KR100708538B1

KR100708538B1 - Ｏｐｃ 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법 및상기 방법에 의해 제조된 ｏｐｃ 드럼용 알루미늄 관

Info

Publication number: KR100708538B1
Application number: KR1020050107191A
Authority: KR
Inventors: 이규환; 서영익; 오정수; 이범형; 이범진
Original assignee: 한국과학기술연구원; (주)백산오피씨
Priority date: 2005-11-09
Filing date: 2005-11-09
Publication date: 2007-04-24
Also published as: CN101313088A; TWI338724B; TW200718804A; CN101313088B; WO2007055482A1

Abstract

본 발명은 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 미소 흑점을 발생시키지 않으며, 코팅될 유기감광체(Organic Photo Conductor; OPC)와의 젖음성이 뛰어난 기저층을 가지도록 드럼용 알루미늄 합금의 표면을 건식 개질하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 일견지에 따른 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법은, 경면 처리된 알루미늄 관을 준비하는 단계; 및 준비된 알루미늄 관을 알칼리 수용액에 침지하여 표층에 수산화 알루미늄을 형성시키는 표면 개질 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법이다.

본 발명은, 저비용으로 간단한 처리를 통하여 표면에 균일한 절연층을 가지는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법을 제공할 수 있으며, 환경오염 등의 문제를 최소화할 수 있는 방법이다.

표면 개질, 수산화 알루미늄, 평활화, 미소 흑점, 절연층, 유기감광체

Description

ＯＰＣ 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법 및 상기 방법에 의해 제조된 ＯＰＣ 드럼용 알루미늄 관{METHOD FOR TREATING NANO-SIZED SURFACE MODIFICATION ON ALUMINUM FOR OPC DRUM AND ALUMINUM TUBE FOR OPC DRUM MANUFACTURED BY THE METHOD}

도 1은 본 발명법인 표면 개질 단계 및 산화 단계를 거쳐 제작된 시편(실시예2)의 표면 SEM사진;

도 2는 본 발명법인 표면 개질 단계 및 산화 단계 이후 100℃ 증류수에서 1시간동안 평활화 처리한 시편(실시예3)의 표면 SEM사진;

도 3은 본 발명법인 표면 개질 단계 및 산화 단계를 거쳐 제작된 시편(실시예2)의 표면을 XPS를 이용하여 표면의 화학적 상태를 분석한 결과; 그리고

도 4는 본 발명법으로 만들어진 시편을 접촉각 측정 장비(Contact Angle meter)를 이용하여 (a) 처리하지 않은 알루미늄 관(비교예1), (b) 표면 개질 단계를 거친 알루미늄 관(실시예1) 그리고 (c) 표면 개질 단계, 산화 단계 및 평활화 단계를 거친 알루미늄 관(실시예3) 각각의 젖음성을 측정한 결과이다.

본 발명은 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법 및 상기 방법에 의해 제조된 OPC 드럼용 알루미늄 관에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 미소 흑점을 발생시키지 않으며, 코팅될 유기감광체(Organic Photo Conductor; OPC)와의 젖음성이 뛰어난 기저층을 가지도록 드럼용 알루미늄 합금의 표면을 건식 개질하는 방법 및 상기 뛰어난 기저층을 가지는 알루미늄 관에 관한 것이다.

정보통신산업과 인터넷의 발달로 인해 사무용 기기의 핵심인 복사기, 레이저 프린터, 팩스기기와 사무기의 수요가 급증하고 있는 추세이다. 그 예로서, 97년 전세계 생산량이 1천만대이던 레이저 프린터는 그 생산량이 연간 20% 이상씩 증가하고 있는 실정이다.

상기와 같은 복사기, 레이저 프린터, 팩스기기에는 탄소를 종이에 전사하여 인쇄를 할 수 있도록 감광체 드럼을 사용하고 있다. 이러한 감광체 드럼은 알루미늄합금으로 이루어진 관을 경면가공한 후 표면에 유기감광체 층을 형성시키는 제조공정으로 제조된다. 상기와 같은 유기감광체는 평소에는 부도체이지만 빛을 받을 경우에는 도체로 변화하는 물질로서, 대전된 알루미늄 관 표면에 코팅된 상태에서 레이저 빔으로 조사될 경우 조사되는 부분만 전도체로 변화하여 알루미늄 관 표면의 대전전하를 전도시킴으로써 알루미늄 관을 대전된 상태를 바꾸는 역할을 한다. 상기 유기감광체의 기능으로 인하여 알루미늄 관 표면은 인쇄할 모양으로 대전 전하 분포가 바뀌게 되며, 이를 이용하여 탄소를 드럼에 부착시킨 후 종이에 전사하게 되는 것이다.

따라서, 알루미늄 관의 표면에는 대전된 전하가 집적될 수 있도록 절연층이 형성될 필요가 있다.

