JP2021088180A - Non-contact thermal printing of color thermochromic material - Google Patents

Non-contact thermal printing of color thermochromic material Download PDF

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Williams Antonio
ジョージ・マルティーニ
Martini Joerg
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Abstract

To provide non-contact thermal printing of a color thermochromic material.SOLUTION: A system includes an un-patterned heater 110 configured to pre-heat a thermochromic coating 195 disposed on a substrate 190 to a first temperature. The thermochromic coating has a threshold temperature at which a thermochromic material undergoes color change. The system also includes a patterned heater 130 comprising a plurality of heating elements configured to heat selected pixels of the thermochromic coating to a temperature equal to the threshold temperature or more according to a predetermined pattern. An air gap 150 is maintained between the plurality of heating elements and the thermochromic material while the patterned heater is heating the thermochromic material. Air in the air gap is heated to a second temperature.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

(関連特許文献)
本出願は、2019年4月12日に出願された米国特許出願第16/382,884号の一部継続出願であり、当該米国特許出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
(Related patent documents)
This application is a partial continuation of US Patent Application No. 16 / 382,884 filed April 12, 2019, which is incorporated herein by reference in its entirety.

(発明の分野)
本開示は、サーモクロミック材料を処理するためのシステム及び方法に関する。
(Field of invention)
The present disclosure relates to systems and methods for processing thermochromic materials.

サーモクロミック材料は、温度への曝露に応答して色が変化する。サーモクロミックインクは、リソグラフィ、フレキソ印刷、グラビア印刷、スクリーン印刷、及びフィルムアプリケータでの展延などの多数の印刷又はコーティングプロセスによって、基材上の比較的大きな領域に塗布され得る。サーモクロミック材料でより大きな領域をコーティング又は印刷した後、その領域を熱及び/又は光に曝露させて、正確に制御された区域に色変化を生じさせる。 Thermochromic materials change color in response to exposure to temperature. Thermochromic inks can be applied to relatively large areas on a substrate by a number of printing or coating processes such as lithography, flexographic printing, gravure printing, screen printing, and spreading with a film applicator. After coating or printing a larger area with a thermochromic material, the area is exposed to heat and / or light to cause a color change in a precisely controlled area.

販売時点(POS)レシートプリンタなどの、サーマルペーパー上の印刷に使用され得る、サーモクロミック材料/コーティングを印刷するための最先端のサーマル印刷システムは、接触に基づく手法の使用に依存している。この手法では、所望のテキスト/パターンを作成するために、サーマル印刷ヘッドのヒータ素子の配列を使用して、基材上の個々の「画素」を接触により局所的に加熱する。 State-of-the-art thermal printing systems for printing thermochromic materials / coatings that can be used for printing on thermal paper, such as point-of-sale (POS) receipt printers, rely on the use of contact-based techniques. In this technique, an array of heater elements in a thermal print head is used to locally heat individual "pixels" on a substrate by contact to create the desired text / pattern.

接触に基づくサーマル印刷は、関連する保守要件に起因して、特定の大量生産用途において望ましくない場合がある。印刷媒体との一定の摩擦を受ける接触型サーマル印刷ヘッドの摩耗、周期的な洗浄、及び全体的な保守の必要性は、大量用途環境において許容できない休止時間及びコストをもたらし得る。これらの用途では、ヒータ素子と基材との間の小さなギャップを維持すること、及び所望の画像を印刷するためにギャップを通して熱エネルギーの伝導/対流に依存することによって、印刷ヘッドヒータ素子配列とサーモクロミック材料がコーティングされた基材との間の一定の擦過作用を回避する、非接触手法が好ましい場合がある。より少量用途では、非接触手法はまた、印刷ヘッドの寿命を延長し、したがって保守コストを改善するため望ましい。 Contact-based thermal printing may be undesirable in certain mass production applications due to associated maintenance requirements. Wear, periodic cleaning, and the need for overall maintenance of contact thermal printheads that are subject to constant friction with the print medium can result in unacceptable downtime and cost in a high volume environment. In these applications, the printhead heater element array and by maintaining a small gap between the heater element and the substrate and relying on the conduction / convection of thermal energy through the gap to print the desired image. A non-contact approach may be preferred that avoids constant scraping action between the thermochromic material and the coated substrate. For smaller applications, the non-contact approach is also desirable because it extends the life of the printhead and thus improves maintenance costs.

いくつかの実施形態によれば、システムは、基材上に配置されたサーモクロミックコーティングを、第1の温度まで予熱するように構成されているパターン化されていないヒータを含む。サーモクロミックコーティングは、サーモクロミック材料が色変化を起こす閾値温度を有する。システムはまた、サーモクロミックコーティングの選択された画素を、所定のパターンに従って、閾値温度以上の温度まで加熱するように構成されている複数の加熱素子を備えるパターン化されたヒータも含む。エアギャップは、パターン化されたヒータが、サーモクロミック材料を加熱している間、複数の加熱素子とサーモクロミック材料との間に維持される。エアギャップ内の空気は、第2の温度まで加熱される。 According to some embodiments, the system includes an unpatterned heater configured to preheat a thermochromic coating placed on the substrate to a first temperature. Thermochromic coatings have a threshold temperature at which the thermochromic material undergoes color change. The system also includes a patterned heater with a plurality of heating elements configured to heat selected pixels of the thermochromic coating to a temperature above a threshold temperature according to a predetermined pattern. The air gap is maintained between the plurality of heating elements and the thermochromic material while the patterned heater heats the thermochromic material. The air in the air gap is heated to a second temperature.

