KR101773164B1 - 전자사진용 토너 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
전자사진용 토너 및 그의 제조방법이 제공되며, 상기 토너는 중량평균분자량이 서로 상이한 2종의 수지를 포함하는 바인더, 착색제 및 이형제를 포함한다.
Description
전자사진용 토너 및 그의 제조방법이 개시된다.
전자 사진법이나 정전 기록법에 있어서, 정전하상 또는 정전 잠상을 가시화하는 현상제로는 토너와 캐리어 입자로 이루어지는 2성분 현상제와, 실질적으로 토너만으로 이루어져 캐리어 입자를 사용하지 않는 1성분 현상제가 있다. 1성분 현상제에는 자성분을 함유하는 자성 1성분 현상제와 자성분을 함유하지 않는 비자성 1성분 현상제가 있다. 비자성 1성분 현상제에서는 토너의 유동성을 높이기 위하여 콜로이드성 실리카 등의 유동화제를 독립적으로 첨가하는 일이 많다. 토너로는 일반적으로 라텍스 중에 카본블랙 등의 착색제나 그 외의 첨가제를 분산시켜 입자화한 착색 입자가 사용되고 있다.
토너의 제조방법에는 분쇄법과 중합법이 있다. 분쇄법에서는 합성 수지와 착색제, 필요에 따라 그 외의 첨가제를 용융 혼합한 후 분쇄하고, 이어서 원하는 입경의 입자가 얻어지도록 분급하여 토너를 얻고 있다. 중합법에서는 중합성 단량체에, 착색제, 중합 개시제, 필요에 따라 가교제, 대전방지제 등의 각종 첨가제를 균일하게 용해 내지 분산시킨 중합성 단량체 조성물을 제조하고, 이어서 분산 안정제를 함유하는 수계 분산 매질 중에 교반기를 이용하여 분산하여 중합성 단량체 조성물의 미세한 액적 입자를 형성시키고, 이어서 승온시키고 현탁중합하여 원하는 입경을 갖는 착색 중합체 입자인 중합 토너를 얻고 있다.
종래, 화상 형성 장치에 이용되는 토너로는 분쇄법에 의해 얻어진 토너가 주류였다. 분쇄법에 의하면 토너 입자의 크기(particle size), 입도 분포 (geometric size distribution) 및 토너 구조 정밀 제어가 곤란하여, 대전, 정착, 유동성, 또는 보관성 등의 토너에 요구되는 각 주요 특성을 독립적으로 설계하는 것이 곤란하다.
최근에 입경 제어가 용이하고, 분급 등의 번잡한 제조 공정을 거칠 필요가 없는 중합 토너가 주목 받게 되었다. 이와 같은 중합법에 의하여 토너를 제조하면, 분쇄나 분급을 실시하지 않고, 원하는 입경과 입경 분포를 갖는 중합 토너를 얻을 수 있다. 이러한 중합법 중 입도 및 형상을 균일하게 제어하고자 MgCl2, NaCl 등의 금속염 또는 고분자 타입의 폴리 알루미늄 클로라이드 (PAC)등을 이용한 응집법 토너의 프로세스가 제안되고 있다.
이러한 금속염계 응집제에 의하여 어느 정도 재현성 있게, 토너의 입도, 입도 분포 제어나 쉘 부여에 의한 캡슐 구조의 구축이 가능해져, 실용에도 제공되고 있으나, 입도와 형상의 균일 제어성에 아직 문제를 가진다. 즉, 입도가 토너 중심 입도 이상의 범위에 대해 꽤 좋은 제어성을 나타내지만, 입도 분포 에서의 소립자 지름 범위에서는 원하는 형상보다 구형의 형상을 갖게 되어, 전자 사진 프로세스에 있어서의 블레이드 클리닝(Blade Cleaning)성에 문제를 야기할 수 있다.
또한, 토너의 고광택도화 및 넓은 정착 영역을 양립시키기 위해 응집 공정 제어를 통해 캡슐 형태의 토너 구조 제어가 가능하며, 이는 확실히 안료 및 이형제의 표면 노출을 억제해, 대전의 균일화, 유동성 및 열보관성에 어느 정도 기여하게 된다. 토너의 내오프셋성은 토너의 안정적인 정착 영역 확보 측면에서 중요하며 이것은 토너의 레올로지 특성과 밀접한 연관이 있고 이를 제어하는데 수지의 분자량, 가교도 등의 물성이나 혹은 이형제가 관여하게 된다.
본 발명의 일 측면에 따르면,
중량평균분자량이 서로 상이한 2종의 수지를 포함하는 바인더, 착색제 및 이형제를 포함하는 전자사진용 토너로서,
상기 토너가 약 8.0 x 103 내지 약 4.0 x 104 g/mol의 영역에서 주 피크를 가지고, 약 1.0 x 105 g/mol 이상의 영역에서 쇼율더 시작점을 갖는 GPC 크로마토그램의 분자량 분포 곡선을 가지고,
상기 토너가 약 5.0 x 104 내지 약 4.0 x 105 g/mol의 중량평균분자량 및 약 1.0 x 105 내지 약 6.0 x 106 g/mol의 Z평균분자량을 가지며,
상기 토너의 평균 구형도가 약 0.960 내지 약 0.985이고, 상기 토너의 평균 구형도의 변동 계수(C.V)가 약 1.5 내지 약 3.3%이고,
상기 토너가 약 1.5 내지 약 3.5 m2/g의 BET 비표면적을 가지는 전자사진용 토너 를 제공한다.
상기 토너가 약 1.0 x 103 내지 약 1.0 x 104 ppm의 Fe 및 약 1.0 x 103 내지 약 5.0 x 103 ppm의 Si를 포함할 수 있다.
상기 토너 중 형광 X선 측정에 의한 철 강도 [Fe], 황 강도 [S]가 약 5.0 x 10-4 내지 약 5.0 x 10- 2 의 [S]/[Fe]의 조건을 만족할 수 있다.
상기 토너의 부피 평균 입경이 약 4.0 내지 약 9.0㎛일 수 있다.
상기 토너가 약 1.0 내지 약 1.35의 GSDp 값 및 약 1.0 내지 약 1.3의 GSDv 값을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면,
중량평균분자량이 서로 상이한 2종의 수지 라텍스를 포함하는 1차 바인더 입자, 착색제 분산액 및 이형제 분산액을 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계;
상기 혼합액에 응집제 용액을 첨가하여 코어층용 입자를 형성하는 단계; 및
하나 이상의 중합성 단량체를 중합하여 제조되는 2차 바인더 입자를 포함하는 쉘층용 입자로 상기 코어층용 입자를 피복하여 토너 입자를 제조하는 단계를 포함하는 전자사진용 토너의 제조방법으로서,
상기 토너가 전술한 전자사진용 토너인 전자사진용 토너의 제조방법을 제공한다.
상기 2종의 수지 라텍스가 약 1.3 x 104 내지 약 3.0 x 104 g/mol의 중량평균분자량을 갖는 저분자량 수지 라텍스 및 약 1.0 x 105 내지 약 5.0 x 106g/mol의 중량평균분자량을 갖는 고분자량 수지 라텍스일 수 있다.
상기 저분자량 수지 라텍스 대 고분자량 수지 라텍스의 중량비가 99:1 내지 70:30일 수 있다.
상기 토너 입자를 제조하는 단계가
a) 상기 코어층용 입자 및 쉘층용 입자의 전단 저장 탄성율(Shear storage modulus)(G')이 1.0 × 108 내지 1.0 × 109 Pa가 되는 온도 범위에서 상기 코어층용 입자 및 쉘층용 입자를 응집하는 단계;
b) 상기 a) 단계에서 형성되는 입자의 평균 입경이 상기 토너 입자의 평균 입경의 70 내지 100%가 되는 시점에 상기 응집 반응를 정지하는 단계; 및
c) 상기 b) 단계에서 얻어진 입자의 전단 저장 탄성율(Shear storage modulus)(G')이 1.0 × 104 내지 1.0 × 109 Pa가 되는 온도 범위에서 상기 b) 단계에서 얻어진 입자를 융합-합일하는 단계를 포함헐 수 있다.
3차 바인더 입자를 상기 2차 응집 토너 상에 피복하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 이형제 분산액이 파라핀계 왁스 및 에스테르계 왁스를 포함할 수 있다.
상기 에스테르계 왁스의 함량이 파라핀계 왁스 및 에스테르계 왁스의 총 중량 기준으로 약 1 내지 약 35 중량%일 수 있다.
상기 응집제가 Si과 Fe 함유 금속염을 포함할 수 있다.
상기 응집제가 폴리실리케이트철을 포함할 수 있다.
상기 응집제 용액이 약 2.0 이하의 pH를 가질 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면, 최소 정착 온도(MFT), 광택도 측면에서 기능을 갖는 저분자량의 수지와 고온에서의 탄성 유지 특성 부여로 내오프셋성에 기여하는 고분자량의 수지의 기능이 독립적으로 발휘되어 라텍스정착 영역이 넓으며 인쇄 공정 속도에 의해 전체 정착 가능 범위(fusing latitude)는 변화하지 않으며, 토너의 대전 환경 안정성, 현상 내구성 및 화상 안정성이 개선되는 형상 및 형상 분포를 갖는 토너를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토너의 공급 수단을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 토너를 수용한 화상 형성 장치의 일 구현예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 토너를 수용한 화상 형성 장치의 일 구현예를 도시한 것이다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 전자사진용 토너는 중량평균분자량이 서로 상이한 2종의 수지를 포함하는 바인더, 착색제 및 이형제를 포함하는 전자사진용 토너로서, 상기 토너가 약 8.0 x 103 내지 약 4.0 x 104 g/mol의 영역에서 주 피크를 가지고, 약 1.0 x 105 g/mol 이상의 영역에서 쇼율더 시작점을 갖는 GPC 크로마토그램의 분자량 분포 곡선을 가지고, 상기 토너가 약 5.0 x 104 내지 약 4.0 x 105 g/mol의 중량평균분자량 및 약 1.0 x 105 내지 약 6.0 x 106 g/mol의 Z평균분자량을 가지며, 상기 토너의 평균 구형도가 약 0.960 내지 약 0.985이고, 상기 토너의 평균 구형도의 변동 계수(C.V)가 약 1.5 내지 약 3.3%이고, 상기 토너가 약 1.5 내지 약 3.5 m2/g의 BET 비표면적을 가진다.