종래에 상기 절연층을 형성하기 위하여 주로 사용되는 방법으로는 습식 아노다이징 법을 들 수 있다. 상기 아노다이징 기술은 전해액으로 황산계통의 용액을 사용하고, 알루미늄관을 양극으로 사용하고 다른 금속을 음극으로 사용하여 적당한 세기의 전압을 걸어주었을 때, 표면에 안정한 산화물인 Al₂O₃ 층이 형성되는 것을 이용하는 방법이다. 그러나, 상기와 같은 아노다이징 방법은 필수적으로 황산용액과 같은 산용액을 사용하여야 하므로 폐액 처리가 곤란하다는 문제가 있으며, 전기를 사용하여야 하므로 제조비용이 과다하게 소요된다는 문제점이 있었다.

또한 그와는 별도로, 최근 기술의 발달로 인쇄기기의 분해능이 높아지고(예를 들면 600dpi에서 2400dpi로) 인쇄속도도 고속화됨에 따라 최첨단의 고성능 드럼을 사용할 것이 요구되고 있는데, 상기 아노다이징 처리법은 아래와 같은 이유로 인하여 이러한 요구를 충족시키기 어렵다는 치명적인 문제점을 내포하고 있다.

즉, 고성능 드럼을 제조하기 위해서는, 상기와 같은 절연층이 매우 균일하게 분포할 수 있도록 표면이 매우 평탄한 알루미늄 관을 드럼 제조에 사용할 필요가 있는데, 순수 알루미늄의 경우에는 피삭성이 양호하지 못하여 절삭후 표면 평탄도가 불량하므로 이를 개선하기 위하여 알루미늄 내부에 여러가지 합금원소를 첨가하여 사용하는 경우가 많다. 그 예로서 Al-Mn계 알루미늄 합금을 들 수 있는데, 이 합금은 가공성을 향상시키기 위해서 알루미늄에 망간과 필요에 따라서 철 등의 원 소를 첨가시킨 것이다.

상기 원소 첨가에 의해 내부에는 Al₆(Mn,Fe) 등의 정출물(금속간 화합물)이 형성되고 상기 정출물이 합금의 절삭성을 개선시켜 준다. 그런데, 상기의 정출물을 사용할 경우 필연적으로 조대한 정출물이 형성될 가능성이 높은데, 이러한 조대한 정출물은 경면가공 도중에 표면부에 위치할 경우 표면부의 크랙을 발생시키는 균열생성 기점으로 작용하게 된다. 이로 이하여 절연층이 훼손되거나 제품의 표면조도가 매우 떨어지게 되고, 유기 감광 재료 또는 비정질 실리콘 등의 감광제를 사용하여 감광막을 형성할 경우 크랙 부위에서 감광체 코팅층이 떨어져 나가는 등, 감광층 형성 과정에서 장애를 발생시킬 수 있다.

또한, 이러한 조대한 정출물이 표면에 노출되는 경우 소위 미소흑점(black spot)이 형성되게 된다. 상기 미소흑점은 화상 시험시 다른 부분에 비하여 특히 검게 나타나는 부분으로써, 이는 상술한 조대정출물이 표면에 노출되었을 때 발생하는 전극전위 차이에 기인하는 것이다.

그런데, 아노다이징 처리는, 상기와 같은 조대 정출물이 아노다이징 처리된 알루미나의 미세 공극을 통하여 표면측으로 확산되고, 그 결과 표면측에 상기 조대정출물이 형성되기 쉬운 조건을 제공하게 된다. 그러므로, 아노다이징 처리를 통할 경우 화상시험시 미소흑점이 생성하는 것을 완벽하게 방지할 수 없다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 상기 아노다이징 처리와는 별도로 유기 감광체층의 하지층(under coat layer)의 두께를 조절하는 기술이나, 일본 특개 평 9-258469호에 기재된 바와 같이 이산화티타늄을 수지 등과 함께 알루미늄 관의 경면 가공 표면에 도포하여 절연층을 형성하는 기술 등도 제안되었다.

그러나, 이러한 기술들은 매우 정밀한 조건과 까다로운 공정관리가 필요하기 때문에 감광체 드럼의 가공비용이 증가한다는 문제점이 있었다.

그 밖에도, 다수의 연구자 들에 의해 비정질 경질탄소(Diamond Like Carbon; DLC) 박막을 관 표면에 코팅하는 방법(황민선, DIAMOND AND RELATED MATERIALS 10(2001))이나 플라즈마 표면처리(디. 마노바, Surface & Coating Technology 128-129(2000))와 같은 공정이 제안되었으나 상기 방법들도 여전히 과다한 생산비용으로 인하여 공정에 적용하기는 곤란하였다.

또한, 상기와 같은 여러가지 방법들에 의해 알루미늄 관 표면에 형성된 절연층은 대부분 산화물계 절연층으로서 그 위에 유기감광층을 형성시킬 때 유기감광층과의 젖음성이 불량하여 얇고 균일한 유기 감광체 층(특히, 유기감광층 중에서도 CGL(charge generation layer)층)을 형성하는 것이 어려웠다. 상기 유기감광층이 균일하고 얇게 형성되지 못할 경우, 레이저 빔에 의한 감광 정도가 불균일하여 화상이 균일하게 형성되기 어려울 수 있다.