いくつかの実施形態は、基材上に配置されたサーモクロミックコーティングを有する基材を、第1の温度まで予熱することを伴う方法に関する。サーモクロミックコーティングは、サーモクロミック材料が色変化を起こす閾値温度を有する。サーモクロミックコーティングとパターン化されたヒータとの間のエアギャップは、第2の温度まで加熱される。パターン化されたヒータは、予熱されたサーモクロミックコーティングを、所定のパターンに従って、閾値温度超に加熱するために操作される。 Some embodiments relate to a method involving preheating a substrate having a thermochromic coating placed on the substrate to a first temperature. Thermochromic coatings have a threshold temperature at which the thermochromic material undergoes color change. The air gap between the thermochromic coating and the patterned heater is heated to a second temperature. The patterned heater is operated to heat the preheated thermochromic coating above a threshold temperature according to a predetermined pattern.

いくつかの実施形態による、サーモクロミック画像形成システムの概念的なブロック図である。It is a conceptual block diagram of a thermochromic image formation system according to some embodiments. いくつかの実施形態による、エアギャップヒータを含むサーモクロミック画像形成システムの概念的なブロック図である。It is a conceptual block diagram of a thermochromic image forming system including an air gap heater according to some embodiments. いくつかの実施形態による、パターン化されたヒータの加熱素子の図である。FIG. 5 is a diagram of a patterned heater heating element according to some embodiments. いくつかの実施形態による、サーモクロミック画像形成方法のフローチャートである。It is a flowchart of the thermochromic image formation method by some embodiments. 本明細書に記載される実施形態による、システムのサーマル特性をモデル化するために使用される積層体の図である。 本明細書に記載される非接触型サーマル画像形成手法を使用して得られたエアギャップ距離に対するサーモクロミック材料の光学濃度のグラフである。FIG. 5 is a diagram of a laminate used to model the thermal properties of a system according to the embodiments described herein. It is a graph of the optical density of the thermochromic material with respect to the air gap distance obtained by using the non-contact thermal imaging technique described herein. 第1の実施例による、スタックヒータが、94.54W/mm2の加熱速度(電力)を提供することができ、コーティングされた基材が、0.05m/秒の速度で移動している場合の、g=0.1μm、1μm、5μm、10μm、及び20μmのエアギャップ距離のサーモクロミックコーティングの温度(K)を示すグラフである。According to the first embodiment, when the stack heater can provide a heating rate (power) of 94.54 W / mm2 and the coated substrate is moving at a rate of 0.05 m / sec. , G = 0.1 μm, 1 μm, 5 μm, 10 μm, and 20 μm air gap distances, showing the temperature (K) of the thermochromic coating. エアギャップ距離gの関数としての、彩度の尺度であるサーモクロミック材料の光学濃度を示すグラフである。6 is a graph showing the optical density of a thermochromic material, which is a measure of saturation as a function of the air gap distance g. スタックヒータが、94.54W/mm2の加熱速度(電力)を提供することができ、エアギャップ空気が77℃まで加熱された場合の、エアギャップgに対するサーモクロミック材料の光学濃度のグラフである。It is a graph of the optical density of the thermochromic material with respect to the air gap g when the stack heater can provide a heating rate (power) of 94.54 W / mm2 and the air gap air is heated to 77 ° C.

図面は、必ずしも縮尺どおりではない。図面に使用される同様の数字は、同様の構成要素を指す。しかしながら、所与の図の構成要素を指す数字の使用は、同じ数字でラベル付けされた別の図における構成要素を制限することを意図していないことが理解されるであろう。 The drawings are not always on scale. Similar numbers used in drawings refer to similar components. However, it will be understood that the use of numbers to refer to components of a given figure is not intended to limit the components in another figure labeled with the same number.

非接触型印刷は、印刷媒体との一定の摩擦を受ける接触型サーマル印刷ヘッドの摩耗、周期的な洗浄、及び全体的な保守の必要性を回避することが望ましい。しかしながら、ヒータ素子と基材との間のエアギャップは、加熱有効性の急速な損失をもたらす。数マイクロメートルを超えるエアギャップを有する解像度及び印刷速度能力は、商業的に実行可能なレベル未満まで低下する。同時に、数マイクロメートル未満のエアギャップを維持することは、基材の粗さ及び環境中に存在し得る任意の他の微視的な埃/破片(例えば、レストラン環境におけるエアロゾル化された食品/油粒子)が、そのような正確で清潔なエアギャップを維持して、所望の非接触型サーマル印刷を可能にすることを困難にし得るため、実用的な観点から非常に困難である。 Non-contact printing preferably avoids wear, periodic cleaning, and the need for overall maintenance of the contact thermal print head, which is subject to constant friction with the printing medium. However, the air gap between the heater element and the substrate results in a rapid loss of heating effectiveness. Resolution and printing speed capabilities with air gaps greater than a few micrometers are reduced to below commercially viable levels. At the same time, maintaining an air gap of less than a few micrometers is the roughness of the substrate and any other microscopic dust / debris that may be present in the environment (eg, aerosolized food in a restaurant environment / It is very difficult from a practical point of view, as oil particles) can make it difficult to maintain such an accurate and clean air gap to enable the desired non-contact thermal printing.

本明細書に記載される手法は、最大20マイクロメートル、例えば、約5μm〜約20μmの比較的大きなエアギャップを有する、信頼性の高い非接触型サーマル印刷を可能にする。開示された手法は、サーモクロミックコーティングが配置された基材を予熱することと、サーモクロミックコーティングと加熱素子との間のギャップ内の空気を加熱することと、を伴う。いくつかの実施形態では、基材加熱及びエアギャップ加熱は、サーモクロミック材料が、その閾値温度のすぐ下の温度に維持されるように実施される。 The techniques described herein enable reliable non-contact thermal printing with relatively large air gaps of up to 20 micrometers, eg, about 5 μm to about 20 μm. The disclosed approach involves preheating the substrate on which the thermochromic coating is placed and heating the air in the gap between the thermochromic coating and the heating element. In some embodiments, substrate heating and air gap heating are performed so that the thermochromic material is maintained at a temperature just below its threshold temperature.

