KR100942676B1 - 대전특성, 장기신뢰성 및 전사효율이 우수한 토너 모입자, 그 제조방법 및 상기 토너 모입자를 포함하는 토너 - Google Patents

대전특성, 장기신뢰성 및 전사효율이 우수한 토너 모입자, 그 제조방법 및 상기 토너 모입자를 포함하는 토너 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대전특성과 전사효율이 우수한 토너 모입자, 그 제조방법 및 이를 포함하는 토너에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 바인더 수지와 대전제어제(CCA) 사이의 상용성을 증가시켜 대전제어제가 수지에 잘 분산되도록 함으로써, 대전 유지성을 현저히 향상시키고, 이를 다시 구형화 처리하여 대전특성, 장기 신뢰성과 전사효율이 우수한 토너 모입자, 그 제조방법 및 이를 포함하는 토너에 관한 것이다.
본 발명의 일측면으로서 토너 모입자는 스티렌/아크릴레이트계 대전제어제; 스티렌/아크릴레이트계 바인더 수지; 및 폴리에스테르계 바인더 수지를 포함하는 것을 특징으로 한다.
토너, 토너 모입자, 대전제어제, 바인더, 대전특성

Description

대전특성, 장기신뢰성 및 전사효율이 우수한 토너 모입자, 그 제조방법 및 상기 토너 모입자를 포함하는 토너{TONER PARTICLE HAVING EXCELLENT CHARGING CHARACTERISTICS, LONG TERM CREDIBILITY AND TRANSFERING PROPERTY, METHOD FOR PRODUCING THE SAME AND TONER CONTAINING SAID TONER PARTICLE}
본 발명은 대전특성과 전사효율이 우수한 토너 모입자, 그 제조방법 및 이를 포함하는 토너에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 바인더 수지와 대전제어제(CCA) 사이의 상용성을 증가시켜 대전제어제가 수지에 잘 분산되도록 함으로써, 대전 유지성을 현저히 향상시키고, 이를 다시 구형화 처리하여 대전특성, 장기 신뢰성과 전사효율이 우수한 토너 모입자, 그 제조방법 및 이를 포함하는 토너에 관한 것이다.
최근 사무실내 PC 보급율의 향상과 사무 자동화 등으로 복사기 및 레이져 프린트 등에 대한 수요는 점점 증가하고 있다. 상기 복사기 및 레이져 프린터는 인쇄용지에 원하는 화상을 표현하기 위하여 토너를 전사하는 형태의 화상형성장치로서 화상형성에 토너를 필수적으로 이용하는 장치이다.
시장의 수요 증가와 함께 상기 복사기 및 레이져 프린터 등에 대한 소비자들의 요구도 점점 엄격해지게 되었는데, 보다 선명한 화질, 장기간 사용하여도 토너의 대전특성이 저하되지 않도록 하는 내구성, 복사기 또는 프린터 자체에 대한 소형화, 저 가격화, 인쇄속도의 고속화, 에너지 절감 및 리사이클링 용이성 등에 대한 요구가 바로 그것이다.
그 중에서도 토너 자체의 특성으로서는 선명한 화질을 지속적으로 유지하기 위하여 장기간 사용하여도 토너의 대전특성이 저하되지 않는 내구성을 들 수 있는데, 토너 제조분야에서는 내구성을 갖춘 토너를 제조하기 위하여 다각도의 연구가 진행되고 있다.
토너라 함은 상술한 바와 같이 프린터나 복사기에 사용되어 전사작업시 피전사물에 화상을 형성하는 도료를 말한다. 선명한 화질을 지속적으로 유지하는 내구성을 가지는 토너를 제조하기 위해서는 복사기나 레이져 프린터 등에서 토너가 인쇄에 사용되는 과정을 우선 이해할 필요가 있다.
복사기나 레이져 프린터와 같이 토너를 전사하여 인쇄하는 방식의 화상형성 장치는 일반적으로 아래와 같은 과정을 통하여 인쇄를 수행한다.
1. 우선, 드럼 표면을 균일하게 대전하는 대전 과정이 수행된다. 상기 드럼으로는 유기감광체(OPC, Organic Photo Conductor) 드럼 등을 사용하는 것이 일반적이다. 대전은 상기 드럼 표면에 충전용 레이온 솔 등을 이용하여 정전기를 발생시키는 방식으로 이루어진다.
2. 이후, 드럼의 표면을 노광하여 정전 잠상을 형성하는 노광 과정이 후속된다. 균일하게 대전된 드럼 표면의 유기감광체 등과 같은 대전체는 빛이 조사되지 않을 경우에는 부도체가 되지만, 빛이 존재할 경우에는 대전된 전하를 흘려보내는 도체와 같은 역할을 수행하므로 레이져 등의 빛에 의해 드럼 표면을 조사하면 조사된 부분만 전하가 제거된 상태가 된다.
3. 상기 드럼 표면의 대전과 별도로 현상 롤러의 표면에 토너를 부착시키는 과정이 진행된다. 본 과정은 이후 토너를 대전 드럼으로 형성시키기 위한 준비 단계이다.