토너의 분자량은 토너의 광택도, 정착성에 영향을 미치는데, 이때 고분자 수지로 형성되는 바인더의 분자량 분포가 토너의 분자량 분포에 거의 대응된다.
따라서, 사용되는 바인더 수지의 종류가 단일한 경우에는 토너의 분자량 분포 곡선이 하나의 정규 분포 곡선을 이루게 되나, 바인더 수지가 저분자량 및 고분자량의 2종으로 사용되는 경우에는 토너의 분자량의 주 분포 곡선이 저분자량 수지의 분자량 분포에 대응되는 영역에서 형성되고, 급속한 경사를 갖는 토너의 분자량의 주 분포 곡선 가장자리에 이어지는 다소 완만한 경사를 갖는 분포 곡선, 소위 쇼율더(shoulder)가 고분자량 수지의 분자량 분포에 대응되는 영역에서 형성될 수 있다. 고분자량 수지의 함량이 필요 이상 많아지면 이중 피크 형태가 형성되는데 이러한 경우 내오프셋성은 우수하나 고광택도를 얻기 어렵다.
이렇게 분자량이 상이한 2종의 수지를 포함하는 바인더를 적절한 비율로 함께 사용하여 토너를 제조하는 경우에는, 각각의 수지가 독립적으로 기능을 발휘하는 것을 가능하게 한다. 즉, 임계분자량 이하의 저분자량 수지는 분자쇄 내의 엉킴(entanglement)이 없어서 최소 정착 온도(MFT), 광택도 측면에서 기능을 나타내고 거대 분자량의 고분자량 수지는 반대로 분자쇄 내에 많은 엉킴을 가지고 있어 고온에서도 일정 탄성을 유지할 수 있도록 해주어 내오프셋성에 기여하도록 토너의 유변학적인 설계가 가능하게 할 수 있다.
따라서, 상기 토너의 분자량 분포에서 주 곡선의 최고 정점, 즉 주 피크는 예를 들면, 약 8 x 103 내지 약 4.0 x 104 g/mol, 약 1.0 x 104 내지 약 3.5 x 104 g/mol, 약 1.3 x 104 내지 약 2.5 x 104 g/mol의 영역에서 위치한다. 상기 주 피크의 위치가 상기 범위를 만족하는 경우, 토너의 용융점도가 개선되어, 광택도 및 정착성이 향상된다.
또한, 토너의 분자량 분포 곡선이 주 피크를 정점으로 급격한 경사의 기울기로 떨어지다가 완만한 경사의 부분이 나타나는데, 이렇게 분자량 분포 곡선에서 주 분포 곡선이 끝나고 완만한 경사 부분이 시작하는 변곡점을 쇼율더 시작점이라고 정의한다
이러한 쇼율더 시작점은 예를 들면, 약 1.0 x 105 g/mol 이상, 약 1.5 x 105 내지 약 5.0 x 106 g/mol, 약 2.0 x 105 내지 약 4.5 x 106 g/mol의 영역에서 형성된다.
상기 쇼율더 시작점의 영역이 상기 범위를 만족하는 경우, 토너의 고온에서의 내오프셋성을 향상시켜 넓은 정착 영역을 확보하고, 내구성 및 광택도가 향상된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 토너는 예를 들면 약 5.0 x 104 내지 약 4.0 x 105 g/mol, 약 6.0 x 104 내지 약 2.0 x 105 g/mol, 약 6.5 x 104 내지 약 1.5 x 105 g/mol의 중량평균분자량을 가지고, 또한 예를 들면 약 1.0 x 105 내지 약 6.0 x 106 g/mol, 약 8.0 x 105 내지 약 5.5 x 106 g/mol, 약 1.5 x 106 내지 약 5.0 x 106 g/mol의 Z평균분자량을 가진다.
즉, 상기 토너는 약 5.0 x 105 이상의 중량 평균 분자량을 가짐으로써, 내구성이 증가하며 고온 보존성에서 블로킹이 억제될 수 있고, 상기 토너는 약 4.0 x 105 g/mol 이하의 중량 평균 분자량을 가짐으로써, 우수한 정착성을 유지할 수 있다.
한편. 토너의 Z평균분자량은 토너의 분자량 분포내의 고분자의 분포를 주체적으로 나타내는 것인데, 이러한 분포가 박리시 용융된 토너의 터프니스(toughness)를 반영하므로 중요하다. 따라서, 또한 상기 토너는 Z평균 분자량이 약 1.0 x 105 내지 약 6.0 x 106 g/mol을 만족함으로써 내오프셋성 및 광택도가 개선된 토너를 제공할 수 있게 된다.
토너의 여러 특성 면에서 토너의 형상, 형상 분포가 중요하다. 부정형의 토너 에서는 전사성 및 유동성이 좋지 않으며 토너간 스트레스에 의해 현상 내구성이 좋지 않은 반면, 구형의 토너는 마찰 대전에 의한 대전성이 나쁘고 클리닝이 저하되는 문제가 있으며, 형상 분포가 넓을수록 그에 따른 대전 분포가 넓어져 선택 현상이 발생하므로 수명 말기에 화상 내구성 저하 현상이 발생할 가능성이 있다.
또한 토너 표면성 또한 토너의 특성에 영향을 미치는데, 토너의 표면이 울퉁불퉁할수록 환경의 영향을 받기 쉬워 환경에 따른 대전 안정성이 떨어지며, 표면이 매끄러울수록 표면적이 작아져 마찰 대전에 불리하게 된다. 그러므로 대전성, 현상성, 유동성 및 클리닝성을 모두 만족 시킬 수 있는 형상 및 형상 분포, 표면적의 범위를 찾는 것이 중요하다.
토너의 구형도는 시스멕스(SYSMEX) 社의 FPIA-3000 장비로 측정할 수 있는데 아래 식에 의거하여 계산된다.
<계산식>
구형도 (Circularity) = 2×(π×면적)0.5/둘레
상기 구형도 값은 0 내지 1 사이의 값이고, 상기 구형도 값이 1에 가까울수록 구형에 가까워진다.
본 발명의 일 측면에 따른 토너의 평균 구형도는 예를 들면, 약 0.960 내지 약 0.985, 약 0.964 내지 약 0.980, 약 0.967 내지 약 0.977이다.
상기 토너의 평균 구형도가 약 0.960 이상이 됨으로써, 전사재 상에 현상된 화상의 높이가 적절하여 토너 소비량을 절감할 수 있고, 토너간의 공극이 너무 커지지 않아서 전사재 상에 현상된 화상 상의 충분한 피복률을 얻을 수 있고, 부정형인 토너에 비해 현상기 내부에서 토너간 스트레스가 적어 보다 좋은 현상 내구성을 확보할 수 있게 된다. 토너의 평균 구형도가 약 0.985 이하가 됨으로써, 토너가 과다하게 현상 슬리브 상으로 공급되는 것을 방지하여 슬리브가 토너와 함께 그 위에 불균일하게 피복되어 오염이 발생하는 문제를 개선할 수 있고, 구형에 가까운 토너에 비해 클리닝 블레이드에 의한 클리닝성을 향상할 수 있다.
또한, 상기 토너의 평균 구형도의 변동 계수(C.V)는 예를 들면, 약 1.5 내지 약 3.3%, 약 1.7 내지 약 3.0%, 약 1.9 내지 약 2.7%이다.
상기 평균 구형도의 변동 계수라 함은 토너의 평균 구형도 분포의 넓이를 나타내는 지표로서, 하기 수학식에 의해 산출되는 것이다.
[수학식]
변동 계수=(S1/K)×100
상기 수학식 중, S1은 100개의 토너의 구형도의 표준 편차를 나타내며, K는 구형도의 평균값을 나타낸다.
이 토너의 구형도 및 구형도의 변동 계수를 로트의 변동 없이 매우 균일하게 제어하기 위해, 합일 공정에서 형성되고 있는 응집 입자의 특성을 모니터링하면서 적정한 공정 종료 시기를 정할 수도 있다. 모니터링 방법으로서는 특별히 한정되지 않지만, 플로우식 입자상 분석 장치 "FPIA-3000"(시스맥스사 제조)을 사용할 수 있다. 즉, 합일 공정 중 시료를 취해 Particle Sheath 용액에 희석하여 FPIA 를 통해 형상 등을 측정하여 원하는 형상 등이 된 시점에서 반응을 정지하는 것이다.
상기 토너의 평균 구형도의 변동 계수가 약 1.5 내지 약 3.3%을 만족하는 경우, 마찰 대전에 의한 토너의 대전분포가 좁아서 토너의 대전이 균일하고, 시간에 따른 대전 안정성이 좋고, 그에 따라 시간에 따른 전사 효율이 유지되어 수명이 가까워져도 높은 화질을 가질 수 있으며, 비산을 억제할 수 있다.
상기 토너는 예를 들면 약 1.5 내지 약 3.5 m2/g, 약 1.7 내지 약 3.2 m2/g, 약 2.0 내지 약 3.0 m2/g 의 BET 비표면적을 가진다.
상기 토너의 BET 비표면적이 상기 범위를 만족하는 경우, 약 3.5 m2/g 초과의 비표면적을 가진 토너 보다 마찰 대전에 의해 토너의 대전값 상승이 신속하며, 대전안정성이 확보된다. 비표면적이 약 1.5 m2/g 미만인 경우에 비해 환경, 즉 온도 습도 변화에 민감하지 않아 환경에 따른 특히 고온 고습에서의 대전성 및 유동성이 좋다.
상기 토너는 Fe 및 Si를 포함하는데, 이는 Fe의 함량은 예를 들면, 약 1.0 x 103 내지 약 1.0 x 104 ppm, 약 2.0 x 103 내지 약 0.8 x 104 ppm, 약 4.0 x 103 내지 약 0.6 x 104 ppm이다. 또한, Si의 함량은 예를 들면, 약 1.0 x 103 내지 약 5.0 x 103 ppm, 약 1.5 x 103 내지 약 4.5 x 103 ppm, 약 2.0 x 103 내지 약 4.0 x 103 ppm이다.
이때, 상기 Fe 및 Si 함량이 상기 범위를 만족하면, 토너의 대전성이 개선되고, 프린터 내부의 오염을 방지할 수 있다.
상기 토너 중 형광 X선 측정에 의한 철 강도 [Fe], 규소 강도 [Si], 및 황 강도 [S]가 약 5.0 x 10-4 내지 약 5.0 x 10- 2 의 [Si]/[Fe] 및 약 5.0 x 10-4 내지 약 5.0 x 10- 2 의 [S]/[Fe]을 만족할 수 있다.