印刷パターンが形成されるサーマル基材は、典型的には、温度変化に応じて色(又は明度/暗度)を変化させるサーモクロミック材料でコーティングされる。このようなコーティングの例は、染料と好適なマトリックスとの固体混合物、例えば、フルオランロイコ染料とオクタデシルホスホン酸との組み合わせである。コーティングが、その融点超に加熱される場合、染料は酸と反応し、その着色形態へとシフトし、次いで、マトリックスがすぐに固化すると、変化した形態は、準安定状態で保存される(サーモクロミズムとして既知のプロセス)。 The thermal substrate on which the print pattern is formed is typically coated with a thermochromic material that changes color (or lightness / darkness) in response to temperature changes. An example of such a coating is a solid mixture of dye and suitable matrix, such as a combination of fluorene leuco dye and octadecylphosphonic acid. When the coating is heated above its melting point, the dye reacts with the acid and shifts to its colored form, and then as the matrix quickly solidifies, the altered form is preserved in a metastable state (thermo). A process known as chromism).

サーモクロミック材料が変色する温度は、その閾値温度と称される。閾値温度は、色変化が最初に検出可能な温度である。フルカラー彩度での色変化は、所定の時間にわたって、サーモクロミック材料をその閾値温度以上の温度に曝露することによって達成され得る。サーモクロミック材料の彩度レベルは、サーモクロミック材料をより短い時間、及び/又は閾値温度を上回る低温に曝露することによって調節され得る。いくつかのサーモクロミック材料の場合、閾値温度は、約80℃であり得る。 The temperature at which the thermochromic material discolors is called its threshold temperature. The threshold temperature is the temperature at which the color change is first detectable. Color change at full color saturation can be achieved by exposing the thermochromic material to a temperature above its threshold temperature over a predetermined period of time. The saturation level of the thermochromic material can be adjusted by exposing the thermochromic material to a shorter period of time and / or a low temperature above the threshold temperature. For some thermochromic materials, the threshold temperature can be about 80 ° C.

本明細書に開示される実施形態に有用なサーモクロミック材料の種類は、例えば、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第5,149,617号に記載されるように、ジアセチレンエーテル及びそのホモポリマーを含む。いくつかの他の種類のサーモクロミック材料は、a)室温で固体の黄褐色灰色(白色)材料であり、60〜62℃で橙色に変換する、銅(I)ヨウ化物;b)白色材料であり、150℃で茶色に変化し、次いで170℃で黒色に変化するメタバナジン酸アンモニウム;及びc)紫色材料で、一般的な紫色顔料であり、400℃で白色に変化するマンガンバイオレット(Mn(NH4)2P2O7)を含むことが好適であり得る。このことは、網羅的なリストではなく、開示された手法と併せて他の材料が使用され得ることに留意されたい。 Types of thermoplastic materials useful in the embodiments disclosed herein are, for example, diacetylene ethers and diacetylene ethers thereof, as described in US Pat. No. 5,149,617, which is incorporated herein by reference. Contains homopolymers. Some other types of thermochromic materials are a) a solid yellow-brown gray (white) material at room temperature and a copper (I) iodide; b) a white material that converts to orange at 60-62 ° C. Ammonium metavanadate; and c) a purple material that turns brown at 150 ° C and then black at 170 ° C, a common purple pigment, and manganese violet (Mn (NH4)) that turns white at 400 ° C. ) 2P2O7) may be included. It should be noted that this is not an exhaustive list and other materials may be used in conjunction with the disclosed approach.

本明細書で開示される手法は、サーモクロミック材料に基づいた画像形成のためのシステム及び方法に関する。サーモクロミック材料は、最初に、閾値温度未満の温度まで予熱される。サーモクロミック材料をサブ閾値温度まで予熱した後、又はこれと同時に、サーモクロミック材料の領域は、パターン化されたエネルギードーズ量に曝露され、所定のパターン、例えば、テキスト、画像、又は他の2次元図柄に従って、閾値温度を超える局所的な加熱をもたらす。 The techniques disclosed herein relate to systems and methods for image formation based on thermochromic materials. The thermochromic material is first preheated to a temperature below the threshold temperature. After preheating the thermochromic material to a subthreshold temperature, or simultaneously, the area of the thermochromic material is exposed to a patterned amount of energy dose and a given pattern, eg, text, image, or other two-dimensional. According to the symbol, it results in local heating above the threshold temperature.

図1は、いくつかの実施形態による、画像形成システム100の概念的なブロック図である。画像形成システム100は、基材190を予熱するように構成されている加熱されたローラとして示されているパターン化されていないヒータ110を含み、これは、熱を、基材上に配置されたサーモクロミックコーティング195に伝達する。パターン化されていないヒータ110は、基材190にパターン化されていない熱エネルギー、例えば、基材の表面にわたって実質的に一定である熱エネルギーを供給する。図1に加熱されたローラとして示されているが、パターン化されていないヒータは、放射ヒータ、抵抗ヒータ、赤外線ランプなどの、任意の種類の接触型又は非接触型ヒータを備え得る。第1のヒータ110の温度は、サーモクロミック材料の閾値温度未満であり得るか、又はいくつかの実施形態では、閾値温度を超え得る。サーモクロミックコーティングの温度が、その閾値温度未満のままであるように、パターン化されていないヒータ110からサーモクロミックコーティングへの全体的な熱伝達は、システムによって維持される。パターン化されていないヒータ110の加熱速度、加熱時間、及び/又は温度は、サーモクロミックコーティング195の適切な閾値未満温度が、画像形成システム100を通る基材190の所望の移動速度(「印刷速度」)で達成されるように設定された閉ループ制御システム(図示せず)を使用して制御され得る。 FIG. 1 is a conceptual block diagram of the image forming system 100 according to some embodiments. The image forming system 100 includes an unpatterned heater 110 shown as a heated roller configured to preheat the substrate 190, which disperses heat onto the substrate. It is transmitted to the thermochromic coating 195. The unpatterned heater 110 supplies unpatterned thermal energy to the substrate 190, eg, thermal energy that is substantially constant over the surface of the substrate. Although shown as heated rollers in FIG. 1, the unpatterned heater may include any type of contact or non-contact heater, such as a radiant heater, a resistor heater, an infrared lamp, and the like. The temperature of the first heater 110 can be below the threshold temperature of the thermochromic material or, in some embodiments, above the threshold temperature. Overall heat transfer from the unpatterned heater 110 to the thermochromic coating is maintained by the system so that the temperature of the thermochromic coating remains below its threshold temperature. The heating rate, heating time, and / or temperature of the unpatterned heater 110 is such that the temperature below the appropriate threshold of the thermochromic coating 195 is the desired rate of movement of the substrate 190 through the image forming system 100 (“printing rate”. It can be controlled using a closed loop control system (not shown) configured to be achieved in).

