KR101145924B1

KR101145924B1 - 전자사진용 토너

Info

Publication number: KR101145924B1
Application number: KR1020070127824A
Authority: KR
Inventors: 정재혁; 주혜리; 연경열
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2006-12-08
Filing date: 2007-12-10
Publication date: 2012-05-15
Also published as: KR20080053243A; CN101196701A; CN101196701B; US7927776B2; US20080138736A1

Abstract

본 발명은 결착 수지, 착색제, 대전제어제, 및 왁스를 포함하는 전자사진용 토너에 있어서, 상기 결착 수지가 60,000 내지 100,000의 중량 평균 분자량을 갖는 고분자량 결착 수지 및 3,000 내지 7,000의 중량 평균 분자량을 갖는 저분자량 결착 수지를 포함하고, 상기 고분자량 결착 수지 대 저분자량 결착 수지의 중량비가 6:4 내지 8:2 이고, 상기 왁스의 함량이 결착 수지 100 중량부 기준으로 1 내지 3 중량부이고,

상기 토너의 정착온도보다 40℃ 낮은 온도 내지 정착온도보다 10℃ 높은 온도 범위에서 복소점도(η)가 4.0×10¹Paㆍs 내지 1.6×10³Paㆍs이고, 특화 활성화 에너지(Activation energy)가 35 내지 70 KJ/mol인 전자사진용 토너를 제공한다. 본 발명에 따르면, 토너의 선형 변형율 영역에서 점도 의존성을 정의하고, 열특성과 유변특성을 정착환경에 따라 포괄적으로 정의함으로써 정착현상을 일반화하고 토너의 품질을 평가할 수 있다.

Description

전자사진용 토너{Toner for electrophotography}

본 발명은 전자사진용 토너에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인쇄시 안정된 화상을 얻기 위하여 미정착 토너층을 열로 정착시킬 때 필요한 전자사진용 토너의 물성에 관한 것이다.

전자사진 장치나 정전 기록 장치 등의 화상 형성 장치에 있어서, 균일하게 대전시킨 감광체상에 상 노광을 행하여 정전 잠상을 형성하고, 상기 정전 잠상에 토너를 부착시켜 톤 화상으로 하여 상기 톤 화상을 전사지 등의 전사재상에 전사한다. 이어서 미정착의 톤 화상을 가열, 가압, 용제 증기 등 여러 가지 방식에 의해 전사재상에 정착시키고 있다. 정착 공정에서는 대부분의 경우 정착롤과 가압롤 사이에 톤 화상을 전사한 전사재를 통하고, 토너를 가열 압착하여 전사재상에 융착시키고 있다. 이때 피정착재인 토너는 정착 환경에 따라 전사재에 정착하여 안정한 화상을 형성하게 된다.

가열 롤러 또는 필름을 사용하는 열 정착법에서는 가열 롤러 또는 필름 표면이 정착 시트 상의 토너 화상과 서로 접촉할 때 정착 시트 상으로 토너 화상을 융융 접착시키기 위해 우수한 열 효율이 필요하다. 열 정착법에서는 정착 시트의 통 과와 저온 환경에서의 정착으로 인하여 발생되는 정착 실패를 방지하기 위해 열 정착 수단의 열 용량을 증가시킬 필요가 있다. 따라서, 정착성을 유지하면서 낮은 전력 소비를 실현하는 것은 토너 성능의 개선, 특히, 토너의 저온 정착성의 개선에 크게 의존한다.

예를 들면, 압력-열 정착법의 정착 단계에서 고온 롤러 표면과 토너 화상은 용융 상태로 압력하에 서로 접촉하므로 일부 토너가 정착 롤러 표면에 전사되고 부착된 다음, 후속 정착 시트에 다시 전사되어 정착 시트를 오염시키게 된다. 이는 오프셋(offset) 현상으로 칭하며, 정착 속도와 온도에 의해 영향을 많이 받는다. 일반적으로, 정착 롤러 표면 온도는 정착 속도가 느린 경우 낮게 설정되고, 정착 속도가 빠른 경우 높게 설정된다. 이는 정착 속도에서의 차이와 무관하게 토너 화상을 정착시키기 위해 토너 화상에 일정한 열량이 공급되기 때문이다.

상기 문제를 해결하기 위해, 일반적으로 정착 시트 상으로 토너의 고정을 촉진시키기 위해 정착 속도가 빠른 경우 정착 온도를 증가시켰다. 이 방법에 따라, 가열 롤러 온도는 다소간 낮아질 수 있고, 최상부 토너층의 고온 오프셋 현상을 방지할 수 있다. 그러나, 매우 높은 전단력이 토너층에 가해질 때 정착 시트가 정착 롤러 주변에 감기는 감김(winding) 오프셋, 및 정착 롤러로부터 정착 시트를 분리시키기 위한 분리 수단의 흔적이 정착된 화상에 발생하는 것과 같은 몇 가지 어려운 문제가 발생하기 쉽다.