따라서, 본 발명은 저비용으로 간단한 처리를 통하여 표면에 균일한 절연층을 가지는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법을 제공하는 것을 첫번째 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 처리에 사용되는 용액으로 인한 환경오염 등의 문제를 최소화시킬 수 있는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법을 제공하는 것을 그 다음 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 OPC 코팅시 코팅되는 OPC 조성물과 접촉이 용이하도록 양호한 젖음성을 가지는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법을 제공하는 것을 나머지 목적으로 한다.

본 발명의 또다른 일견지에 따른 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법은 경면 처리된 알루미늄 관을 준비하는 단계; 준비된 알루미늄 관을 알칼리 수용액에 침지하여 표층에 수산화 알루미늄을 형성시키는 표면 개질 단계; 및 상기 표층에 수산화 알루미늄이 형성된 알루미늄 관을 산화성 분위기에 노출시켜 표층에 알루미나를 추가로 형성시키는 산화 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법이다.

본 발명의 또 하나의 일견지에 따른 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법은 경면 처리된 알루미늄 관을 준비하는 단계; 준비된 알루미늄 관을 알칼리 수용액에 침지하여 표층에 수산화 알루미늄을 형성시키는 표면 개질 단계; 상기 표층에 수산화 알루미늄이 형성된 알루미늄 관을 산화성 분위기에 노출시켜 표층에 알루미나를 추가로 형성시키는 산화 단계; 및 상기 산화성 분위기에 노출된 알루미늄 관을 물에 침지시키는 평활화 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법이다.

이 때, 상기 알칼리 용액의 온도는 20~100℃ 인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 알칼리 용액은 알칼리 금속이나 알칼리 토금속의 수산화물이 용해된 것이 좋으며, 그 중에서도 NaOH인 것이 바람직하다.

이때, 상기 NaOH 용액의 농도는 0.01 ~ 1 몰인 것이 알루미늄 관의 표면 개질에 효과적이다.

덧붙여서, 상기 알칼리 용액에 침지하는 단계의 침지시간은 30초 ~ 10분 인 것이 좋다.

또한 알루미늄 관의 표면상태에 따라, 상기 알루미늄 관을 알칼리 수용액에 침지하기 전에 세척하는 단계를 선택적으로 더 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 산화성 분위기는 P_H2/P_H2O가 2~5이고, 온도가 300~450℃ 인 것이 알루미나는 충분히 형성시키고 철 등 다른 성분원소는 산화시키지 않도록 하는 효과적인 조건이다.

또한, 상기 산화성 분위기에 알루미늄 관을 노출시키는 시간은 0.1~50 시간인 것이 좋다.

그리고, 상기 평활화 단계에서 사용되는 물은 증류수인 것이 바람직하다.

또한, 상기 평활화 단계에서 물의 온도는 60℃ ~ 끓는점 사이인 것이 효과적이다.

상기의 과정으로 제조된 OPC 드럼용 알루미늄 관은, 표층에 수산화 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 알루미늄 관은 수산화 알루미늄과 알루미나로 이루어진 치밀한 표층을 가지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 알루미늄 관은 수산화 알루미늄과 알루미나 수화물로 이루어진 치밀한 표층을 가지는 것이 더욱 바람직하다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에서 대상으로 하는 알루미늄 관은 알루미늄 합금 관을 의미하는 것으로서, Al-Mn계 알루미늄 합금은 물론이고 Al-Mg계 Al-Mg-Si계 등 드럼용 알루미늄 관으로 사용되는 알루미늄 합금으로 이루어진 관은 모두 본 발명의 범위에 속하는 것이다.

본 발명의 발명자들은 절연층을 습식으로 형성시키는 기존 아노다이징 방법의 문제점을 극복하고자 건식으로 상기 절연층을 형성시키고자 하였다. 그러나, 건식으로 알루미나층을 형성시킬 경우 표면에 치밀질 알루미나가 얇게 형성되고 나면 더 이상 산소와 알루미늄 등 반응에 참여하는 원소들이 상기 치밀질 알루미나 막을 통과할 수 없기 때문에, 드럼제작에 필요한 두께 정도의 절연층을 형성시키기 곤란하게 된다. 따라서, 통상의 건식방법으로는 본 발명에서 목적으로 하는 표면에 균일한 절연층을 가지는 드럼을 제조할 수는 없다.

그러므로, 본 발명의 발명자들은 상기 문제점을 극복하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 표면을 수산화 알루미늄으로 개질한 다음, 개질된 수산화 알루미늄을 형성시킨 후 건식으로 알루미나를 형성시키면 원하는 정도의 균일한 수산화 알루미 늄 절연층을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있었다.

즉, 상술하였듯이 표면에 먼저 치밀질 알루미나가 형성된 경우에는 얇은 알루미나 피막 자체에 의해 성분원소의 이동이 제한받게 되나, 수산화 알루미늄은 상기 알루미나처럼 치밀한 층을 형성하고 있지 않으므로 산소와 알루미늄이 용이하게 이동하여 알루미나를 형성하게 되는 것이다.

이때, 만일 경면 처리된 알루미늄 관에 이물질이 포함되어 있으면 수산화 알루미늄을 형성시키기 전에 이물질을 제거(세척)하는 준비단계를 선택적으로 거칠 필요가 있다. 상기 세척방법은 통상사용되고 있는 세척방법이면 특별한 제한없이 사용가능하며, 특히 아세톤 용액에 초음파 세척하는 방법이 많이 사용된다.