サーモクロミックコーティング195の予熱後、又はこれと同時に、パターン化されていないヒータ110、パターン化されたヒータ130、例えば、1次元又は2次元空間的にパターン化された熱源は、選択された画素又は予熱されたサーモクロミックコーティングの領域を、所定のパターンに従って、エネルギードーズ量に曝露するように構成されている。サーモクロミックコーティング195は、複数の画素を含み得、所定のパターンは、個々の画素が曝露されるエネルギードーズ量を規定する。エネルギードーズ量は、選択された画素を、所定のパターンに従って、画素の色の変化を引き起こす所定の時間、サーモクロミック材料の閾値温度以上の所定の温度まで加熱することを伴う。例えば、サーモクロミックコーティングの非選択の組の画素は、閾値ドーズ量を上回るエネルギードーズ量に曝露されない可能性がある。サーモクロミックコーティングの第1の組の選択された画素は、第1の時間、閾値温度を上回る第1の温度を含む第1のエネルギードーズ量に曝露され得る。第2の組の選択された画素は、第2の時間、閾値温度を上回る第2の温度を含む第2のエネルギードーズ量に曝露され得る。いくつかの実施形態によれば、第1の温度及び第2の温度のうちの一方又は両方は、閾値温度の約25%以内である。 After or at the same time as preheating the thermochromic coating 195, the unpatterned heater 110, the patterned heater 130, eg, a one-dimensional or two-dimensional spatially patterned heat source, may be selected pixels or The area of the preheated thermochromic coating is configured to be exposed to an energy dose amount according to a predetermined pattern. The thermochromic coating 195 may include multiple pixels, and a predetermined pattern defines the amount of energy dose to which each pixel is exposed. The amount of energy dose involves heating the selected pixels according to a predetermined pattern to a predetermined temperature above the threshold temperature of the thermochromic material for a predetermined time causing a change in the color of the pixels. For example, a non-selected pair of pixels with a thermochromic coating may not be exposed to an energy dose above the threshold dose. A first set of selected pixels of a thermochromic coating may be exposed to a first amount of energy dose, including a first temperature above a threshold temperature, for a first time. A second set of selected pixels may be exposed to a second amount of energy dose, including a second temperature above the threshold temperature, for a second time. According to some embodiments, one or both of the first temperature and the second temperature is within about 25% of the threshold temperature.

パターン化された熱源からのエネルギードーズ量に曝露されない非選択の画素は、閾値温度を超えて温度上昇することなく、それにより無色のままである。第1のエネルギードーズ量は、第1の組の画素を、色変化させ、第1の彩度レベルを達成させる。第2のエネルギードーズ量は、第2の組の画素を、色変化させ、第2の彩度レベルを達成させる。本実施例は、第1及び第2のドーズ量に曝露される第1及び第2の組の選択された画素を参照に言及しているが、所定のパターンは、3つ以上の組の画素を含み、異なるエネルギードーズ量にそれぞれ曝露され、それにより閾値温度を超える3つ以上の異なる温度を達成し、3つ以上の結果として生じる彩度レベルをもたらしてもよいことが理解されるであろう。 Non-selected pixels that are not exposed to the amount of energy dose from the patterned heat source do not rise above the threshold temperature, thereby remaining colorless. The first energy dose amount causes the first set of pixels to change color to achieve the first saturation level. The second energy dose amount causes the second set of pixels to change color to achieve a second saturation level. Although the present embodiment refers to reference to a first and second set of selected pixels exposed to a first and second dose amount, a given pattern is for three or more sets of pixels. It is understood that they may each be exposed to different energy dose amounts, thereby achieving three or more different temperatures above the threshold temperature and resulting in three or more resulting saturation levels. Let's go.

多くの実施形態では、パターン化されたヒータは、抵抗ヒータであり得、画素に対応する個々の加熱素子は、抵抗加熱素子を流れる電流によって加熱される。 In many embodiments, the patterned heater can be a resistance heater, and the individual heating elements corresponding to the pixels are heated by the current flowing through the resistance heating elements.

パターン化されたヒータ130の加熱素子は、サーモクロミックコーティング195の表面に接触しない。パターン化されたヒータ130が、サーモクロミック材料195を、閾値温度を上回る第2の温度まで加熱している間、エアギャップ150は、複数の加熱素子130a、130bと、サーモクロミック材料195との間維持される。エアギャップ150は、例えば、最大20μm、例えば約5μm〜約20μmであり得る。 The heating element of the patterned heater 130 does not contact the surface of the thermochromic coating 195. While the patterned heater 130 heats the thermochromic material 195 to a second temperature above the threshold temperature, the air gap 150 is between the plurality of heating elements 130a, 130b and the thermochromic material 195. Be maintained. The air gap 150 can be, for example, up to 20 μm, for example from about 5 μm to about 20 μm.