대한민국 등록특허 제138,583호, 한국공개특허공보 제2001-083034호, 및 한국공개특허공보 제1999-063467호 등에서는 특정한 유변학적 특성을 갖는 전자사진 토너를 개시하였지만, 이들은 고도의 정착성과 오프셋 방지 특성을 함께 실현하는데 실패하였다. 따라서, 토너의 열전달 현상 및 유변학적 특성은 열과 압력이 가해지는 환경에 따른 토너의 거동을 예측하여 정착성을 개선하고 오프셋을 방지할 수 있는 기술이 요구된다.

본 발명의 기술적 과제는 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유변학적 특성을 조절하여 정착성을 개선하고 오프셋을 방지할 수 있는 전자사진용 토너를 제공하는 것이다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,

결착 수지, 착색제, 대전제어제, 및 왁스를 포함하는 전자사진용 토너에 있어서, 상기 결착 수지가 60,000 내지 100,000의 중량 평균 분자량을 갖는 고분자량 결착 수지 및 3,000 내지 7,000의 중량 평균 분자량을 갖는 저분자량 결착 수지를 포함하고, 상기 고분자량 결착 수지 대 저분자량 결착 수지의 중량비가 6:4 내지 8:2 이고, 상기 왁스의 함량이 결착 수지 100 중량부 기준으로 1 내지 3 중량부이고, 상기 토너의 정착온도보다 40℃ 낮은 온도 내지 정착온도보다 10℃ 높은 온도 범위에서 복소점도(η)가 4.0×10¹Paㆍs 내지 1.6×10³Paㆍs이고, 특화 활성화 에너지(Activation energy)가 35 내지 70 KJ/mol인 전자사진용 토너를 제공한다.

본 발명에 따르면, 토너의 선형 변형율 영역에서 점도의존성을 정의하고, 열특성과 유변특성을 정착환경에 따라 포괄적으로 정의함으로써 정착현상을 일반화하고, 토너의 정착성을 개선하고 오염을 방지할 수 있다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 결착 수지, 착색제, 대전제어제, 및 왁스를 포함하는 전자사진용 토너에 있어서, 상기 결착 수지가 60,000 내지 100,000의 중량 평균 분자량을 갖는 고분자량 결착 수지 및 3,000 내지 7,000의 중량 평균 분자량을 갖는 저분자량 결착 수지를 포함하고, 상기 고분자량 결착 수지 대 저분자량 결착 수지의 중량비가 6:4 내지 8:2 이고, 상기 왁스의 함량이 결착 수지 100 중량부 기준으로 1 내지 3 중량부이고, 상기 토너의 정착온도보다 40℃ 낮은 온도 내지 정착온도보다 10℃ 높은 온도 범위에서 복소점도(η)가 4.0×10¹Paㆍs 내지 1.6×10³Paㆍs이고, 특화 활성화 에너지(Activation energy)가 35 내지 70 KJ/mol인 전자사진용 토너를 제공한다.

복소점도 및 특화 활성화 에너지를 조절함으로써 정착단계에서의 박리성의 온도 의존성, 화상 위 토너 적재량의 온도 의존성을 억제할 수 있고, 화상 오염이 감소된 전자사진용 토너를 얻을 수 있다.

복소점도(η)가 4.0×10¹Paㆍs 미만인 경우에는 결착 수지 자체의 응집력이 너무 저하되어 고온도 영역에서 오프셋 현상이 나타나기 때문에 바람직하지 못하고, 상기 복소점도가 1.6×10³Paㆍs를 초과하는 경우에는 결착 수지의 응집력이 너무 커져서 정착 화상의 표면 광택 및 적정 정착강도를 얻는 것이 용이하지 않기 때 문에 바람직하지 못하다. 특히, 상기 복소점도(η)가 4.0×10¹ Paㆍs 내지 8.0×10²Paㆍs인 경우에는 높은 정착강도의 장점은 있으나 오염에는 약한 특징이 있고, 복소점도(η)가 8.0×10² Paㆍs 내지 1.6×10³Paㆍs인 경우에는 오염에는 강하나 정착강도에는 약한 특징이 있다.

특화 활성화 에너지는 온도의 변화에 따른 점도 변화의 민감도를 나타내는 수치로서 이를 통하여 특성에 적합한 토너를 설계할 수 있다. 본 발명에 따르면, 특화 활성화 에너지가 35 KJ/mol 미만인 경우에는 온도 변화에 따른 점도 변화가 너무 민감하지 못하여 낮은 점도 대역을 보이는 토너의 경우 분체강도면에서 취약하기 쉽고 높은 점도대역의 토너라면 정착강도를 확보하거나 난이한 물성을 갖는다. 특화 활성화 에너지가 70 KJ/mol를 초과하는 경우에는 온도 변화에 따른 점도 변화가 민감하여 분체/액상의 거동이 바람직하나 온도별 적정 점도 및 기타 유변특성이 바람직하지 못하다.