상기 철 강도 [Fe]는 토너의 제조시 라텍스, 착색제 및 이형제를 응집하기 위하여 사용되는 응집제 내의 철의 함량에 대응되는 값이다. 따라서, 철 강도 [Fe]에 따라서, 최종 토너를 제조하기 위한 전구체에 해당하는 응집 토너의 응집성, 입도 분포, 크기에 영향을 줄 수 있다.
상기 규소 강도 [Si]은 토너의 제조시에 사용되는 응집제 중의 규소 또는 토너의 유동성을 확보하기 위하여 외첨처리하는 실리카 입자 중의 규소의 함량에 대응하는 값으로서, 규소 강도 [Si]에 따라서, 상기의 철과 같은 영향성 및 토너의 유동성이 영향을 받을 수 있다.
상기 규소 강도 [Si] 대 철 강도 [Fe]의 비인, [Si]/[Fe]는 예를 들면, 약 5.0 x 10-4 내지 약 5.0 x 10-2, 약 8.0 x 10-4 내지 약 3.0 x 10-2, 약 1.0 x 10-3 내지 약 1.0 x 10- 2 이다.
이때, 상기 [Si]/[Fe]가 약 5.0 x 10-4 내지 약 5.0 x 10-2을 만족하는 경우, 외첨제 실리카 양이 적절하게 조절되어 토너의 유동성이 개선되고, 프린터 내부가 오염되는 문제를 예방할 수 있다.
상기 황 함유량 [S]는 토너의 라텍스의 제조시 라텍스의 분자량의 분포를 조절하기 위하여 연쇄이동제, 즉 황 함유 화합물이 사용되는데, 이때 연쇄이동제에 함유된 황의 함유량에 대응되는 값이다. 따라서, 황 함유량 [S]이 많으면, 라텍스의 분자량이 감소되고, 새로운 사슬이 개시될 수 있고, 황 함유량 [S]이 적으면 사슬이 성장이 지속되어 분자량이 커질 수 있게 된다.
이때, 상기 [S]/[Fe]가 약 5.0 x 10-4 내지 약 5.0 x 10- 2 를 만족하는 경우, 응집성 및 대전성이 개선되고, 적절한 분자량, 입도 분포 및 입경을 갖는 토너를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자사진용 토너의 부피 평균 입경은 예를 들면, 약 4.0 내지 약 9.0㎛, 약 4.5 내지 약 8.7 ㎛, 약 5.0 내지 약 8.5 ㎛ 이다.
일반적으로, 토너 입자가 작으면 작을수록, 높은 해상도 및 고화질을 얻는 것이 더욱 유리하지만, 동시에, 전사 속도 및 세정력의 관점에서 볼 때는 불리하기 때문에 적정한 입경을 갖는 것이 중요하다.
토너의 부피 평균 입경은 전기저항법에 의하여 측정할 수 있다.
상기 토너의 부피 평균 입경이 약 4.0 ㎛ 이상이 됨으로써 감광체 클리닝이 용이하고, 양산 수율이 개선되고, 비산으로 인한 인체에 유해한 문제가 방지되며, 높은 해상도 및 고질의 화상을 얻을 수 있고, 약 9.0 ㎛ 이하가 됨으로써, 대전이 균일하게 이루어지고, 토너의 정착성이 개선되며, 닥터 블레이드(Dr-Blade)가 토너층을 규제하는 것이 더 용이해질 수 다.
토너 입자 분포의 지표로는 이하와 같은 체적 평균 입도 분포 지표 GSDv, 또는 수평균 입도 분포 지표 GSDp를 사용할 수 있고, 이는 하기와 같이 측정하여 산출한다.
우선, 쿨터카운터인 멀티사이저 III(베크만-쿨터사제) 측정기를 사용해서 측정된 토너의 입도 분포를 분할된 입도 범위(채널)에 대하여, 개개의 토너 입자의 체적 및 수에 대해서 소경(小徑)측으로부터 누적 분포를 그려, 누적 16%가 되는 입경을 체적 평균 입자경 D16v, 및, 수평균 입자경 D16p라 정의하고, 누적 50%가 되는 입경을 체적 평균 입자경 D50v, 및, 수평균 입자경 D50p라 정의한다. 마찬가지로, 누적 84%가 되는 입경을 체적 평균 입자경 D84v, 및, 수평균 입자경 D84p라 정의한다.
이때, 체적 평균 입도 분포 지표(GSDv)는 (D84v/D16v)0.5로서 정의되고, 수평균 입도 지표(GSDp)는 (D84p/D16p)0.5로서 정의되는 이들의 관계식을 이용하여, 체적 평균 입도 분포 지표(GSDv) 및 수평균 입도 지표(GSDp)를 산출할 수 있다.
이때, 상기 GSDp 값은 예를 들면 약 1.0 내지 약 1.35, 약 1.15 내지 약 1.30, 약 1.20 내지 약 1.25 이고, 상기 GSDv 값은 예를 들면 약 1.0 내지 약 1.3, 약 1.15 내지 약 1.27, 약 1.20 내지 약 1.25 이다. 상기 GSDv 및 GSDp의 값이 상기 범위를 만족하게 되면, 균일한 토너의 입자경을 얻을 수 있게 된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 중량평균분자량이 서로 상이한 2종의 수지 라텍스를 포함하는 1차 바인더 입자, 착색제 분산액 및 이형제 분산액을 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계; 상기 혼합액에 응집제 용액을 첨가하여 코어층용 입자를 형성하는 단계; 및 하나 이상의 중합성 단량체를 중합하여 제조되는 2차 바인더 입자를 포함하는 쉘층용 입자로 상기 코어층용 입자를 피복하여 토너 입자를 제조하는 단계를 포함하는 전자사진용 토너의 제조방법으로서, 상기 토너가 중량평균분자량이 서로 상이한 2종의 수지를 포함하는 바인더, 착색제 및 이형제를 포함하고, 상기 토너가 약 8.0 x 103 내지 약 4.0 x 104 g/mol의 영역에서 주 피크를 가지고, 약 1.0 x 105 g/mol 이상의 영역에서 쇼율더 시작점을 갖는 GPC 크로마토그램의 분자량 분포 곡선을 가지고, 상기 토너가 약 5.0 x 104 내지 약 4.0 x 105 g/mol의 중량평균분자량 및 약 1.0 x 105 내지 약 6.0 x 106 g/mol의 Z평균분자량을 가지며, 상기 토너의 평균 구형도가 약 0.960 내지 약 0.985이고, 상기 토너의 평균 구형도의 변동 계수(C.V)가 약 1.5 내지 약 3.3%인 전자사진용 토너의 제조방법을 제공한다.
상기 제조방법에서, 1차 바인더 입자는 하나 이상의 중합성 단량체를 중합하여 제조되는 중합체를 사용할 수 있으며, 폴리에스테르를 단독으로 사용하거나, 또는 이들의 혼합물(하이브리드 타입)을 사용할 수 있다. 상기 중합체를 사용하는 경우, 중합과정에서 왁스와 같은 이형제와 함께 중합하거나 별도로 이형제를 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 1차 바인더 입자는 중량평균분자량이 서로 상이한 2종의 수지 라텍스,즉 저분자량 수지 라텍스 및 고분자량 수지 라텍스를 포함한다.
상기 고분자량 수지 라텍스는 예를 들면, 약 1.0 x 105 내지 약 5.0 x 106g/mol, 약 1.5 x 105 내지 약 3.5 x 106 g/mol, 약 2.0 x 105 내지 약 3.0 x 106 g/mol의 중량평균분자량을 가진다. 상기 고분자량 수지 라텍스가 상기 분자량 범위를 만족하는경우, 넓은 정착 영역을 확보하고, 내구성 및 광택도가 향상될 수 있다.
상기 저분자량 수지 라텍스 대 고분자량 수지 라텍스의 중량비는 예를 들면, 99:1 내지 70:30, 97: 3 내지 80:20, 95:5 내지 85:15일 수 있다.
상기 중량비가 99:1 내지 70:30의 범위를 만족하는 경우, 토너의 내구성 및 핫 오프셋성이 개선되고, 고광택도의 토너를 얻을 수 있다.
즉, 상기 1차 바인더 입자는 임계분자량 이하의 저분자량 수지 라텍스를 약 100 내지 약 300 nm의 부피 평균 입경을 갖도록 제조하고 거대분자량의 고분자량 수지 라텍스를 유화중합 혹은 분산하여 약 100 내지 약 300 nm의 부피 평균 입경을 갖도록 제조한다.
상기 저분자량 수지 라텍스 및 고분자량 수지 라텍스의 부피 평균 입경이 약 100 내지 약 300 nm을 만족하는 경우, 토너 제조시 응집도를 용이하게 조절할 수 있어, 원하는 입경의 최종 토너를 제공할 수 있다.
상기 저분자량 수지 라텍스는 예를 들면, 약 1.3 x 104 내지 약 3.0 x 104 g/mol, 약 1.5 x 104 내지 약 2.8 x 104 g/mol, 약 1.7 x 104 내지 약 2.5 x 104 g/mol의 중량평균분자량을 가진다. 상기 저분자량 수지 라텍스가 상기 분자량 범위를 만족하는경우, 토너의 강도가 개선되어 내구성 및 정착성이 향상될 수 있다.
여기서 사용되는 중합성 단량체는 스티렌, 비닐톨루엔, α-메틸스티렌의 스티렌계 단량체; 아크릴산, 메타크릴산; 아크릴산메틸, 아크릴산에틸, 아크릴산프로필, 아크릴산부틸, 아크릴산 2-에틸헥실, 아크릴산디메틸아미노에틸, 메타크릴산메틸, 메타크릴산에틸, 메타크릴산프로필, 메타크릴산부틸, 메타크릴산 2-에틸헥실, 메타크릴산디메틸아미노에틸, 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴, 아크릴아미드, 메타크릴아미드의 (메타)아크릴산의 유도체; 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌의 에틸렌성 불포화 모노올레핀; 염화비닐, 염화비닐리덴, 불화비닐의 할로겐화비닐; 아세트산비닐, 프로피온산비닐의 비닐에스테르; 비닐메틸에테르, 비닐에틸에테르의 비닐에테르; 비닐메틸케톤, 메틸이소프로페닐케톤의 비닐케톤; 2-비닐피리딘, 4-비닐피리딘 및 N-비닐피롤리돈의 질소 함유 비닐 화합물 중에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.