4. 다음으로는 앞에서 준비된 현상 롤러의 표면에 형성된 토너를 이용하여 드럼의 표면에 형성된 잠상에 토너를 현상하여 화상을 얻는 현상 공정이 수행된다. 상술하였듯이, 드럼 표면을 노광시킬 경우에는 노광된 부분은 대전되지 않은 상태로 되는데, 토너를 드럼의 대전 상태와 동일한 상태로 대전시킬 경우 노광되지 않은 부분은 토너에 척력을 작용하여 토너가 부착되기 어렵게 하지만, 상기 노광된 부분은 토너에 척력을 작용하지 않으므로 토너가 원하는 화상 형태로 부착될 수 있게 되는 것이다.
5. 상기 현상공정 이후에는 드럼 표면의 토너 화상을 피전사지(즉, 인쇄용 지)에 전사하는 전사공정이 수행된다. 전사는 피전사지의 표면을 토너와 반대의 전하로 대전되도록 하여 토너와 전사지간에 인력이 작용하도록 하고, 전사가 용이하도록 드럼과 피전사지를 가까이 위치시킴으로써 이루어진다.
6. 상기 전사공정에 의해 비록 토너가 피전사지에 전사는 되었지만, 피전사지와 토너가 영구 결합된 것은 아니므로 상기 피전사지에 전사된 토너 화상을 정착하는 정착공정이 후속된다. 상기 정착공정은 일반적으로 가열 롤러와 압착 롤러로 이루어진 한쌍의 롤러 사이에 토너 화상이 형성된 피전사지를 통과시킴으로써 열과 압력에 의해 토너가 압착되고 토너 내부에 포함된 바인더가 토너 외곽의 코팅층을 형성하도록 함으로써 완성된다.
7. 마지막으로 드럼에 다음번 충전작업을 실시할 수 있도록 하기 위해, 충전전에 표면에 잔류하는 토너를 제거하는 클리닝 공정이 후속된다.
상술한 인쇄과정을 이해하면 인쇄과정 각 공정별로 토너에 요구되는 기본적인 특성을 이해할 수 있다.
우선, 토너를 현상 롤러에 부착한 후 다시 OPC 드럼에 현상하고 피전사지에 전사하기 위해서는 토너는 일정수준 이상의 적합한 토너 대전량을 갖출 필요가 있다. 즉, 토너는 토너 카트리지의 토너 호퍼(hopper) 내에서 현상 롤러에 부착되는 과정에서 닥터 블레이드와의 마찰을 겪으면서 대전 되게 되는데, 이후 현상롤러에서 대전 드럼으로, 대전 드럼에서 피전사지로의 현상 및 전사가 용이하게 일어나기 위해서는 적합한 토너 대전량을 갖출 필요가 있는 것이다.
또한, 토너는 대전된 이후 피전사지까지 전사될 때까지 지속적으로 대전된 상태로 유지될 필요가 있다. 이를 대전 유지성이라 하는데, 대전된 전하가 전도성 물체 또는 다른 토너와의 접촉에 의해 소실되지 않도록 하며, 또한 높은 대전성을 유지하도록 하는 것도 그 관건이다.
또한, 이후 전사공정에서 토너가 피전사지에 용이하게 전사되기 위해서는 감광드럼에서 탈착되어 피전사지에 부착되는 성질인 전사효율이 우수할 필요가 있으며, 정착공정에서 고온에서 가열하지 않아도 용이하게 정착될 수 있는 저온 정착성과 잔류토너가 대전롤러 표면으로 옵셋(Offset)되는 현상에 대한 저항성이 우수한 내옵셋성 등이 요구된다. 특히, 전사효율은 입자의 구형도에 크게 영향을 받는 것으로서 입자의 형상이 불규칙할 경우 레이져의 스캐터링(scattering)이 일어나서 효율이 감소될 수 있다. 즉, 프린터가 색 보정을 할 때 OPC 드럼에 image density를 측정하여 실제 이미지와 가장 비슷한 쪽으로 각 칼라 별로 토너 보정이 된다. 토너가 완전한 구형이라면 image density를 측정할 때 색 보정이 정확히 이루어지나, 토너가 구형에서 멀어질수록 image density의 측정시 레이져의 스캐터링이 일어나 정확한 보정을 할 수가 없어서 선명한 화상을 얻지 못한다. 또, 구형도가 증가되면, 토너의 부착력이 증가하여, 드럼에서 전사 밸트로 넘어가는 토너 비율이 증가한다. 그 결과 전사효율이 증가하게 된다.
그외에도 클리닝 공정에서는 클리닝 성능, 내 오염성 등이 요구된다.
특히 최근에는 고화질화, 고속화, 칼라화의 촉진에 의하여 상기의 특성들이 복잡하게 복합적으로 요구되어진다.
따라서, 상기와 같은 모든 요구특성을 만족시키기 위해서 토너는 일반적으로 색을 구현하는 착색제, 바인더 수지, 왁스, 분산제 및 대전제어제 등으로 이루어진 토너 모입자와 상기 토너 모입자의 외부에 부착되는 외첨제로 이루어진다.
여기서 상기 바인더 수지는 토너의 정착 공정에서 가열에 의해 융해되어 피전사지 표면에 부착이 용이하도록 하는 역할을 하며, 왁스는 인쇄후 화상에 광택을 부여하며 모입자의 융점을 낮추는 역할을, 또한 분산제는 균일한 분산을 유도하며, 대전제어제는 토너 모입자의 표면에 대전량을 조절하는 역할을 한다.