점도의 온도 의존성은 아레니우스식(Arrhenius Equation)이나 WLF식(Williams, Landel, Ferry Equation)에 따라 계산하여 적용될 수 있다. 적용의 선택은 시료의 Tg와 측정온도에 따라 구분된다. 하기 수학식 1의 아레니우스식을 이용하면 점도 및 특화 활성화 에너지를 구할 수 있다:

[수학식 1]

η(T) = η(T₀)Exp[U/R^*(1/T-1/T₀)]

상기 식에서, η은 점도이고, T는 온도이고, T₀는 참조온도, U는 특화 활성화 에너지이고, R은 기체 상수이다.

상기의 점도는 온도범위는 정착온도 -40 내지 정착온도 +10℃이고, 정착 가열롤러의 회전 각속도에서 측정된 점도로 일반적인 뉴톤(Newtonian) 점도를 적용한 것은 아니다. 온도에 따른 점도의 의존성을 특화 활성화 에너지로 표현하여 물질의 온도 민감성을 에너지 개념으로 표현해낸 수식이다.

본 발명의 상기 복소점도는 측정시 정착기의 각속도가 5 내지 10 rad/s인 것이 바람직하다. 진동 주파수 5 내지 10 rad/s의 범위에서 정현파 진동법에 의한 온도 분산 측정법으로 동적 점탄성을 구하는 것이 바람직하고, Rheometric Scientific사에 의해 제조된 ARES 측정기구를 사용하여 측정한다.

응력 완화(stress relaxation)는 일정한 스트레인(strain)이 토너에 가해지는 경우 스트레인이 시간에 따라 감소하는 것을 유지하기 위해 필요한 힘을 의미한다. 토너가 정착기 내에 머무르는 시간에 따른 탄성율의 변화를 나타낸다.

본 발명에 있어서, 응력완화의 의미는 정착의 조건이 일정시간 이후 토너가 점탄성 거동의 안정적인 거동을 보일 때 측정이 되는 점도만의 의존성을 갖는 것이 아니라 매우 짧은 시간 동안 안정화되기 전의 물성에 의존성을 갖는 이유로 적정 점도라고 하더라도 정착의 조건에 따른 점탄성의 시간의존성을 보기 위한 것이다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 적정 점도의 범위에 있는 토너라고 하더라도 토너 정착온도보다 10℃ 낮은 온도에서 정착 가열시간(Dwell time)에서의 응력 완 화는 300 내지 1,000 Paㆍs인 것이 바람직하다. 응력 완화가 300 Paㆍs 미만인 경우에는 액상 토너의 응집력이 약하여 오염의 경향을 나타내어 바람직하지 못하고, 1,000 Paㆍs을 초과하는 경우에는 상대적으로 강한 탄성력 때문에 바람직하지 못하다.

손실 탄성율(G")/저장 탄성율(G')을 나타내는 손실 정접 tan δ는 2 내지 2.5이고, 저장 탄성율은 150 내지 200dyn/cm²인 것이 바람직하다. 저장 탄성율(storage elastic modulus: G')은 토너의 탄성과 관계된 특성이고, 손실 탄성율(loss elastic modulus: G")은 토너의 소성과 관계된 특성이다. 따라서 저장 탄성율이 증가하게 되면 토너의 탄성적인 성질이 증가하게 되고, 손실 탄성율이 증가하게 되면 토너의 소성적인 성질이 증가하게 된다. 정착시에 정착 화상의 충분한 광택성을 유지하기 위해서는 적당한 탄성을 유지하면서 탄성과 소성의 비를 조절하는 것이 중요하다.

손실 정접 tan δ가 2미만인 경우에는 토너의 정착성이 저하되고, 2.5 초과인 경우에는 화상이 번지는 문제가 발생하고, 용지 분리력이 취약하여 바람직하지 않다.

또한 저장 탄성율이 150 dyn/cm² 미만인 경우에는 토너의 자기 응집력이 저하되어 용지가 롤러에 붙는 현상이 생기고, 200 dyn/cm²초과인 경우에는 토너의 경질성이 커져 정착성이 저하되어 바람직하지 않다.

탄성적인 성질이 적고 소성적인 성질이 지배적인 경우에는 탄성에 의한 롤러 와 토너 간의 이형성이 떨어지고, 이로 인하여 오염이 발생되거나 자체 점성이 떨어져 용지간 부착력과 자체강도, H/R과의 부착력 관계간의 부조화가 발생한다.

