KR101501866B1 - 정착 부재, 정착 장치 및 화상 형성 장치 - Google Patents

정착 부재, 정착 장치 및 화상 형성 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기록 매체 상의 토너상을 가열하여 상기 기록 매체에 토너상을 정착시키는 프로세스에 사용되는 정착 부재로서, 기재, 및 기재 상에 제공된 폴리오르가노실록산층을 포함하며, 상기 폴리오르가노실록산층은 3개 또는 4개의 산소 원자에 결합된 규소 원자를 포함하는 폴리오르가노실록산을 함유하는 정착 부재를 제공한다.

Description

정착 부재, 정착 장치 및 화상 형성 장치{FIXING MEMBER, FIXING DEVICE, AND IMAGE FORMING APPARATUS}
본 발명은 복사기, 프린터 및 팩시밀리와 같은 전자 사진 방식의 화상 형성 장치에 장착되는 정착 장치에 관한 것이고, 또한 상기 정착 장치에 장착되는 고이형성 정착 부재에 관한 것이다.
종래, 전자 사진 방식을 채용한 장치, 예컨대 복사기, 프린터 및 팩시밀리와 같은 화상 형성 장치는 일반적으로 회전 가능 감광체 드럼을 포함하고, 이 감광체 드럼의 감광층을 균일하게 대전시킨 후 레이저 주사 유닛으로부터 방출된 레이저 빔으로 감광체 드럼의 대전된 감광층을 노광시킴으로써 감광체 드럼에 정전 잠상(latent electrostatic image)을 형성한다. 화상 형성 장치는 하기 프로세스를 수행하기 위한 기구를 더 포함한다. 즉, 형성된 정전 잠상을 토너로 현상한 후, 기록재로서의 전사지에 현상된 화상을 전사한 후, 그 전사지를 열 정착 장치에 통과시켜 열 정착시킨다.
그러나, 컬러 화상에 적절한 정착성을 달성하기에 충분한 탄성을 갖는 탄성 부재는 내마모성 및 토너에 대한 이형성이 불량하다는 문제가 있다.
일반적으로, 정착 방식으로는, 정착 롤러 또는 정착 벨트와, 상기 정착 롤러 또는 벨트에 압접하는 가압 롤러 사이에 기록 시트를 통과시키고, 기록 시트에 부착된 토너를 열로 연화 및 가압함으로써, 기록 시트 상에 토너상을 정착시키는 정착 방식이 채용된다.
이 정착 방식에서는 융착된 토너상이 정착 부재와 접촉하기 때문에, 고이형성 재료(예컨대 불소계 수지)가 정착 부재의 표면층에 15 ㎛~30 ㎛의 막 두께로 형성된다. 그러나, 이 재료는 수지의 특성으로 인해 재료가 높은 정도의 경도를 갖는다는 단점이 있다. 재료가 높은 정도의 경도를 가지면, 정전적으로 형성된 토너상을 열 및 압력에 의해 정착시킬 때 재료가 종이 섬유의 요철을 추종할 수 없어, 고품질 화상이 형성될 수 없다. 특히, 풀컬러 화상 형성의 인기로 인해, 최근에는 토너의 형상을 커버하기 위해 정착 부재를 컬러 토너와 접촉시켜 컬러 토너를 용융시키는 방식으로, 복수의 컬러 토너에 대해 정착을 수행한다. 따라서, 재료의 경도가 정착 및 형성되는 화상에 크게 영향을 미친다.
이 문제를 해결하기 위해, 탄성체(예컨대 실리콘 고무 및 불소 고무)를 정착 부재의 표면에 형성하는 방법이 적용되었다.
정착 부재에 탄성체를 사용하는 것에 의해, 종이 섬유의 요철에 대한 추종성을 개선시킬 수 있다. 그러나, 이 정착 부재는 불소 수지와 동일한 수준의 내구성 정도를 확보할 수 없다. 따라서, 탄성체를 사용하는 정착 부재는 전사지와의 마찰 또는 전사지를 분리하기 위한 분리 클로(claw)에 의해 전사지에 형성되는 스크래치에 의해 스크래치가 생기는 경향이 있다. 이 스크래치는 정착 프로세스 동안 전사되어 이상 화상을 형성시킨다. 또한, 종래 기술로서, 내마모성을 개선시킬 목적으로, 탄성체의 실리콘 고무 조성물에 대량의 실리카 분말 또는 알루미나 분말을 배합하는 것이 공지되어 있다. 그러나, 이 실리콘 고무는 고무 경도가 높아서, 전술한 바와 같이 고품질 화상을 제공하기에 충분한 탄성을 얻을 수 없다. 따라서, 예컨대 특허문헌 1에서와 같이, 저경도의 고무를 제공하기 위해 가교 밀도를 감소시킴으로써 탄성체의 경도를 개선시키는 재료와 관련된 발명이 제안되어 있다. 그러나, 이 경우, 고무 강도가 저하하면서 무기 충전물이 탈락할 수 있어, 충분한 내마모성을 얻을 수 없다. 조건에 따라서는, 무기 충전물이 마모제로서 작용하여, 어떤 경우에는 마모를 촉진할 수도 있다.
또한, 탄성체를 사용하는 정착 부재는 불소 수지 정도의 이형성을 확보할 수 없어, 이형성을 보충하기 위해 상용성 저분자 오일 성분으로 정착 부재를 코팅 또는 함침함으로써 오프셋을 방지할 필요가 있다. 그러나, 이 방법에서는 비가동 기간 동안 오일 성분의 스며나옴에 의한 전사지 오염, 메인터넌스성 문제, 및 박리 계속성 문제와 같은 다양한 문제가 있고, 또한 오프셋 방지를 위한 액체를 공급하기 위한 장치가 필요하여, 정착 장치의 구성을 복잡하게 하는 문제가 있다. 따라서, 실리콘 오일을 사용하지 않고 가열 동안 토너 입자 내부로부터 오프셋 방지 액체를 공급하려는 의도로, 토너에 이형제를 첨가하는 방법이 제안되어 있다(예컨대 특허문헌 2~4 참조). 충분한 이형 효과를 얻기 위해 대량의 첨가제를 첨가시, 감광체 상의 필름 형성 또는 토너 담지체(예컨대 캐리어 또는 슬리브) 상의 표면 부착이 발생하여, 형성된 화상을 열화시켜 이러한 형성된 화상이 실용상 문제가 된다. 따라서, 소량이지만 화상의 열화를 방지에 충분한 이형제를 토너에 첨가하는 것이 중요하다. 이러한 관점에서, 높은 이형성을 갖는 정착 부재에 대한 요구가 있다.
