KR101640497B1 - 저항 발열층을 채용한 정착장치 및 이를 채용한 화상형성장치 - Google Patents

저항 발열층을 채용한 정착장치 및 이를 채용한 화상형성장치 Download PDF

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Abstract

개시된 정착장치는, 저항 발열층으로 된 최외곽층을 구비하는 가열부재와, 이 가열 부재와 대면되어 정착 닙을 형성하는 닙형성부재를 포함한다. 전류공급전극은 저항 발열층의 외주에 접촉되어 저항 발열층에 전류를 공급한다.

Description

저항 발열층을 채용한 정착장치 및 이를 채용한 화상형성장치{Fusing device adopting resistive heating layer and image forming apparatus using the same}
저항 발열층을 채용한 정착장치 및 이를 채용한 화상형성장치가 개시된다.
전자사진방식을 이용하는 화상형성장치는, 화상수용체에 형성된 정전잠상에 토너를 공급하여 화상수용체 상에 가시적인 토너화상을 형성하고, 이 토너화상을 용지로 전사한 후, 전사된 토너화상을 용지에 정착시킨다. 토너는 베이스 레진에 착색제를 비롯한 다양한 기능성 첨가물을 첨가하여 제조된다. 정착과정은 토너에 열과 압력을 가하는 과정을 수반한다. 전자사진방식 화상형성장치에서 소비되는 에너지 중 상당한 에너지가 정착과정에서 소비된다.
일반적으로 정착장치는 서로 맞물려 정착 닙을 형성하는 가열롤러와 가압롤러를 구비한다. 가열롤러는 할로겐 램프, 저항 발열층 등의 열원에 의하여 가열된다. 토너가 전사된 용지가 정착 닙을 통과하는 동안에 열과 압력이 토너에 가해진다.
저항 발열층을 구비하는 정착장치를 제공한다. 저항 발열층 내부의 전류의 흐름 경로를 짧게 할 수 있는 정착장치를 제공한다. 저항 발열층의 표면을 통하여 저항 발열층으로 직접 전류를 공급할 수 있는 정착장치를 제공한다. 저항 발열층의 표면 가열범위를 조정할 수 있는 정착장치를 제공한다. 상술한 정착 장치를 채용한 화상형성장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정착장치는, 저항 발열층으로 된 최외곽층을 구비하는 가열부재; 상기 가열 부재와 대면되어 정착 닙을 형성하는 닙형성부재; 상기 저항 발열층의 외주에 접촉되어 상기 저항 발열층에 전류를 공급하는 전류공급전극;을 포함한다.
상기 저항 발열층은 베이스 물질과, 상기 베이스 물질 내에 분포되는 전도성 필러를 포함할 수 있다.
상기 전류공급전극은 상기 저항 발열층에 원주 방향으로의 전류 흐름을 발생시킬 수 있다.
상기 전류공급전극은, 상기 저항발열층의 가열범위를 규정하는 것으로서, 상기 가열부재의 주행방향으로 서로 이격된 위치에서 상기 저항 발열층의 외주에 접촉되며, 제1전압이 인가되는 가지는 복수의 경계 전극; 상기 복수의 경계 전극 사이의 상기 저항 발열층의 외주에 접촉되며, 제2전압이 인가되는 전위차 형성전극;을 포함할 수 있다.
상기 가열범위는 상기 정착 닙을 제외한 범위일 수 있다.
상기 제1전압은 대지전압일 수 있다.
상기 복수의 경계전극 사이에는 복수의 상기 전위차 형성전극이 위치되며, 상기 정착장치는 상기 복수의 전위차 형성전극에 인가되는 상기 제2전압을 단속하는 단속수단;을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 경계 전극은 상기 저항 발열층의 폭에 대응되는 길이를 가지며, 상기 전위차 형성전극은 서로 다른 길이를 가지는 복수의 전위차 형성전극을 포함할 수 있다. 상기 복수의 전위치 형성전극은 상기 저항 발열층의 외주에 선택적으로 접촉될 수 있다. 상기 정착장치는 상기 복수의 전위차 형성전극에 인가되는 상기 제2전압을 단속하는 단속수단을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 경계 전극은 제1길이를 가지는 복수의 제1경계 전극과 제2길이를 가지는 복수의 제2경계 전극을 포함하며, 상기 전위차 형성전극은 상기 복수의 제1경계전극 사이와, 상기 복수의 제2경계 전극 사이에 각각 위치되며, 상기 제1, 제2길이를 갖는 제1, 제2전위차 형성전극을 포함할 수 있다. 상기 복수의 제1, 제2경계 전극과 상기 제1, 제2전위차 형성전극은 상기 저항 발열층의 표면에 선택적으로 접촉될 수 있다. 상기 정착장치는, 상기 복수의 제1, 제2경계 전극과 상기 제1, 제2전위차 형성전극에 인가되는 상기 제1, 제2전압을 단속하는 단속수단을 더 구비할 수 있다.
상기 복수의 경계 전극은, 서로 이격되게 배치되고 상기 저항 발열층의 폭에 대응되는 길이를 갖는 복수의 제1경계전극과 복수의 제2경계전극을 포함하며, 상기 전위차 형성전극은 상기 복수의 제1경계전극 사이와 상기 복수의 제2경계 전극 사이에 각각 위치되며, 그 길이가 서로 다른 제1, 제2전위차 형성전극을 포함할 수 있다. 상기 제1, 제2전위차 형성전극은 상기 저항 발열층의 표면에 선택적으로 접촉될 수 있다. 상기 정착장치는 상기 제1, 제2전위차 형성전극에 인가되는 상기 제2전압을 단속하는 단속수단을 더 포함할 수 있다.