상기 1차 바인더 입자 제조공정에서는 효율적인 중합을 위해 중합개시제 및 연쇄 이동제가 사용될 수 있다.
상기 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.
상기 연쇄이동제(chain transfer agent)는 연쇄 반응에 있어서 연쇄 운반체의 종류가 변화되도록 하는 물질을 말한다. 새로운 연쇄가 전의 것에 비해 현저하게 활성을 감소시킨 것을 포함한다. 연쇄이동제를 통하여 중합성 단량체의 중합도를 감소하게 할 수 있고 새로운 사슬을 개시하게 할 수 있다. 연쇄이동제를 통하여 분자량의 분포를 조절할 수 있게 된다.
상기 연쇄이동제의 함량은 예를들면, 하나 이상의 중합성 단량체 100 중량부를 기준으로 약 0.1 내지 약 5 중량부, 약 0.2 내지 약 3 중량부, 약 0.5 내지 약 2.0 중량부이다. 상기 연쇄이동제의 함량이 0.1 중량부 미만이면 분자량이 너무 높아져서 응집효율이 떨어지고, 5 중량부 초과이면 분자량이 너무 낮아져서 정착성능이 떨어질 수 있다.
상기 연쇄이동제의 예로는 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.
상기 1차 바인더 입자는 대전제어제를 더 포함할 수 있으며, 본 발명에 사용되는 대전제어제는 부대전성 대전 제어제 및 정대전성 대전 제어제를 모두 사용할 수 있으며, 상기 부대전성 대전 제어제로는 크롬 함유 아조 착제(azo dyes) 또는 모노아조 금속 착체와 같은 유기 금속 착체 또는 킬레이트 화합물; 크롬, 철, 아연과 같은 금속 함유 살리실산 화합물; 및 방향족 히드록시카르복실산과 방향족 디카르복실산의 유기 금속 착체가 사용될 수 있으며, 공지의 것이면 특별히 제한되지는 않는다. 또한 정대전성 대전 제어제로서는 니그로신과 그의 지방산 금속염 등으로 개질된 생성물, 트리부틸벤질암모늄 1-히드록시-4-나프토술포네이트 및 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트 등의 4급 암모늄염을 포함하는 오늄염 등을 단독으로, 또는 2 종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 이와 같은 대전제어제는 토너를 정전기력에 의해 현상롤러 위에 안정되게 지지하므로, 상기와 같은 대전제어제를 사용함으로써 안정적이고 빠른 대전 속도가 가능해진다.
상기와 같이 얻어진 1차 바인더 입자는 착색제 분산액 및 이형제 분산액과 혼합하여 혼합액을 제조하게 된다. 상기 착색제 분산액은 블랙, 시안, 마젠타, 옐로우 등의 착색제와 유화제를 포함하는 조성물을 초음파 분산기 또는 마이크로 플루다이저(Micro fludizer) 등을 사용하여 균질하게 분산시켜 얻어진다.
상기 착색제 분산액에 사용되는 착색제 중 검은색은 카본 블랙 또는 아닐린블랙을 이용하고, 칼라는 옐로우, 마젠타 및 시안 착색제 중에서 선택된 하나 이상을 더 포함한다.
상기 옐로우 착색제는 축합 질소 화합물, 이소인돌리논 화합물, 아트라킨 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.
상기한 바와 같은 착색제의 함량은 토너를 착색하기에 충분한 양이면 무방하나, 예를 들면, 토너 100 중량부를 기준으로 하여 약 0.5 내지 약 15 중량부, 약 1 내지 약 12 중량부, 약 2 내지 약 10 중량부이다. 상기 착색제의 함량이 토너 100 중량부를 기준으로 하여 0.5 중량부 미만일 경우에는 착색효과가 충분하지 않을 수 있고, 15 중량부를 초과하는 경우에는 토너의 제조원가가 상승되고 충분한 마찰 대전량을 얻지 못할 수 있다.
상기 착색제 분산액에 사용되는 유화제로서는 당업계에 알려져 있는 유화제를 사용할 수 있으며, 음이온성 반응성 유화제나 비이온성 반응성 유화제 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다. 상기 음이온성 반응성 유화제로서는 HS-10(Dai-ich kogyo사 제조), Dowfax 2A1(로디아사 제조) 등을 예로 들 수 있으며, 비이온성 반응성 유화제로서는 RN-10 (Dai-ichi kogyo사 제조)등을 예로 들 수 있다.
상기 토너의 제조 공정에서 사용되는 이형제 분산액은 이형제, 물, 유화제 등을 포함한다
이때, 상기 이형제는 최종 화상 수용체 상에 저정착 온도에서 정착되고, 우수한 최종 화상 내구성 및 내마모 특성을 나타내는 토너를 제공하므로, 이형제의 종류 및 함량은 토너의 특성을 결정하는데 중요한 역할을 함을 알 수 있다.
사용될 수 있는 이형제의 형태의 예들은 이에 한정되는 것은 아니지만, 폴리에틸렌계 왁스, 폴리프로필렌계 왁스, 실리콘 왁스, 파라핀계 왁스, 에스테르계 왁스, 카르나우바 왁스 및 메탈로센(metallocene) 왁스를 포함한다. 바람직하게는 이형제는 융점은 약 50 내지 약 150℃이다. 이형제 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.
상기 이형제의 함량은 예를 들면 하나 이상의 토너 100 중량부를 기준으로 약 1 내지 약 20 중량부, 약 2 내지 약 16 중량부, 약 3 내지 약 12 중량부를 사용할 수 있으며, 이형제의 함량이 1 중량부 미만이면 저온 정착성이 불량하고 정착 온도 범위가 협소해지고, 20 중량부를 초과하는 경우 보관성 및 경제성이 저하될 수 있다.
상기 이형제로는 에스테르기를 포함하는 왁스를 사용할 수 있으며, 그 예로는 (1) 에스테르계 왁스 및 비에스테르계 왁스의 혼합물; 또는 (2) 비에스테르계 왁스에 에스테르기를 함유 시킨 에스테르기 함유 왁스가 있다.
이는 에스테르기가 토너의 라텍스 성분과의 친화성이 높기 때문에, 토너 입자 중에서 왁스를 균일하게 존재시킬 수 있어 왁스의 작용을 효과적으로 발휘할 수 있게 하고, 비에스테르계 왁스 성분은 라텍스와의 이형 작용에 의하여 에스테르계 왁스 만으로 구성되는 경우의 과도한 가소작용을 억제할 수 있어, 결과적으로 토너의 양호한 현상성을 장기간 유지할 수 있게 하기 때문이다.
상기 에스테르계 왁스로는 예를 들어, 베헨산 베헤닐, 스테아르산 스테아릴, 펜타에리트리톨의 스테아르산 에스테르, 몬탄산 글리세리드 등의, 탄소수 15~30 의 지방산과 1 내지 5가의 알코올의 에스테르가 사용될 수 있다. 또, 에스테르를 구성하는 알코올 성분으로서는, 1 가 알코올의 경우에는 탄소수 10 내지 30일 수 있고, 다가 알코올의 경우에는 탄소수 3 내지 10일 수 있다.
또한, 비에스테르계 왁스로는 폴리에틸렌계 왁스, 파리판계 왁스 등이 있다.
상기 에스테르기를 포함하는 왁스의 예로는 파라핀계 왁스와 에스테르계 왁스의 혼합물; 또는 에스테르기 함유 파라핀계 왁스;가 있으며, 구체적인 예로서는 중경유지 사의 제품명 P-280, P-318, P-319 등을 사용할 수 있다.
상기 이형제가 파라핀계 왁스와 에스테르계 왁스의 혼합물인 경우, 상기 이형제의 에스테르계 왁스의 함량은 예를 들면 전체 이형제 중량기준으로 약 1 내지 약 35 중량%, 약 3 내지 약 33 중량%, 약 5 내지 약 30 중량%이다.
상기 에스테르계 왁스의 함량이 1 중량% 이상인 경우는 라텍스와의 상용성이 충분히 유지되고, 35 중량% 이하인 경우는 토너의 가소성이 적절하여 현상성의 장기 유지를 확보할 수 있고, 고온도 정착역에 있어서의 내오프셋이 개선되고 광택성을 향상할 수 있다.
상기 이형제 분산액에 사용되는 유화제로서는 착색제 분산액에서 사용되는 유화제와 마찬가지로 당업계에 알려져 있는 유화제를 사용할 수 있으며, 음이온성 반응성 유화제나 비이온성 반응성 유화제 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다. 상기 음이온성 반응성 유화제로서는 HS-10(Dai-ich kogyo사 제조), Dowfax 2A1(로디아사 제조) 등을 예로 들 수 있으며, 비이온성 반응성 유화제로서는 RN-10 (Dai-ichi kogyo사 제조)등을 예로 들 수 있다.
상기 방법을 통하여 1차 바인더 입자는 저온정착에 유리하도록 분자량과 Tg가 조절되고, 유변학적(rheological) 특징이 조절되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 얻어진 1차 바인더 입자 및 착색제 분산액 및 이형제 분산액을 혼합한 후, 상기 혼합액에 응집제 용액을 첨가하여 응집 토너를 제조하게 된다. 보다 구체적으로는 상기 1차 바인더 입자, 착색제 분산액 및 이형제 분산액을 혼합한 후, pH 0.1 내지 2.0의 조건하에 상기 응집제 용액을 첨가하여 부피 평균 입경 2.5㎛ 이하의 코어층용 입자를 형성한 후, 여기에 2차 바인더 입자를 첨가하고 시스템 내의 pH를 6 내지 8로 조절한 후, 입자 크기가 일정시간 동안 일정하게 유지되면 90 내지 98℃의 범위로 승온하고, pH를 5 내지 6으로 낮춰 합일시키면 토너 입자를 제조할 수 있다.
상기 응집제로 사용되는 예로는, NaCl, MgCl2, MgCl2ㆍ8H20, 황산제1철, 황산제2철, 염화제2철, 소석회, 탄산칼슘, Si 및 Fe 함유 금속염 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 응집제의 함량은 1차 바인더 입자 100 중량부를 기준으로 예를 들면 약 0.1 내지 약 10 중량부, 0.5 내지 8 중량부, 1 내지 6 중량부이다. 이때, 상기 응집제의 함량이 0.1 중량부 미만이면 응집효율이 떨어지고, 10 중량부 이상이면 토너의 대전성 저하되고 오히려 입도 분포가 나빠질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전자사진용 토너는 Si 및 Fe 함유 금속염을 토너 제조공정에서 응집제로 사용하고, 그 결과 제조된 토너에 포함된 Si 및 Fe 함량은 예를 들면, 약 3 내지 약 30,000ppm, 30 내지 25,000ppm, 300 내지 20,000ppm이다. 이때, 상기 Si 및 Fe 함량이 3 ppm 미만이면 첨가의 효과를 얻기 어려우며, 30,000ppm을 초과하는 경우에는 토너의 대전성이 저하되고, 프린터 내부가 오염될 수 있다.
