擦而影响墨粉的带电量，同样也可以干扰形成在磁辊表面墨粉层的分布，以至在黑色块印件中有沙绺状图像出现。限量刮板对墨粉施与压力加大，墨粉带电量增大，图像密度增大，而压力降低，则会使图像出现底灰，因此，需要有一个合适的压力，这是一个经验值。磁辊表面的涂料很大程度上决定墨粉的摩擦带电特性，用不同聚合物涂料涂布在磁套筒表面上，可以使墨粉带正电荷，也可以使墨粉带负电荷，因此，用于维修

17、OEM 磁辊用的各种品牌的涂料其摩擦带电特性有很大不同。只能用于与之配套的墨粉。转印到OPC鼓潜像处的墨粉量与墨粉带电量密切相关。带电量太大，转印率降低，带电量太小，则底灰增加，比较理想的情况是在没有底灰的前提下，尽可能保持低的带电量。低的带电量可能是由于墨粉中含有较多的反电荷，如果是这样的话，就必须选择电量分布窄的墨粉，这样就能在降低带电量的同时，降低反电荷的含量，达到降低图像底灰，提高密度的目的，但这大大提高了墨粉制造商工艺控制精度的要求，增加了制造成本，为此，也可以增加磁套筒涂布料的导电性，以降低过高的墨粉电荷。顺便提一下，新鲜墨粉与旧墨粉或废粉的主要不同在于后者含有非电荷和反电荷墨粉，

18、因此，将废粉仓中的墨粉重新注入显影仓中是十分不明智的。对于放电区显影DAD方式(Discharge Area Development)而言，OPC鼓的明区电位与显影磁套筒直流显影偏压构成的电位差，作为墨粉显影的动力，并在此基础上叠加的交流偏压使墨粉能够跟随其频率在OPC鼓表面及显影辊之间进行跳动显影。振幅愈大，显影动力愈大，图像密度愈大，图像愈深。OPC鼓是激光打印机成像组件的心脏，直接决定成像质量，没有高性能的OPC鼓，就不可能获得高密度的层次丰富细腻的半色调图像。OPC 感光体的物理过程及要求理想的OPC感光体应具有以下特征:1 暗处是优良的绝缘体，具有良好的均匀充电能力，一般而言，V06

19、00-700V。2 足够的电位反差.对于目前的显影剂，400V以上的电位反差，才能使图像光学密度在1.3以上）。3 极低的暗衰（<10V/S）。4 曝光后迅速转化成导体，即高的光敏性（目前多数复印机，激光打印机要求E1/22以下）。5 极低的残余电位。6 匹配的光谱响应区域。7 优良稳定的光电循环特性（商业标准为>10K次）。8 均匀的光电性能，9 环境稳定性好，即OPC鼓光电性能的温湿度依赖性小。10 在高强度激光点曝光下，reciprocity failures（倒易律失效）效应要小，以减轻或消除Ghosting现象（OPC鼓是导致Ghosting现象的因素之一），这在数字成像

20、中是一种关键特性。这可能起因于在高浓度激光点量子辐射下，CGL薄层内产生瞬态高浓度光生载流子对，在高电场作用下，离解为自由载流子。在特定高浓度环境下，在载流子对离解为自由载流子及自由载流子在穿越CGL/GTL界面过程中出现的弛豫或“梗塞”现象，持豫时间较长且空间电荷出现积累，即，载流子产生效率及注入效率出现衰减使曝光曲线底部的线性特性受到损坏而导致OPC鼓产生一种光电特性缺陷，而此缺陷并被某种时间程度的记忆。OPC感光体的分类OPC 感光体的光电特性光谱响应区域模拟复印机 OPC 鼓数字复印机/ 激光打印机 OPC 鼓OPC感光体的光电特性此图表表达了OPC感光体静电成像的单循环过程，每一循环

21、曲线的变化则表明，新OPC鼓在经历多次充电，曝光，显影，转印，定影及清洁等一系列连续循环过程后(商业标准为>10K次)，其光电特性发生明显变化，突出地表明，暗区电位的下降，明区电位的上升，从而导致图像底灰增加，密度降低。这就是OPC感光体研究中，著名的CYCLE-DOWN，CYCLE-UP现象。其本质是OPC感光体中空间电荷的积累及热释载流子数目增加造成，这可以通过测量空间电荷限制电流来加以判断，高性能长寿命的OPC鼓可以在实际使用中基本消除上述现象，这也是专业OPC感光体制造商在残酷的商业角逐中最重要的商业优势之一。同时也表明一支旧的劣化的OPC鼓，如果仅仅是对电荷传输层的修修补补以至