특허문헌 5는 탄성체로서 금속 알콕시드 및 고형 규소 화합물을 함유하는 졸을 가열하여 겔을 형성시킴으로써 얻어진 유기-무기 하이브리드 재료를 사용하여, 내열성 및 이형성을 개선시키는 정착 부재를 개시하지만, 이는 아직 실용화되어 있지 않다.
특허문헌 1: 일본 특허(JP-B) 제3243991호 특허문헌 2: 일본 특허 출원 공고(JP-B) 제52-3304호 특허문헌 3: 일본 특허 출원 공고(JP-B) 제52-3305호 특허문헌 4: 일본 특허 특허 공개(JP-A) 제57-52574호 특허문헌 5: JP-A 제2002-82558호
본 발명은 당업계의 다양한 문제를 해결하며, 하기 목적을 달성한다. 구체적으로, 본 발명의 목적은 풀컬러 인쇄에 대응하는 고품질 화상을 얻는 데에 충분한 탄성을 가지면서, 내구성 및 이형성이 개선된 최외측 표면을 갖는 정착 부재를 제공하여, 높은 화상 품질 및 높은 신뢰성 모두 뿐 아니라 장기간에 걸친 안정된 정착을 실현하는 정착 장치 및 전자 사진 방식의 화상 형성 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 하기 실시 양태의 정착 부재, 정착 장치 및 화상 형성 장치를 포함한다.
<1> 기록 매체 상의 토너상(toner image)을 가열하여 상기 기록 매체에 토너상을 정착시키는 프로세스에 사용되는 정착 부재로서,
기재; 및
기재 상에 제공된 폴리오르가노실록산층을 포함하며,
상기 폴리오르가노실록산층은 3개 또는 4개의 산소 원자에 결합된 규소 원자를 포함하는 폴리오르가노실록산을 함유하는 정착 부재.
<2> <1>에 있어서, 상기 폴리오르가노실록산층이 폴리오르가노실록산층의 최외측 표면으로부터 깊이 방향으로 5 nm~50 ㎛의 폴리오르가노실록산층의 영역에서 산소 원자 농도의 최대치를 갖는 정착 부재.
<3> <1> 또는 <2>에 있어서, 상기 폴리오르가노실록산층이 폴리오르가노실록산층의 최외측 표면으로부터 깊이 방향으로 5 nm~50 ㎛의 폴리오르가노실록산층의 영역에서 탄소 원자 농도의 최소치를 갖는 정착 부재.
<4> <1> 내지 <3> 중 어느 하나에 있어서, 산소 원자 농도 최대치를 나타내는 폴리오르가노실록산층의 깊이와 탄소 원자 농도 최소치를 나타내는 폴리오르가노실록산층의 깊이가 일치하는 정착 부재.
<5> <1> 내지 <4> 중 어느 하나에 있어서, 상기 폴리오르가노실록산층은 퍼플루오로알킬 에테르기가 산소 원자를 개재하여 결합된 표면을 갖는 정착 부재.
<6> <1> 내지 <5> 중 어느 하나에 있어서, 상기 기재와 상기 폴리오르가노실록산층 사이에 제공된 탄성층을 더 포함하는 정착 부재.
<7> <6>에 있어서, 상기 탄성층이 주쇄에 실록산 결합을 갖는 탄성 고무를 포함하는 정착 부재.
<8> <7>에 있어서, 탄성 고무가 플루오로실리콘 고무인 정착 부재.
<9> <1> 내지 <8> 중 어느 하나에 있어서, 5 ㎛ 압입 깊이에서의 유니버셜 경도(universal hardness)가 0.5 N/mm2 이하인 정착 부재.
<10> <1> 내지 <9> 중 어느 하나에 정의된 정착 부재를 포함하는 정착 장치.
<11> <10>에 있어서, 정착 롤러, 및 상기 정착 롤러에 대향 제공된 가압 롤러를 포함하며, 상기 정착 롤러 또는 상기 가압 롤러 중 적어도 하나가 정착 부재인 정착 장치.
<12> <10>에 있어서, 정착 벨트, 및 상기 정착 벨트에 대향 제공된 가압 벨트를 포함하며, 상기 정착 벨트 또는 상기 가압 벨트 중 적어도 하나가 정착 부재인 정착 장치.
<13> <10> 내지 <12> 중 어느 하나에 정의된 정착 장치를 포함하는 화상 형성 장치.
본 발명의 상기 실시 양태 <1> 내지 <4>의 효과는 "정착 부재의 내마모성을 개선시키는 것에 의한 고내구성"을 실현하는 정착 부재를 제공하는 것을 포함한다.
본 발명의 상기 실시 양태 <5> 내지 <9>의 효과는, 본 발명의 상기 실시 양태 <1> 내지 <4>의 효과에 더하여, 정착 부재의 최외측 표면의 이형성을 개선시켜, 용융 토너의 부착력 저감이나, 종이 주의의 부착 또는 감김으로 인한 종이의 잼 발생을 저감하여, 장기간에 걸친 안정한 정착을 실현하는 것을 포함한다.
본 발명의 상기 실시 양태 <10> 내지 <12>의 효과는, 본 발명의 상기 실시 양태 <1> 내지 <9>의 효과에 더하여, 이들 실시 양태의 정착 부재를 사용함으로써 내구성 및 신뢰성을 개선시킨 정착 장치를 제공하는 것을 포함한다.