상기 전류공급전극은, 상기 전위차 형성전극과 상기 경계 전극들 사이에 위치되어 상기 전위차 형성전극과 동전위의 전압을 상기 저항 발열층의 표면에 선택적으로 인가하는 조정전극;을 더 포함할 수 있다. 상기 조정전극은 상기 저항 발열층의 표면에 선택적으로 접촉될 수 있다.
상기 가열부재는 상기 저항 발열층을 지지하는 심재;를 포함할 수 있다. 상기 심재는 원통형상일 수 있다. 상기 심재는 유연한 벨트 형상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화상형성장치는, 용지의 표면에 토너화상을 형성하는 인쇄유닛; 열과 압력을 이용하여 상기 토너화상을 상기 용지에 정착시키는 것으로서, 상술한 정착장치;를 포함한다.
상술한 정착장치 및 화상형성장치에 따르면, 저항 발열층의 표면을 따라 원주방향으로 전류가 흐를 수 있도록 전류공급전극을 배치함으로써 저항 발열층의 저항을 감소시켜 높은 효율로 신속하게 가열 부재의 온도를 올릴 수 있다. 저항 발열층 전체가 아닌 전류공급전극에 의하여 규정되는 가열범위 만을 가열할 수 있으므로 가열부재의 크기의 변화에 무관하게 저항 발열층의 저항값을 유지할 수 있어 가열부재의 표면 온도 조절이 용이하다. 저항 발열층에 전류를 공급하기 위한 전극들이 가열부재와 분리되어 있어서, 가열부재의 구조가 단순해져서 가열부재의 제작이 용이해지진다. 가열범위를 정착 닙을 제외한 영역으로 설정함으로써 정착 닙을 통한 전류의 누설에 위한 감전 위험을 방지할 수 있다.
도 1은 전자사진방식 화상형성장치의 일 실시예의 구성도.
도 2는 정착장치의 일 실시예의 단면도.
도 3은 도 2에 도시된 정착장치의 일 실시예의 사시도.
도 4는 도 2에 도시된 정착장치의 일 실시예에서 가열범위를 상세히 도시한 도면.
도 5는 탄성층이 구비된 가열부재의 일 예를 도시한 단면도.
도 6은 정착장치의 다른 실시예의 단면도.
도 7은 정착장치의 다른 실시예로서, 조정전극을 구비하는 예를 도시한 단면도.
도 8 내지 도10은 인쇄에 사용되는 용지의 폭에 대응하여 가열범위를 결정할 수 있는 정착장치의 실시예들을 도시한 단면도.
도 11은 정착장치의 다른 실시예로서, 벨트 형태의 가열부재를 구비하는 예를 도시한 단면도.
도 12는 도 11에 도시된 가열부재의 단면도.
이하, 도면을 참조하면서 정착장치 및 화상형성장치의 실시예들에 관하여 설명한다.
도 1은 화상형성장치의 일 실시예를 도시한 구성도이다. 도 1에 도시된 화상형성장치는 건식 현상제(이하, 토너라 한다.)를 사용하여 칼라화상을 인쇄하는 건식 전자사진방식 화상형성장치이다.
인쇄유닛(100)은 전자사진 프로세스에 의하여 용지(P)의 표면에 토너화상을 형성한다. 인쇄유닛(100)은, 노광기(30), 현상기(10), 전사기를 구비한다. 본 실시예의 인쇄유닛(100)은 칼라 화상을 인쇄하기 위하여 서로 다른 색상의 토너, 예를 들면 시안(C:cyan), 마젠타(M:magenta), 옐로우(Y:yellow), 블랙(K:black) 색상의 토너가 각각 수용된 4개의 현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)와, 각 현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)에 대응되는 4개의 노광기(30C, 30M, 30Y, 30K)를 구비한다.
현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)는 정전잠상이 형성되는 화상수용체인 감광드럼(11)과 정전잠상을 현상시키기 위한 현상롤러(12)를 각각 구비한다. 대전롤러(13)에는 감광드럼(11)의 외주를 균일한 전위로　대전시키기 위하여 대전바이어스가 인가된다. 대전롤러(13) 대신에 코로나 방전기(미도시)가 채용될 수도 있다. 현상롤러(12)는 그 외주에 토너를 부착시켜 감광드럼(11)으로 공급한다. 현상롤러(12)에는 토너를 감광드럼(11)으로 공급하기 위한 현상바이어스가 인가된다. 도시되지는 않았지만, 현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)에는 그 내부에 수용된 토너를 현상롤러(12)로 부착시키는 공급롤러, 현상롤러(12)에 부착된 토너의 양을 규제하는 규제수단, 그 내부에 수용된 토너를 공급롤러 및/또는 현상롤러(12) 쪽으로 이송시키는 교반기(미도시) 등을 더 설치될 수 있다. 또한, 도시되지는 않았지만, 현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)에는 대전 전에 감광드럼(11)의 외주에 묻은 토너를 제거하는 클리닝 블레이드와, 제거된 토너를 수용하기 위한 수용공간에 마련될 수 있다.
각 노광기(30C, 30M, 30Y, 30K)는 시안(C:cyan), 마젠타(M:magenta), 옐로우(Y:yellow), 블랙(K:black) 색상의 화상정보에 대응되는 광을 각 현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)의 감광드럼(11)으로 주사한다. 본 실시예에서는 노광기(30C, 30M, 30Y, 30K)로서 레이저 다이오드를 광원으로 사용하는 LSU(laser scanning unit)가 채용된다.
