KR101813637B1 - 발열 복합체를 포함하는 가열장치와 정착장치 - Google Patents

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Abstract

발열 복합체, 및 이를 포함하는 가열장치와 정착장치가 제시된다. 상기 발열 복합체는 폴리머 매트릭스 내에 함침된, 서로 연속적으로 연결된 탄소나노튜브 구조체를 포함하며, 높은 전기전도도를 구현할 수 있고, 기존의 저항 발열체보다 빠른 승온속도를 얻는 동시에, 급지와 인쇄시 발생하는 열적, 기계적 변형 및 하중에 대해 안정적인 발열 특성을 나타낼 수 있다.

Description

발열 복합체를 포함하는 가열장치와 정착장치{Heating apparatus and fusing apparatus including heating composite}
발열 복합체, 및 이를 포함하는 가열장치와 정착장치가 제시된다.
레이저 프린터, 복사기 등과 같은 인쇄장치에 있어서, 미세한 고체 분말인 토너를 종이 위에 옮겨 화상을 표시하는 인쇄 방식은 미세 분말을 잉크처럼 분사하는 것이 불가능하기 때문에 상대적으로 복잡한 일련의 인쇄 과정을 거치게 되는데, 크게 대전, 노광, 현상, 전사 및 정착과정을 통하여 원하는 화상을 용지에 인쇄하여 출력한다.
인쇄 과정에서 정착과정은 정전기적인 인력으로 용지에 전사된 토너 입자를 열과 압력을 가하여 고착시키는 과정으로, 통상 대향하는 한 쌍의 롤러, 즉 가압롤러와 히트롤러로 이루어지는 정착장치에 의해 수행된다. 정착과정에 있어서 가열장치는 일반적으로 할로겐 램프 등의 램프나 열선 전열체, 유도 가열체 등과 같이 중앙에 놓이는 열원에 의하여 가열되며, 토너가 전사된 용지가 정착 닙을 통과하는 동안에 열과 압력이 토너에 가해진다.
이러한 정착장치는 열원이 히트롤러를 가열하고, 다시 이 열이 용지를 거쳐 토너로 전달되므로 높은 열전달 효율을 기대하기 어렵다. 또, 히트롤러의 열용량이 커서 빠른 승온에 불리하다.
본 발명의 일 측면은 전기전도도가 높고 안정적인 발열 특성을 나타낼 수 있는 발열 복합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 발열 복합체를 채용한 정착용 가열장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 상기 가열장치를 채용한 인쇄장치용 정착장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 측면에 따르면,
폴리머 매트릭스; 및
상기 폴리머 매트릭스 내에 함침된, 서로 연속적으로 연결된 탄소나노튜브 구조체;를 포함하는 발열 복합체가 제공된다.
상기 탄소나노튜브 구조체는 탄소나노튜브 섬유(fiber), 탄소나노튜브 얀(yarn), 탄소나노튜브 직물(textile), 탄소나노튜브 시트(sheet) 및 이들의 복합체로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나로 이루어지며, 상기 탄소나노튜브 직물은 상기 탄소나노튜브 섬유 및 상기 탄소나노튜브 얀 중 적어도 하나를 직조하여 형성되고, 상기 탄소나노튜브 시트는 상기 탄소나노튜브 섬유 및 상기 탄소나노튜브 얀 중 적어도 하나를 스트라이프 형상으로 배열시켜 형성된 것이다.
상기 발열 복합체는 상기 탄소나노튜브 구조체 내부에 반데르발스 힘에 의해 결합된 탄소나노튜브들 외에 부분적으로 서로 뒤엉킨(mechanically interlocked) 복수개의 탄소나노튜브 또는 정렬된 상태가 풀어진 (unzipped) 형태의 복수개의 탄소나노튜브를 더 포함할 수 있다.
상기 폴리머 매트릭스는 천연고무, 합성고무, 실리콘고무, 플루오로실리콘, 플루오로엘라스토머, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아미드 이미드, 폴리이미드, 폴리케톤, 폴리프탈아미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르술폰, 폴리에테르이미드 및 폴리아릴에테르케톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 폴리머 매트릭스는 카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소 필라멘트, 그라파이트, 그래핀 등의 탄소입자; 철, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속입자; 및 알루미나, 산화철 등의 금속산화물 입자 중 적어도 하나의 도전성 필러를 더 포함할 수 있다.
상기 폴리머 매트릭스는 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 황산칼슘, 황산마그네슘, 산화철, 산화아연, 산화마그네슘, 산화알루미늄, 산화칼슘, 산화티타늄, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 미결정실리카, 흄드실리카, 천연제오라이트, 합성 제오라이트, 벤토나이트, 활성백토, 탈크, 카오린, 운모, 규조토 및 크레이로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 무기물 필러를 더 포함할 수 있다.
상기 발열 복합체는 단위부피당 열용량이 0.9 J/cm3K 이상 일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면,
롤러 형상 또는 벨트 형상을 가지는 하중 지지체; 및
상기 하중 지지체의 외면에 배치되는 발열 복합체;를 포함하고,
상기 발열 복합체는,
폴리머 매트릭스; 및
상기 폴리머 매트릭스 내에 함침되고, 서로 연속적으로 연결된 탄소나노튜브 구조체;를 포함하는 정착용 가열장치가 제공된다.