그중에서도 특히, 상기 토너 모입자를 형성하는 대전제어제(Charge Control Agent, 간략히 CCA라 칭함)는 토너가 닥터 블레이드와 마찰할 때, 표면이 대전된 상태로 되도록 하는 역할을 하는 것으로서 가급적이면 토너 모입자의 표면에 균일하게 분포될 것이 요구된다.
즉, 대전제어제는 일반적으로 바인더 수지와 별도로 분리된 상을 형성하는 경향이 있는데, 이러할 경우 마찰시 대전이 균일하게 일어나지 않고, 부분부분 불균일한 마찰이 일어나므로 대전 분포가 아주 넓게 된다. 이러할 경우에는 토너 입자마다 대전된 상태가 달라지기 때문에 대전량의 조절을 통하여 인쇄하는 방식에서 사용하기가 부적합해진다.
또한, 이와는 별도로 토너 모입자는 상술한 여러 성분들을 함께 융합하여 시트상으로 제조한 후 기계적으로 분쇄하여 가공되는 경우와 중합하여 제조하는 방법으로 제조되는 것이 일반적인데, 기계적으로 분쇄하여 가공되는 방식의 경우는 상대적으로 제조가 용이하다는 관점에서 아직까지도 많이 사용되고 있다. 그러나, 기계적으로 분쇄하여 토너 모입자를 제조하는 경우에는 그 형상이 불규칙적일 뿐만 아니라 표면에 균열 등도 다량 존재하고 있기 때문에 레이저 등과 같은 빛을 조사할 경우 스캐터링이 매우 심해진다는 문제가 있다. 따라서, 기계적 분쇄법을 이용하여 얻어진 토너 모입자는 전사효율의 감소라는 문제를 극복할 필요가 있다.
그리고, 프린터는 저속, 중속, 고속으로 인쇄 속도가 변화됨에 따라 토너의 대전 특성이 변화하게 되는데, 이러한 대전 특성을 고려하지 않고 대전시킬 경우 대전량이 과다하여 타이어 트래킹(tire tracking)이라는 배경오염을 발생시키거나, 대전량이 부족하여 불균일한 화상이 형성될 염려가 있다. 따라서 상기 인쇄속도별로 적합한 대전량을 가진 토너를 제공하여야 하나 아직까지는 기술개발이 미흡한 실정이다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 대전제어제가 분리된 상으로 존재하지 않고 바인더 수지 내에 고르게 분산됨으로써 토너 모입자 전체에 대하여 균일한 대전성능을 가져서 대전 분포 폭이 좁으며, 대전 유지성이 우수하고 그에 따라 장기 신뢰성도 높은 토너 모입자, 그 제조방법 및 이를 포함하는 토너를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전사효율이 높은 토너 모입자, 그 제조방법 및 이를 포함하는 토너를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 인쇄속도가 느린 저속 인쇄에서 사용하기에 적합한 토너 모입자, 그 제조방법 및 이를 포함하는 토너를 제공하는 것을 또 하나의 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면으로서 토너 모입자는 스티렌/아크릴레이트계 대전제어제; 스티렌/아크릴레이트계 바인더 수지; 및 폴리에스테르계 바인더 수지를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 스티렌/아크릴레이트계 대전제어제는 스티렌/BA(n-부틸 아크릴레이트) 또는 스티렌/2-EHA(2-에틸 헥실 아크릴레이트)인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 대전제어제는 토너 모입자 중 0.2~2.0 중량% 포함되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 스티렌/아크릴레이트계 바인더 수지는 산가(acid value)가 2~10mgKOH/g 이며, 중량평균분자량(Mw)이 100,000~200,000사이인 것이 바람직하다.
또한, 상기 스티렌/아크릴레이트계 바인더 수지는 토너 모입자 중 40~60중량% 포함되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 폴리에스테르 바인더 수지는 산가가 8~12mgKOH/g이며 중량평균분자량이 20,000~50,000사이인 것이 바람직하다.
또한, 상기 폴리에스테르 바인더 수지는 토너 모입자 중 30~50중량% 포함되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 토너 모입자는 구형화 처리된 것이 바람직하다.
특히, 구형화 처리방법에는 기계적(mechanical) 방법과 열적(thermal) 방법이 있는데 기계적 방법은 주로 전단력에 의해 토너 입자끼리 충돌시켜 입자를 구형화 시키는 것이고, 열적인 방법은 열에 의해서 토너입자를 구형화 시키는 방법이다. 기계적 방법이 열적인 방법보다 토너 입자간의 크기 분포를 좁게 ( particle size distribution)할 수 있는 장점과 열에 의한 물성의 변화를 최소화하기 위해서는 기계적 방법으로 구형화 처리하는 것이 보다 바람직하다.