전사기는, 예를 들면, 용지반송벨트(20)와 4개의 전사롤러(40)를 포함할 수 있다. 용지반송벨트(20)는 현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)의 외부로 노출된 감광드럼(11)의 외주면과 대면된다. 용지반송벨트(20)는 다수의 지지롤러들(21)(22)(23)(24)에 의해 지지되어 순환주행된다. 4개의 전사롤러(40)는 용지반송벨트(20)를 사이에 두고 각 현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)의 감광드럼(11)과 대면되는 위치에 배치된다. 전사롤러(40)에는 전사바이어스가 인가된다.
상술한 바와 같은 구성에 의한 칼라화상형성과정을 설명한다.
각 현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)의 감광드럼(11)은 대전롤러(13)에 인가된 대전바이어스에 의하여 균일한 전위로 대전된다. 4개의 노광기(30C, 30M, 30Y, 30K)은 각각 시안, 마젠타, 옐로우, 블랙 색상의 화상정보에 대응되는 광을 각 현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)의 감광드럼(11)으로 주사하여 정전잠상을 형성시킨다. 현상롤러(12)에는 현상바이어스가 인가된다. 그러면 현상롤러(12)의 외주에 부착된 토너가 정전잠상으로 부착되어 각 현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)의 감광드럼(11)에 각각 시안, 마젠타, 옐로우, 블랙 색상의 토너화상이 형성된다.
토너를 최종적으로 수용하는 매체, 예를 들면 용지(P)는 픽업롤러(121)에 의하여 카세트(120)로부터 인출된다. 용지(P)는 이송롤러(122)에 의하여 용지반송벨트(20)로 공급되며, 용지(P)는 정전기적인 힘에 의하여 용지반송벨트(20)의 표면에 부착되어 용지반송벨트(20)의 주행선속도와 동일한 속도로 이송된다.
예를 들면, 현상기(10C)의 감광드럼(11)의 외주면에 형성된 시안(C)색상의 토너화상의 선단이 전사롤러(40)와 대면된 전사닙으로 도달되는 시점에 맞추어 용지(P)의 선단이 전사닙에 도달된다. 전사롤러(40)에 전사바이어스가 인가되면 감광드럼(11)에 형성된 토너화상은 용지(P)로 전사된다. 용지(P)가 이송됨에 따라 현상기(10M, 10Y, 10K)의 감광드럼(11)들에 형성된 마젠타(M), 옐로우(Y), 블랙(K) 색상의 토너화상은 순차적으로 용지(P)에 중첩 전사되어, 용지(P)에는 칼라 토너화상이 형성된다.
용지(P)에 전사된 칼라 토너화상은 정전기적인 힘에 의하여 용지(P)의 표면에 유지된다. 정착장치(300)는 열과 압력을 이용하여 칼라토너화상을 용지(P)에 정착시킨다. 정착이 완료된 용지(P)는 배출롤러(123)에 의하여 화상형성장치 밖으로 배출된다.
도 2는 도 1에 도시된 화상형성장치에 채용된 정착장치(300)의 일 실시예의 단면도이며, 도 3은 도 2에 도시된 정착장치(300)의 일 실시예의 사시도이다. 도 2 및 도 3을 보면, 롤러 형태의 가열 부재(310)와, 이와 대면되어 정착 닙(N)을 형성하는 닙 형성부재(320)가 도시되어 있다. 일 예로서, 닙 형성부재(320)는 금속 심재(321)에 탄성층(322)이 형성된 롤러 형태이다. 가열 부재(310)와 닙 형성부재(320)는 도시되지 않은 바이어스 수단, 예를 들면 스프링에 의하여 서로 맞물리는 방향으로 바이어스된다. 닙 형성부재(320)는 가열부재(310)에 압력을 가하는 작용을 하므로 가압부재로 불리기도 한다. 닙 형성부재(320)의 탄성층(322)이 일부 변형됨으로써 가열 부재(310)로부터 용지(P) 상의 토너로의 열전달이 이루어지는 정착 닙(N)이 형성된다.
가열 부재(310)는 심재(311)와 저항 발열층(313)을 구비한다. 심재(311)는 예를 들면 원통형상일 수 있다. 심재(311)가 금속으로 형성된 경우에, 저항 발열층(312)과 심재(313) 사이에는 전기적 절연층(312)이 마련될 수 있다. 심재(311)는 PPS(polyphenylene sulfide), 폴리아미드-이미드(polyamide-imide), 폴리이미드(polyimide), 폴리케톤(polyketone), PPA(polyphthalamide), PEEK(polyether-ether-ketone), PES(polythersulfone), PEI(polyetherimide)등의 고온에서도 기계적 특성이 우수한 고내열성 플라스틱 등으로 제조될 수 있다. 이 외에도 심재(311)의 재료로서는 정착장치의 통상적인 사용온도에서 기계적 특성이 유지되는 어떤 재료라도 사용이 가능하다. 심재(311)로서 고내열성 플라스틱 등 비도전성 재료가 채용되는 경우에는 절연층(312)이 생략될 수 있다. 절연층(312)에 사용될 수 있는 재료로는 전기적 절연성을 가지는 폴리머들이 있다. 또, 전술한 고내열성 플라스틱도 절연층(312)의 재료로서 채용될 수 있다. 또, 단열특성을 가지도록 하기 위하여 절연층(312)의 재료로서 스펀지(sponge)나 폼(foam) 형태의 폴리머가 채용될 수도 있다.
가열부재(310)는 탄성층을 구비할 수 있다. 일 예로서, 저항 발열층(313)의 베이스 물질로서 탄성을 가지는 내열성 폴리머를 채용함으로써 저항 발열층(313)이 탄성층의 역할을 겸하도록 할 수 있다. 또, 절연층(312)의 재료로서 탄성을 가지는 폴리머를 채용함으로써 절연층(312)이 탄성층의 역할을 겸하도록 할 수도 있다. 또, 도 5에 도시된 바와 같이, 저항 발열층(313)과 심재(311) 사이에는 탄성물질로 된 별도의 탄성층(314)이 마련될 수도 있다.