토너는 대전, 노광, 현상, 전사, 정착, 클리닝 및 제전 단계를 통하여 화상을 형성하며, 정착 단계 이전에 현상 단계에서 토너에 요구되는 물리적인 성질에 대한 범위를 정할 수 있다. 현상기 내의 안정한 물리적 특성을 확보하기 위하여 토너의 1,2차 상전이 온도는 60℃ 이상이고, 상기 상전이에 필요한 멜팅 에너지(melting energy)가 110J/g보다 큰 것이 바람직하다. 여기서 상전이는 결착 수지 등의 Tg에 의한 2차 상전이에 의한 Base Line 변화와 Wax 등의 용융에 의한 1차 상전이 모두를 포함하는 것으로 DSC 상의 멜팅 에너지 수치를 측정하였을 때 나타나는 피크(peak) 형태의 면적을 구한 수치이다.

상전이 온도가 60℃ 미만이거나 상전이에 필요한 멜팅 에너지가 110J/g보다 작은 경우에는 토너 간의 응집 또는 블레이드와 같은 주변 부품에 토너의 열적 안정성이 저하되어 사용환경에 따라 Streak와 같은 이상 거동이 유발될 수 있다.

멜팅 에너지의 계산은 DSC에서 온도 스캔을 하여 측정된 멜팅 에너지의 피크 영역을 적분하여 얻었고, Onset point 역시 피크가 발생되는 시작 온도/ 혹은 변곡이 시작되는 온도로부터 측정되었다.

본 발명을 따르면, 토너의 열특성과 유변학적 특성의 상호관계를 정착환경에 따라 포괄적으로 정의함으로써 정착현상을 일반화하고 토너의 품질을 평가할 수 있다.

본 발명에 따른 현상용 토너에 사용되는 결착 수지로서는 공지의 각종 수지 를 사용할 수 있는데, 예컨대 폴리스티렌, 폴리-P-클로로스티렌, 폴리-α-메틸스티렌, 스티렌-클로로스티렌 공중합체, 스티렌-프로필렌 공중합체, 스티렌-비닐톨루엔 공중합체, 스티렌-비닐나프탈렌 공중합체, 스티렌-아크릴산메틸 공중합체, 스티렌-아크릴산에틸 공중합체, 스티렌-아크릴산프로필 공중합체, 스티렌-아크릴산부틸 공중합체, 스티렌-아크릴산옥틸 공중합체, 스티렌-메타크릴산메틸 공중합체, 스티렌-메타크릴산에틸 공중합체, 스티렌-메타크릴산프로필 공중합체, 스티렌-메타크릴산 부틸 공중합체, 스티렌-α-클로로메타크릴산메틸 공중합체, 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체, 스티렌-비닐메틸에테르 공중합체, 스티렌-비닐에틸에테르 공중합체, 스티렌-비닐에틸케톤 공중합체, 스티렌-부타디엔 공중합체, 스티렌-아크릴니트릴-인덴 공중합체, 스티렌-말레인산 공중합체, 스티렌-말레인산에스테르 등의 스티렌계 공중합체, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸메타크릴레이트, 폴리부틸메타크릴레이트, 이들의 공중합체, 폴리염화비닐, 폴리초산비닐, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리아미드, 에폭시수지, 폴리비닐부티랄수지, 로진, 변성 로진, 테르펜수지, 페놀수지, 지방족 또는 지환족 탄화수소수지, 방향족계 석유수지, 염소화 파라핀, 파라핀 왁스 등이 단독 또는 혼합되어 사용될 수 있다. 이들중 폴리에스테르계 수지는 정착성 및 투명성이 우수하여 칼라 현상제에 적합하다.

상기 결착 수지는 바람직한 복소 점도 및 특화 활성화 에너지를 갖는 토너를 제조하기 위해 선택된다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 결착 수지는 강성(hard)의 고분자량 결착 수지 및 연성(softer)의 저분자량 결착 수지의 혼합물이 다. 상기 고분자량 수지는 약 60,000 내지 100,000의 중량 평균 분자량을 가질 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서, 고분자량 결착 수지는 약 80,000의 중량 평균 분자량을 가질 수 있다. 저분자량 결착 수지는 약 3,000 내지 7,000의 중량 평균 분자량을 가질 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서, 저분자량 결착 수지는 약 5,000의 중량 평균 분자량을 가질 수 있다. 상기 고분자량 결착 수지 대 저분자량 결착 수지의 중량비는 6:4 내지 8:2일 수 있다. 상기 중량비가 6:4 미만인 경우에는 정착 온도의 범위가 좁아지거나 내구성이 취약할 수 있고, 8:2 초과인 경우에는 정착성이 저하되거나 인쇄 광택이 저하되어 바람직하지 않다.