이때, 상기 구형화 처리는 기계적 방법을 이용하여 5~20분 동안 75~100m/s의 선속도로 토너 모입자를 충돌시켜 그라인딩함으로써 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 토너 모입자는 착색제, 분산제, 왁스, 유동 촉진제, 이형제 및 기타 토너 모입자 첨가물을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 일측면인 토너 모입자의 제조방법은, 스티렌/아크릴레이트계 대전제어제 0.2~2.0 중량%, 스티렌/아크릴레이트계 바인더 수지 40~60 중량%, 폴리에스테르계 바인더 수지 30~50 중량% 및 잔부의 토너 모입자 첨가물을 포함하는 혼합물을 혼련하여 시트상 재료로 제조하는 단계; 상기 시트상 재료를 기계적으로 분쇄하여 토너 모입자를 제조하는 단계; 및 상기 분쇄된 토너 모입자를 구형화 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 스티렌/아크릴레이트계 대전제어제는 스티렌/BA(n-부틸 아크릴레이트) 또는 스티렌/2-EHA(2-에틸 헥실 아크릴레이트)인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 스티렌/아크릴레이트계 바인더 수지는 산가(acid value)가 2~10mgKOH/g 이며, 중량평균분자량(Mw)이 100,000~200,000사이인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 폴리에스테르 바인더 수지는 산가가 8~12mgKOH/g이며 중량평균분자량이 20,000~50,000사이인 것이 바람직하다.
삭제
본 발명의 또다른 일측면으로서 상기 특징을 가진 토너 모입자를 포함하는 토너는 스티렌/아크릴레이트계 대전제어제 0.2~2.0 중량%, 스티렌/아크릴레이트계 바인더 수지 40~60 중량%, 폴리에스테르계 바인더 수지 30~50 중량% 및 잔부의 토너 모입자 첨가물을 포함하는 토너 모입자의 표면에 외첨제를 코팅하는 것을 특징으로 한다.
삭제
또한, 상기 스티렌/아크릴레이트계 대전제어제는 스티렌/BA(n-부틸 아크릴레이트) 또는 스티렌/2-EHA(2-에틸 헥실 아크릴레이트)인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 스티렌/아크릴레이트계 바인더 수지는 산가(acid value)가 2~10mgKOH/g 이며, 중량평균분자량(Mw)이 100,000~200,000사이인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 폴리에스테르 바인더 수지는 산가가 8~12mgKOH/g이며 중량평균분자량이 20,000~50,000사이인 것이 바람직하다.
또한, 상기 토너 모입자는 구형화 처리된 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 발명자들은 대전 분포 폭이 넓고 대전 유지성이 양호한 토너 모입자(toner particle)를 얻기 위하여 깊이 연구한 결과, 토너 모입자에 포함된 바인더 수지에 대한 대전제어제의 상용성이 양호할 경우 대전제어제가 상기 바인더 수지내에 균일하게 분산될 수 있으므로 상술한 종래기술에서와 같이 대전특성이 균일하지 못한 문제가 해결될 수 있다는 것을 알고 본 발명에 이르게 되었다.
즉, 본 발명의 토너 모입자는 바인더, 대전제어제(CCA), 착색제, 분산제, 왁스, 유동 촉진제, 이형제 및 기타 토너 모입자 첨가물 들을 포함하는데, 그 중에서도 특히 바인더와 대전제어제의 조성을 특정범위로 제어한 것이다.
본 발명에서 상기 토너 모입자는 대전제어제로 스티렌/BA(n-부틸 아크릴레이트)나 스티렌/2-EHA(2-에틸 헥실 아크릴레이트)와 같은 스티렌/아크릴레이트 계열 의 수지를 포함하며, 바인더로는 스티렌/아크릴레이트와 폴리에스테르를 포함한다.
상기 스티렌/아크릴레이트계열의 대전제어제는 바인더에 포함되어 있는 스티렌 아크릴레이트와의 상용성이 우수하여 용이하게 분산될 수 있으므로 균일한 대전 특성을 가질 뿐만 아니라 대전 효율도 높게 된다. 그러나, 바인더가 전량 스티렌/아크릴레이트 계열일 경우에는 대전제어제와 바인더와의 상호 친화도가 너무 좋아 거의 완전히 균일한(homogeneous) 상태에 이르게 된다. 즉, 좋은 대전 특성과 전사효율을 얻기 위해서는 바인더가 완전히 섞이는 것보다는 아주 작은 입자들로 상분리된 형태로 이루어져 있는 편이 화상이 균일하고, 전사효율이 높아진다. 즉 가장 좋은 화상의 균일성과 전사 효율을 이루기 위해서는 미세 상분리(microphase separation)의 상태가 되야 하는데 그렇지 않고 거시적으로 상분리(macrophase separation)된 경우는 불균일한 대전특성으로 인한 현상특성 저하가 발생하며(전사효율이 낮거나, 장기 안정성이 나쁨), 완전 균일한 상은 낮은 대전 특성으로 인한 현상특성저하가 발생하게 되므로 바람직하지 못 않다(화상 농도(image density)가 낮거나, 전사효율이 매우 낮음). 본 발명에서 분산이 양호하다고 하는 것은 골고루 아주 작은 크기의 미세상들이 분산되어 있는 형태인 미세 상분리(microphase separation)를 의미한다는 점에 유의할 필요가 있다.
또한, 기계적 분쇄법으로 토너 모입자의 시트상 원료를 분쇄할 경우에는 토너 모입자의 크기로 분쇄될 수 있도록 크랙이 발생하여 전파되어 나가면서 토너 모입자가 제조될 필요가 있는데, 주로 크랙은 두 상과 상의 상분리 계면을 통하여 전파되어 나가는 것이 일반적이다. 그러나, 상술하였듯이 대전제어제도 스티렌/아크릴레이트 계열이며 또한 바인더도 스티렌/아크릴레이트 단독일 경우에는 바인더와 대전제어제가 균일하게 혼합되므로 상분리 계면이 형성되기 어렵게 된다. 따라서, 바인더에는 상기 스티렌/아크릴레이트 외에 충분한 상분리 계면을 형성시킬 다른 성분도 함께 포함될 필요가 있는 것이다.