본 실시예의 정착장치에는 열원으로서 저항 발열층(313)을 채용한 가열 부재(310)가 적용된다. 저항 발열층(313)은 가열부재(310)의 최외곽층을 형성한다. 저항 발열층(313)은 전도성 물질로 형성된 층으로서, 예를 들어 베이스 물질에 전도성 필러를 분산한 것일 수 있다. 베이스 물질은 정착온도에서 견딜 수 있는 내열성을 가지는 재료라면 특별히 제한되지 않는다. 베이스 물질은 탄성을 가질 수도 있다. 예를 들어, 베이스 물질로서, PDMS 등의 실리콘 고무와 같은 고내열성 엘라스토머 채용될 수 있다. 또, 용지(P)위의 토너가 가열부재(310)의 표면으로 옮겨 붙는 오프셋(offset)을 방지하기 위하여, 베이스 물질은 이형성이 우수한 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 등의 플루오로 폴리머(fluoropolymer) 계통의 재료가 채용될 수 있다.
저항 발열층(313)에 전압이 인가되면 주울 열(Joule heat)이 발생된다. 전도성 필러로는 철, 니켈, 알루미늄, 금, 은 등의 금속계 필러 및/또는 탄소나노튜브, 카본블랙, 탄소단섬유, 탄소 필라멘트, 탄소 코일 등의 탄소계 필러가 채용될 수 있다. 금속계 필러는 침상, 판상, 원형 등 다양한 형상일 수 있다. 또, 열전도도를 향상시키기 위하여 저항 발열층(313)에는 알루미나, 산화철 등의 금속 산화물이 첨가될 수도 있다.
화상형성을 위하여는 정착장치가 소정의 정착온도에 근접한 온도로 가열되어야 한다. 정착장치의 가열 시간을 줄일수록 인쇄를 명령이 수신된 후에 첫 페이지가 인쇄되어 나오기까지의 시간이 짧아지게 된다. 일반적으로, 전자사진방식 화상형성장치에서, 정착장치는 인쇄를 수행할 경우에만 가열되고 대기시간에는 작동할 필요가 없다. 그러나, 인쇄를 다시 시작할 경우 정착장치를 가열하는데 다시 시간이 필요하다. 다시 인쇄를 수행하기까지의 소요시간을 줄이기 위하여 정착장치는 대기모드 시에도 일정 온도를 유지하도록 제어된다. 일반적으로 대기모드 시 예열온도는 150~180℃정도이다. 예를 들어, A4 크기의 용지에 화상을 인쇄하기 위한 화상형성장치의 경우에 대기모드에서의 소비 전력은 예를 들면 약 30와트 정도이다. 만약 정착장치의 온도를 인쇄를 수행할 수 있는 온도까지 승온시키는데 소요되는 시간이 충분이 짧아질 수 있다면 대기모드 시의 예열이 필요없게 되며 정착장치에서 소비되는 에너지를 줄일 수 있다.
저항 발열층(313)의 발열 온도와 승온 속도는 저항 발열층(313)의 두께, 길이와 같은 기하학적인 치수(dimension), 비열 및 전기전도도와 같은 물리적 특성에 의존한다. 저항 발열층(313)은 약 10-5 S/m 이상의 전기전도도를 가질 수 있다. 저항 발열층(313)에 인가되는 전압이 동일한 경우에, 저항 발열층(313)의 저항을 작게 할수록 가열부재(310)는 높은 효율로, 또 신속하게 가열된다. 일반적으로 저항 재료의 저항(R)은 재료의 길이에 비례하며, 재료의 단면적과 전기전도도에 반비례한다. 저항 발열층(313)의 저항을 작게 하기 위하여 전기전도도를 증가시키는 방안을 고려할 수 있다. 전기전도도의 증가는 전도성 필러 함량의 증가, 필러의 정렬성 향상, 필러의 분산도 조절 등을 통해 이룰 수 있다.
본 실시예의 정착장치(300)에서는 저항 발열층(313) 내부에서 전류가 가급적 짧은 경로로 흐르도록 한다. 이를 위하여, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 저항 발열층(313)에 전류를 공급하기 위한 전류공급전극으로서, 저항 발열층(313)의 폭에 대응되는 길이를 갖는 전극을 채용한다. 이 구성에 의하면, 전류는 저항 발열층(313)의 원주방향으로 흐르게 되어, 매우 짧은 전류 경로를 가지게 된다.
또, 저항 발열층(313)의 표면 즉, 도 3에서 또, 저항 발열층(313)의 외주 표면에 전류를 공급하여 저항 발열층(313)에서 발생된 열이 심재(311)를 가열시키는 등의 과정을 통하여 손실되지 않고 정착 닙(N)으로 공급되도록 한다. 이를 위하여, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 용지(P)와 접촉하게 될 저항 발열층(313)의 외주에 전류공급전극을 접촉시킨다.