상기 Si 및 Fe 함유 금속염은 예를 들면, 폴리실리카철을 포함하고, 특히, 본원 발명에 따른 토너의 제조공정에서 Si 및 Fe 함유 금속염을 첨가함으로써 증가된 이온 강도(ionic strength)와 입자간의 충돌 등에 의해 1차 응집 토너의 크기가 증가하게 된다. 그 예로서는 폴리실리카철(Poly Silica Iron)을 예로 들 수 있으며, 구체적으로는 제품명 PSI-025, PSI-050, PSI-085, PSI-100, PSI-200, PSI-300 (주식회사 수도기공) 등을 사용할 수 있다. 예를 들어 상기 PSI-025, PSI-050, PSI-085의 물성 및 조성을 하기 표 1에 기재하였다.
| 종류 | PSI-025 | PSI-050 | PSI-085 | PSI-100 | PSI-200 | PSI-300 | |
| Si/Fe 몰비 | 0.25 | 0.5 | 0.85 | 1 | 2 | 3 | |
| 주성분 농도 |
Fe(wt%) | 5.0 | 3.5 | 2.5 | 2.0 | 1.0 | 0.7 |
| SiO2(wt%) | 1.4 | 1.9 | 2.0 | 2.2 | |||
| pH(1w/v%) | 2-3 | ||||||
| 비중(20℃) | 1.14 | 1.13 | 1.09 | 1.08 | 1.06 | 1.04 | |
| 점도(mPa.S) | 2.0 이상 | ||||||
| 평균분자량 (Dalton) |
500,000 | ||||||
| 외관 | 외관상 황갈색 투명 액체 | ||||||
상기 Si 및 Fe 함유 금속염을 토너 제조공정에서 응집제로서 사용함으로써 소입경화가 가능하며, 입자 형태의 제어도 가능해진다.
상기 응집제 용액은 전술한 응집제에 질산과 같은 산 수용액을 첨가하여 제조되고, 예를 들면, 2.0 이하, pH 0.1 내지 2.0, 0.3 내지 1.8, 0.5 내지 1.6의 pH를 가진다. 이때, 상기 응집제 용액의 pH가 0.1 미만이면 너무 강산이여서 취급에 어려움이 있고, 2.0 초과이면 응집제에 첨가되는 철이 라텍스 제조시에 사용된 연쇄이동제, 즉 황 함유 화합물에 대한 냄새 제어를 하지 못하고, 응집 효율이 떨어질 수 있다.
상기 2차 바인더 입자는 상술한 바와 같은 하나 이상의 중합성 단량체를 중합하여 얻어질 수 있으며, 이와 같은 중합은 유화 중합 분산으로서 약 1㎛ 이하, 바람직하게는 약 100 내지 약 300nm의 크기를 갖는 입자를 제조하게 된다. 이와 같은 2차 바인더 입자도 이형제를 포함할 수 있으며, 상기 이형제는 중합과정에서 상기 2차 바인더 입자에 포함될 수 있다.
구체적으로, 상기 토너 입자를 제조하는 단계는, a) 상기 코어층용 입자 및 쉘층용 입자의 전단 저장 탄성율(Shear storage modulus)(G')이 1.0 × 108 내지 1.0 × 109 Pa가 되는 온도 범위에서 상기 코어층용 입자 및 쉘층용 입자를 응집하는 단계; b) 상기 a) 단계에서 형성되는 입자의 평균 입경이 상기 토너 입자의 평균 입경의 70 내지 100%가 되는 시점에 상기 응집 반응를 정지하는 단계; 및 c) 상기 b) 단계에서 얻어진 입자의 전단 저장 탄성율(Shear storage modulus)(G')이 1.0 × 104 내지 1.0 × 109 Pa가 되는 온도 범위에서 상기 b) 단계에서 얻어진 입자를 융합-합일하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 코어층용 입자 및 쉘층용 입자를 응집하는 단계는 물리적 응집이 진행되는 과정이므로, 상기 단계는 상기 코어층용 입자 및 쉘층용 입자의 전단 저장 탄성율(G')이 1.0 × 108 내지 1.0 × 109 Pa가 되는 온도 범위에서 진행되는 것이 상기 코어층용 입자 및 쉘층용 입자가 미리 융합되는 결과를 방지하여 토너의 입도 분포 조절이 보다 유리할 수 있다.
상기 b) 단계에서 얻어진 입자를 융합-합일하는 단계는 상기 b) 단계에서 얻어진 입자의 전단 저장 탄성율(G')이 1.0 × 104 내지 1.0 × 109 Pa가 되는 온도 범위, 즉 b) 단계에서 얻어진 입자의 융점 보다 10 내지 30 ℃ 이상의 온도 범위에서 가열을 행함으로써 이루어진다.
즉, 상기 코어층용 입자에 쉘층으로서 작용하는 2차 바인더 입자를 첨가하고 반응 시스템 내의 pH를 6 내지 9로 조절한 후, 입자 크기가 일정시간 동안 일정하게 유지되면 90 내지 98℃의 범위로 승온하고, pH를 5 내지 7로 낮춰 합일시키면 토너 입자를 제조할 수 있다.
한편, 상기 토너 입자상에 추가적으로 상술한 바와 같은 하나 이상의 중합성 단량체를 중합하여 얻어지는 3차 바인더 입자를 피복할 수 있다.
이와 같이 2차 바인더 입자 또는 2차 바인더 입자 및 3차 바인더 입자로 쉘층을 형성함으로써 토너의 내구성을 높이며, 적재(Shipping) 및 취급(Handling) 상에서 토너의 보관성 문제를 해결하는 것이 가능해진다. 이때 새로운 바인더 입자가 생성되지 않도록 중합방지제를 추가로 첨가하기도 하고, 또한 단량체 혼합액이 토너에 코팅이 잘되도록 스타브드-피딩 (starved-feeding) 조건으로 반응을 진행하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 얻어진 토너 입자를 여과, 분리하고 건조시키는 공정을 거치게 된다. 건조된 토너 입자에는 외첨제를 사용하여 외첨처리하며, 대전 전하량 등을 조절하여 최종적인 건식 토너를 얻게 된다.
상기 외첨제로는 규소 함유 입자, 티탄 함유 입자 등을 사용할 수 있다.
상기 규소 함유 입자는 30 내지 100nm의 부피 평균 입경의 대입경 규소 함유 입자 및 5 내지 20nm의 부피 평균 입경의 소입경 규소 함유 입자를 포함한다. 상기 규소 함유 입자로는 실리카를 사용할 수 있으나, 여기에 제한되지는 않는다.
상기 소입경 규소 함유 입자 및 대입경 규소 함유 입자는 부대전성, 유동성 부여를 목적으로 하여 첨가되는 것으로, 규소의 할로겐화물 등으로부터 건식으로 제작한 입자 및 규소 화합물로부터 액중에서 석출한 습식법에 의한 것 어느 쪽도 이용할 수 있다.
대입경 규소 함유 입자는 부피 평균 입경이 약 30 내지 약 100nm이고, 무외첨 토너, 즉 토너 모입자간 또는 모입자와 표면과의 분리성을 향상시키고, 소입경 규소 함유 입자는 부피 평균 입경이 약 5 내지 약 20nm이고, 토너에 유동성을 부여하는 역할을 한다.
상기 대입경 규소 함유 입자의 함량은 토너 모입자 100 중량부를 기준으로 하여 예를 들면 약 0.1 내지 약 3.5중량부, 약 0.5 내지 약 3.0 중량부, 약 1.0 내지 약 2.5 중량부이며, 상기 함량이 약 0.1 내지 약 3.5중량부를 만족하는 경우, 정착성 저하, 과대전 및 오염, 필르밍(filming) 등이 문제를 예방할 수 있다.
상기 소입경 규소 함유 입자의 함량은 토너 모입자 100 중량부를 기준으로 하여 예를 들면 약 0.1 내지 약 2.0 중량부, 약 0.3 내지 약 1.5 중량부, 약 0.5 내지 약 1.0 중량부이며, 상기 함량이 약 0.1 내지 약 2.0 중량부를 만족하는 경우, 정착성이 개선되고, 과대전 및 클리닝 불량의 현상을 예방할 수 있다.
상기 티탄 함유 입자의 예로는 이산화티탄이 있으나, 여기에 제한되지는 않는다.
상기 티탄 함유 입자는 대전량을 증가시키며 환경 특성이 우수하다. 특히 저온 저습시의 토너 챠지 업 (charge up)의 문제를 예방할 수 있으며, 고온 고습시에 토너의 챠지 다운 (charge down)의 문제를 해결할 수 있다. 또한 토너의 유동성을 향상시키며, 장기간에 많은 양을 출력할 경우에도 고전사 효율을 유지할 수 있다. 상기 티탄 함유 입자의 부피 평균 입경은 약 10 내지 약 200 nm이다. 상기 티탄 함유 입자는 토너 모입자 100 중량부를 기준으로 하여 예를 들면 약 0.1 내지 약 2.0 중량부, 약 0.3 내지 약 1.5 중량부, 약 0.5 내지 약 1.0 중량부로 사용될 수 있다. 티탄 함유 입자의 함량이 약 0.1 내지 약 2.0 중량부를 만족하는 경우, 환경에 따른 대전성 유지성이 개선되고, 화상오염 및 대전량 저하 문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 정전잠상이 형성된 감광체 표면에 토너를 부착시켜 가시상을 형성하고 상기 가시상을 전사재에 전사하는 공정을 포함하는 화상 형성 방법을 제공하고, 상기 토너는 중량평균분자량이 서로 상이한 2종의 수지를 포함하는 바인더, 착색제 및 이형제를 포함하고, 상기 토너는 약 8.0 x 103 내지 약 4.0 x 104 g/mol의 영역에서 주 피크를 가지고, 약 1.0 x 105 g/mol 이상의 영역에서 쇼율더 시작점을 갖는 GPC 크로마토그램의 분자량 분포 곡선을 가지고, 상기 토너는 약 5.0 x 104 내지 약 4.0 x 105 g/mol의 중량평균분자량 및 약 1.0 x 105 내지 약 6.0 x 106 g/mol의 Z평균분자량을 가지며, 상기 토너의 평균 구형도는 약 0.960 내지 약 0.985이고, 상기 토너의 평균 구형도의 변동 계수(C.V)가 약 1.5 내지 약 3.3%이고, 상기 토너는 약 1.5 내지 약 3.5 m2/g의 BET 비표면적을 가진다.