본 발명의 상기 실시 양태 <13>의 효과는, 본 발명의 상기 실시 양태 <10> 내지 <12>의 효과에 더하여, 이들 실시 양태의 정착 장치를 사용함으로써 고내구성 및 고신뢰성을 갖는 전자 사진 방식의 복사기, 팩시밀리 및 레이저 프린터를 이용 가능한 것, 및 "환경 부하 감소" 또는 "고객 만족"에 기여하는 것을 포함한다.
도 1은 본 발명의 화상 형성 장치의 일례를 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 벨트 방식의 정착 장치의 일례를 도시하는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 정착 부재의 구성의 일례를 도시하는 개략도이다.
도 4a는 C60 깊이 프로파일(깊이 방향으로의 각각의 원자의 원자 농도비)에 의한 본 발명의 정착 부재(표면 개질된 실리콘 고무) 표면의 측정 결과의 일례를 도시하는 개략도이다.
도 4b는 C60 깊이 프로파일(Si2P의 오비털 스펙트럼)에 의한 본 발명의 정착 부재(표면 개질된 실리콘 고무) 표면의 측정 결과의 일례를 도시하는 개략도이다.
도 5a는 C60 깊이 프로파일(깊이 방향으로의 각각의 원자의 원자 농도비)에 의한 정착 부재(미처리된 실리콘 고무) 표면의 측정 결과의 일례를 도시하는 개략도이다.
도 5b는 C60 깊이 프로파일(Si2P의 오비털 스펙트럼)에 의한 정착 부재(미처리된 실리콘 고무) 표면의 측정 결과의 일례를 도시하는 개략도이다.
본 발명을 하기에서 구체적으로 설명한다.
우선, 본 발명의 정착 부재가 사용되는 화상 형성 장치의 일반적인 개요를 설명한다.
도 1은 화상 형성 장치의 감광체, 화상 형성부 및 정착 장치의 구성을 개략 도시한다. 이 전자 사진 방식의 화상 형성 장치에 의해 수행되는 화상 형성 프로세스는, 회전하는 감광체 드럼(101)의 감광층을 대전 롤러(102)에 의해 균일하게 대전시킨 후, 도면에 도시되어 있지 않은 레이저 주사 유닛으로부터 방출된 레이저 빔(103)에 대전된 감광층을 노광하여 감광체 드럼(101) 상의 정전 잠상을 형성하는 단계; 정전 잠상을 토너로 현상하여 토너상을 형성하는 단계; 토너상을 기록 시트(107) 상에 전사하는 단계; 기록 시트(107)를 정착 장치에 통과시켜 토너상을 가열 및 가압하여 기록 시트(107)에 화상을 정착시키는 단계를 포함한다.
도 1에서, 104는 현상 롤러이고, 105는 파워팩(전원)이고, 106은 전사 롤러이며, 108은 클리닝 장치이고, 109는 표면 전위계임을 주지하라. 정착 장치는 기재, 및 기재 상에 제공된 탄성층을 포함하는 가열 정착 롤러(110)를 사용한다. 가열 정착 롤러(110)는 코어 내의 중공부에 회전 중심선을 따라 제공된 할로겐 램프와 같은 히터를 가지며, 복사열로 가열 정착 롤러(110)를 내측으로부터 가열한다.
또한, 가열 정착 롤러(110)에 평행하게, 가열 정착 롤러(110)와 압접하는 방식으로, 가압 롤러(111)가 제공된다. 가압 롤러(111)와 가열 정착 롤러(110) 사이에 기록 시트를 통과시킴으로써, 기록 시트에 부착된 토너를 가열 정착 롤러(110)의 열에 의해 연화시키면서, 가압 롤러(111)와 가열 정착 롤러(110)로 기록 시트를 끼움으로써 토너를 가압하여, 기록 시트 상에 토너상을 정착시킨다. 정착 장치는 정착 롤러, 및 상기 정착 롤러에 대향 제공된 가압 롤러를 포함하며, 상기 정착 롤러 또는 상기 가압 롤러 중 적어도 하나가 후술하는 정착 부재이다.
본 발명에 따르면, 정착 장치는 벨트 방식의 정착 장치일 수 있다.
도 2는 벨트 방식의 정착 장치(112)를 도시한다. 도 2에서, 113은 정착 벨트이고, 114는 정착 롤러이며, 115는 가압 롤러이고, 116은 가열 롤러이다. 풀컬러 복사기 또는 레이저 프린터에서는, 4색 토너, 마젠타, 시안, 옐로우, 블랙이 사용된다. 이들 컬러 토너는 컬러 화상의 정착시 용융 상태로 혼합될 필요가 있으며, 토너가 용이하게 용융될 수 있도록 토너가 낮은 융점을 갖게 설계할 뿐 아니라, 용융 상태로 정착 벨트(113)의 표면을 덮으면서 균일하게 혼합될 필요가 있다. 정착 장치는 정착 벨트, 및 상기 정착 벨트에 대향 제공된 가압 벨트를 포함하며, 상기 정착 벨트 또는 상기 가압 벨트 중 적어도 하나가 후술하는 정착 부재이다. (정착 롤러 및 정착 벨트를 하기에서 "정착 부재"로 총칭할 수 있다.)
본 발명에 사용되는 정착 벨트 부재를 하기에 구체적으로 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 발열 부재로서의 정착 벨트는 정착 롤러(114) 및 가열 롤러(116)에 의해 현수 및 지지되어 있다.
또한, 도 3은 정착 부재의 구성을 도시하는 개략도이며, 정착 부재는 기재(201) 및 탄성층(202)으로 구성된다.