전류공급전극은, 경계 전극(351)(352)과, 전위차 형성전극(361)을 포함할 수 있다. 경계 전극(351)(352)은 가열부재(310)의 주행방향, 즉 가열부재(310)의 회전방향으로 서로 이격되게 위치되고, 저항 발열층(313)의 외주에 접촉된다. 경계 전극(351)(352)은 같은 전위(V1)를 갖는다. 전위차 형성전극(361)은 경계 전극(351)(352) 사이에 위치되고, 저항 발열층(313)의 외주에 접촉된다. 전위차 형성전극(361)은 경계 전극(351)(352)의 전위(V1)와 다른 전위(V2)를 갖는다. 이에 의하여 전위차 형성전극(361)와 경계 전극(351)(352) 사이에는 전위차가 형성된다. 이 전위차에 의하여 전류는 저항 발열층(313)의 표면을 따라 흐르게 된다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 경계 전극(351)(352)에 동전위의 (-) 전위를 인가하고, 전위차 형성전극(361)에 (+) 전위를 인가하면, 전류(i)는 가열범위, 즉 경계 전극(351)(352)에 의하여 구획되고 전위차 형성전극(361)이 위치된 영역(A)에만 흐른다. 경계 전극(351)(352)의 전위가 동일하므로, 영역(A)를 제외한 나머지 영역에서는 전위차가 형성되지 않아서 전류가 흐르지 않는다. 경계 전극(351)(352)에 대지전압을 부여하면, 영역(A)를 제외한 저항 발열층(313)의 표면에 사용자가 직접 또는 도전체를 통하여 접촉되더라도 감전 등의 문제가 발생되지 않는다. 따라서, 영역(A)를 제외한 저항 발열층(313)의 표면을 외부로부터 격리시킬 필요가 없다. 영역(A)에서는 저항 발열층(313)의 표면으로 원주방향으로 흐르는 전류(i)에 의하여 열이 발생된다. 가열부재(310)가 회전됨에 따라 가열된 영역(A)이 정착 닙(N)에 도달되며, 열은 저항 발열층(313)의 표면로부터 직접 용지(P) 및 그 위에 정전기적 인력에 의하여 부착된 토너로 전달된다.
일 예로서, 두께 약 0.1mm, 전기전도도 약 7S/m의 저항 발열층(313)을 갖는 직경 약 30mm의 롤러 형태의 가열부재(310)를 만든다. 비교예로서, 이 가열부재(310)에 저항 발열층(313)의 폭방향(W)으로 전류가 흐르도록 전극(미도시)을 배치하고 약 220V의 전위차를 형성한 경우 저항 발열층(313)의 저항이 약 2.5㏀이 된다. 이 가열부재(310)에 도 2에 도시된 바와 같이, 원주방향으로 약 45도 간격으로 경계 전극(351)(352)을 배치하고, 그 사이에 전위차 형성전극(361)을 배치한다. 경계 전극(351)(352)과 전위차 형성전극(361) 사이에 약 220V의 전위차를 형성한 경우 가열범위에서 약 1300W의 에너지가 생성된다. 이 경우에, 저항 발열층(313)의 가열범위에서의 저항은 약 50Ω 정도로서, 비교예의 저항에 비하여 약 1/50이 된다. 저항이 낮다는 것은 동일한 전압이 인가되는 경우에 많은 전류를 공급할 수 있다는 것을 의미하므로, 본 실시예의 정착장치(300)에 따르면 저항 발열층(313)으로서 전기전도도가 낮은 재료를 사용할 수 있다. 따라서, 저항 발열층(313)의 재료 선택에 있어서의 제약이 적어지므로 전기전도도가 다소 낮더라도 기계적 성능이 우수한 재료를 저항 발열층(313)의 재료로 채용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 저항 발열층(313)의 표면을 따라 원주방향으로 전류가 흐를 수 있도록 경계 전극(351)(352)과 전위차 형성전극(361)을 배치하여 저항 발열층(313)의 저항을 감소시킴으로써, 주어진 전도성 필러의 함량 조건에서 더 높은 효율로 신속한 발열이 가능하다. 따라서, 저항 발열층(313)의 발열특성의 열화를 줄이면서, 저항 발열층(313)에 첨가하는 전도성 필러의 양을 저항 발열층(313)의 경도, 인장 및 압축 강도 등의 기계적 물성이 정착 장치에 적합한 범위에서 조절할 수 있다. 또, 저항 발열층(313)의 발열특성의 희생을 줄이면서도, 저항 발열층(313)의 기계적 물성이 사출, 압출, 스프레이 코팅 등의 통상의 제작 방법이 가능한 범위 내로 유지될 수 있도록 전도성 필러의 함량을 조절할 수 있는 여유를 얻을 수 있다.
또, 저항 발열층(313)에서 발생된 열이 저항 발열층(313)의 표면을 통하여 바로 정착 닙(N)으로 공급되므로, 심재(311) 등으로 전달되어 손실되는 열을 줄일 수 있어, 열효율을 향상시킬 수 있다. 또, 저항 발열층(313)의 가열범위만을 가열할 수 있으므로 가열범위에서의 빠른 승온이 가능하여, 고속 정착이 가능한 정착장치를 구현할 수 있다. 또, 저항 발열층(313)에 전류를 공급하기 위한 전극들이 가열부재(310)와 분리되어 있어서, 가열부재(310)의 구조가 단순해져서 가열부재(310)의 제작이 용이해진다. 또, 가열부재(310)의 크기의 변화에 무관하게 저항 발열층(310)의 저항값을 유지할 수 있어 가열부재(310)의 표면 온도 조절이 용이하다. 다시 말하면 가열부재(310)의 직경이 커지더라도 경계 전극(351)(352) 사이의 간격을 일정하게 유지하면 가열범위가 변경되지 않으므로 가열 범위 내에서의 저항 발열층(313)의 저항은 일정하게 유지된다. 정착장치(300)의 경우에 정착 닙(N)이 위치되는 부분이 용지(P)와 접촉되어 있다. 가열범위를 정착 닙(N)을 제외한 영역으로 함으로써 전류의 누출에 위한 감전 위험을 방지할 수 있다.
경계 전극(351)(352)과 전위차 형성전극(361)의 재료로서는 전기 전도도가 높은 금속이 채용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 투명 전극 재료로 널리 사용되는 ITO(indium tin oxide)나, PEDOT(poly-3, 4-ethylenedioxythiophene), PPy(polypyrrole)와 같은 전기전도도가 우수한 도전성 폴리머나, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소필라멘트, 탄소코일, 카본 블랙 등의 탄소소재 또는 이들로 이루어진 복합재가 전극(351)(352)(361)의 재료로서 채용될 수 있다.