착색제로서는 흑백 토너의 경우에는 카본블랙 또는 아닐린블랙을 사용할 수 있으며, 본 발명에 따른 비자성 토너는 칼라 토너를 제조하기 용이하다. 또한, 칼라 토너의 경우에는 착색제 중 검은색은 카본 블랙을 이용하고, 칼라는 옐로우, 마젠타 및 시안 착색제를 더 포함한다.

상기 옐로우 착색제는 축합 질소 화합물, 이소인돌리논 화합물, 안트라킨 화합물, 아조 금속 착제, 또는 알릴 이미드 화합물이 사용된다. 구체적으로 C.I. 안료 옐로우 12, 13, 14, 17, 62, 74, 83, 93, 94, 95, 109, 110, 111, 128, 129, 147, 168, 180 등이 사용될 수 있다.

상기 마젠타 착색제는 축합 질소 화합물, 안트라킨, 퀴나크리돈 화합물, 염기 염료 레이트 화합물, 나프톨 화합물, 벤조 이미다졸 화합물, 티오인디고 화합물, 또는 페릴렌 화합물이 사용된다. 구체적으로 C.I. 안료 레드 2, 3, 5, 6, 7, 23, 48:2, 48:3, 48:4, 57:1, 81:1, 122, 144, 146, 166, 169, 177, 184, 185, 202, 206, 220, 221, 또는 254 등이 사용될 수 있다.

상기 시안 착색제는 동 프탈로시아닌 화합물 및 그 유도체, 안트라킨 화합물, 또는 염기 염료 레이트 화합물 등이 사용된다. 구체적으로 C.I. 안료 블루 1, 7, 15, 15:1, 15:2, 15:3, 15:4, 60, 62, 또는 66 등이 사용될 수 있다.

이러한 착색제는 단독 또는 2 종 이상의 혼합물로 혼합하여 사용될 수 있으며, 색상, 채도, 명도, 내후성, 토너 중의 분산성 등을 고려하여 선택된다.

착색제의 함량은 결착수지 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 20 중량부인 것이 바람직하다. 상기 착색제의 함량은 토너를 착색하기에 충분한 양이면 무방하고 결착수지 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 중량부 미만일 경우에는 착색효과가 충분하지 않기 때문에 바람직하지 못하고, 20 중량부를 초과하는 경우에는 토너의 제조원가가 상승되기 때문에 충분한 마찰 대전량을 얻을 수 없어 바람직하지 못하다.

연쇄이동제로는 이에 한정되지 않지만, 황 함유 화합물, 예컨대 도데칸티올(dodecanethiol), 티오글리콜산, 티오아세트산 및 메르캅토에탄올; 아인산(phosphorous acid) 화합물, 예컨대 아인산 및 아인산나트륨; 차인산(Hypophosphorous acid) 화합물, 예컨대 차인산 및 차인산나트륨; 및 알콜, 예컨대 메틸알콜, 에틸알콜, 이소프로필알콜 및 n-부틸알콜 등이 있다.

중합 개시제로는, 과황산칼륨, 과황산암모늄 등의 과황산염; 4,4-아조비스(4-시아노길초산), 디메틸-2,2'-아조비스(2-메틸프로피오네이트), 2,2-아조비스(2-아미디노프로판)이염산염, 2,2-아조비스-2-메틸-N-1,1-비스(히드록시메틸)-2- 히드록시에틸프로피오아미드, 2,2'-아조비스(2,4-디메틸발레로니트릴), 2,2'-아조비스이소부티로니트릴, 1,1'-아조비스(1-시클로헥산카르보니트릴) 등의 아조 화합물; 메틸에틸퍼록시드, 디-t-부틸퍼록시드, 아세틸퍼록시드, 디쿠밀퍼록시드, 라우로일퍼록시드, 벤조일퍼옥시드, t-부틸퍼록시-2-에틸헥사노에이트, 디-이소프로필퍼옥시디카르보네이트, 디-t-부틸퍼옥시이소프탈레이트 등의 과산화물 등을 예시할 수 있다. 또한, 이들 중합 개시제와 환원제를 조합한 산화-환원 개시제를 들 수 있다.

대전제어제는 아연 또는 알루미늄과 같은 금속 함유 살리실산(salicylic acid) 화합물, 비스 디페닐글리콜산(bis diphenyl glycolic acid)의 붕소 착체, 실리케이트(silicate)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다. 더욱 구체적으로는 디알킬 살리실산 아연, 보로 비스(1,1-디페닐-1-옥소-아세틸 포타슘염){boro bis (1,1-diphenyl-1-oxo-acetyl potassium salt)} 등이 사용될 수 있다.