기재(201)는 내열 재료로 형성되는 한, 한정되지 않고 의도하는 목적에 따라 적절히 선택된다. 예컨대, 기재로서, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 폴리에테르 설폰(PES), 폴리페닐렌 설피드(PPS) 및 불소 수지와 같은 수지 재료를 사용할 수 있다. 또한, 자성 도전성 입자가 분산된 재료도 사용할 수 있다. 이 경우, 자성 도전성 입자를 수지 재료에 대해 20 질량%~90 질량%의 양으로 첨가한다. 구체적으로는, 자성 도전성 입자를 롤밀, 샌드밀 및 원심 탈포 장치와 같은 분산기를 이용하여 바니쉬 상태로 수지 재료에 분산시킨다. 생성물의 점도를 용매로 적절히 조정하고, 소정 층 두께를 갖도록 주형으로 성형한다. 또한, 그 자체로 발열할 수 있는 니켈, 철 및 크롬의 합금과 같은 금속으로 기재를 형성할 수 있다. 기재의 두께는 이의 열 용량 및 강도의 관점에서 30 ㎛~500 ㎛이다.
기재를 금속 재료로 형성하는 경우, 기재의 두께는 벨트의 휘어짐을 고려하여 이상적으로는 100 ㎛ 이하이다. 금속 재료의 경우, 첨가되는 각각의 재료의 양 및 가공 조건을 조정함으로써 소정의 퀴리점(Curie point)을 달성할 수 있다. 정착 벨트의 정착 온도 부근에 퀴리점을 갖는 자성 전도성 재료로 발열층을 형성함으로써, 과승온시키지 않고 자성 유도에 의해 발열층을 가열할 수 있다. 또한, 기재는 탄성 재료로 형성시킬 수도 있다. 이의 예는 천연 고무, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 부틸 고무, 클로로프렌 고무, 니트릴 고무, 아크릴 고무, 우레탄 고무, 실리콘 고무, 플루오로실리콘 고무, 불소 고무 및 액상 불소 엘라스토머를 포함한다. 이들 중에서, 실리콘 고무, 플루오로실리콘 고무, 불소 고무, 플로오로카본 실록산 고무 및 액상 불소 엘라스토머가 내열성의 관점에서 특히 바람직하다.
기재에 형성되는 탄성층에는, 내열성 탄성 재료, 바람직하게는 내열성 고무를 사용한다. 내열성 탄성 재료의 예는 천연 고무, SBR, 부틸 고무, 클로로프렌 고무, 니트릴 고무, 아크릴 고무, 우레탄 고무, 실리콘 고무, 플루오로실리콘 고무, 불소 고무 및 액상 불소 엘라스토머를 포함한다. 이들 중에서, 실리콘 고무, 플루오로실리콘 고무, 불소 고무, 플우로오카본 실록산 고무, 액상 불소 엘라스토머가 내열성의 관점에서 특히 바람직하고, 실리콘 고무 및 플루오로실리콘 고무가 내열성 및 토너에 담긴 이형제로의 습윤성의 관점에서 특히 바람직하다.
본 발명의 실시 양태의 하나에 있어서, 탄성체에 표면 개질 처리를 수행한다. 표면 개질 처리는 특별히 한정되지 않으며, 이의 예는 플라즈마 처리, 전자선 가교 및 UV 오존 처리를 포함한다. 플라즈마 처리의 경우, 사용되는 플라즈마 발생 장치는 평형 평판형, 용량 결합형 및 유도 결합형 외에, 코로나 방전 처리용 장치 및 대기압 플라즈마 발생기도 포함한다. 이들 중에서, 내구성의 관점에서 감압 플라즈마 처리가 바람직하다. 플라즈마 처리의 반응 압력은 0.05 Pa~100 Pa, 바람직하게는 1 Pa~20 Pa이다. 플라즈마 처리에 사용되는 반응 가스는 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 불활성 가스, 희가스 및 산소와 같은 가스가 효과적으로 사용된다. 이들 중에서, 긴 효과 지속성의 관점에서 아르곤이 특히 바람직하다. 조사 전력 에너지는 (출력×조사 시간)에 의해 규정되며, 5 Wh~200 Wh, 바람직하게는 10 Wh~50 Wh 범위로 설정된다.
종래 기술에서, 층간 접착력을 강화시킬 목적으로 플라즈마 처리 또는 UV 처리를 수행하여 여기 및/또는 산화에 의해 활성 기를 형성시키는 것이 제안되어 있다. 그러나, 이 방법은 층간에의 적용에 한정되어, 최외측 표면에 이 방법을 적용시키는 것은 이형성 저하로 인해 바람직하지 않은 것으로 공지되어 있다. 또한, 이 방법에서는 반응을 산소 존재 하에서 실시하여 효과적으로 반응 활성 기(히드록실기)를 도입하고 있어, 본질이 본 발명과는 상이하다. 본 발명의 실시 양태에서는, 산소가 적고 감압된 반응 환경에서 플라즈마 처리를 실시한다. 따라서, 표면에서의 재가교 및/또는 재결합을 촉진하여 "결합 에너지가 높은 Si-O 결합의 증가"로 인해 내구성을 개선시키고, "가교 밀도의 증가로 인한 표면 치밀화 개선"으로 인해 이형성을 개선시킨다. 본 발명의 실시 양태에서는 활성 기가 일부 형성되지만, 후술하는 커플링제로 처리함으로써 활성기를 실활시켜 이형성을 개선시킴을 주지하라.
상술한 방식으로 형성된 정착 부재를 XPS로 최외층으로부터 내부를 향해 깊이 방향으로 분석한다. XPS는 광전자 효과로 인해 돌출되는 전자를 포착함으로써 측정 샘플의 원자의 원자 농도 또는 결합 상태를 검출할 수 있는 장치이다.
본 발명에서 탄성층으로서 사용할 수 있는 실리콘 고무의 경우, 예컨대 실록산 결합으로 인해 주성분을 Si, O 및 C로 하여 와이드 스캔 스펙트럼을 측정하여, 각각의 원소의 상대 피크 강도비를 기초로 하여 표면층으로부터 내부로의 영역에 존재하는 각각의 원자의 깊이 방향의 원자 농도비(원자%)를 측정한다. 결과를 도 4a에 도시한다. 횡축은 표면으로부터 내부로의 분석 깊이를 나타내며, 종축은 원자 농도비를 나타낸다.