도 6에는 정착장치의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 6을 보면, 복수의 경계 전극(353-356)들 사이에 복수의 전위차 형성전극(362-364)이 배치됨으로써 가열범위를 세분화한 예가 도시되어 있다. 즉, 도 6에서는 가열범위인 영역(B)이 6개의 영역으로 세분화되어 있다. 이와 같이, 가열범위를 복수의 영역으로 세분함으로써 복수의 영역 각각에서 전류가 흐르는 경로의 길이를 짧게 하여 저항 발열층(313)의 저항을 줄일 수 있다. 따라서, 전기전도도가 비교적 낮은 재료라 하더라도 저항 발열층(313)으로 사용할 수 있다. 또, 도 6에 도시된 바와 같이, 복수의 전위차 형성전극(362-364)에 전압(V2)를 선택적으로 인가함으로써 가열범위인 영역(B)에서 저항 발열층(313)의 발열량을 조절할 수 있다. 예를 들어, 복수의 단속수단(S)을 온/오프 함으로써 복수의 전위차 형성전극(362-364)에 전압(V2)를 선택적으로 인가할 수 있다. 또한, 도시되지는 않은 액추에이터를 이용하여 복수의 전위차 형성전극(362-364)을 저항 발열층(313)의 표면에/으로부터 선택적으로 접촉/이격시킴으로써 복수의 전위차 형성전극(362-364)에 전압(V2)를 선택적으로 인가할 수 있다. 발열량의 조절은 예를 들어 칼라 인쇄시와 단색인쇄시에 다르게 조절될 수 있다. 또한, 발열량은 인쇄속도에 따라서도 다르게 조절될 수 있다.
도 7에는 정착장치의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 7을 보면, 경계 전극(357)(358)과 전위차 형성전극(365) 사이에 조정전극(371)(372)이 설치된다. 조정전극(371)(372)은 전위차 형성전극(365) 또는 경계전극(357)(358)과 동전위를 가질 수 있다. 도 7에 도시된 실시예에서는 조정전극(371)(372)에 전위차 형성전극(365)과 동일하게 전압(V2)가 인가된다. 조정전극(371)(372)은 저항 발열층(313)의 표면에 접촉된 제1위치와, 저항 발열층(313)의 표면으로부터 이격된 제2위치로 이동될 수 있다. 예를 들어, 조정전극(371)(372)은 각각 지지부재(301)(302)에 설치되고, 지지부재(301)(302)는 액추에이터(303)에 의하여 이동될 수 있다. 액추에이터(303)로서는 전기모터, 솔레노이드 등 다양한 구동장치가 채용될 수 있다. 조정전극(371)(372)이 저항 발열층(313)의 표면으로부터 이격되는 경우에 저항 발열층(313)의 가열범위는 경계전극(357)(358) 사이의 영역(C1)이 된다. 조정전극(371)(372)이 저항 발열층(313)의 표면에 접촉되면, 저항 발열층(313)의 가열범위는 경계전극(357)과 조정전극(371) 사이의 영역(C2) 및 경계전극(358)과 조정전극(372) 사이의 영역(C3)이 된다. 도면으로 도시되지는 않았지만 조정전극(371)(372)에 전압(V1)이 인가되는 경우에는 조정전극(371)(372)이 저항 발열층(313)의 표면에 접촉되면, 저항 발열층(313)의 가열범위는 조정전극(371)(372) 사이의 영역(C4)이 된다. C1 > C2+C3이고, C1>C4이므로, 조정전극(371)(372)이 저항 발열층(313)의 표면으로부터 이격되는 경우보다 조정전극(371)(372)이 저항 발열층(313)의 표면에 접촉된 경우에 더 빠른 승온이 가능하다.
상술한 구성에 따르면, 정착온도와 인쇄속도 등을 감안하여 가열범위를 조정할 수 있다. 예를 들면, 화상형성장치의 전원을 인가한 직후에 정착장치(300)의 온도를 높이는 초기 승온 동작시에는 많은 발열 에너지가 필요하므로 조정전극(371)(372)을 저항 발열층(313)의 표면에 접촉시켜 저항 발열층(313)의 가열범위를 길이를 짧게 함으로써 신속한 승온이 되도록 한다. 초기 승온이 완료된 후에 인쇄를 수행할 때에는 비교적 적은 발열 에너지가 필요하므로, 조정전극(371)(372) 또는 조정전극(371)(372) 중 하나를 저항 발열층(313)의 표면으로부터 이격시켜 가열범위를 확장하여, 발열량을 제어할 수 있다.
조정전극(371)(372)을 저항 발열층(313)의 표면에 대하여 접촉/이격시키는 대신에 도 7에 도시된 바와 같이, 단속수단(S1)(S2)을 설치하여 이를 온/오프(ON/OFF) 시킴으로써 가열범위를 가변시킬 수도 있다.