왁스는 최종 토너 조성물의 목적 수행 특성을 제공하는 임의의 적합한 왁스를 선택할 수 있다. 사용될 수 있는 왁스의 형태의 예들은 이에 한정되는 것은 아니지만, 폴리에틸렌계 왁스, 폴리프로필렌계 왁스, 실리콘 왁스, 파라핀계 왁스, 에스테르계 왁스, 카르나우바 왁스 및 메탈로센(metallocene) 왁스를 포함한다. 바람직하게는 왁스는 융점은 약 50 내지 약 150℃이다. 왁스 성분은 토너 입자와 물리적으로 밀착되지만, 토너 입자와 공유적으로 결합하지 않는다. 최종 화상 수용체 상에 저정착 온도에서 정착되고 우수한 최종 화상 내구성 및 내마모 특성을 나타내는 토너를 제공한다.

왁스의 함량 및 종류는 바람직한 복소 점도 및 특화 활성화 에너지를 갖는 토너 조성물을 제조하기 위해 선택된다. 상기 왁스는 일반적으로 결착 수지 100 중량부를 기준으로 1 내지 3 중량부로 포함될 수 있다. 상기 왁스의 함량이 1 중량부 미만인 경우 안티-오프셋(anti-Offset)성능이 떨어지고, 3 중량부 초과인 경우 보관성과 내구성이 취약해질 수 있기 때문에 바람직하지 않다.

대표적인 전자사진 화상형성 공정은 대전, 노광, 현상, 전사, 정착, 클리닝 및 제전 단계를 포함하여, 수용체 상에 화상을 형성하는 일련의 단계들을 포함한다.

대전 단계에서, 감광체는 통상적으로 코로나 또는 대전 롤러에 의해 음 또는 양 중의 하나인, 원하는 극성의 전하로 덮힌다. 노광 단계에서, 광학 시스템, 통상적으로 레이저 스캐너 또는 다이오드 배열은 최종 화상 수용체 상에 형성되는 목적 화상에 대응하는 화상 방식 (imagewise manner)으로 감광체의 대전 표면을 선택적으로 방전시켜 잠상을 형성한다. "광"으로 언급할 수 있는 전자기 조사는, 예를 들어 적외선 조사, 가시광선, 및 자외선 조사를 포함할 수 있다.

현상 단계에서, 적합한 극성의 토너 입자들은 일반적으로 감광체 상의 잠상과 접촉하는데, 토너 극성에 동일한 포텐셜 극성을 갖는, 통상적으로 전기적으로 편향된 현상기 (developer electrically-biased)를 사용한다. 토너 입자들은 감광체로 이동하고 정전기력에 의해 잠상에 선택적으로 부착되고, 감광체 상에 톤 화상을 형성한다.

전사 단계에서, 톤 화상은 감광체로부터 목적으로 하는 최종 화상 수용체에 전사되는데, 때때로 중간체 전사 요소가 톤 화상의 후속의 전사와 함께 감광체로부터 최종 화상 수용체로의 톤 화상의 전사에 영향을 주기 위하여 이용된다.

정착 단계에서, 최종 화상 수용체 상의 톤 화상은 가열되어 토너 입자들이 연화 또는 용융됨으로써, 톤 화상을 최종 수용체에 정착하게 한다. 다른 하나의 정착 방법은 열을 가하거나 또는 가하지 않는 고압하에서 최종 수용체에 토너를 고정시키는 것을 포함한다.

클리닝 단계에서는 감광체 상에 남아 있는 잔류 토너가 제거된다. 마지막으로, 제전 단계에서는 감광체 전하가 특정 파장 밴드의 광에 노광되어 실질적으로 균일하게 낮은 값으로 감소됨으로써, 본래 잠상의 잔류물이 제거되고 다음의 화상 형성 사이클을 위하여 감광체가 준비된다.

발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명하나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

결착 수지로는 폴리에스터 계열의 바인더수지로 MRC의 하이 겔 타입(high gel type) 수지를 100 중량부 사용하고, 이때 상기 결착 수지는 중량 평균 분자량(Mw) 80,000 정도의 강성(Hard)의 고분자량 결착 수지(이하 'H'로 표기함)와 중량 평균 분자량 5,000 정도의 연성(soft)의 저분자량 결착 수지(이하 'L'로 표기함)로 이루어지며, 그 혼합 비율은 하기 표 1과 같이 조절하였다.

상기 결착 수지와 함께, 착색제로 카본 블랙(Cabot사, Mogul-L) 1 중량부, 대전제어제로 Carlit사의 LR-147 1 중량부, 및 왁스로 하기 표 1에 기재된 그 종류 및 함량을 정하여 준비하였으며 이때 PE 왁스는 Clariant사의 Lico wax이고, 천연 PET 왁스는 카르나우바 왁스이다. 이후 이를 Ikega사의 PCM30 압출기를 사용하여 하기의 조건으로 압출하였다.