또한, 실리콘 고무의 경우, Si의 2p 궤도의 전자가 돌출하는 에너지를 측정함으로써, 규소 원자에 결합된 원자 및 결합 상태를 검출할 수 있다. 도 4b에서 Si의 결합 상태를 도시하는 Si 2p 궤도의 내로우(narrow) 스캔 스펙트럼으로부터 피크를 분리하여, 화학 결합 상태를 분석한다. 횡축은 결합 에너지를 나타내고, 종축은 강도비를 나타낸다. 또한, 위로부터 아래 방향으로의 방향을 나타내는 화살표는 깊이 방향에서의 측정 스펙트럼을 나타낸다.
측정 조건을 하기 표 1에 나타낸다. 일반적으로 피크 시프트는 결합 상태에 따라 달라지는 것으로 공지되어 있다. 본 실시 양태에 관한 실리콘 고무의 경우, Si 2p 궤도의 피크가 고에너지측으로 시프트한다는 사실은, Si 원자에 결합된 산소 원자의 수가 증가함을 의미한다.
상기 측정에 따르면, 표면 처리를 수행함으로써, 최외층으로부터 내부를 향해 산소 농도가 증가하여 최대치를 가지며, 최외층으로부터 내부를 향해 탄소 농도가 감소하여 최소치를 갖는다. 깊이 방향으로 분석을 추가로 실시하면, 최대치에 도달한 후 산소 농도가 감소하고, 최소치에 도달한 후 탄소 농도가 증가한다. 전체적으로, 전체 부분에서의 각각의 원자의 원자 농도는 미처리 고무와 거의 동일하다. 또한, 도 4a의 α에서 검출된 산소의 최대치는, Si 2p 결합 에너지가 고에너지측으로 시프트하는 현상과 일치하며(도 4b의 α), 이는 산소 농도의 증가가 Si에 결합된 산소 원자의 수와 관련됨을 나타낸다.
미처리 실리콘 고무에 대해 수행한 동일한 분석의 결과를 도 5a 및 5b에 도시한다.
도 5a의 스펙트럼에서는, 도 4a의 스펙트럼에서 보여진 산소의 최대치 및 탄소의 최소치가 존재하지 않는다. 도 5b에서의 Si 2p 결합 에너지의 고에너지측으로의 시프트가 없으므로, Si 원자에 결합된 산소 원자의 수에 변화가 없음이 확인된다.
본 발명의 정착 부재는 바람직하게는 표 1에 나타낸 XPS 깊이 프로파일링에 의해 측정된 바의 최외측 표면으로부터 깊이 방향으로 5 nm~50 ㎛의 영역에서 산소 원자 농도의 최대치를 갖는다. 또한, 산소 원자 농도의 최대치를 얻을 수 있는 깊이에서, 하기 식 1의 계수 A는 바람직하게는 0.5 이상이다.
A=(B+C)/D 식 1
B: (Si2P 궤도의 결합 에너지 102.52 eV에서의 피크 강도로부터 산출된) 3개의 산소 원자에 각각 결합된 규소 원자의 존재비
C: (Si2P 궤도의 결합 에너지 103.54 eV에서의 피크 강도로부터 산출된) 4개의 산소 원자에 각각 결합된 규소 원자의 존재비
D: (Si2P 궤도의 결합 에너지 101.79 eV에서의 피크 강도로부터 산출된) 2개의 산소 원자에 각각 결합된 규소 원자의 존재비
상술한 바와 같이, 3 또는 4개의 산소 원자에 결합된 규소 원자를 갖는 폴리오르가노실록산을 포함하는 폴리오르가노실록산층이 기재 상의 탄성층의 표면에 형성된다.
폴리오르가노실록산층의 두께는 한정되지 않고 의도하는 목적에 따라 적절히 선택하지만, 바람직하게는 0.01 ㎛~5 ㎛, 더욱 바람직하게는 0.01 ㎛~1.0 ㎛이다. 이의 두께가 5 ㎛보다 클 경우, 이의 경도가 증가하여 결과로 나오는 정착 부재가 종이 또는 토너의 요철에 추종하지 못할 수 있다. 이의 두께가 0.01 ㎛보다 얇을 경우, 충분한 내구성을 갖는 폴리오르가노실록산층을 얻지 못할 수 있다.
또한, 탄성층의 최외측 표면은 적절히 개질할 수 있으며, 예컨대 최외측 표면은 커플링제, 다양한 모노머, 감광성 작용기, 소수성 기 또는 친수성 기로 개질할 수 있다. 예컨대 불소계 폴리머를 탄성층의 최외측 표면에 형성시킬 수 있다. 예컨대, 최외측 표면을 히드록실기, 실라놀기, 카르복실기 및 가수분해 가능한 기로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 작용기를 함유하는 비정질 수지로 형성시키고, 최외측 표면의 비정질 수지 및 탄성층의 내열성 고무를 산소 원자를 통해 결합시킨다. 비정질 수지는 한정되지 않고 의도하는 목적에 따라 적절히 선택하며, 이의 예는 주쇄에 퍼플루오로폴리에테르를 갖는 수지를 포함한다. 가수분해 가능한 기는 특별히 한정되지 않으며, 이의 예는 알콕시기, 예컨대 메톡시 및 에톡시기; 및 알콕시실란기, 예컨대 메톡시실란기 및 에톡시실란기를 포함한다. 커플링제는 한정되지 않고 의도하는 목적에 따라 적절히 선택하며, 이의 예는 금속 알콕시드, 및 금속 알콕시드 함유 용액을 포함한다. 금속 알콕시드는 예컨대 하기 일반식 (1)로 표시되는 실리콘 알콕시드계 모노머, 중합도가 약 2~약 10인 이의 부분 가수분해 중축합물, 및/또는 상기 모노머 또는 화합물 및 유기 용매를 포함하는 용액을 포함한다.
R1 (4-n)Si(OR2)n 일반식 (1)
상기 일반식 (1)에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 C1-C10 직쇄형 또는 분지쇄형 알킬기, 알킬 폴리에테르쇄 또는 아릴기 또는 이의 유도체이고, n은 2~4의 정수이다.