도 8에는 정착장치의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 8을 보면, 제1경계 전극(411)(412)과 제1전위차 형성전극(421)은 제1지지부재(304)에 탑재된다. 제2경계 전극(413)(414)과 제2전위차 형성전극(422)은 제2지지부재(305)에 탑재된다. 액추에이터(401)는 제1지지부재(304)와 제2지지부재(305)를 저항 발열층(313)에 대하여 접촉/이격되는 방향으로 구동한다. 도 8에서 제1경계 전극(411)(412)과 제1전위차 형성전극(421)은 그 길이, 즉 가열부재(310)의 폭방향의 길이가 제2경계 전극(413)(414)과 제2전위차 형성전극(422)의 길이와 다르다. 즉, 경계전극들(411-414)과 전위차 형성전극들(421)(422)의 길이는 가열하고자 폭에 따라 다를 수 있다. 예를 들면, 제1경계 전극(411)(412)과 제1전위차 형성전극(421)의 길이는 A4용지의 폭에 대응되는 길이로 하고, 제2경계 전극(413)(414)과 제2전위차 형성전극(422)의 길이는 A3용지의 폭에 대응되는 길이로 할 수 있다. A4용지가 사용되는 경우에는 엑추에이터(401)를 이용하여 제1지지부재(304)를 저항 발열층(313) 쪽으로 이동시켜 제1경계 전극(411)(412)과 제1전위차 형성전극(421)을 저항 발열층(313)의 표면에 접촉시키고, 제2지지부재(305)는 저항 발열층(313)과 이격되는 방향으로 이동시켜 제2경계 전극(413)(414)과 제2전위차 형성전극(422)을 저항 발열층(313)의 표면으로부터 이격시킨다. 반대로, A3용지가 사용되는 경우에는 엑추에이터(401)를 이용하여 제2경계 전극(413)(414)과 제2전위차 형성전극(422)을 저항 발열층(313)의 표면에 접촉시키고, 제1경계 전극(411)(412)과 제1전위차 형성전극(421)을 저항 발열층(313)의 표면으로부터 이격시킨다. 이와 같은 구성에 따르면, 정착에 필요한 영역에만 열을 발생시킬 수 있으므로 에너지 소비량을 줄일 수 있다.
물론, 도 8에 도시된 바와 같이, 제1, 제2경계 전극(411-414)과 제1, 제2전위차 형성전극(421)(422)을 이동시키는 대신에, 단속수단(S3)(S4)을 설치하여 이를 온/오프(ON/OFF) 시킬 수도 있다.
일 변형예로서, 도 9에 도시된 바와 같이, 제1, 제2경계전극(411a)(412a)(413a)(414a)은 그 길이가 저항 발열층(313)의 폭에 대응되고, 제1, 제2전위차 형성전극(421)(422)의 길이는 가열하고자 하는 폭에 대응되도록 서로 다르게 할 수 있다. 예를 들어, 제1전위차 형성전극(421)의 길이는 A4용지의 폭에 대응되는 길이로 하고, 제2전위차 형성전극(422)의 길이는 A3용지의 폭에 대응되는 길이로 할 수 있다. 제1, 제2경계전극(411a)(412a)(413a)(414a)은 항상 저항 발열층(313)의 표면에 접촉된 상태로 유지될 수 있다. A4용지가 사용되는 경우에는 엑추에이터(401)를 이용하여 지지부재(306)를 저항 발열층(313) 쪽으로 이동시켜 제1전위차 형성전극(421)을 저항 발열층(313)의 표면에 접촉시키고, 지지부재(307)는 저항 발열층(313)과 이격되는 방향으로 이동시켜 제2전위차 형성전극(422)을 저항 발열층(313)의 표면으로부터 이격시킨다. 반대로, A3용지가 사용되는 경우에는 엑추에이터(401)를 이용하여 제2전위차 형성전극(422)을 저항 발열층(313)의 표면에 접촉시키고, 제1전위차 형성전극(421)을 저항 발열층(313)의 표면으로부터 이격시킨다. 물론, 제1, 제2전위차 형성전극(421)(422)을 이동시키는 대신에, 단속수단(S3)(S4)을 설치하여 제1, 제2전위차 형성전극(421)(422)에 인가되는 전압(V2)을 온/오프(ON/OFF) 시킬 수도 있다.
또, 도 10에 도시된 바와 같이, 경계전극(411a)(412a) 사이에 길이가 서로 다른 제1, 제2전위차 형성전극(421)(422)을 배치할 수도 있다. 이 경우에, 경계전극(411a)(412a)의 길이는 저항 발열층(313)의 폭에 대응된다. 예를 들어, 제1전위차 형성전극(421)의 길이는 A4용지의 폭에 대응되는 길이로 하고, 제2전위차 형성전극(422)의 길이는 A3용지의 폭에 대응되는 길이로 할 수 있다. 경계전극(411a)(412a)은 항상 저항 발열층(313)의 표면에 접촉된 상태로 유지될 수 있다. 도시되지 않은 액추에이터를 이용하여 지지부재(306a)(306b)를 이동시킴으로써 인쇄에 사용되는 용지의 폭에 대응하여 제1, 제2전위차 형성전극(421)(422)을 선택적으로 저항 발열층(313)의 표면에/로부터 접촉/이격시킬 수 있다. 물론, 단속수단(S5)(S6)을 설치하여 제1, 제2전위차 형성전극(421)(422)에 인가되는 전압(V2)을 온/오프(ON/OFF) 시킬 수도 있다.
도 2 내지 도 10에서는 롤러 형태의 가열부재(310)를 채용한 정착장치(300)에 대하여 설명하였으나, 도 11에 도시된 바와 같이 벨트 형태의 가열부재(310a)가 채용될 수도 있다. 도 11을 보면, 가열 부재(310a)는 지지롤러(331)(332)에 의하여 지지되어 순환주행된다. 닙형성부재(320)는 가열부재(310a)를 사이에 두고 지지롤러(332)와 대면되어 정착 닙(N)을 형성한다.
도 12를을 보면, 가열부재(310a)는 벨트 형태의 심재(311a)와 저항 발열층(313)을 구비한다. 심재(311a)는 가열 부재(310a)가 정착 닙(N)에서 유연하게 변형되고 정착 닙(N)을 벗어난 후에는 원래 상태로 회복될 수 있는 정도의 유연성을 가질 수 있도록 선정될 수 있다. 예를 들어, 심재(311a)는 내열성 폴리머, 또는 금속박막일 수 있다. 일 예로서, 심재(311a)는 두께 약 35미크론 정도의 스테인레스 스틸 박막일 수 있다. 발열층(313)에 관하여는 전술하였으므로 상세한 설명은 생략한다.