이후, 준비된 알루미늄 관은 알칼리성 용액에 침지된다. 상기 알칼리성 용액은 알루미늄 관의 표면에 형성된 얇은 알루미나층을 제거시켜줄 뿐만 아니라, 수산화 알루미늄 생성에 필요한 수산기(-OH)를 공급해주는 역할을 한다. 따라서, 수산기를 다량 공급할 수 있으면 어떠한 알칼리라도 본 발명에서 사용될 수 있다. 이들은 특히, OH공급능력의 척도인 pOH와 용해도를 고려할 때 알칼리금속 또는 알칼리토금속의 수산화물이 용해된 알칼리 용액인 것이 바람직하다. 이러한 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 수산화물의 예로서는 NaOH 또는 KOH 등을 들 수 있다. 또한, 상기 알루미나 표면 개질 후 폐액처리시 환경오염 문제를 최소화하기 위해서는 상기 알칼리 용액은 NaOH 수용액인 것이 보다 바람직하다.

상기 알루미늄 관이 침지되는 상기 알칼리 용액은 그 온도가 20~100℃인 것이 바람직하다. 침지온도가 100℃을 초과할 경우에는 알루미늄 관의 표면조도가 나빠지고, 20℃ 미만일 경우에는 반응량이 미미하여 시간이 과다하게 소요된다.

또한, 상기 알칼리 용액이 NaOH 용액일 경우에는 용액중 NaOH 농도는 0.01~1 몰 농도인 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 NaOH의 농도가 1 몰을 초과할 경우에는 알루미늄 관의 표면조도가 악화되고, 너무 낮을 경우에는 반응 속도가 느려서 반응 시간이 과다하게 소요되기 때문이다. 기타, 다른 알칼리 용액도 상기 NaOH를 기준으로 하여 유사한 pOH를 형성시키는 농도 범위에서 사용하면 된다.

그리고, 상기 알루미늄을 침지하는 시간은 30초 내지 10분인 것이 바람직하다. 만일 상기 침지시간이 30초 미만일 경우에는 개질된 표면층 두께가 충분하지 않고, 10분을 초과할 경우에는 더이상 개질량 증대 효과가 없을 뿐 아니라, 시간만 과다하게 소요되기 때문에 상기 최대 시간을 10분으로 하는 것이 적당하다.

상기와 같이 알루미늄 관을 알칼리 용액에 침지하는 단계를 표면 개질 단계라 칭한다. 본 표면 개질 단계에서 처리된 알루미늄 관의 표면에는 균일한 수산화 알루미늄(Al(OH)₃) 층이 형성되게 된다.

상기 표면 개질 단계에서 처리된 알루미늄 관은 이후 알루미늄 층을 형성시키기 위하여 산화성 분위기에 노출될 필요가 있다. 표면 개질단계에서 표면에 수산화 알루미늄을 형성시켰으므로 치밀질 알루미나에 의해 산소와 알루미늄의 이동 이 차단되는 문제는 더 이상 발생되지 않는다. 또한, 조대한 정출물의 표면을 상기 수산화 알루미늄이 둘러싸고 있어 정출물에 의한 문제를 최소화 할 수 있다. 따라서, 공기 또는 산소로 이루어진 산화성 분위기에서 본 산화단계를 진행시키더라도 미소흑점이 두드러지게 발생하는 등의 문제는 일어나지 않는다.

다만, 알루미늄은 산화반응에 참여하여 절연층을 형성시키나, 합금중 첨가원소인 철(Fe) 등은 산화반응에 참여하지 않도록 하면 혹시 발생될지도 모르는 결함을 예방할 수 있어 더욱 바람직한 것이다.

즉, 조대한 정출물에 포함된 철 등이 산화될 경우에는 불균일한 전극전위가 발생될 가능성이 일부 잔존하기 때문에 철 등은 가능한 한 산화되지 않도록 할 필요가 있는 것이다.

상기와 같은 조건은 철과 알루미늄의 산화경향의 차이를 이용하면 충족시킬 수 있다.

즉, 알루미늄과 철은 모두 아래와 같은 산화반응을 일으킨다.

Fe + H₂O = FeO + H₂

Al + H₂O = Al₂O₃ + H₂

상기 반응과 각각의 열역학 평형상수를 비교하면 두 원소의 산화 정도를 이해할 수 있다. 즉, 두 반응의 반응 평형상수를 고려하면 두 반응이 정반응 또는 역반응으로 진행하는지 여부는 반응온도와 P_H2/P_H2O의 값에 따라 결정된다. 다시 말하면, 수증기 분압이 높아질 경우에는 정반응쪽으로 반응이 진행되고, 반대로 수증기 분압이 낮아지면 역방향으로 반응이 진행되는 것이다. 그런데, Al은 산화경향이 매우 강하여 이론상 약간의 수분만 존재하여도 Al₂O₃로 변화하기 때문에 대부분의 경우에서 정반응이 일어나는 것으로 생각할 수 있다. 반면, Fe도 수분에 의하여 산화되어 FeO로 변화하기는 하지만, 수증기 분압이 일정수준 이하로 감소하면 정반응의 진행을 막을 수 있다. 또한, 두 반응 모두 온도가 증가할수록 정반응이 진행되려는 경향이 강해지고, 알루미늄의 경우에는 고온으로 갈수록 표면에 나노크기의 박막 산화물층이 형성되게 되게 된다.