- 공급 속도(Feeding speed) 3rpm, 스크류 속도 (Screw speed) 200 rpm,

- 압출 온도: 주입구(inlet) 온도: 40℃, 이송 구역 온도: 80 내지 100℃, - 출구(outlet) 온도: 150℃

이후 압출된 결과물을 5 내지 10㎛ 로 분쇄하여 토너를 제조하였다.

	결착 수지 (혼합 중량 비율		왁스 (결착수지 100 중량부에 대한 중량부)
	H	L	왁스 (결착수지 100 중량부에 대한 중량부)
실시예 1	8	2	PE (3 중량부)
실시예 2	7	3	PE (3 중량부)
실시예 3	6	4	천연 PET (3 중량부)
비교예 1	0	10	천연 PET(2 중량부) & PE(3 중량부)
비교예 2	4	6	PE(5 중량부)
비교예 3	10	0	PE (5 중량부)

<온도 의존성 테스트>

복소점도의 측정은 Rheometric Scientific사 ARES 측정장치를 사용하였다. 측정 시간은 30초, 측정 개시 후 온도 오차 범위 1℃ 이내로 하여 측정 정밀도를 확보하였다. 분체 상태로 직경 25mm인 두 개의 원형판 사이에 시료를 넣고, 선형 영역(Linear Region)에서 뉴튼 점도(Newtonian Viscosity)를 측정하였다.

분체 상태의 시료를 직접 측정하는 것은 시편 제작하는 과정에서 열이력의 부여/제거를 최소한으로 하여 제작된 토너의 물성을 정확히 측정하기 위해서이다. 시료에 따라 이상 거동(Unstable Normal Stress)을 보이는 시료의 경우 Cox-Mertz Rule에 따라 Dynamic Viscosity를 대체하여 5% 이내의 Strain에서의 테스트 각속도 = 정착기 회전각속도의 조건으로 복소점도를 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.

	하기 측정 온도에서의 복소점도(Paㆍs)
	160℃	180℃	190℃
실시예 1	1521	542	125
실시예 2	1485	428	113
실시예 3	1397	238	85
비교예 1	298	45	13
비교예 2	845	125	25
비교예 3	1648	950	350

아레니우스 수학식을 이용하여 각 실시예 물질에 대한 특화 활성화 에너지를 표 3과 같이 구하였다:

구분	특화 활성화 에너지(kJ/mol)
실시예 1	56.73
실시예 2	59.29
실시예 3	66.78
비교예 1	74.21
비교예 2	82.22
비교예 3	34.56

표 2및 표 3을 참조하면, 실시예 1 내지 3은 점도의 온도의 의존성을 나타내는 것으로 점도의 절대 숫치와 함께 적정한 정착 온도범위 갖는 특징을 보이고 있다. 한편, 비교예 1 내지 2는 160℃ 및 180 ℃ 에서만 적정 점도를 조건을 만족할 뿐이고, 활성화 에너지가 커서, 점도가 급속하게 저하되는 특성을 가지므로 정착 온도 범위가 상당히 좁은 특성을 나타내었다. 또한, 비교예 3은 활성화 에너지가 상당히 작아서 점도가 매우 느리게 떨어져서 정착성이 저하되는 문제점을 나타냄을 알 수 잇었다.

<응력 완화 테스트>

점도는 온도와 변형율의 함수이므로 시간에 따른 요소가 포함되어야 하고, 오염의 경우는 점성만이 아닌 점탄성의 성질을 포함하고 정착의 조건이 물성의 안정화 과정에 의존하는 함수(Time Transient Phenomena)이기 때문에 이러한 요소를 포함하여야 적절한 토너의 물성을 정확하게 정의할 수 있다.

190℃에서 50Dynamic Test와 같이 분체시료를 측정하였고, 5% Strain에서 1mm 내외의 Gap으로 시험설정을 하여 응력 완화를 테스트하였고 그 결과를 다음 표 4에 나타내었다:

구분	응력 완화 G(t) :Pa
실시예 1	645
실시예 2	585
실시예 3	546
비교예 1	279
비교예 2	479
비교예 3	1015

상기 표 4를 참조하면, 비교예 1 내지 3의 경우 응력 완화가 300~1,000 Pa을 미달/초과하게 되어 정착불량이 보였으나, 실시예 1내지 3의 경우 응력 완화 값이 300 내지 1,000 Pa 정도를 나타내어 특정 매체에 정착성과 오염에 좋은 효과를 나타냄을 알 수 있었다.