대표적인 전자사진 화상 형성 공정은 대전, 노광, 현상, 전사, 정착, 클리닝 및 제전 단계를 포함하여, 수용체 상에 화상을 형성하는 일련의 단계들을 포함한다.
상기 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.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 토너가 저장되는 토너 탱크; 상기 토너 탱크의 내측으로 돌출되며, 저장된 토너를 외부로 공급하는 공급부; 및 상기 토너 탱크의 내부에 회전할 수 있도록 설치되며, 상기 공급부의 상부를 포함하는 상기 토너 탱크의 내부 전 공간에 있는 토너를 교반할 수 있는 토너 교반부재;를 포함하는 토너 공급 수단을 제공하며, 상기 토너는 중량평균분자량이 서로 상이한 2종의 수지를 포함하는 바인더, 착색제 및 이형제를 포함하고, 상기 토너는 약 8.0 x 103 내지 약 4.0 x 104 g/mol의 영역에서 주 피크를 가지고, 약 1.0 x 105 g/mol 이상의 영역에서 쇼율더 시작점을 갖는 GPC 크로마토그램의 분자량 분포 곡선을 가지고, 상기 토너는 약 5.0 x 104 내지 약 4.0 x 105 g/mol의 중량평균분자량 및 약 1.0 x 105 내지 약 6.0 x 106 g/mol의 Z평균분자량을 가지며, 상기 토너의 평균 구형도는 약 0.960 내지 약 0.985이고, 상기 토너의 평균 구형도의 변동 계수(C.V)가 약 1.5 내지 약 3.3%이고, 상기 토너는 약 1.5 내지 약 3.5 m2/g의 BET 비표면적을 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토너의 공급 수단을 도시한 것으로서, 이하 설명한다.
토너공급장치(100)는 토너탱크(101), 공급부(103), 토너이송부재(105), 토너교반부재(110)를 포함한다.
토너탱크(101)는 일정량의 토너를 저장하는 것으로서, 대략 중공의 원통형으로 형성된다.
공급부(103)는 토너탱크(101)의 내측 하부에 설치되며, 토너탱크(101)에 저장된 토너를 외부로 배출한다. 즉, 공급부(103)는 토너탱크(101)의 저면에서 내측으로 반원 단면을 갖는 기둥형상으로 돌출된다. 공급부(103)의 외주면에는 토너가 배출되는 토너배출구(미도시)가 형성되어 있다.
토너이송부재(105)는 토너탱크(101)의 내측 하부에, 공급부(103)의 일측에 설치된다. 토너이송부재(105)는 코일 스프링 형상으로 성형되며, 그 일단이 공급부(103)의 내측까지 연장되어 있기 때문에, 토너이송부재(105)가 회전하면 토너탱크(101)의 토너가 공급부(103)의 내측으로 이송된다. 토너이송부재(105)에 의해 이송된 토너는 토너배출구를 통해 외부로 배출된다.
토너교반부재(110)는 토너탱크(101)의 내측에 회전할 수 있도록 설치되며, 토너탱크(101)에 저장된 토너가 아래쪽으로 이동되도록 한다. 즉, 토너교반부재(110)가 토너탱크(101)의 중앙에서 회전하면 토너탱크(101)에 저장된 토너가 교반되어 토너가 굳지 않게 된다. 그러면, 토너는 자중에 의해 아래쪽으로 이동하게 된다. 이러한 토너교반부재(110)는 회전축(112)과 토너교반필름(120)을 포함한다. 회전축(112)은 토너탱크(101)의 중앙에서 회전할 수 있도록 설치되며, 토너탱크(101)의 일측으로 돌출된 일단에는 구동기어(미도시)가 동축 상에 설치되어 있다. 따라서, 구동기어가 회전하면 회전축(112)이 일체로 회전하게 된다. 또한, 회전축(112)에는 토너교반필름(120)의 설치가 용이하도록 날개판(114)을 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 날개판(114)은 회전축(112)을 중심으로 대략 대칭을 이루도록 형성하는 것이 바람직하다. 토너교반필름(120)은 토너탱크(101)의 내부 길이에 대응되는 폭을 가지며, 토너탱크(101)의 내측의 돌출물, 즉 공급부(103)를 따라 변형될 수 있는 탄성을 갖는다.
토너교반필름(120)은 토너교반필름(120)의 끝단에서 회전축(112) 쪽으로 일정 길이 절단하여 제1교반부(121)와 제2교반부(122)로 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 감광체; 상기 감광체의 표면에 정전 잠상을 형성하는 화상형성 수단; 토너를 수용하는 수단; 상기 감광체의 표면에서 정전 잠상을 토너상으로 현상하기 위해 상기 토너를 감광체의 표면에 공급하는 토너 공급 수단; 및 상기 토너상을 감광체 표면에서 전사재에 전사하는 토너 전사 수단;을 포함하는 화상 형성 장치를 제공하며, 상기 토너는 약 8.0 x 103 내지 약 4.0 x 104 g/mol의 영역에서 주 피크를 가지고, 약 1.0 x 105 g/mol 이상의 영역에서 쇼율더 시작점을 갖는 GPC 크로마토그램의 분자량 분포 곡선을 가지고, 상기 토너는 약 5.0 x 104 내지 약 4.0 x 105 g/mol의 중량평균분자량 및 약 1.0 x 105 내지 약 6.0 x 106 g/mol의 Z평균분자량을 가지며, 상기 토너의 평균 구형도는 약 0.960 내지 약 0.985이고, 상기 토너의 평균 구형도의 변동 계수(C.V)가 약 1.5 내지 약 3.3%이고, 상기 토너는 약 1.5 내지 약 3.5 m2/g의 BET 비표면적을 가진다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 토너를 수용한 비접촉 현상방식의 화상 형성 장치의 일 구현예를 도시한 것으로서 하기에 작동 원리를 설명한다.
현상장치(204)의 비자성 1 성분 현상제는 폴리우레탄 폼, 스폰지 등의 탄성부재로 구성된 공급롤러(206)에 의해 현상제(208)를 현상롤러(205)상으로 공급된다. 상기 현상롤러(205) 상으로 공급된 현상제(208)은 현상롤러(205)의 회전에 따라 현상제 규제블레이드(207)과 현상롤러(205)의 접촉부에 도달한다. 상기 현상제 규제블레이드(207)은 금속, 고무 등의 탄성부재로 구성되어 있다. 현상제 규제블레이드(207)과 현상롤러(205)의 접촉부 사이를 현상제가 통과시 현상제(208)의 층이 일정한 층으로 규제되어 박층이 형성되고 현상제를 충분히 대전시킨다. 박층화된 현상제(208)는 현상롤러(205)에 의하여 상담지체인 감광체(201)의 정전잠상에 현상제(208)가 현상되는 현상영역으로 이송되게 된다. 이때, 상기 정전잠상은 상기 감광체(201)에 광(203)을 주사함으로써 형성된다.
현상롤러(205)는 감광체(201)와 일정한 간격을 두고 접촉하지 않고 서로 마주보고 위치하고 있다. 현상롤러(205)는 시계회전 반대방향으로 회전하고 감광체(201)는 시계회전방향으로 회전한다.
상기 감광체(201)의 현상영역으로 이송된 현상제(208)는 현상롤러(205)에 인가된 DC 중첩된 AC 전압과, 대전수단(202)에 의해 대전된 감광체(201)의 잠상전위와의 전위차에 의해 발생된 전기력에 의해 상기 감광체(201)에 형성된 정전잠상을 현상하여 토너 화상을 형성한다.
감광체(201)에 현상된 현상제(208)는 감광체(201)의 회전방향에 따라 전사수단(209)의 위치에 도달한다. 감광체(201)에 현상된 현상제는 코로나 방전 또는 롤러형태로 현상제 (208)에 대한 역극성 고전압이 인가된 전사수단(209)에 의하여 인쇄용지(213)가 통과하면서 인쇄용지로 현상제가 전사되어 화상이 형성된다.
인쇄용지에 전사된 화상은 고온, 고압의 정착기(미도시)를 통과하면서 인쇄용지에 현상제가 융착되어 화상이 정착된다. 한편 현상롤러(205) 상의 미현상된 잔류 현상제(208')는 상기 현상롤러(205)와 접촉되어 있는 공급롤러(206)에 의해 회수되고, 감광체(201) 상의 미현상된 잔류 현상제(208')는 클리닝 블레이드(210)에 의해 회수된다. 상기의 과정이 반복된다.
발명은 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제조예 1: 저분자량 수지 라텍스(L-LTX)의 합성
3L 비이커에 중합성 단량체 혼합액 (스티렌 825g, n-부틸 아크릴레이트 175g)과 베타-카르복시에틸아크릴레이트 (Sipomer, Rhodia) 30g과 연쇄이동제(CTA)로 1-도데칸티올 17g을 넣고 유화제로 소디움 도데실 설페이트 (Aldrich) 수용액 (물 대비 2%) 418g을 넣고 교반하여 중합성 단량체 유화액을 제조하였다. 75℃로 가열된 3L 이중 자켓 반응기에 개시제인 암모늄 퍼설페이트(APS) 16g과 유화제로 소디움 도데실 설페이트 (Aldrich) 수용액 (물 대비 0.4%) 696g을 넣고 교반하면서 위의 제조된 중합성 단량체 유화액을 2시간 이상 동안 적가하여 서서히 첨가하였다. 반응온도 75℃에서 8시간 동안 반응하였다. 제조된 수지 라텍스 입자의 크기는 광산란(Light scattering) 방식 (Horiba 910)으로 측정하였으며 180 내지 250nm 였다. 건조감량법으로 측정된 라텍스 입자의 고형 분율은 42%이었다. 테트라히드로푸란(THF) 가용분의 겔투과 크로마트그래피(GPC)법에 의한 분자량 측정에서, 중량 평균 분자량(Mw)이 25,000 g/mol 이었다. DSC (PerkinElmer) 10℃/min의 승온 속도로 2회 스캔하여 측정된 유리전이 온도는 62℃이었다.