이러한 점을 고려하여, 알루미늄만 산화반응을 일으키게 하기 위해서는 반응온도를 350~450℃ 사이로 조절하고, 상기한 P_H2/P_H2O를 2~5 사이로 조절할 필요가 있다. 반응온도가 350℃ 미만일 경우에는 알루미늄의 산화가 가능하더라도 그 반응속도가 너무 느려 실제 공정에 적용하기는 곤란하다. 또한, 반응온도가 450℃를 초과할 경우에는 철도 함께 산화될 가능성이 높게 되므로 반응온도는 350~450℃ 범 위로 유지할 필요가 있다.

마찬가지로 P_H2/P_H2O가 2 미만일 경우에는 수증기 분압이 과다하여 철의 산화가 일어날 수 있으며, 5를 초과할 경우에는 알루미늄 산화에 과다한 시간이 소요되므로 불리하다.

상기와 같은 조건하에서 알루미늄 관을 산화시킬 경우 약 0.1 ~ 50시간 유지시키는 것이 바람직하다. 만일, 유지시간이 0.1시간 미만일 경우에는 표층에 생성되는 알루미나의 양이 부족하고 50시간을 초과할 경우에는 더 이상 알루미나 생성량 증가효과가 없으며, 생산성이 감소한다.

본 과정에서 처리된 알루미늄 관은 표층에 수산화 알루미늄과 알루미나가 함께 존재하는 형태를 가진다. 본 단계에 의해 제조된 알루미늄 관은 표면에 균일한 알루미나 및 수산화 알루미늄 층을 이루게 되어 유기감광체 코팅 후 드럼으로 사용될 경우 균일한 대전 전위전극 분포를 가질 수 있다. 이하, 본 단계를 산화단계라 칭한다.

상술하였듯이 상기 산화과정을 거친 알루미늄 관의 표면에는 수산화 알루미늄과 알루미나가 함께 존재하게 되는데, 이들은 치밀한 층을 이루고 있지는 않다. 이는 상술하였듯이, 알루미늄과 산소의 반응을 촉진시키기 위해 수산화 알루미늄으로 표면을 개질하였기 때문인데, 상기 수산화 알루미늄과 알루미나가 공존하는 층을 치밀하게 하여 절연성을 보다 높이기 위해서는 하기하는 평활화 단계가 필요하 다.

본 평활화 단계는 산화단계에서 형성된 알루미나를 알루미나 수화물로 변화 시킴으로써 그 층을 보다 치밀하게 함은 물론이고, 알루미나에 결합하여 알루미나 수화물을 형성하는 결합수로 인하여 향후 코팅층을 형성하게될 유기감광체와의 젖음성도 대폭 향상시키기 위함이다.

따라서, 본 단계에서는 알루미나에 결합수가 부착되기 용이한 조건을 형성하여 줄 필요가 있다. 따라서, 본 단계에서는 상기 표층에 알루미나와 수산화 알루미늄이 존재하는 알루미늄 관을 물 속에 침지하여 처리한다. 알루미늄 관의 표면에 유기감광층이 코팅되며 정밀한 대전 전하 제어를 할 필요가 있다는 점에서 상기 물은 증류수인 것이 바람직하다. 상기 알루미늄 관이 처리되는 물의 온도는 결합수가 용이하게 부착될 수 있도록 하기 위해서 60℃ ~ 끓는점(boiling point) 범위인 것이 바람직하다. 상기 물의 온도가 60℃ 미만일 경우에는 평활화 효과가 미흡하여 표면에 치밀한 조직이 형성되기 어려우며, 알루미늄 튜브는 물속에 침지되어 있으므로 물의 온도가 끓는점 이상으로 올라갈 수는 없다. 만일 증류수를 사용할 경우에는 상기 물의 온도는 100℃으로 된다.

또한, 표층에 충분한 양의 알루미나 수화물을 형성시키기 위해서는 1~120 분 사이의 온도로 처리할 필요가 있다. 이는, 만일 1분 미만의 시간으로 처리할 경우에는 평활화 효과가 미흡하며, 120분 정도이면 더이상 평활화 효과가 증가하지 않기 때문이다.

상기와 같은 처리를 통하면 표면에 균일한 절연층을 가지는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에서 의도하는 나노 표면 개질 방법은 상기 일련의 단계를 모두 실시하여야만 얻어지는 것은 아니다. 즉, 알루미늄 관 준비 및 세척 이후에, 상술한 표면 개질 단계만 거치더라도 표면에 균일한 절연층을 가진 드럼을 제공할 수 있다.