일반식 (1)로 표시되는 화합물의 구체예는 디메틸 디메톡시실란, 디에틸 디에톡시실란, 디에틸 디메톡시실란, 디에틸 디에톡시실란, 디페닐 디메톡시실란, 디페닐 디에톡시실란, 메틸 트리메톡시실란, 메틸 트리에톡시실란, 테트라메톡시실란, 테트라에톡시실란 및 테트라프로폭시실란을 포함한다. 이들 중에서, 에톡시실란이 내구성의 관점에서 특히 바람직하다. 또한, R1은 플루오로알킬기일 수 있거나, 산소를 통해 결합된 또는 플루오로알킬 아크릴레이트 또는 퍼플루오로폴리에테르일 수 있다. 이들 기 중에서, 퍼플루오로폴리에테르기가 가요성 및 내구성의 관점에서 특히 바람직하다.
또한, 다른 예는 비닐 실란, 예컨대 비닐트리(β-메톡시에톡시)실란, 비닐트리에톡시실란 및 비닐트리메톡시실란; 아크릴 실란, 예컨대 γ-메타크릴옥시프로필 트리메톡시실란; 에폭시 실란, 예컨대 β-(3,4-에톡시시클로헥실)에틸 트리메톡시실란, γ-글리시독시프로필 트리메톡시실란 및 γ-글리시독시프로필메틸 디에톡시실란; 및 아미노 실란, 예컨대 N-β(아미노에틸)-γ-아미노프로필 트리메톡시실란, N-β-(아미노에틸)-γ-아미노프로필메틸 디메톡시실란, γ-아미노프로필 트리에톡시실란 및 N-페닐-γ-아미노프로필 트리메톡시실란을 포함한다.
또한, 금속 원자가 Si에서 Ti, Sn, Al 또는 Zr로 변경된 일반식 (1)로 표시되는 모노머를 독립적으로 또는 조합하여 사용할 수 있다.
커플링제와 같은 표면 처리제로의 처리는, 탄성체에 표면 개질 처리(예컨대 플라즈마 처리, 전자선 가교 및 UV 오존 처리)를 수행한 후, 탄성체의 표면을 표면 처리제로 함침(예컨대 코팅 또는 딥핑)함으로써 수행할 수 있다. 처리의 결과로, 산소 원자 농도의 최대치를 갖는 개질층을 형성시킬 수 있다.
커플링제와 같은 표면 처리제로 탄성체의 표면을 코팅 또는 딥핑에 의해 함침함으로써, 표면 처리제가 기재에 침투하여, 폴리오르가노실록산이 소정 농도 분포로 존재하게 된다. 이 분포는 폴리오르가노실록산에 포함된 산소 원자 농도의 분포가 최외측 표면으로부터 깊이 방향으로 5 nm~50 ㎛의 영역에서 최대치를 갖는 분포이다.
본 발명의 정착 부재는 바람직하게는 5 ㎛ 압입 깊이에서의 유니버셜 경도 HU가 0.5 N/mm2 이하이다. 유니버셜 경도 HU는 예컨대 DIN50359에 따라 마이크로 경도 시험기 Win-HUD를 이용하여 정착 부재에 압입기를 점진적으로 가압하고, 압입 깊이가 5 ㎛에 도달할 때에 압입기의 접촉 면적 및 가압 부하로부터 유니버셜 경도를 결정함으로써 얻을 수 있다.
본 발명의 정착 부재의 구성을 채용함으로써, 정착 부재는 유연성을 갖는 최외측 표면을 가지며 수직 방향으로 가동성이 있고, 토너에 의해 형성된 단차 또는 전사지의 요철에 추종하여, 풀컬러 화상 형성에 대응하는 고품질 화상을 달성하기에 충분한 탄성을 확보할 수 있다. 또한, 상기 구성은, 계면에 대해 평행하게 응력이 걸리고 표면에 전단 응력이 걸리는 상태(마모 부하)에 대해서, 경도로 인한 충분한 강도의 제공에 의해, 최외측 표면의 내구성이 상당히 개선된 정착 부재를 실현할 수 있다. 그 결과, 높은 화상 품질 및 고신뢰성 모두, 및 장기간에 걸친 안정된 정착을 실현하는 정착 장치 및 전자 사진 방식의 화상 형성 장치를 제공할 수 있다.
실시예
본 발명을 하기 실시예를 통해 설명하지만, 이들 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
[실시예 1]
길이 320 mm 및 두께 50 ㎛의 원통형의 지지체(폴리이미드) 상에 실리콘용 프라이머층을 기재로서 형성시켜 건조시켰다. 그 다음, 플루오로실리콘 고무(X36-420 U, Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.)를 200 ㎛의 두께로 기재 상에 형성시켜, 10 분 동안 150℃에서 가열하였다.
형성된 플로우로실리콘 고무에 대해 하기 조건 하에서 플라즈마 처리를 실시하였다.
장치: PR-500, Yamato Scientific Co., Ltd. 제조
출력: 100 W
처리 시간: 4 분
반응 가스 : 아르곤(99.999%)
반응 압력 : 10 Pa
플루오로실리콘 고무 위에, 불소계 규소 화합물을 퍼플루오로헥산으로 희석한 0.1% 불소계 규소 화합물(OPTOOL DSX, Daikin Industries, Ltd. 제조)을 10 mm/분의 인상 속도(withdrawl speed)로 딥 코팅에 의해 도포한 후, 30 분 이상 동안 온도 60℃ 및 상대 습도 90%의 환경에서 방치하였다. 그 다음, 결과물을 10 분 동안 150℃에서 건조시켜 정착 부재를 제조하였다.
전술한 방식으로 제조된 정착 부재를 Ricoh Company Limited 제조의 imagio MPC3000의 정착 장치에 정착 벨트로서 장착하여, 이 장치를 이용하여 30,000 매의 종이에 토너 솔리드(solid) 화상을 인쇄하여 급지 시험을 실시하였다. 종이로는, 멀티페이퍼 슈퍼 화이트(Askul Co., Ltd. 제조)를 이용하였다. 내마모성 및 이형성의 결과를 하기 표 3에 나타낸 기준에 기초하여 평가하였다. 평가 결과를 하기 표 4에 나타낸다.