<저장 탄성율 및 손실 탄성율 테스트>

TA사 ARES를 사용하여 210℃의 온도 및 각속도 7rad/s, 5% 이내의 strain에서 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 5에 나타내었다:

구분	G'(Pa)	G"(Pa)	복소점도(Paㆍs)
실시예 1	205	413	66
실시예 2	187	389	62
실시예 3	167	365	57
비교예 1	75	26	11
비교예 2	118	235	37
비교예 3	869	946	183

상기 표 5를 참조하면, 실시예 1 내지 3은 고온에서의 용지 분리력이 양호한 특징을 보이고, 비교예 1 내지 3은 용지 분리력이 취약하거나 정착화상의 품질이 떨어지는 특징을 보임을 알 수 있었다.

<멜팅 에너지 측정 결과>

상전이 온도는 DSC의 2차 승온에서 10℃ /min승온속도로 승온하였을 때의 값으로 측정하고, 상전이 에너지는 기준선(base line)에서 피크(Peak)를 적분한 값으로 측정하여서, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.

구분	멜팅 에너지 (J/g)	1,2차 상전이 온도(℃)
실시예 1	110.2	65
실시예 2	115.5	63
실시예 3	120.4	61
비교예 1	87.4	57
비교예 2	100.4	59
비교예 3	87.4	67

표 6을 참조하면, 실시예 1 내지 3은 내구성에서 안정한 특징을 보이고, 비교예 1 내지 3은 고온방치에서 취약하거나 정착화상이 열세한 특징을 보임을 알 수 있었다.

<정착성 및 오염 특성 테스트>

정착성의 테스트는 테이프 테스트로서 90% 이상 이탈된 경우는 ○, 80% 이상 이탈된 경우는 △, 70% 이하로 이탈된 경우는 ×로 표기하였다. 정착기의 오염 역시 육안판별을 통하여 양호한 경우는 ○, 미세한 열세 경우는 △, 취약한 경우는 ×로 표기하였다. 스트리크(sterak)는 50℃에서 5일간 고온 방치 후 실장 프린팅의 방법을 통하여 측정하여서 화상에 문제 없을 경우는 ○, 미세 열세한 경우는 △, 취약한 경우는 ×로 표기하였다. 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다:

구분	정착성	오염(offset)	스트리크(Streak)
실시예 1	o	o	o
실시예 2	o	o	o
실시예 3	o	o	△
비교예 1	o	x	x
비교예 2	o	o	x
비교예 3	x	△	o

표 7을 참조하면, 실시예 1 내지 3은 전반적으로 양호한 특징를 보였으나, 비교예 1 내지 3은 스트리크와 정착 모두를 만족하지는 않음을 알 수 있었다.

Claims

결착 수지, 착색제, 대전제어제, 및 왁스를 포함하는 전자사진용 토너에 있어서,

상기 결착 수지가 60,000 내지 100,000의 중량 평균 분자량을 갖는 고분자량 결착 수지 및 3,000 내지 7,000의 중량 평균 분자량을 갖는 저분자량 결착 수지를 포함하고, 상기 고분자량 결착 수지 대 저분자량 결착 수지의 중량비가 6:4 내지 8:2 이고,

상기 왁스의 함량이 결착 수지 100 중량부 기준으로 1 내지 3 중량부이고,

상기 토너의 정착온도보다 40℃ 낮은 온도 내지 정착온도보다 10℃ 높은 온도 범위에서 복소점도(η)가 4.0×10¹Paㆍs 내지 1.6×10³Paㆍs이고, 특화 활성화 에너지(Activation energy)가 35 내지 70 KJ/mol인 전자사진용 토너.
제1항에 있어서, 정착기의 각속도가 5 내지 10 rad/s인 것을 특징으로 하는 전자사진용 토너.
제1항에 있어서, 상기 토너 정착온도보다 10℃ 낮은 온도에서 응력 완화(stress relaxation)은 300 내지 1,000 Paㆍs인 것을 특징으로 하는 전자사진용 토너.
제1항에 있어서, 상기 복소점도(η)가 4.0×10¹ Paㆍs 내지 8.0×10²Paㆍs인 것을 특징으로 하는 전자사진용 토너.
제4항에 있어서, 손실 탄성율/저장 탄성율의 손실 탄젠트 (tan) δ가 2 내지 2.5이고, 저장 탄성율이 150 내지 200dyn/cm²인 것을 특징으로 하는 전자사진용 토너.
제1항에 있어서, 상기 복소점도(η)가 8.0×10² Paㆍs 내지 1.6×10³Paㆍs인 것을 특징으로 하는 전자사진용 토너.
제6항에 있어서, 저장 탄성율이 150 내지 200dyn/cm²인 것을 특징으로 하는 전자사진용 토너.
제1항에 있어서, 상기 토너의 1,2차 상전이 온도가 60℃ 이상이고, 상기 상전이에 필요한 멜팅 에너지가 110J/g보다 큰 것을 특징으로 하는 전자사진용 토너.