본 발명의 발명자들의 연구결과에 따르면 추가적인 바인더 성분으로는 특정한 조건의 폴리에스테르가 포함되는 것이 바람직하다. 즉, 폴리에스테르는 바인더에 포함될 경우 충분한 상분리 계면(미세 계면)을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 그 분자량 등을 제어할 경우에는 스티렌 아크릴레이트 수지에도 용이하게 혼합될 수 있기 때문에 바인더 수지에 포함되기 적합하다.
토너 모입자에 포함되는 대전제어제는 상술한 바와 같이 스티렌/아크릴레이트계열 수지로서, 스티렌/BA(n-부틸 아크릴레이트)나 스티렌/2-EHA(2-에틸 헥실 아크릴레이트) 등을 사용하는 것이 바람직하며, 그 중에서도 특히, 중량평균분자량(Mw)이 2,000~15,000인 비교적 작은 분자량을 가지는 것을 사용하는 것이 바인더 수지와의 상용성 향상에 바람직하다. 통상 일반적으로는 대전제어제의 함량이 토너 모입자의 2~5 중량%에서 가장 좋은 특성을 보이나, 본 발명의 상기 대전제어제를 상술한 종류의 바인더 수지와 함께 사용할 경우에는 상기 대전제어제의 함량은 토너 모입자 중 0.2~2.0 중량% 특히 0.5~1.5 중량% 인 것이 가장 바람직하다.
상기 대전제어제의 함량이 통상적인 경우보다 낮아도 충분한 효과를 발휘하는 이유는 대전제어제가 바인더 수지에 균일하게 분포되어 있어 대전 분포 및 대전 유지성과 같은 대전특성이 향상될 수 있기 때문이다. 만일, 대전제어제 함량이 너무 높을 경우에는 배경 오염중의 한 종류인 타이어 트래킹(tire tracking)이 발생하여 화상을 심하게 오염시키게 되며, 그 함량이 0.2% 미만일 경우에는 토너 입자의 대전이 균일하지 못하여 불균일한 화상을 형성할 우려가 있기 때문에 바람직하지 않다. 특히, 저속 프린터는 중속이나 고속 프린터에 비해, 현상 롤러와 닥터 블레이드 사이의 마찰력이 커서 고 대전(high charge)상태를 쉽게 형성하는데 대전제어제의 함량이 2.0중량%를 초과하여 과다할 경우에는 이러한 경향은 더욱 심해져서 타이어 트래킹이 발생하는 것이다. 상기 타이어 트래킹은 토너가 계속 인쇄되면서 시간에 따라 토너의 전체적인 대전량이 증가하거나 토너 입자와 입자 사이의 대전량이 높아져서 발생하는 현상이다. 이것은 자동차가 도로에서 급브레이크를 밟으면 타이어 자국이 남는 것처럼 종이에 타이어 자국(tire tracking)같은 배경 오염을 나타낸다.
또한, 본 발명에 사용되는 바인더 수지 중 스티렌/아크릴레이트로는 산가(acid value)가 2~10mgKOH/g 이며, 중량평균분자량(Mw)이 100,000~200,000사이인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 폴리에스테르로는 산가가 8~12mgKOH/g이며 중량평균분자량이 20,000~50,000사이인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
만일, 스티렌/아크릴레이트 계열 수지의 산가가 2mgKOH/g 보다 낮으면 전사효율이 떨어진다. 반대로 10mgKOH/g 보다 높으면 배경 오염이 심하게 발생한다. 또한, 스티렌/아크릴레이트 수지의 중량평균분자량이 100,000보다 낮으면 닥터 블레이드에 토너가 융착되는 블로킹(blocking)이나 가열 롤러(heating roller)에 융착되는 핫 옵셋(hot offset)이 나타나며, 반대로 200,000보다 높으면 미정착의 콜드 옵셋(cold offset)과 그로 인한 잼(jam)이 발생한다. 폴리에스테르 수지도 유사하게, 산가가 범위를 벗어나서 낮은 값을 가지면 전사효율이 떨어지며, 반대로 너무 높은 값을 가지면 배경오염이 나타난다. 폴리에스테르 수지의 중량평균 분자량이 정해진 범위보다 낮으면 핫 옵셋이 나타나고, 범위보다 높으면 분산이 잘 이루어지지 않아 토너의 장기적인 대전 안정성이 나빠지게 된다.
특히, 상기에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 토너 모입자를 이루는 바인더 수지에 포함되는 폴리에스테르는 바인더 수지 중 스티렌/아크릴레이트의 중량분자량에 비하여 상당히 작은 중량평균분자량을 가지고 있다. 이는 상기 폴리에스테르 바인더 수지가 스티렌/아크릴레이트 바인더 수지 사이의 공극에 용이하게 침투하여 잘 혼합되도록 하기 위한 것으로서 이렇게 함으로써 비교적 많은 양의 폴리에스테르 바인더 수지를 스티렌/아크릴레이트 바인더 수지에 첨가하여도 불균일상을 형성하지 않는다.