정착 부재에 대해 XPS 깊이 프로파일링 및 유니버셜 경도의 측정을 실시하였음을 주지하라. 결과를 표 4에 나타낸다.
표 1에 나타낸 조건 하에서 XPS 깊이 프로파일링을 실시하고, 표 3에 나타낸 기준에 기초하여 평가하였다. 또한, 하기 식 1의 계수 A를 XPS 깊이 프로파일링의 결과로부터 얻었다.
A=(B+C)/D 식 1
B: (Si2P 궤도의 결합 에너지 102.52 eV에서의 피크 강도로부터 산출된) 3개의 산소 원자에 각각 결합된 규소 원자의 존재비
C: (Si2P 궤도의 결합 에너지 103.54 eV에서의 피크 강도로부터 산출된) 4개의 산소 원자에 각각 결합된 규소 원자의 존재비
D: (Si2P 궤도의 결합 에너지 101.79 eV에서의 피크 강도로부터 산출된) 2개의 산소 원자에 각각 결합된 규소 원자의 존재비
또한, 유니버셜 경도는 DIN50359에 따라 마이크로 경도 시험기 Win-HUD를 이용하여, 소정 압입 깊이까지 하기 표 2에 나타낸 조건 하에서 정착 부재에 압입기를 점진적으로 가압하고, 압입 깊이가 5 ㎛에 도달할 때에 압입기의 접촉 면적 및 가압 부하로부터 유니버셜 경도를 결정함으로써 얻었다.
[실시예 2]
플루오로실리콘 고무 대신에, 실리콘 고무(DY35-2083, Toray Industries, Inc. 제조)를 200 ㎛ 두께로 코팅하고, 30 분 동안 150℃에서 가열하고, 4 시간 동안 200℃에서 2차 경화를 실시한 것 외에는, 실시예 1에서와 동일한 방식으로 정착 부재를 제조하였다. 제조된 정착 부재를 실시예 1에서와 동일한 방식으로 평가하였다.
[실시예 3]
OPTOOL DSX 대신에, 테트라에톡시실란(즉, 오르토규산테트라에틸)(Wako Pure Chemical Industries, Ltd. 제조)을 딥 코팅에 의해 도포한 것 외에는, 실시예 1에서와 동일한 방식으로 정착 부재를 제조하였다. 제조된 정착 부재를 실시예 1에서와 동일한 방식으로 평가하였다.
[실시예 4]
OPTOOL DSX 대신에, 테트라에톡시실란(즉, 오르토규산테트라에틸)(Wako Pure Chemical Industries, Ltd. 제조)을 딥 코팅에 의해 도포한 것 외에는, 실시예 2에서와 동일한 방식으로 정착 부재를 제조하였다. 제조된 정착 부재를 실시예 1에서와 동일한 방식으로 평가하였다.
[실시예 5]
플라즈마 반응 가스로서 아르곤 대신에 질소를 사용한 것 외에는, 실시예 1에서와 동일한 방식으로 정착 부재를 제조하였다. 제조된 정착 부재를 실시예 1에서와 동일한 방식으로 평가하였다.
[실시예 6]
플라즈마 반응 가스로서 아르곤 대신에 산소를 사용한 것 외에는, 실시예 1에서와 동일한 방식으로 정착 부재를 제조하였다. 제조된 정착 부재를 실시예 1에서와 동일한 방식으로 평가하였다.
[실시예 7]
플라즈마 처리로부터의 결과물을 최종 제품, 즉 정착 부재로서 사용한 것 외에는, 실시예 1에서와 동일한 방식으로 정착 부재를 제조하였다. 제조된 정착 부재를 실시예 1에서와 동일한 방식으로 평가하였다.
[실시예 8]
OPTOOL DSX 대신에, 오르토규산테트라에틸(Wako Pure Chemical Industries, Ltd. 제조)을 딥 코팅에 의해 도포하고, 플루오로실리콘 고무 대신에 아크릴 고무(Nipol AR51, Zeon Corporation 제조)를 사용한 것 외에는, 실시예 1에서와 동일한 방식으로 정착 부재를 제조하였다. 제조된 정착 부재를 실시예 1에서와 동일한 방식으로 평가하였다.
[실시예 9]
아크릴 고무를 부틸 고무(BR51, JSR Corporation 제조)로 대체한 것 외에는, 실시예 8에서와 동일한 방식으로 정착 부재를 제조하였다. 제조된 정착 부재를 실시예 1에서와 동일한 방식으로 평가하였다.
[실시예 10]
아크릴 고무를 에틸렌 프로필레 고무(EP11, JSR Corporation 제조)로 대체한 것 외에는, 실시예 8에서와 동일한 방식으로 정착 부재를 제조하였다. 제조된 정착 부재를 실시예 1에서와 동일한 방식으로 평가하였다.
[실시예 11]
OPTOOL DSX 대신에, 50% 티타늄 이소프로폭시드(Japan Pure Chemical Co., Ltd. 제조)의 에탄올 용액을 딥 코팅에 의해 도포한 것 외에는, 실시예 1에서와 동일한 방식으로 정착 부재를 제조하였다. 제조된 정착 부재를 실시예 1에서와 동일한 방식으로 평가하였다.
[비교예 1]
길이 320 mm 및 두께 50 ㎛의 원통형 지지체(폴리이미드) 상에 기재로서 실리콘용 프라이머층을 형성하고, 건조시켰다. 그 다음, 플루오로실리콘 고무(X36-420U, Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. 제조)를 기재 상에 200 ㎛의 두께로 형성시키고, 10 분 동안 150℃에서 가열하여 정착 부재를 제조하였다. 제조된 정착 부재를 실시예 1에서와 동일한 방식으로 평가하였다.
[비교예 2]
플루오로실리콘 고무 대신에, 실리콘 고무(DY35-2083, Toray Industries, Inc. 제조)를 200 ㎛의 두께로 코팅하고, 30 분 동안 150℃에서 가열한 후, 4 시간 동안 200℃에서 제2 경화를 실시한 것 외에는, 비교예 1에서와 동일한 방식으로 정착 부재를 제조하였다. 제조된 정착 부재를 실시예 1에서와 동일한 방식으로 평가하였다.