제조예 2: 고분자량 수지 라텍스(H-LTX)의 합성
3L 비이커에 중합성 단량체 혼합액 (스티렌 685g, n-부틸 아크릴레이트 315g)과 베타-카르복시에틸아크릴레이트 (Sipomer, Rhodia) 30g과 유화제로 소디움 도데실 설페이트 (Aldrich) 수용액 (물 대비 2%) 418g을 넣고 교반하여 중합성 단량체 유화액을 제조하였다. 60℃로 가열된 3L 이중 자켓 반응기에 개시제인 암모늄 퍼설페이트(APS) 5g과 유화제로 소디움 도데실 설페이트 (Aldrich) 수용액 (물 대비 0.4%) 696g을 넣고 교반하면서 위의 제조된 중합성 단량체 유화액을 3시간 이상 동안 적가하여 서서히 첨가하였다. 반응온도 75℃에서 8시간 동안 반응하였다. 제조된 라텍스 입자의 크기는 광산란 방식 (Horiba 910)으로 측정하였으며 180 내지 250nm 였다. 건조감량법으로 측정된 라텍스 입자의 고형 분율은 42% 이었다. 테트라히드로푸란(THF) 가용분의 겔투과 크로마트그래피(GPC)법에 의한 분자량 측정에서, 중량 평균 분자량(Mw)이 250,000 g/mol 이었다. DSC (PerkinElmer) 10℃/min의 승온 속도로 2회 스캔하여 측정된 유리전이 온도는 53℃이었다.
제조예 3: 착색제 분산액의 제조
음이온성 반응성 유화제인 소디움 도데실 설페이트 (Aldrich) 총 10g을 취하여 시안 착색제 60g과 함께 밀링 배스(Milling bath)에 넣고 0.8 내지 1mm 직경의 글래스 비드 400g을 투입하여 상온에서 밀링하여 분산액을 제조하였다. 분산기는 초음파 분산기(Sonic and materials, VCX750)를 사용하였다. 착색제 분산 입경은 광산란 방식 (Horiba 910)으로 측정하였으며 180 내지 200 nm 였다. 제조된 착색제 분산액의 고형 분율은 16.8% 이었다.
<전자사진용 토너의 제조>
실시예 1 (토너의 제조)
7L 반응기에 탈이온수 2,600g, 1차 바인더 입자용으로 제조예 1 및 제조예 2에서 합성된 수지 라텍스의 혼합액 (L-LTX 95%와 H-LTX 5% 혼합(중량비 기준)) 1193g, 제조예 3에서 얻어진 시안 착색제 분산액 250g, 및 고형 분율 30.5%의 이형제 분산액 P-419(중경유지, 파라핀 왁스 20~30%, 합성 에스테르 왁스 10~20%, Water 60~70%, 점도(25 ℃) 18 mPa·s, 융점 89~91℃) 237g을 넣은 혼합액에 372g의 질산(0.3mol) 및 응집제로 PSI-100(주식회사 수도기공) 186g을 넣고 균질화기(Homogenizer)를 이용하여 11,000rpm에서 6분간 교반하여 부피 평균 입경이 1.5 내지 2.5㎛의 코어층용 입자를 얻었다. 7L용 이중 자켓 반응기에 혼합액을 넣고 상온에서 분당 0.5℃로 55℃(라텍스의 Tg-5도 이상)까지 승온하였다. 상기 코어층용 입자의 부피 평균 입경이 약 6.3 ㎛ 에 도달하면 제조예 1 및 제조예 2에서 합성된 수지 라텍스의 혼합액 (L-LTX 90%와 H-LTX 10% 혼합(중량비 기준)) 442g을 추가로 서서히 20분 동안 첨가하고, 부피 평균 입경이 6.8㎛이 되면 NaOH(1mol)를 첨가하여 pH를 7로 조절하였다. 10분간 부피 평균 입경의 값이 일정하게 유지되면, 94℃까지 승온(0.5℃/min)하였다. 94℃ 도달 후 pH조절을 하지 않은 상태로, 2 내지 5 시간 합일하여 포테이토 형상의 2차 응집 토너를 얻었다. 이어서 응집 반응액을 Tg 아래로 25~27℃ 의 냉각수를 이용하여 1.8~2.0℃/min의 속도로 식힌 다음 다시 55~60℃ 로 승온 시켜 NaOH 수용액을 이용해 반응액의 pH를 8.5~9 로 맞추어 세정을 진행한다. 그 이후 탈이온수를 이용하여 여러 번의 세정 과정을 거친 후 토너입자를 분리하고 건조시켰다.
건조된 토너입자 100중량부에 NX-90 0.5 중량부 (Nippon Aerosil), RX-200 1.0 중량부 (Nippon Aerosil), SW-100 0.5 중량부 (Titan Kogyo)를 첨가하여 믹서(KM-LS2K, 대화테크)에서 8,000rpm, 4 분간 교반하여 외첨하였다. 이렇게 얻은 토너의 구형도는 0.963이다.
실시예 2
94℃까지 승온 후 질산(0.3N)용액으로 pH 6.0까지 조절한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 토너를 얻었다. 이렇게 얻은 토너의 구형도는 0.973 이다.
실시예 3
96℃까지 승온 후 pH 5.6까지 조절한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 토너를 얻었다. 이렇게 얻은 토너의 구형도는 0.982 이다.
비교예 1
냉각이후 55~60℃로 승온시켜 NaOH 수용액을 이용하여 반응액의 pH를 10~11 로 맞춘 후 세정 작업을 진행한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 토너를 얻었다. 이렇게 얻은 토너의 구형도는 0.968 이다
비교예 2
합일 시간을 1시간 미만으로 한 것을 제외하곤 실시예 1과 동일한 방법으로 토너를 얻었다. 이렇게 얻은 토너의 구형도는 0.944 이다.
비교예 3
7L용 이중 자켓 반응기에 혼합액을 넣고 상온에서 분당 0.5℃로 56℃(실시예 1보다 1℃높게 설정)까지 승온하였다. 이후 과정부터 94℃로 승온하는 과정까지 실시예 1과 동일한 방법으로 진행했다. 94℃ 도달 후 질산(0.3N)으로 pH를 6.0으로 조절하고, 이후 과정은 실시예 1과 동일한 방법으로 토너를 얻었다. 이렇게 얻은 토너의 구형도는 0.963 이다.
토너의 평가 방법
<중량 평균 분자량, Z 평균 분자량 측정법>
토너의 중량 평균 분자량 (Mw) 및 Z 평균 분자량 (Mz)은 겔투과 크로마토그래피(GPC, Alliance사)로 측정한다. 검출기로서는 RI detector Waters 2414 를 사용하였으며, Strygel HR 5, 4, 2 의 3개 컬럼을 사용하였다. 이동상으로 테트라히드로푸란, 유속 1 ml/min으로 하여 측정하였다. 측정 샘플의 농도는 1%, 주입 부피를 50ul로 하여 측정하였다. 보정에 사용한 표준 샘플은 10종으로 각 0.5% 농도로 하였다. 각 표준 샘플 용액의 조건은 아래와 같다:
- 표준 샘플 1 용액: 분자량: 1,200 / 7,210 / 196,000 / 257,000 / 1,320,000 / THF를 부피 기준 1 : 1 : 1 : 1 : 0.5 : 0.5의 비율로 혼합
- 표준 샘플 2 용액: 분자량: 3,070 / 49,200 / 113,000 / 778,000 / 3,150,000 / THF를 부피 기준 1 : 1 : 1 : 1 : 0.5 : 0.5의 비율로 혼합.
<토너의 구형도의 측정>
시스멕스(SYSMEX) 社의 FPIA-3000 장비를 이용하여 증류수 18ml에 토너 0.02g을 넣고 계면활성제인 콘타미논(contaminon) 0.3%로 분산 시킨 시료를 측정(30,000개를 카운하였음)하여 토너의 구형도 및 변동 계수를 구하였고, 각 입자는 디지털 영상화 단계를 거쳐 추출되고 정량화 되어 아래 식에 의거하여 계산된다.
[구형도 계산식]
구형도 (Circularity) = 2×(π×면적)0.5/둘레
상기 구형도 값은 0 내지 1 사이의 값이고, 상기 구형도 값이 1에 가까울수록 구형에 가까워진다.
[변동 계수 계산식]
변동 계수=(S1/K)×100
상기 식 중, S1은 100개의 토너의 구형도의 표준 편차를 나타내며, K는 구형도의 평균값을 나타낸다.
<토너의 BET 비표면적 측정>
토너의 BET 비표면적은 비표면적 측정 장치인 (Macsorb HM-1208) (제조사: MOUNTECH) 을 사용하여 행하였다.
토너 및 외첨제의 비표면적은, BET법에 따라, 입자를 저온 상태로 했을 때에 입자 표면에 물리 흡착된 가스의 양을 측정하는 것에 의해서 그 입자의 비표면적을 계산하였다(정류법으로 계산한다.). 비표면적의 측정 전에는, 시료관에 시료를 약 1.00g 충진하고 전처리(30℃에서 30분간 N2로 전처리)를 실시한다. 전처리 완료된 시료는 전처리 장비에서 분리하여 오토 샘플러에 장착한다. 시료를 N2흡착 한 후(N2: He = 30:70) 포화에 이르면 이탈, 캘리브레이션(calibration) (N2 Gas: 1 cc 사용)공정을 이행한다. 이후 값이 산출된다.
<토너의 부피 평균 입경, 입경 분포 측정>
쿨터카운터인 멀티사이저 III(베크만-쿨터사제) 측정기를 사용해서 측정된다. 20 ml 유리 바이알(vial)에 18 ml의 증류수, 계면활성제(콘타미논(contaminon) 0.3%), 분체 토너 0.02g을 넣고 15~30분간 소니케이터(sonicator)로 분산한 후 입경을 측정한다. 측정 된 데이터 중 부피 값에서 누적 D50v값을 부피 평균 입경이라 정의하고, 누적 84%가 되는 입경을 체적 평균 입자경 D84v, 수평균 입자경 D84p라 정의한다.
이때, 체적 평균 입도 분포 지표(GSDv)는 (D84v/D16v)0.5로서 정의되고, 수평균 입도 지표(GSDp)는 (D84p/D16p)0.5로서 정의되는 이들의 관계식을 이용하여, 체적 평균 입도 분포 지표(GSDv) 및 수평균 입도 지표(GSDp)를 산출할 수 있다.