그 결과, 본 발명의 토너 모입자중 스티렌/아크릴레이트 계열 바인더 수지는 토너 모입자 중 40~60중량% 포함, 보다 바람직하게는 45~55중량% 포함되는 것이 바람직하며, 폴리에스테르 바인더 수지는 30~50중량% 포함되는 것이 바람직하다. 폴리에스테르 바인더 수지 함량이 너무 낮을 경우에는 전사효율이 낮고, 장기적 안정성이 떨어지고, 반대로 폴리에스테르 바인더 수지 함량이 너무 높을 경우에는 스티렌/아크릴레이트 수지와 거시적인 상분리가 일어나게 되어 불균일한 토너 모입자가 형성되므로 바람직하지 않다. 스티렌/아크릴레이트 계열 바인더 수지의 함량이 너무 과다하게 높을 경우에는 폴리에스테르 수지의 함량이 과다하게 낮게 되므로 상기 스티렌/아크릴레이트 수지의 상한과 하한을 정한 이유는 폴리에스테르 수지의 하한과 상한을 정한 이유에 대응된다. 다만, 토너 모입자의 장기적인 대전 안정성과 전사효율 안정성을 얻기 위해서는, 상기 스티렌/아크릴레이트계열 바인더 수지의 함량은 상술한 바와 같이 45~55중량%인 것이 가장 바람직하다.
상기 함량 범위의 바인더 수지 및 대전제어에 외에도, 앞에서도 설명하였듯이 착색제, 분산제, 왁스, 유동 촉진제, 이형제나 기타의 첨가제가 토너 모입자에 더 첨가될 수 있다. 즉, 본 발명의 기술적 사상의 핵심은 상기한 조건으로 대전제어제와 바인더 수지를 토너에 포함시킨다는 것으로서, 이러한 본 발명의 기술적 사상에 위배되지 않는 한 어떠한 종류의 첨가물도 상기 토너 모입자에 포함될 수 있다.
또한, 본 발명에서 대상으로 하는 토너 모입자는 기계적 분쇄법으로 분쇄된 토너 모입자로서 그 형태가 매우 불규칙하다. 불규칙한 형태를 가진 토너 모입자를 이용하여 토너를 제조할 경우에는 앞에서 설명한 바와 같이 레이저의 스캐터링으로 인하여 정확한 이미지 구현이 불가능해지고 대전 안정성이 감소하여 전사효율 및 장기 안정성을 해치게 된다.
따라서, 상기 토너는 기계적으로 분쇄된 이후 구형화 처리를 겪어서 구형의 형상을 가지는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 구형화 처리는 기계적 방법을 이용하여 5~20분 동안 75~100m/s의 선속도로 토너 모입자를 충돌시켜 그라인딩함으로써 이루어지는 것이 바람직하다. 시간과 속도가 상기 범위보다 낮으면, 구형도가 충분하지 않아 장기적 안정성과 전사효율이 떨어지며, 구형화 처리를 한 의미를 상실하게 된다. 반대로 상기 범위를 초과하여 실시할 경우에는, 더 이상 효과 증대를 기 대하기 어려울 뿐만 아니라 시간이나 에너지 측면에서(생산량) 손실을 입을 수 있으므로 바람직하지 않다.
이하, 본 발명의 토너 모입자 제조방법에 대하여 간략히 설명한다.
우선, 상술한 조건의 바인더 함량 및 대전제어제 함량을 가진 토너 모입자용 원료를 혼련하여 시트상 재료로 제조하는 단계가 선행된다.
이후, 상기 시트상의 재료를 기계적으로 분쇄하여 토너 모입자를 제조는 단계가 후속한다.
상기 분쇄된 토너 모입자에 대하여 구형화 처리하는 단계가 후속된다. 상기 구형화 처리 과정에 대한 상세한 조건은 이미 앞에서 설명하였다.
이러한 과정을 통하여 대전 분포가 좁고, 대전 유지성이 우수하여 장기 신뢰성이 뛰어나며 전사효율도 양호한 토너 모입자를 얻을 수 있다.
필요에 따라서는, 이러한 과정으로 제조된 토너 모입자의 표면에 적절한 외첨제를 코팅하는 방법이 후속될 수 있다. 통상의 토너 제조를 위하여 사용되는 외첨제는 모두 본 발명에서 제공하는 토너 모입자의 표면에 코팅될 수 있다.
상술한 과정을 통하면 토너 모입자의 표면에 외첨제가 코팅된 인쇄용 토너를 얻을 수 있는 것이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 자세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시한 본 발명의 예시일 뿐 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것은 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
(실시예)
토너의 제조
하기 표 1에 기재된 조성을 가진 원료를 헨셀 믹서로 혼합한 후, 2축 용융 혼련기에서 150℃의 온도로 용융 혼련하고, 이를 시트상으로 연신시키고 냉각한 후, 햄머 믹서에 의해 수 ㎜의 크기로 조 분쇄하여 젯트 밀에 의해 미분쇄하고, 분급기로 분급하여 평균 입경 7.5~8㎛의 비자성 토너 모입자를 제조하였다.