Figure 112013087963595-pct00012
Figure 112013087792775-pct00002
Figure 112013087963595-pct00013
Figure 112013087792775-pct00004
표 4에서, "HU"는 유니버셜 경도임을 주지하라.
상기 결과에 기초하여 하기 사실을 알 수 있다.
비교예 1에서는, 정착 부재의 표면의 마모가 현저히 진행되어, 정착 불량을 발생시켰다. 부재의 오프셋은 이형성 평가에서는 발생하지 않았지만, 결과 화상이 이상 화상으로 간주되는 정도로 화상 오프셋이 발생하였는데, 이는 허용 가능한 수준이 아니었다.
비교예 2에서는, 정착 부재의 표면의 마모가 현저히 진행되어, 정착 불량을 발생시켰다. 이형성 평가에서는, 정착 부재의 오프셋 및 이상 화상에 상당하는 화상의 오프셋 모두가 발생하였다. 따라서, 이는 허용 가능한 수준에 달하지 않았다.
비교예 1 및 2와 비교시, 실시예 1의 정착 부재는 내마모성 및 이형성의 평가 항목 모두의 랭크에서 가장 높은 허용 가능한 수준에 달하여, 본 발명의 효과를 확인할 수 있었다.
실시예 2, 3, 4, 8, 9, 10 및 11에서는, 이형 효과가 실시예 1에 의해 달성된 수준보다 낮았지만, 정착 부재는 허용 가능한 수준에 달하여, 본 발명의 효과를 확인할 수 있었다. 실시예 5, 6 및 7에서는, 내마모성 및 이형성이 실시예 1에 의해 달성된 수준보다 낮았지만, 정착 부재는 허용 가능한 수준에 달하여, 본 발명의 효과를 확인할 수 있었다.
상술한 것으로부터, 본 발명은 내마모성이 우수하며 마모로 인한 화상 불량을 장기간에 걸쳐 발생시키지 않는 정착 부재를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명은 화상 오프셋을 발생하지 않기 때문에 충분히 바람직한 이형성을 갖는 정착 부재를 제공할 수 있다. 그 결과, 내구성 및 신뢰성이 개선된 정착 장치를 제공할 수 있다. 이 정착 장치에 의해, 높은 내구성 및 신뢰성을 갖는 전자 사진 방식의 복사기, 팩시밀리 또는 레이저 프린터를 달성할 수 있고 이를 이용할 수 있어, "환경 부하 저감" 또는 "고객 만족 개선"에 기여한다.
본 발명의 정착 부재는 높은 화상 품질 및 높은 신뢰성 모두를 달성할 수 있고, 장기간에 걸친 안정된 정착을 달성할 수 있어서, 전자 사진 방식의 복사기, 팩시밀리 및 레이저 프린터에 적절히 사용된다.
101 감광체 드럼
102 대전 롤러
103 레이저 빔(노광)
104 현상 롤러
105 파워 팩
106 전사 롤러
107 기록 시트
108 클리닝 장치
109 표면 전위계
110 가열 정착 롤러
111 가압 롤러
112 벨트 정착 장치
113 정착 벨트
114 정착 롤러
115 가압 롤러
116 가열 롤러
201 기재
202 탄성층

Claims (13)

  1. 기록 매체 상의 토너상(toner image)을 가열하여 상기 기록 매체에 토너상을 정착시키는 프로세스에 사용되는 정착 부재로서,
    기재; 및
    기재 상에 제공된 폴리오르가노실록산층을 포함하며,
    상기 폴리오르가노실록산층은 3개 또는 4개의 산소 원자에 결합된 규소 원자를 포함하는 폴리오르가노실록산을 함유하고,
    상기 폴리오르가노실록산층은 폴리오르가노실록산층의 최외측 표면으로부터 깊이 방향으로 5 nm~50 ㎛의 폴리오르가노실록산층의 영역에서 산소 원자 농도의 최대치를 갖는 정착 부재.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 폴리오르가노실록산층이 폴리오르가노실록산층의 최외측 표면으로부터 깊이 방향으로 5 nm~50 ㎛의 폴리오르가노실록산층의 영역에서 탄소 원자 농도의 최소치를 갖는 정착 부재.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 산소 원자 농도 최대치를 나타내는 폴리오르가노실록산층의 깊이와 탄소 원자 농도 최소치를 나타내는 폴리오르가노실록산층의 깊이가 일치하는 정착 부재.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 폴리오르가노실록산층은 퍼플루오로알킬 에테르기가 산소 원자를 개재하여 결합된 표면을 갖는 정착 부재.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 기재와 상기 폴리오르가노실록산층 사이에 제공된 탄성층을 더 포함하는 정착 부재.
  7. 제6항에 있어서, 상기 탄성층이 주쇄에 실록산 결합을 갖는 탄성 고무를 포함하는 정착 부재.
  8. 제7항에 있어서, 탄성 고무가 플루오로실리콘 고무인 정착 부재.
  9. 제1항 또는 제3항에 있어서, 폴리오르가노실록산층의 최외측 표면으로부터 5 ㎛ 깊이로 압입할 때, 유니버셜 경도(universal hardness)가 0.5 N/mm2 이하인 정착 부재.
  10. 제1항 또는 제3항에 정의된 정착 부재를 포함하는 정착 장치.
  11. 제10항에 있어서, 정착 롤러, 및 상기 정착 롤러에 대향 제공된 가압 롤러를 포함하며, 상기 정착 롤러 또는 상기 가압 롤러 중 적어도 하나가 정착 부재인 정착 장치.
  12. 제10항에 있어서, 정착 벨트, 및 상기 정착 벨트에 대향 제공된 가압 벨트를 포함하며, 상기 정착 벨트 또는 상기 가압 벨트 중 적어도 하나가 정착 부재인 정착 장치.
  13. 제11항에 정의된 정착 장치를 포함하는 화상 형성 장치.
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