図1に示すように、いくつかの実施形態では、基材190は、上にサーモクロミックコーティング195が配置された細長いウェブ又はフィルムを含む。モータ駆動ピンチローラとして図1に例示される移動機構140は、細長い基材190をシステムを通って移動させる。例えば、移動機構140は、最大約4m/sの印刷速度で、細長い基材190を移動させることができる。これらの速度では、高速でパターン化された加熱要件に合わせるために、パターン化されたヒータ130に対して、かなりのエネルギーが要求される。パターン化されていないヒータ110を使用して、サーモクロミック材料を予熱し、エアギャップ150を加熱することによって、パターン化されたヒータ130のエネルギー要件が低減する。 As shown in FIG. 1, in some embodiments, the substrate 190 comprises an elongated web or film on which a thermochromic coating 195 is placed. The moving mechanism 140, illustrated in FIG. 1 as a motor-driven pinch roller, moves an elongated substrate 190 through the system. For example, the moving mechanism 140 can move the elongated base material 190 at a printing speed of up to about 4 m / s. At these speeds, significant energy is required for the patterned heater 130 to meet the fast patterned heating requirements. By using the unpatterned heater 110 to preheat the thermochromic material and heat the air gap 150, the energy requirement of the patterned heater 130 is reduced.

上述したように、パターン化されていないヒータ110は、少なくとも1つの回転する加熱されたローラ又はドラムを備えてもよく、これは移動機構140が矢印199によって示される方向に沿って細長いフィルム190を移動させると、細長いフィルム190と接触するか又は近接する。ローラ110は、加熱の効果が、閾値温度に近いが閾値温度未満であるサーモクロミックコーティング195の温度を達成する結果となる限り、任意の温度まで加熱され得る。例えば、ローラ110は、基材の加熱と併せてサーモクロミック材料の移動が、閾値温度未満、例えば、閾値温度より10℃、5℃、又は更には5℃未満低いサーモクロミックコーティングの温度を達成するように加熱され得る。例えば、いくつかの構成では、加熱されたローラ110は、サーモクロミックコーティング195の閾値温度よりも高い温度まで加熱され得る。しかしながら、加熱されたローラ110の上のサーモクロミックコーティング195の滞留時間は短く、したがってサーモクロミックコーティング195が閾値温度超に加熱されないように、フィルム190の移動が制御される。 As mentioned above, the unpatterned heater 110 may include at least one rotating heated roller or drum, wherein the moving mechanism 140 takes an elongated film 190 along the direction indicated by the arrow 199. When moved, it comes into contact with or is in close proximity to the elongated film 190. The roller 110 can be heated to any temperature as long as the effect of heating results in achieving the temperature of the thermochromic coating 195, which is close to the threshold temperature but below the threshold temperature. For example, the roller 110 achieves a thermochromic coating temperature at which the movement of the thermochromic material in conjunction with heating of the substrate is below the threshold temperature, eg, 10 ° C., 5 ° C., or even less than 5 ° C. below the threshold temperature. Can be heated as such. For example, in some configurations, the heated roller 110 may be heated to a temperature above the threshold temperature of the thermochromic coating 195. However, the residence time of the thermochromic coating 195 on the heated roller 110 is short, so the movement of the film 190 is controlled so that the thermochromic coating 195 is not heated above the threshold temperature.

図2は、いくつかの実施形態による、画像形成システム200の別の実施形態を例示している。パターン化されていないヒータ110、パターン化されたヒータ130、及び上記の他の構成要素に加えて、画像形成システム200は、エアギャップ150内の空気を予熱するように構成されているギャップヒータ120を含む。エアギャップヒータ120は、強制エアヒータ、放射ヒータなどの、任意の種類の好適な種類のヒータを備え得る。 FIG. 2 illustrates another embodiment of the image forming system 200 according to some embodiments. In addition to the unpatterned heater 110, the patterned heater 130, and the other components described above, the image forming system 200 is configured to preheat the air in the air gap 150, the gap heater 120. including. The air gap heater 120 may include any suitable type of heater, such as a forced air heater, a radiant heater, and the like.

いくつかの実施によれば、エアギャップヒータ120と併せてパターン化されていないヒータ110の操作は、コーティング195の閾値温度未満の温度までサーモクロミックコーティング195を予熱する。この実施では、サーモクロミックコーティング195は、パターン化されていないヒータ110及びエアギャップヒータ120によって供給される加熱効果から生じるサブ閾値温度に応じての色変化を示さない。 According to some practices, the operation of the unpatterned heater 110 in conjunction with the air gap heater 120 preheats the thermochromic coating 195 to a temperature below the threshold temperature of the coating 195. In this practice, the thermochromic coating 195 does not show a color change depending on the subthreshold temperature resulting from the heating effect supplied by the unpatterned heater 110 and the air gap heater 120.

パターン化されていないヒータ110及びエアギャップヒータ120は、異なる温度又は同じ温度に設定され得る。例えば、いくつかの実施形態では、パターン化されていないヒータ110は、第1の温度まで加熱されるようにサーモスタットで制御され得る。エアギャップヒータ120は、エアギャップ150内の空気の温度が、パターン化されていないヒータ110の温度とは異なる、例えば、より高い又は低い第2の温度に制御されるように、サーモスタットで制御され得る。いくつかの実施形態では、パターン化されていないヒータ110は、エアギャップヒータ120と同じ温度に設定され得る。様々な実施形態では、第1のヒータ110の加熱素子の温度、及び第2のヒータ120によって生成される空気温度のうちの一方又は両方は、サーモクロミックコーティング195の閾値温度の25%、20%、15%、10%、5%、又は更に1%以内であり得る。 The unpatterned heater 110 and the air gap heater 120 can be set to different temperatures or the same temperature. For example, in some embodiments, the unpatterned heater 110 can be controlled by a thermostat to be heated to a first temperature. The air gap heater 120 is thermostat controlled so that the temperature of the air in the air gap 150 is controlled to a second temperature that is different from the temperature of the unpatterned heater 110, eg, higher or lower. obtain. In some embodiments, the unpatterned heater 110 may be set to the same temperature as the air gap heater 120. In various embodiments, one or both of the temperature of the heating element of the first heater 110 and the temperature of the air produced by the second heater 120 are 25%, 20% of the threshold temperature of the thermochromic coating 195. , 15%, 10%, 5%, or even less than 1%.