하기 표 1에서 구형화 처리된 것으로 표시된 경우에서는, 제조된 토너 모입자에 대하여 기계적 방법을 이용하여 5~20분 동안 75~100m/s의 선속도로 토너 모입자를 충돌시켜 그라인딩함으로써 구형화 처리를 하였다.
대전제어제로는 중량평균분자량이 2000~15000인 것을 사용하였고, 산가는 15~25mgKOH/g 인 것을 사용하였다. 모든 실시예 및 비교예에서 안료와 왁스를 합하여 7중량% 첨가하도록 하여 안료와 왁스양의 변동에 의한 영향을 받지 않도록 하였다.
상기 구형화 처리되거나 처리되지 않은 토너 모입자 100중량부에 대하여 구형 유기분말로 평균입경 0.1㎛~1㎛의 PMMA(polymethylmethacrylate) 0.5 중량부와 평균입경 12nm의 실리카 3 중량부를 선속도 20m/s로 5분 동안 교반, 혼합하고 코팅하여 비자성 일성분계 칼라 토너를 제조하였다.
구분 스티렌/아크릴레이트 수지 폴리에스테르 수지 대전제어제 구형화 처리
실시예1 47.2 45 0.8 실시
실시예2 40 52.8 0.2 실시
실시예3 40 52.5 0.5 실시
실시예4 40 52 1.0 실시
실시예5 40 51 2.0 실시
실시예6 50 42.8 0.2 실시
실시예7 50 42.5 0.5 실시
실시예8 50 42 1.0 실시
실시예9 50 41 2.0 실시
실시예10 60 32.8 0.2 실시
실시예11 60 32.5 0.5 실시
실시예12 60 32 1.0 실시
실시예13 60 31 2.0 실시
비교예1 92.9 - 0.1 실시
비교예2 92.9 - 0.5 실시
비교예3 92.0 - 1.0 미실시
비교예4 92.0 - 1.0 실시
비교예5 89.0 - 4.0 실시
비교예6 80 12.9 0.1 실시
비교예7 80 12.5 0.5 실시
비교예8 80 12.0 1.0 미실시
비교예9 80 12.0 1.0 실시
비교예10 80 9.0 4.0 실시
비교예11 70 22.9 0.1 실시
비교예12 70 22.5 0.5 실시
비교예13 70 22.0 1.0 미실시
비교예14 70 22.0 1.0 실시
비교예15 70 19.0 4.0 실시
비교예16 30 62.9 0.1 실시
비교예17 30 62.5 0.5 실시
비교예18 30 62.0 1.0 미실시
비교예19 30 62.0 1.0 실시
비교예20 30 59.0 4.0 실시
비교예21 10 82.9 0.1 실시
비교예22 10 82.5 0.5 실시
비교예23 10 82.0 1.0 미실시
비교예24 10 82.0 1.0 실시
비교예25 10 79.0 4.0 실시
상기 표 1에서 각 성분의 함량 단위로는 토너 모입자량에 대한 중량%를 사용하였다.
상기 실시예 1 내지 13 및 비교예 1 내지 25에서 제조한 비자성 일성분계 칼라 토너를 접촉식 현상기구로 구성된 시판되는 비자성 일성분 현상방식의 프린터(휴렛페커드 HP2500)를 이용하여 상온, 상습(20℃, 55% RH)의 환경에서 3,000 매까지 출력을 하여 하기의 방법으로 전사 효율, 장기성, 및 타이어 트래킹 발생 유무를 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
1) 전사효율: 상기 프린트한 3,000매에 대하여 각 500매 단위로 소모량에서 낭비량을 뺀 순 소모량을 계산하여 순수하게 종이로 전사된 토너의 %를 계산하였다.
A: 전사효율 75%이상
B: 전사효율 65~75%
C: 전사효율 55~65%
D: 전사효율 55%이하
2) 장기성: 3,000매까지 프린트 하여 처음 대비 소모량 및 전사효율이 어느정도까지 유지되는지를 확인 하였다.
A: 소모량 및 전사효율 유지 90%이상
B: 소모량 및 전사효율 유지 80~90%
C: 소모량 및 전사효율 유지 70~80%
D: 소모량 및 전사효율 유지 70%이하
3) 타이어 트래킹(Tire tracking): 배경오염중의 한 종류로써 sleeve의 토너층이 두꺼워지면서 얼룩 무늬 비슷하게 띠 형태로 화상을 오염시키는 현상으로써 발생 여부 확인
X: 타이어 트래킹 발생 안함
O: 타이어 트래킹 발생 함
구분 전사효율 장기성 타이어 트래킹
실시예1 A A X
실시예2 B B X
실시예3 A B X
실시예4 A B X
실시예5 A B X
실시예6 B B X
실시예7 A A X
실시예8 A A X
실시예9 A B X
실시예10 B B X
실시예11 A A X
실시예12 A A X
실시예13 B B X
비교예1 D D X
비교예2 C C X
비교예3 D D X
비교예4 C C X
비교예5 C D O
비교예6 D D X
비교예7 C C X
비교예8 D D X
비교예9 C C X
비교예10 C D O
비교예11 D D X
비교예12 B B X
비교예13 D D X
비교예14 B B X
비교예15 C D O
비교예16 D D X
비교예17 C C X
비교예18 C D X
비교예19 D D X
비교예20 D D O
비교예21 D D X
비교예22 D D X
비교예23 D D X
비교예24 D D X
비교예25 D D O
상기 표 2에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 바인더와 조성범위를 만족하는 실시예1~13의 경우는 전사효율과 장기성이 모두 A 또는 B 등급으로 양호한 결과를 나타내고 있음에 비하여 본 발명의 조성범위를 벗어나는 비교예의 경우는 대부분 C 또는 D 등급을 나타내고 있었다. 또한, 이와는 별도로 구형화 처리를 하지 않은 비교예5, 비교예10, 비교예15, 비교예20 및 비교예25의 경우는 배면오염인 타이어 트래킹 현상이 발생함을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명의 토너 모입자, 그 제조방법 및 상기 토너 모입자를 포함하는 토너의 우수함을 확인할 수 있었다.