22、重新复涂均是无法使其恢复性能的，其中的机理是十分复杂的，部分原因在于在经过重新复涂均后，在两层载流子传输层的界面处由于两种载流子传输材料的分子和其光氧化衍生物的分子彼此相互混溶，渗透和扩散以及上述各种分子其离子化电离能或电极电位的不同，造成彼此互为对方的载流子陷阱，这样就在两层电荷传输层之间逐渐构成一层深能级的载流子陷阱层，其能级势垒与陷阱层内各关联方分子的摩尔浓度差密切相关，其捕获载流子，使载流子寿命大大缩短，并阻止之继续迁移，加速空间电荷在体内的积累，进一步促进OPC鼓的劣化。从理论上说，与制造新OPC鼓相比，若欲对旧的已劣化的OPC鼓再生制造，则会面对更为复杂和更为不确定的制造方面的因素

23、，换言之，对旧的或劣化的OPC鼓的再生是徒劳的和缺乏效率的。转印是影响图像密度的最后一个因素，即将墨粉从OPC鼓表面转印到纸张上的过程。此过程受OPC鼓面上残留在墨粉上电量，鼓粉之间的分子引力和纸张所带的正电荷对墨粉的引力的影响。转印装置的性能和状态以及纸张的电阻率和表面状态决定转印效率，清洁的转印器和干燥的纸张将会提高转印效率，增大图像密度。转印效率的降低会提高废粉率，增加用户的使用成本。现在将提高图像密度（单组分显影墨粉）的必要条件简单归纳如下：（表三） 提高显影力适度高电量及高比电阻率墨粉降低墨粉环境湿度提高限量刮板的摩擦系数提高磁套筒表面绝缘率提高磁套筒表面粗糙度高OPC鼓的暗区电位*

24、低OPC鼓的明区电位*提高显影偏压缩小显影间隙高激光点能量降低OPC鼓环境湿度提高转印力提高转印电压降低纸张环境湿度* 以激光点在OPC鼓面照射的是与非来定义明区和暗区电位，是即明区电位，非则暗区电位。双组分墨粉与单组分墨粉的简单特性（表四）显影墨粉带电量湿度单组分显影墨粉一定范围内，高电量将导致图像密度增加，“底灰”增加，图像边缘更粗糙，解像率降低，耗粉率增加。环境湿度增加导致图像密度降低。双组分显影墨粉一定范围内，低电量将导致图像密度增加，“底灰”增加，图像边缘更粗糙，解像率降低，耗粉率增加。环境湿度增加导致图像密度增加。从中可以看出有些因素是相互矛盾的，其相互竞争决定最终的结果，这个结果

25、是综合性和平衡性的。充电及清洁过程是一个容易被忽视的重要过程，决定着图像质量。辊式（PCR）充电是激光打印机充电的主流技术。与传统的Corona电晕充电方式不同，辊式充电采用接触放电方式，其优点在于，简易而紧凑的结构，很高的充电效率，可实现低压充电，减少臭氧及氧氮化物的产生，有利于环保；缺点是充电不均匀，由此造成图像密度的不均匀，产生周期性的条纹斑，因此，必须在施加直流电压的同时迭加脉冲交流偏压，以改善充电的均匀性，由此充电辊的充电能力及充电频谱是重要的性能参数。目前，在有的激光打印机中采用由导电聚合物纤维构成的充电毛刷辊进行充电，利用微放电和接触放电的原理，它综合上述两种技术的优点，能够达到

26、均匀的充电效果，获得高质量的图像输出。清洁刮片（Wiper Blade）仍然是清洁系统的主要部件，其原理是在刮片与OPC鼓表面夹角的顶端由极细墨粉粒子紧密排列构成一层与刮片运动相对静止的静态稳定层，就象粘在刮片顶端棉垫，静态稳定层决定刮片的清洁能力；在静态层的外部，由粒径不同的墨粉粒子按粒径梯度排列组成梯形动态缓冲层，它吸收OPC感光鼓表面残留墨粉流高速冲击所产生的能量，起屏蔽作用，保护静态层的稳定存在，以确保刮片的清洁能力，废粉在缓冲层的阻挡下，经过一个U-TURN运动，落入废粉仓，完成清洁过程。但随着激光打印机向图像精细化方向发展，分辨率为1200DPI机器已成为单色激光打印机主流机型，这样平均粒径5-6m的墨粉占据OEM主流市场，由于墨粉粒子的精细化，均匀化，球形化及成像高速化，导致无法有效形成动态缓冲层，甚至导致缓冲层消失，OPC感光鼓表面残留的墨粉层随OPC鼓高速运动，直接冲击乃至破坏静态层，致使极细的墨粉粒子从刮片锋刃与OPC鼓面的狭缝中泄露，至此刮片的清洁能力完全消失。为了保证刮片的清洁能力，实际上往往在墨粉的制造中，保持一定的粒径分布,对墨粉粒子表面进行微处理及墨粉粒子保持一定程度的非球形化，并对