任意に、画像形成システム100、200のいずれかは、筐体122を含み得、これは、基材上に配置されたサーモクロミックコーティング195を有する細長い基材190が、筐体122に入り、筐体122から出ることを可能にする1つ以上の開口部を含む。筐体は、エアギャップ内の空気の温度をより均一に維持することを促進するために用いられてもよく、これによってサーモクロミックコーティング195の温度がより均一に維持される。入口開口部及び出口開口部は、参照により本明細書に組み込まれている、同一所有者の米国特許出願第S/N 16/382,884号に論じられているような空気制御機能を有し得る。 Optionally, any of the image forming systems 100, 200 may include a housing 122 in which an elongated base material 190 having a thermochromic coating 195 disposed on the substrate enters the housing 122 and the casing. Includes one or more openings that allow exit from body 122. The housing may be used to help maintain a more uniform temperature of the air in the air gap, which keeps the temperature of the thermochromic coating 195 more uniform. The inlet and outlet openings have air control functions as discussed in US Patent Application S / N 16 / 382,884 of the same owner, which is incorporated herein by reference. obtain.

いくつかの態様によれば、システム100、200は、パターン化されていないヒータ110、任意のエアギャップヒータ120、パターン化されたヒータ130、及び/又は移動機構140の操作を制御及び調整する制御器160を含み得る。 According to some embodiments, the systems 100, 200 control and coordinate the operation of the unpatterned heater 110, any air gap heater 120, the patterned heater 130, and / or the moving mechanism 140. It may include a vessel 160.

いくつかの構成では、パターン化されたヒータ300は、複数の加熱素子310を備えてもよく、各加熱素子は、図3に示されるように、たわみアーム302上に懸架された加熱ヘッド301を備える。図3に示される実施では、加熱ヘッド301は、抵抗加熱素子303を含む。加熱素子310の各々は、浮動しているディスクドライブ読み取り/書き込みヘッドと類似の方法で浮動している可能性がある。各浮動している加熱ヘッドは、エアギャップ距離gを画定する浮動高さで基材上を浮動する。いくつかの実施形態では、浮動高さは、加熱ヘッド301と、基材上に配置されたサーモクロミックコーティングを有する基材392との間の距離であるエアギャップ距離gに等しくてもよい。加熱素子は、微細加工を使用して作製され得るたわみ部及び加熱ヘッドの線形配列を備え得る。サーモクロミック材料の閾値温度のすぐ下まで加熱される強制空気、又は閾値温度のすぐ下まで加熱される移動基材からの空気のいずれかが使用されて、ヒータと基材との間のエアギャップを維持し得る。 In some configurations, the patterned heater 300 may include a plurality of heating elements 310, each heating element having a heating head 301 suspended on a deflection arm 302, as shown in FIG. Be prepared. In the embodiment shown in FIG. 3, the heating head 301 includes a resistance heating element 303. Each of the heating elements 310 may be floating in a manner similar to a floating disk drive read / write head. Each floating heating head floats on a substrate at a floating height that defines an air gap distance g. In some embodiments, the floating height may be equal to the air gap distance g, which is the distance between the heating head 301 and the substrate 392 having the thermochromic coating disposed on the substrate. The heating element may include a linear arrangement of deflections and heating heads that can be made using microfabrication. An air gap between the heater and the substrate is used, either forced air heated just below the threshold temperature of the thermochromic material or air from a mobile substrate heated just below the threshold temperature. Can be maintained.

図4は、図1〜3のシステムの操作を示すフローチャートである。本プロセスは、基材上に配置されたサーモクロミックコーティングを有する基材を、第1の温度まで予熱するためのパターン化されていないヒータを操作することであって、サーモクロミックコーティングが、サーモクロミック材料が色変化を起こす閾値温度を有する、操作すること(410)を伴う。サーモクロミックコーティングとパターン化されたヒータとの間のエアギャップは、第2の温度まで加熱される(420)。パターン化されたヒータは、予熱されたサーモクロミックコーティングを、所定のパターンに従って、閾値温度超に加熱するために操作される(430)。いくつかの実施形態によれば、パターン化されていないヒータは、基材に接触し得、パターン化されたヒータは、非接触型ヒータ、例えば抵抗ヒータであり得る。 FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the system of FIGS. 1 to 3. The process involves operating an unpatterned heater to preheat a substrate with a thermochromic coating placed on the substrate to a first temperature, where the thermochromic coating is thermochromic. With manipulation (410), the material has a threshold temperature at which it causes a color change. The air gap between the thermochromic coating and the patterned heater is heated to a second temperature (420). The patterned heater is operated to heat the preheated thermochromic coating above a threshold temperature according to a predetermined pattern (430). According to some embodiments, the unpatterned heater can be in contact with the substrate and the patterned heater can be a non-contact heater, such as a resistance heater.

開示された手法を使用して、最大20マイクロメートルのエアギャップにわたって非接触型サーマル印刷の実現可能性を決定するために、サーマル模擬実験を実施した。モデル設定で使用される積層体を図5に示す。使用されるサーマルモデルは、ヒータ層内の金リードへの横方向の熱流を含む2次元モデルであった。この実験では、サイクル時間中に複数の画素を加熱した。各サイクル時間中、ヒータへの電圧をパルス化し、ヒータを次のサイクルの前に冷却させた。このプロセスによって、ヒータの温度は、次のサイクル(画素)のために顕色開始よりも低くなり得る。ヒータ温度及び基材への熱流は、サイクル中の構成(材料層、寸法)、及びヒータパルス幅の詳細に依存する。加えて、履歴制御が頻繁に使用され、それによって、過去のサイクルに基づいて調整されるサイクル中の加熱が可能となり、ヒータ温度をサイクルごとに維持する。サーマルサイクルTサイクル=画素_サイズ/Uであり、画素_サイズは、μmの画素サイズであり、Uは、基材速度である。ヒータを駆動するパルス時間、パルス_時間=0.5×Tサイクル。ヒータは、オンになっている場合、約95W/mmの総加熱電力を提供するように設計されており、各加熱素子は、80ミクロン×40ミクロンのサイズであり、オン状態で0.304Wの1画素当たりの加熱電力が得られる。 Using the disclosed method, thermal simulation experiments were performed to determine the feasibility of non-contact thermal printing over air gaps of up to 20 micrometers. The laminate used in the model setting is shown in FIG. The thermal model used was a two-dimensional model that included a lateral heat flow to the gold leads in the heater layer. In this experiment, multiple pixels were heated during the cycle time. During each cycle time, the voltage to the heater was pulsed to allow the heater to cool before the next cycle. By this process, the temperature of the heater can be lower than the onset of color development for the next cycle (pixels). The heater temperature and heat flow to the substrate depend on the configuration (material layer, dimensions) during the cycle and the details of the heater pulse width. In addition, history control is frequently used, which allows heating during the cycle, which is adjusted based on past cycles, and maintains the heater temperature on a cycle-by-cycle basis. Thermal cycle T cycle = pixel_size / U, pixel_size is a pixel size of μm 2 , and U is the substrate speed. Pulse time to drive the heater, pulse_time = 0.5 x T cycle . The heaters are designed to provide a total heating power of approximately 95 W / mm 2 when on, and each heating element is 80 micron x 40 micron in size and 0.304 W when on. The heating power per pixel can be obtained.