예를 들면, 표면 개질된 알루미늄 관은 표면에 수산화 알루미늄을 포함하고 있는데, 상기 수산화 알루미늄이 표면에 형성된 알루미늄관의 표면에 이산화 티타늄 코팅을 실시하면 상기 티타늄 코팅층이 절연체 역할을 하게 된다. 즉, 이산화 티타늄을 절연층으로 사용하기 위해서는 30% 이상의 이산화 티타늄을 나일론(특히, 나일론 6)과 함께 부탄올에 섞은 후 이를 알루미늄 관의 표면에 도포하게 되는데, 종래의 표면 개질이 되지 않은 알루미늄 관에 상기 혼합 용액을 도포할 경우, 용액과 알루미늄 관 사이의 젖음성이 나빠 코팅층이 균일하지 않게 된다. 따라서, 종래의 방법에 의해 이산화 티타늄 절연층을 형성한 드럼은 그 전극전위가 균일하게 되기 어렵다는 단점을 가지고 있었다.

그러나, 본 발명의 표면 개질 단계에 의할 경우 표면에는 수산화알루미늄이형성되고 이는 상술한 이산화티타늄/나일론6/부탄올의 혼합용액과의 젖음성이 양호하여 균일한 절연체 층을 형성할 수 있게 된다.

또한, 상기와 같은 각 단계, 즉, 표면개질단계, 산화단계 및 평활화 단계를 거친 알루미늄 관들의 표층부의 두께는 0.05~1㎛ 정도로 된다.

이하, 본 발명을 후술하는 실시예를 이용하여 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 후술하는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시일 뿐 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것은 아니다. 본 발명의 권리범위는 오직 청구범위에 기재된 사항과 상세한 설명으로부터 유추되는 사항에 의해 정해지는 것이다.

(실시예)

실시예1

경면 가공된 Al-Mn계 알루미늄 관을 아세톤에서 초음파 세척한 후에 80℃의 0.05M NaOH 알칼리 수용액에서 3분 동안 침지하여 나노 표면 개질 단계를 실시하여 표면이 개질된 알루미늄 관을 얻었다.

실시예2

상기 실시예1과 같은 조건으로 표면 개질 처리된 알루미늄 관을 300℃에서 1시간 동안 P_H2/P_H2O가 5인 산화 분위기 중에서 산화 처리를 실시하여 표면에 수산화 알루미늄과 알루미나가 공존하는 알루미늄 관을 얻었다.

실시예3

실시예2와 같은 조건으로 제조된 알루미늄 관에 대하여 100℃ 증류수에서 1시간 동안 평활화 처리를 실시하여 우수한 젖음성 및 절연성을 가지는 산화피막이 생성된 알루미늄 관을 제조할 수 있었다.

비교예1 및 비교예2

경면가공만 실시한 알루미늄 관을 대조군으로 사용하기 위하여 비교예1로 정하였다. 또한, 경면 가공 처리된 알루미늄 관을 세척한 후 종래의 습식 아노다이징 처리하여 표면에 절연층을 형성하였다. 상기와 같이 습식 아노다이징 처리한 결과를 비교예2로 하였다.

전자현미경을 통한 조직 관찰

상기 실시예2에 의해 제조된 알루미늄 관의 표면을 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 표면을 관찰한 결과를 도 1에 나타내었다. 상기 도 1에서 관찰할 수 있듯이, 나노크기의 알루미나와 수산화 알루미늄이 표면을 덮고 있으며, 그 결과 표면부에 미소흑점의 원인이 되는 조대 정출물은 전혀 형성되지 않는다는 것을 알 수 있다. 이는 NaOH 수용액 속에서 산소와 알루미늄의 확산을 억제하는 치밀질 알루미나층이 제거되면서 알루미늄이 수용액 중의 OH^- 이온과 반응하여 나노 크기의 분포를 가지는 수산화 알루미늄층이 생성된 이후 산화단계에서 상기 수산화 알루미늄 층을 통하여 산소와 알루미늄이 반응하여 수산화 알루미늄 사이에 알루미나가 형성되므로 표면에 조대 정출물이 형성될 수 없기 때문이다.

마찬가지로 상기 실시예3에 의해 제조된 알루미늄 관의 표면을 주사전자현미경을 이용하여 표면을 관찰한 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에서 볼 수 있듯이, 도 1과 비교할 때 보다 표면이 미려하게 변한 것을 알 수 있다. 이는 산화처리에 의해 생성된 알루미나중 상당량이 알루미나 수화물로 변화한 결과로서 평활화 처리에 의해 알루미나 수화물이 형성되고 보다 치밀한 표층이 형성될 수 있다는 것을 보여주는 것이다.

XPS 분석

도 3에 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)로 실시예2에 의하여 제조된 알루미늄관 표면에 대하여 알루미늄과 산소의 피크를 분석한 결과를 나타내었다. 도 3의 (a)에는 알루미늄의 존재형태별로 각 피크의 위치를 표시하였는데, 알루미나와 수산화 알루미늄이 공존하고 있다는 것을 알 수 있으며, 마찬가지로 산소의 존재형태별로 각 피크의 위치를 표시한 도 3의 (b)를 통해서도 알루미나와 수산화 알루미늄이 공존하고 있다는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 산화 단계에서 알루미나가 용이하게 형성될 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

절연성 관찰

본 발명의 실시예2 및 실시예3으로 제조된 알루미늄 관의 절연성을 알아보기 위하여 저항을 측정하였다. 측정결과 각 시편의 저항은 모두 ∞로 평가되었으며, 이로 인하여 본 발명의 방법으로 드럼용 알루미늄 관을 제조할 경우 표면의 절연특성이 매우 우수하다는 것을 알 수 있었다.