앞에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바인더 수지와 대전제어제 사이의 상용성을 증가시켜 대전제어제가 수지에 잘 분산되게 함으로써, 토너 모입자의 대전유지성 및 대전 분포 특성을 향상시키고, 또한 상기 토너 모입자를 구형화 처리함으로써 타이어 트래킹 현상까지 방지할 수 있는 효과적인 발명이다.

Claims (21)

  1. 스티렌/아크릴레이트계 대전제어제;
    스티렌/아크릴레이트계 바인더 수지; 및
    폴리에스테르계 바인더 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 토너 모입자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 스티렌/아크릴레이트계 대전제어제는 스티렌/BA(n-부틸 아크릴레이트) 또는 스티렌/2-EHA(2-에틸 헥실 아크릴레이트)인 것을 특징으로 하는 토너 모입자.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 대전제어제는 토너 모입자 중 0.2~2.0 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 토너 모입자.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 스티렌/아크릴레이트계 바인더 수지는 산가(acid value)가 2~10mgKOH/g 이며, 중량평균분자량(Mw)이 100,000~200,000사이인 것을 특징으로 하는 토너 모입자.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 스티렌/아크릴레이트계 바인더 수지는 토너 모입자 중 40~60중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 토너 모입자.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 폴리에스테르 바인더 수지는 산가가 8~12mgKOH/g이며 중량평균분자량이 20,000~50,000사이인 것을 특징으로 하는 토너 모입자.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 폴리에스테르 바인더 수지는 토너 모입자 중 30~50중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 토너 모입자.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 토너 모입자는 구형화 처리된 것을 특징으로 하는 토너 모입자.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 구형화 처리는 기계적 방법을 이용하여 5~20분 동안 75~100m/s의 선속도로 토너 모입자를 충돌시켜 그라인딩함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 토너 모입자.
  10. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 토너 모입자는 착색제, 분산제, 왁스, 유동 촉진제, 이형제 중 적어도 하나를 포함하는 토너 모입자 첨가물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토너 모입자.
  11. 스티렌/아크릴레이트계 대전제어제 0.2~2.0 중량%, 스티렌/아크릴레이트계 바인더 수지 40~60 중량%, 폴리에스테르계 바인더 수지 30~50 중량% 및 잔부의 토너 모입자 첨가물을 포함하는 혼합물을 혼련하여 시트상 재료로 제조하는 단계;
    상기 시트상 재료를 기계적으로 분쇄하여 토너 모입자를 제조하는 단계; 및
    상기 분쇄된 토너 모입자를 구형화 하는 단계;를 포함하는 토너 모입자의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 스티렌/아크릴레이트계 대전제어제는 스티렌/BA(n-부틸 아크릴레이트) 또는 스티렌/2-EHA(2-에틸 헥실 아크릴레이트)인 것을 특징으로 하는 토너 모입자의 제조방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 스티렌/아크릴레이트계 바인더 수지는 산가(acid value)가 2~10mgKOH/g 이며, 중량평균분자량(Mw)이 100,000~200,000사이인 것을 특징으로 하는 토너 모입자의 제조방법.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 폴리에스테르 바인더 수지는 산가가 8~12mgKOH/g이며 중량평균분자량이 20,000~50,000사이인 것을 특징으로 하는 토너 모입자의 제조방법.
  15. 삭제
  16. 스티렌/아크릴레이트계 대전제어제 0.2~2.0 중량%, 스티렌/아크릴레이트계 바인더 수지 40~60 중량%, 폴리에스테르계 바인더 수지 30~50 중량% 및 잔부의 토너 모입자 첨가물을 포함하는 토너 모입자의 표면에 외첨제를 코팅하는 것을 특징으로 하는 토너.
  17. 삭제
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 스티렌/아크릴레이트계 대전제어제는 스티렌/BA(n-부틸 아크릴레이트) 또는 스티렌/2-EHA(2-에틸 헥실 아크릴레이트)인 것을 특징으로 하는 토너.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 스티렌/아크릴레이트계 바인더 수지는 산가(acid value)가 2~10mgKOH/g 이며, 중량평균분자량(Mw)이 100,000~200,000사이인 것을 특징으로 하는 토너.
  20. 제 16 항에 있어서, 상기 폴리에스테르 바인더 수지는 산가가 8~12mgKOH/g이며 중량평균분자량이 20,000~50,000사이인 것을 특징으로 하는 토너.
  21. 제16항, 제18항, 제19항 및 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 토너 모입자는 구형화 처리된 것을 특징으로 하는 토너.
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