サーマルモデルは、0〜20μmのエアギャップ502によって、加熱アセンブリ550から分離された基材501を備える積層体500を想定する。加熱アセンブリ550は、SiO2層503と、約1.5μmの厚さを有する抵抗加熱層504と、約45μmの厚さを有するガラスの層505と、熱伝導性ヒートシンク層506と、を備える。実施例1は、エアギャップヒータを有さないパターン化されていない加熱層をモデル化した。図6は、スタックヒータがオンになり、0.05m/秒の速度で移動している場合の、g=0.1μm、1μm、5μm、10μm、及び20μmのエアギャップ距離のサーモクロミックコーティングの温度(K)を示すグラフである。図6は、5μm、10μm、及び20μmのエアギャップ距離を有するサーモクロミックコーティングにおいて達成される温度が、典型的なサーモクロミック材料の80℃のサーモクロミック閾値温度未満であることを示している。図7は、エアギャップ距離gの関数としての、彩度の尺度であるサーモクロミック材料の光学濃度を示している。図7はまた、この実験において、光学濃度がg>1μmに関して実質的に減少していることも示している。この実施例では、エアギャップ内の室温空気で1μm超の任意のエアギャップが、基材表面における温度の急速な損失をもたらし、したがってサーモクロミックコーティングを使用する印刷/画像ができないことが実証された。 The thermal model assumes a laminate 500 with a substrate 501 separated from the heating assembly 550 by an air gap 502 of 0-20 μm. The heating assembly 550 includes a SiO2 layer 503, a resistance heating layer 504 having a thickness of about 1.5 μm, a glass layer 505 having a thickness of about 45 μm, and a heat conductive heat sink layer 506. Example 1 modeled an unpatterned heating layer without an air gap heater. FIG. 6 shows the temperature of the thermochromic coating with air gap distances of g = 0.1 μm, 1 μm, 5 μm, 10 μm, and 20 μm when the stack heater is on and moving at a speed of 0.05 m / sec. It is a graph which shows (K). FIG. 6 shows that the temperature achieved for thermochromic coatings with air gap distances of 5 μm, 10 μm, and 20 μm is below the 80 ° C. thermochromic threshold temperature of typical thermochromic materials. FIG. 7 shows the optical density of a thermochromic material, which is a measure of saturation, as a function of the air gap distance g. FIG. 7 also shows that in this experiment the optical density was substantially reduced for g> 1 μm. In this example, it was demonstrated that any air gap greater than 1 μm at room temperature air in the air gap results in a rapid loss of temperature on the substrate surface, thus making printing / imaging using a thermochromic coating impossible. ..

上述のような同じモデルを、ギャップ内の周囲空気を、典型的なサーモクロミック材料でコーティングされた基材に対して、80℃の閾値温度のすぐ下である、77℃(=350K)まで加熱した変形例で使用した。このシナリオでは、最大20マイクロメートルのエアギャップが可能であり、得られた印刷の印刷暗度(光学濃度)の損失が比較的小さいことが示された。図8は、エアギャップgに対する光学濃度のグラフである。図8は、図7からのデータと、エアギャップ空気が、77℃まで加熱された実験から得られたデータを重ね合わせている。 The same model as described above heats the ambient air in the gap to 77 ° C (= 350K), just below the threshold temperature of 80 ° C, against a substrate coated with a typical thermochromic material. It was used in the modified example. In this scenario, an air gap of up to 20 micrometers was possible, and it was shown that the loss of print darkness (optical density) of the resulting print was relatively small. FIG. 8 is a graph of the optical density with respect to the air gap g. FIG. 8 superimposes the data from FIG. 7 and the data obtained from the experiment in which the air gap air was heated to 77 ° C.

上述した実施形態の様々な修正及び変更は当業者には明らかであり、本開示は、本明細書に記載される例示的な実施形態に限定されないことを理解されたい。読み手は、開示された一実施形態の特徴が、別途記載のない限り、全ての他の開示された実施形態にも適用することができるものと仮定するべきである。本明細書で参照される全ての米国特許、特許出願、特許出願公開、並びに他の特許及び非特許文献は、それらが前述の開示と矛盾しない範囲で、参照により組み込まれることも理解されたい。 It will be appreciated that the various modifications and modifications of the embodiments described above will be apparent to those skilled in the art and that the present disclosure is not limited to the exemplary embodiments described herein. The reader should assume that the features of one disclosed embodiment can also be applied to all other disclosed embodiments, unless otherwise stated. It should also be appreciated that all US patents, patent applications, patent application publications, and other patent and non-patent documents referred to herein are incorporated by reference to the extent that they are consistent with the disclosures described above.