접촉각 측정

상기 비교예1, 실시예1 및 실시예3에 의해 제조된 알루미늄 시편의 표면에 나일론6이 용해된 부탄올을 도포한 후 젖음성을 관찰하였다. 도 4에 그 결과를 나타내었다. 도 4에서 볼 수 있듯이, 전혀 표면처리를 실시하지 않은 비교예1(도 4의 (a))의 알루미늄 시편은 액적이 전혀 펼쳐지지 못하고 방울로 존재함에 반하여 알칼리 용액에서 표면 개질 처리를 거친 실시예1(도 4의 (b))의 시편은 상당히 넓게 액적이 펼쳐진 것을 알 수 있다. 또한, 평활화처리까지 마친 실시예3(도 4의 (c))의 시편은 액적인 완전히 도포되어 알루미늄 시편위에 층으로 존재하는 것을 알 수 있었다. 그러므로, 본 발명에 의하여 제조된 알루미늄 관은 유기감광체와 높은 젖음성을 가지고 있으며, 그 결과 감광체의 각 층의 두께를 용이하게 조절할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

전기적 특성, 화상 특성 및 표면조도 평가

비교예1, 비교예2 및 실시예3에 의해 제조된 알루미늄 관을 이용하여 실제 프린터 또는 복사기 등에 사용될 수 있는 OPC 드럼을 제작한 후 이들의 전기적 특 성을 비교하고 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

OPC 코팅을 위한 구체적인 조건은 다음과 같다. 우선, Coating 순서 : 하기표 1의 순수알루늄관 또는 산화막이 형성된 소관에 하지층(UCL), 전하발생층(CGL), 전하수송층(CTL)을 순서대로 적층코팅하였다.

하지층(UCL)은 각 소관들을 일본 Namori사 의 Nylon-6 수지를 Solvent에 용해한 후 그 두께가 1㎛ 이하가 되도록 도포하였다. 상기 하지층 위에 형성되는 전하 발생층(CGL)은 옥소 티타늄 프탈로시아닌(대한정밀화학 제품) 55%와 Resin(SEKISUI 사 제품 PVB BMS 사용) 45%를 Solvent에 분산 용해하여 상기 하지층 위에 두께 1㎛ 이하가 되도록 도포하였다. 전하 수송층(CTL)은 상기 전하 발생층 위에 CTM(HODOGAYA사 제품 SHCT-101) 45%와 Resin(IDEMITSU사 BPPC) 55%를 Solvent에 용해하여 CGL위에 25㎛ 정도의 두께로 도포하였다.

구 분		비교예1	비교예2	실시예3
전기적 특성	대전성(V)	670	673	676
전기적 특성	암 감쇄능(%)	4.27	2.52	2.59
화상특성	흑색농도	1.55~1.61	1.49~1.60	1.48~1.65
화상특성	회색농도	0.51~0.57	0.50~0.58	0.31~0.38
표면조도	Rmax(㎛)	0.52	1.82	2.28
표면조도	Ra(㎛)	0.09	0.2	0.21

상기 표 1에서 알 수 있듯이, 얼마나 높은 전위까지 전하를 대전시킬 수 있는지에 관한 척도인 대전성은 순수 알루미늄관인 비교예1의 경우 670V, 기존의 아노다이징 방법으로 제조한 알루미늄관인 비교예2의 경우 673V 그리고 본 실시예3의 경우 676V로서 본 발명에 의해 제조된 알루미늄관의 경우가 가장 대전성이 우수하다는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 대전된 알루미늄 관을 대전후 방치하였을 때, 대전성이 감소되는 정도를 나타내는 암 감쇄능을 비교하더라도 실시예3이 비교예1 보다 월등히 우수하며 비교예2와 유사한 결과를 나타낸다는 것을 알 수 있었다.

한편, 흑색 농도와 회색 농도에서 화상특성을 평가한 결과는 모든 경우에서 비슷한 결과를 나타내었으며 모두 바람직한 성능범위를 충족하는 것으로 판명되었다.

마지막으로, 표면조도를 관찰한 결과 표면의 불평탄 면의 산과 골의 높이차 최대치를 나타내는 Rmax는 통상 2.5㎛ 이하로 형성되어야 균일한 대전전위를 형성할 수 있으나, Rmax가 너무 낮을 경우 유기감광체 층의 코팅성이 불량하여 얼룩 등이 발생할 수 있다. 따라서, Rmax는 2.5㎛ 이하이면서 가급적이면 높은 값을 가지는 것이 바람직하다. 상기와 같은 내용을 근거로 비교예1, 비교예2 및 실시예3에 의한 결과를 비교한 결과, 실시예3에 의해서는 Rmax가 2.28로서 코팅성이 가장 양호하면서 균일한 대전전위를 얻을 수 있는 조건인 것을 알 수 있었으며, 상대적으로 비교예1은 표면이 너무 평탄하여 코팅성이 불량한 것을 알 수 있었다.