경계 전극(415)(416)은 저항 발열층(313)에 접촉되어 가열범위를 규정하며, 전위차 형성전극(423)은 경계 전극(415)(416) 사이에 위치되어 경계 전극(415)(416)과의 사이에 전위차를 형성한다.
상기한 바와 같이, 도 11 및 도 12에 도시된 벨트 형태의 가열부재(310a)가 채용된 경우에도, 도 3 내지 도 10에 도시된 바와 같은 응용예가 구현될 수 있다.
도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 본 발명의 원리에 대하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10...현상기 11......감광드럼
20...용지이송벨트 30......노광기
40...전사롤러 100......인쇄유닛
300...정착장치 301, 302...지지부재
303, 401...액추에이터 310, 301a......가열부재
311, 311a...심재 312...절연층
313...저항 발열층 314...탄성층
320...닙 형성부재 321...금속심재
322...탄성층 351-358...경계전극
361-365...전위차 형성전극 371, 372...조정전극
411, 412...제1경계전극 413, 414...제2경계전극
421, 422...제1, 제2전위차형성전극 N...정착닙
S1, S2, S3, S4...단속수단

Claims (21)

  1. 저항 발열층으로 된 최외곽층을 구비하는 가열부재;
    상기 가열 부재와 대면되어 정착 닙을 형성하는 닙형성부재;
    상기 저항 발열층의 외주에 접촉되어 상기 저항 발열층에 전류를 공급하는 전류공급전극;을 포함하며,
    상기 전류공급전극은 상기 저항 발열층에 원주 방향으로의 전류 흐름을 발생시키며,
    상기 전류공급전극은,
    상기 저항 발열층의 가열범위를 규정하는 것으로서, 상기 가열부재의 주행방향으로 서로 이격된 위치에서 상기 저항 발열층의 외주에 접촉되며, 제1전압이 인가되는 가지는 복수의 경계 전극;
    상기 복수의 경계 전극 사이의 상기 저항 발열층의 외주에 접촉되며, 제2전압이 인가되는 전위차 형성전극;을 포함하는 정착장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저항 발열층은 베이스 물질과, 상기 베이스 물질 내에 분포되는 전도성 필러를 포함하는 정착장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가열범위는 상기 정착 닙을 제외한 범위인 정착장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1전압은 대지전압인 정착장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 경계전극 사이에는 복수의 상기 전위차 형성전극이 위치되며,
    상기 복수의 전위차 형성전극에 인가되는 상기 제2전압을 단속하는 단속수단;을 더 포함하는 정착장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 경계 전극은 상기 저항 발열층의 폭에 대응되는 길이를 가지며,
    상기 전위차 형성전극은 서로 다른 길이를 가지는 복수의 전위차 형성전극을 포함하는 정착장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 전위차 형성전극은 상기 저항 발열층의 외주에 선택적으로 접촉되는 정착장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 전위차 형성전극에 인가되는 상기 제2전압을 단속하는 단속수단;을 더 포함하는 정착장치.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 경계 전극은 제1길이를 가지는 복수의 제1경계 전극과 제2길이를 가지는 복수의 제2경계 전극을 포함하며,
    상기 전위차 형성전극은 상기 복수의 제1경계전극 사이와 상기 복수의 제2경계 전극 사이에 각각 위치되며, 각각 상기 제1, 제2길이를 갖는 제1, 제2전위차 형성전극을 포함하는 정착장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 제1, 제2경계 전극과 상기 제1, 제2전위차 형성전극은 상기 저항 발열층의 표면에 선택적으로 접촉되는 정착장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 제1, 제2경계 전극과 상기 제1, 제2전위차 형성전극에 인가되는 상기 제1, 제2전압을 단속하는 단속수단;을 더 구비하는 정착장치.
  14. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 경계 전극은, 서로 이격되게 배치되고 상기 저항 발열층의 폭에 대응되는 길이를 갖는 복수의 제1경계전극과 복수의 제2경계전극을 포함하며,
    상기 전위차 형성전극은 상기 복수의 제1경계전극 사이와 상기 복수의 제2경계 전극 사이에 각각 위치되며, 그 길이가 서로 다른 제1, 제2전위차 형성전극을 포함하는 정착장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1, 제2전위차 형성전극은 상기 저항 발열층의 표면에 선택적으로 접촉되는 정착장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1, 제2전위차 형성전극에 인가되는 상기 제2전압을 단속하는 단속수단;을 더 포함하는 정착장치.
  17. 제5항에 있어서,
    상기 전류공급전극은,
    상기 전위차 형성전극과 상기 경계 전극들 사이에 위치되어 상기 전위차 형성전극과 동전위의 전압을 상기 저항 발열층의 표면에 선택적으로 인가하는 조정전극;을 더 포함하는 정착장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 조정전극은 상기 저항 발열층의 표면에 선택적으로 접촉되는 정착장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 가열부재는 상기 저항 발열층을 지지하는 심재;를 포함하며,
    상기 심재는 원통형상인 정착장치.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 가열부재는 상기 저항 발열층을 지지하는 심재;를 포함하며,
    상기 심재는 유연한 벨트 형상인 정착장치.
  21. 용지의 표면에 토너화상을 형성하는 인쇄유닛;
    열과 압력을 이용하여 상기 토너화상을 상기 용지에 정착시키는 것으로서, 제1항 또는 제2항 또는 제5항 내지 제20항 중 어느 한 항에 기재된 정착장치를 포함하는 화상형성장치.
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