Claims (20)

基材上に配置されたサーモクロミックコーティングを、第1の温度まで予熱するように構成されているパターン化されていないヒータであって、前記サーモクロミックコーティングは、サーモクロミック材料が色変化を起こす閾値温度を有する、パターン化されていないヒータと、
前記サーモクロミックコーティングの選択された画素を、所定のパターンに従って、前記閾値温度以上の温度まで加熱するように構成されている複数の加熱素子を備えるパターン化されたヒータと、
前記パターン化されたヒータが、前記サーモクロミック材料を加熱している間、前記複数の加熱素子と前記サーモクロミック材料との間に維持されたエアギャップと、を備え、前記エアギャップ内の空気が、第2の温度まで加熱される、システム。
An unpatterned heater configured to preheat a thermochromic coating placed on a substrate to a first temperature, said thermochromic coating is a threshold at which the thermochromic material undergoes color change. With unpatterned heaters that have temperature,
A patterned heater comprising a plurality of heating elements configured to heat selected pixels of the thermochromic coating to a temperature above the threshold temperature according to a predetermined pattern.
The patterned heater comprises an air gap maintained between the plurality of heating elements and the thermochromic material while the thermochromic material is being heated, and the air in the air gap is provided. , A system that is heated to a second temperature.
前記複数の加熱素子に対して、前記基材上に配置された前記サーモクロミック材料を有する前記基材を移動させるように構成されている移動機構を更に備える、請求項1に記載のシステム。 The system according to claim 1, further comprising a moving mechanism configured to move the base material having the thermochromic material arranged on the base material with respect to the plurality of heating elements. 各加熱素子が、前記サーモクロミック材料上を浮動するたわみアーム上に懸架されている、請求項2に記載のシステム。 The system according to claim 2, wherein each heating element is suspended on a deflection arm that floats on the thermochromic material. 前記ギャップが、約5μm〜20μmである、請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1, wherein the gap is from about 5 μm to 20 μm. 前記空気が、前記パターン化されていないヒータによって加熱される、請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1, wherein the air is heated by the unpatterned heater. 前記パターン化されていないヒータが、回転する加熱されたドラム、赤外線ヒータ、及び抵抗ヒータのうちの1つ以上を含む、請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1, wherein the unpatterned heater comprises one or more of a rotating heated drum, an infrared heater, and a resistance heater. 前記エアギャップ内の前記空気を、第2の温度まで加熱するように構成されているエアギャップヒータを更に備える、請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1, further comprising an air gap heater configured to heat the air in the air gap to a second temperature. 前記エアギャップヒータが、赤外線ヒータ、及び強制エアヒータのうちの1つ以上を含む、請求項7に記載のシステム。 The system according to claim 7, wherein the air gap heater includes one or more of an infrared heater and a forced air heater. 前記第1の温度及び前記第2の温度のうちの一方又は両方が、前記閾値温度の25%以内である、請求項7に記載のシステム。 The system according to claim 7, wherein one or both of the first temperature and the second temperature is within 25% of the threshold temperature. 前記基材が、細長いフィルムを含み、
前記パターン化されていないヒータが、前記細長いフィルムと接触する回転するドラムを備える、請求項1に記載のシステム。
The substrate comprises an elongated film
The system of claim 1, wherein the unpatterned heater comprises a rotating drum that contacts the elongated film.
前記サーモクロミック材料が、フルオランロイコ染料を含む、請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1, wherein the thermochromic material comprises a fluorene leuco dye. 前記パターン化されたヒータの前記複数の加熱素子が、抵抗加熱素子である、請求項1に記載のシステム。 The system according to claim 1, wherein the plurality of heating elements of the patterned heater are resistance heating elements. 基材上に配置されたサーモクロミックコーティングを有する前記基材を、第1の温度まで予熱することであって、前記サーモクロミックコーティングが、前記サーモクロミック材料が色変化を起こす閾値温度を有する、予熱することと、
前記サーモクロミックコーティングとパターン化されたヒータとの間のエアギャップを、第2の温度まで加熱することと、
前記パターン化されたヒータを操作して、予熱された前記サーモクロミックコーティングを、所定のパターンに従って、前記閾値温度超に加熱することと、を含む、方法。
Preheating the substrate having the thermochromic coating arranged on the substrate to a first temperature, wherein the thermochromic coating has a threshold temperature at which the thermochromic material causes a color change. To do and
Heating the air gap between the thermochromic coating and the patterned heater to a second temperature and
A method comprising operating the patterned heater to heat the preheated thermochromic coating above a threshold temperature according to a predetermined pattern.
前記基材を予熱することが、前記基材を加熱された回転しているドラムに近付ける、又は加熱された回転しているドラムと接触させることを含む、請求項13に記載の方法。 13. The method of claim 13, wherein preheating the substrate comprises bringing the substrate closer to a heated rotating drum or in contact with a heated rotating drum. 前記エアギャップが、予熱された前記基材からの熱伝達によって加熱される、請求項13に記載の方法。 13. The method of claim 13, wherein the air gap is heated by heat transfer from the preheated substrate. 前記エアギャップが、強制エアヒータ及び赤外線ヒータのうちの少なくとも1つによって加熱される、請求項13に記載の方法。 13. The method of claim 13, wherein the air gap is heated by at least one of a forced air heater and an infrared heater. 前記エアギャップが、5μm〜20μmである、請求項13に記載の方法。 13. The method of claim 13, wherein the air gap is 5 μm to 20 μm. 前記第1の温度及び前記第2の温度のうちの一方又は両方が、前記閾値温度未満である、請求項13に記載の方法。 13. The method of claim 13, wherein one or both of the first temperature and the second temperature is below the threshold temperature. 前記パターン化されたヒータが、複数の抵抗加熱素子を備える、請求項13に記載の方法。 13. The method of claim 13, wherein the patterned heater comprises a plurality of resistance heating elements. 前記第1の温度及び前記第2の温度のうちの一方又は両方が、前記閾値温度の25%以内である、請求項13に記載の方法。 13. The method of claim 13, wherein one or both of the first temperature and the second temperature is within 25% of the threshold temperature.
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