마찬가지로 조도의 평균치인 Ra 값도 실시예3이 그 상한치인 0.25㎛에 가장 가까운 것으로 양호한 코팅성과 균일한 대전전위를 가지는 것임을 알 수 있었다.

따라서, 상기한 바와 같이 본 발명에 의한 제조방법을 이용할 경우 표면의 절연성은 물론이고, 우수한 전기적 특성, 화상특성 및 표면조도와 같은 유기감광체(OPC) 드럼에 적합한 알루미늄 관을 제조할 수 있음을 알 수 있었다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 저비용으로 간단한 처리를 통하여 표면에 균일한 절연층을 가지는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법을 제공할 수 있으며, 환경오염 등의 문제를 최소화할 수 있는 방법이다.

또한, 본 발명은 종래 방법에서 흔히 나타나는 미소흑점의 문제도 크게 해소할 수 있는 유리한 방법을 제공할 수 있다.

Claims

경면 처리된 알루미늄 관을 알칼리 수용액에 침지하여 표층에 수산화 알루미늄을 형성시키는 표면 개질 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 표면 개질 단계에서 상기 알칼리 수용액의 온도는 20~100℃ 인 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 표면 개질 단계에서 상기 알칼리 수용액은 알칼리 금속이나 알칼리 토금속의 수산화물이 물에 용해된 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 알칼리 금속의 수산화물은 NaOH인 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
제 4 항에 있어서, 상기 NaOH 용액의 농도는 0.01 ~ 1 몰인 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 표면 개질 단계에서 알루미늄 관을 상기 알칼리 수용액에 30초 ~ 10분 침지하는 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

표면 개질 단계 이전에 상기 알루미늄 관을 세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
경면 처리된 알루미늄 관을 알칼리 수용액에 침지하여 표층에 수산화 알루미늄을 형성시키는 표면 개질 단계; 및

상기 표면 개질된 알루미늄 관을 산화성 분위기에 노출시켜 표층에 알루미나를 추가로 형성시키는 산화 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 표면 개질 단계에서 상기 알칼리 수용액의 온도는 20~100℃ 인 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법..
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,

상기 표면 개질 단계에서 상기 알칼리 수용액은 알칼리 금속이나 알칼리 토금속의 수산화물이 물에 용해된 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
제 10 항에 있어서,

상기 알칼리 금속의 수산화물은 NaOH인 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법..
제 11 항에 있어서, 상기 NaOH 용액의 농도는 0.01 ~ 1 몰인 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,

상기 표면 개질 단계에서 알루미늄 관을 상기 알칼리 수용액에 30초 ~ 10분 침지하는 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,

표면 개질 단계 이전에 상기 알루미늄 관을 세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 산화성 분위기는 P_H2/P_H2O가 2~5이고, 온도가 300~450℃ 인 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
제 8 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 산화성 분위기에 알루미늄 관을 노출시키는 시간은 0.1~50 시간인 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
경면 처리된 알루미늄 관을 알칼리 수용액에 침지하여 표층에 수산화 알루미늄을 형성시키는 표면 개질 단계;

상기 표면 개질된 알루미늄 관을 산화성 분위기에 노출시켜 표층에 알루미나를 추가로 형성시키는 산화 단계; 및

상기 산화된 알루미늄 관을 물에 침지시키는 평활화 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
제 17 항에 있어서,

상기 표면 개질 단계에서 상기 알칼리 수용액의 온도는 20~100℃ 인 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,

상기 표면 개질 단계에서 상기 알칼리 수용액은 알칼리 금속이나 알칼리 토금속의 수산화물이 물에 용해된 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
제 19 항에 있어서,

상기 알칼리 금속의 수산화물은 NaOH인 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
제 20 항에 있어서, 상기 NaOH 용액의 농도는 0.01 ~ 1 몰인 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,

상기 표면 개질 단계에서 알루미늄 관을 상기 알칼리 수용액에 30초 ~ 10분 침지하는 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,

표면 개질 단계 이전에 상기 알루미늄 관을 세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
제 17 항에 있어서, 상기 산화성 분위기는 P_H2/P_H2O가 2~5이고, 온도가 300~450℃ 인 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
제 17 항 또는 제 24 항에 있어서, 상기 산화성 분위기에 알루미늄 관을 노출시키는 시간은 0.1~50 시간인 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
제 17 항에 있어서, 상기 평활화 단계에서 사용되는 물은 증류수인 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
제 17 항에 있어서, 상기 평활화 단계에서 물의 온도는 60℃ ~ 끓는점 사이인 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 기저층 나노 표면 개질 방법.
제 1 항, 제 8 항 및 제 17 항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 OPC 드럼용 알루미늄 관으로서, 알루미늄관의 표층이 수산화 알루미늄을 포함하고 두께가 0.05~1㎛ 인 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 관.
제 28 항에 있어서, 상기 알루미늄 관은 수산화 알루미늄과 알루미나로 이루어진 치밀한 표층을 가지는 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 관.
제 28 항에 있어서, 상기 알루미늄 관은 수산화 알루미늄과 알루미나 수화물로 이루어진 치밀한 표층을 가지는 것을 특징으로 하는 OPC 드럼용 알루미늄 관.