<토너의 대전특성 평가>
유리 용기 80ml에 캐리어(35㎛ 크기의 구형 자성체) 18.4g, 토너 1.6g을 넣고 튜뷸러 믹서를 이용하여 교반 후, 전계분리법을 이용하여 토너의 대전량 측정하였다.
상온상습 조건에서 교반 시간에 따른 토너의 대전 안정성 및 고온고습/저온저습 대전량 비를 평가의 척도로 활용하였다.
- 상온상습 : 23℃, RH 55%
- 고온고습 : 30℃, RH 82%
- 저온저습 : 10℃, RH 10%
◆ 대전 안정성
1분 동안 교반 후의 대전값 / 10 분 동안 교반 후의 대전값 *100(%)의 값에 따라서 하기와 같이 평가하였다.
○: 100~80
△: 80~60
×: 60 미만
◆ 대전 환경비(H/L)
HH환경에서 10 분 동안 교반 후의 대전값 / LL환경에서 10 분 동안 교반 후의 대전값 (비)에 따라서 하기와 같이 평가하였다.
◎: 0.99~0.70
○: 0.69~ 0.50
×: 0.50미만, 1.00이상
<화상 내구성 평가>
1% - 커버리지 패턴을 프린터(제조사: 삼성전자, 제품명: CRP-325 SET)로 연속 인쇄하여, 고상 패턴(solid pattern)의 화상농도가 유지되는 수명을 측정하였다. 평가 기준은 하기와 같다.
◎ : 5000매 이상 화상 농도 유지
○ : 3000매 이상 5000매 미만 화상 농도 유지
△ : 1000매 이상 3000매 미만 화상 농도 유지
× : 1000매 미만 화상 농도 유지
<유동성 및 열유동성 평가>
토너 2g을 고온 고습 환경(50℃, RH 80%,15 hr방치) (열유동성 평가 조건), 상온상습 환경(23℃, RH 55%, 2hr방치) (유동성 평가 조건)에 방치한 후 38, 45, 53㎛ um 시브(sieve)로 Powder test model PT-S 레벨 3, 40 초 조건으로 환경별 유동성을 측정 하였다.
○ : 0~7 / 0~8
△ : 7~10 / 8~13
× : 10 이상 / 13 이상
<전사 효율 평가>
삼성전자 CRP-325 세트에서 일정 영역에 대한 [ITB (image transfer belt)상 토너(g)]/[OPC(유기광전도체)상 토너(g)]의 비로 계산한다.
◎ : 0.9~1.0
○ : 0.7~0.9
× : 0.7 미만
| 주피크 위치 (Mp, g/mol) |
쇼울더 시작점 (g/mol) |
토너의 중량 평균 분자량 (Mw, g/mol) |
토너의 z 평균 분자량 (Mz, g/mol) |
평균 구형도 |
평균 구형도의 변동 계수 (C.V, %) |
BET 비표면적 (m2/g) |
|
| 실시예 1 | 27,7581 | 61,830,955 | 74,058 | 2,420,421 | 0.963 | 2.54 | 3.15 |
| 실시예 2 | 21,592 | 53,256,614 | 66,571 | 2,204,319 | 0.973 | 2.16 | 2.68 |
| 실시예 3 | 22,841 | 57,986,657 | 70,548 | 3,586,401 | 0.982 | 1.75 | 1.89 |
| 비교예 1 | 22,407 | 64,545,913 | 74,263 | 3,954,195 | 0.968 | 3.10 | 3.62 |
| 비교예 2 | 22,739 | 48,940,046 | 69,031 | 2,216,397 | 0.944 | 3.53 | 3.7 |
| 비교예 3 | 23,508 | 67,269,510 | 79,957 | 2,305,853 | 0.963 | 3.94 | 3.22 |
| 부피 평균입경 (㎛) |
GSDp | GSDv | 대전 안정성 |
대전 환경비 (H/L) |
화상 내구성 |
유동성 | 열유동성 | 전사 효율 |
|
| 실시예 1 | 6.95 | 1.263 | 1.228 | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ |
| 실시예 2 | 6.93 | 1.258 | 1.225 | ○ | ○ | ◎ | ○ | ○ | ○ |
| 실시예 3 | 6.74 | 1.264 | 1.229 | ○ | ◎ | ○ | ○ | ○ | ◎ |
| 비교예 1 | 6.77 | 1.253 | 1.225 | △ | × | △ | △ | △ | ○ |
| 비교예 2 | 7.04 | 1.307 | 1.251 | × | × | × | △ | × | × |
| 비교예 3 | 6.98 | 1.301 | 1.249 | × | × | × | ○ | △ | × |
표 2 및 3을 참조하면, 평균 구형도가 약 0.960 내지 약 0.985이고, 평균 구형도의 변동 계수(C.V)가 약 1.5 내지 약 3.3%이고, BET 비표면적이 약 1.5 내지 약 3.5 m2/g을 만족하는 실시예 1 내지 3에 따른 전자사진용 토너는 비교예 1 내지 3에 비하여 토너의 대전 특성, 화상 내구성, 유동성, 전사 효율 면에서 모두 우수한 결과를 나타내는 것을 알 수 있다.
100; 토너공급장치 101; 토너탱크
103; 공급부 105; 토너이송부재
110; 토너교반부재 112; 회전축
114; 날개판 120; 토너교반필름
121; 제1교반부 122; 제2교반부
201: 감광체 202: 대전수단
203: 광 204: 현상장치
205: 현상롤러 206: 공급롤러
207: 현상제규제 블레이드 208: 토너
208': 잔류 토너 209: 전사수단
210: 클리닝 블레이드 212: 전원
213: 인쇄매체
103; 공급부 105; 토너이송부재
110; 토너교반부재 112; 회전축
114; 날개판 120; 토너교반필름
121; 제1교반부 122; 제2교반부
201: 감광체 202: 대전수단
203: 광 204: 현상장치
205: 현상롤러 206: 공급롤러
207: 현상제규제 블레이드 208: 토너
208': 잔류 토너 209: 전사수단
210: 클리닝 블레이드 212: 전원
213: 인쇄매체
Claims (15)
- 중량평균분자량이 서로 상이한 2종의 수지를 포함하는 바인더, 착색제 및 이형제를 포함하는 전자사진용 토너로서,
상기 토너가 8.0 x 103 내지 4.0 x 104 g/mol의 영역에서 주 피크를 가지고, 1.0 x 105 g/mol 이상의 영역에서 쇼율더 시작점을 갖는 GPC 크로마토그램의 분자량 분포 곡선을 가지고,
상기 토너가 5.0 x 104 내지 4.0 x 105 g/mol의 중량평균분자량 및 1.0 x 105 내지 6.0 x 106 g/mol의 Z평균분자량을 가지며,
상기 토너의 평균 구형도가 0.960 내지 0.985이고, 상기 토너의 평균 구형도의 변동 계수(C.V)가 1.5 내지 3.3%이고,
상기 토너가 1.5 내지 3.5 m2/g의 BET 비표면적을 가지는 전자사진용 토너. - 제1항에 있어서,
상기 토너가 1.0 x 103 내지 1.0 x 104 ppm의 Fe 및 1.0 x 103 내지 5.0 x 103 ppm의 Si를 포함하는 전자사진용 토너. - 제1항에 있어서,
상기 토너 중 형광 X선 측정에 의한 철 강도 [Fe], 황 강도 [S]가 5.0 x 10-4 내지 5.0 x 10-2 의 [S]/[Fe]의 조건을 만족하는 전자사진용 토너. - 제1항에 있어서,
상기 토너의 부피 평균 입경이 4.0 내지 9.0㎛인 전자사진용 토너. - 제1항에 있어서,
상기 토너가 1.0 내지 1.35의 GSDp 값 및 1.0 내지 1.3의 GSDv 값을 갖는 전자사진용 토너. - 중량평균분자량이 서로 상이한 2종의 수지 라텍스를 포함하는 1차 바인더 입자, 착색제 분산액 및 이형제 분산액을 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계;
상기 혼합액에 응집제 용액을 첨가하여 코어층용 입자를 형성하는 단계; 및
하나 이상의 중합성 단량체를 중합하여 제조되는 2차 바인더 입자를 포함하는 쉘층용 입자로 상기 코어층용 입자를 피복하여 토너 입자를 제조하는 단계를 포함하는 전자사진용 토너의 제조방법으로서,
상기 토너가 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 전자사진용 토너인 전자사진용 토너의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 2종의 수지 라텍스가 1.3 x 104 내지 3.0 x 104 g/mol의 중량평균분자량을 갖는 저분자량 수지 라텍스 및 1.0 x 105 내지 5.0 x 106 g/mol의 중량평균분자량을 갖는 고분자량 수지 라텍스인 것을 특징으로 하는 전자사진용 토너의 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 저분자량 수지 라텍스 대 상기 고분자량 수지 라텍스의 중량비가 99:1 내지 70:30인 것을 특징으로 하는 전자사진용 토너의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 토너 입자를 제조하는 단계가
a) 상기 코어층용 입자 및 쉘층용 입자의 전단 저장 탄성율(Shear storage modulus)(G')이 1.0 × 108 내지 1.0 × 109 Pa가 되는 온도 범위에서 상기 코어층용 입자 및 쉘층용 입자를 응집하는 단계;
b) 상기 a) 단계에서 형성되는 입자의 평균 입경이 상기 토너 입자의 평균 입경의 70 내지 100%가 되는 시점에 상기 응집 반응를 정지하는 단계; 및
c) 상기 b) 단계에서 얻어진 입자의 전단 저장 탄성율(Shear storage modulus)(G')이 1.0 × 104 내지 1.0 × 109 Pa가 되는 온도 범위에서 상기 b) 단계에서 얻어진 입자를 융합-합일하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자사진용 토너의 제조방법. - 제6항에 있어서,
3차 바인더 입자를 상기 2차 응집 토너 상에 피복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자사진용 토너의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 이형제 분산액이 파라핀계 왁스 및 에스테르계 왁스를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자사진용 토너의 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 에스테르계 왁스의 함량이 파라핀계 왁스 및 에스테르계 왁스의 총 중량 기준으로 1 내지 35 중량%인 것을 특징으로 하는 전자사진용 토너의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 응집제가 Si과 Fe 함유 금속염을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자사진용 토너의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 응집제가 폴리실리케이트철을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자사진용 토너의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 응집제 용액이 2.0 이하의 pH를 가지는 것을 특징으로 하는 전자사진용 토너의 제조방법.
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