상기 탄소나노튜브 구조체는 탄소나노튜브 섬유(fiber), 탄소나노튜브 얀(yarn), 탄소나노튜브 직물(textile), 탄소나노튜브 시트(sheet) 및 이들의 복합체로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나로 이루어지며, 상기 탄소나노튜브 직물은 상기 탄소나노튜브 섬유 및 상기 탄소나노튜브 얀 중 적어도 하나를 직조하여 형성되고, 상기 탄소나노튜브 시트는 상기 탄소나노튜브 섬유 및 상기 탄소나노튜브 얀 중 적어도 하나를 스트라이프 형상으로 배열시켜 형성된 것이다.
상기 탄소나노튜브 구조체가 탄소나노튜브 섬유(fiber) 및 탄소나노튜브 얀(yarn) 중 적어도 하나로 이루어지는 탄소나노튜브 선상 구조체인 경우, 일 실시예에 따르면, 상기 하중 지지체의 외면을 따라 상기 탄소나노튜브 선상 구조체가 와인딩될 수 있다. 이 경우, 상기 선상 구조체는 상기 하중 지지체의 회전축 또는 상기 하중 지지체를 주행시키는 회전체의 회전축 방향을 따라 와인딩 밀도가 변화됨으로써 상기 가열 장치의 국부적 온도 분포를 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 탄소나노튜브 선상 구조체는 상기 하중 지지체의 회전축 또는 상기 하중 지지체를 주행시키는 회전체의 회전축의 방향과 평행하게 배열되어 있는 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 구조체는 탄소나노튜브 직물(textile) 및 탄소나노튜브 시트(sheet) 중 적어도 하나로 이루어지는 탄소나노튜브 면상 구조체인 경우, 일 실시예에 따르면, 상기 탄소나노튜브 면상 구조체는 복수개 적층될 수 있다. 이 경우, 상기 면상 구조체는 상기 하중 지지체의 회전축 또는 상기 하중 지지체를 주행시키는 회전체의 회전축의 방향을 따라 적층수가 변화됨으로써 상기 가열 장치의 국부적 온도 분포를 제어할 수 있다.
상기 폴리머 매트릭스는 천연고무, 합성고무, 실리콘고무, 플루오로실리콘, 플루오로엘라스토머, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아미드 이미드, 폴리이미드, 폴리케톤, 폴리프탈아미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르술폰, 폴리에테르이미드 및 폴리아릴에테르케톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 폴리머 매트릭스는 카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소 필라멘트, 그라파이트, 그래핀 등의 탄소입자; 철, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속입자; 및 알루미나, 산화철 등의 금속산화물 입자 중 적어도 하나의 도전성 필러를 더 포함할 수 있다.
상기 폴리머 매트릭스는 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 황산칼슘, 황산마그네슘, 산화철, 산화아연, 산화마그네슘, 산화알루미늄, 산화칼슘, 산화티타늄, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 미결정실리카, 흄드실리카, 천연제오라이트, 합성 제오라이트, 벤토나이트, 활성백토, 탈크, 카오린, 운모, 규조토 및 크레이로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 무기물 필러를 더 포함할 수 있다.
상기 하중 지지체 및 발열 복합체 사이에 절연층이 더 배치될 수 있다.
상기 가열장치의 최외면에는 이형층이 더 배치될 수 있다.
상기 정착용 가열 장치는, 상기 정착용 가열장치의 외부에 위치하는 피가열체를 가열할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면,
상기 정착용 가열장치; 및
상기 가열 장치와 대면되어 정착 닙을 형성하는 가압장치;를 포함하고,
상기 정착 닙을 통과하는 피가열체 상의 토너를 정착시키는 인쇄장치용 정착장치가 제공된다.
상기 발열 복합체는 정착용 가열장치에 적용되어, 높은 전기전도도를 구현할 수 있으며, 기존의 저항 발열체보다 빠른 승온속도를 얻는 동시에, 급지와 인쇄시 발생하는 열적, 기계적 변형 및 하중에 대해 안정적인 발열 특성을 나타낼 수 있다.
도 1은 수직배향하여 성장된 탄소나노튜브 어레이로부터 탄소나노튜브 섬유(fiber)나 얀(yarn)이 형성되는 원리를 보여주는 개요도이다.
도 2는 탄소나노튜브 얀의 다양한 형태를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다 (Baughman, Science 306, 1358(2004)).
도 3은 탄소나노튜브 어레이로부터 탄소나노튜브 시트(sheet)의 형성과 이의 조합을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다 (Baughman, Science 309, 1215 (2005)).
도 4는 일 실시예에 따른 발열 복합체로 달성가능한 최대 전기전도도(이론치)와 비교예에 따른 탄소나노튜브 복합재료의 전기전도도(실험치)를 비교한 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 정착용 가열장치를 포함하는 인쇄장치용 정착장치의 개략적인 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 정착장치 중 가열장치 부분에 대한 상세 단면도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 정착용 가열장치에 있어서, 하중 지지체의 외면을 따라 와인딩되어 있는 선상 탄소나노튜브 구조체를 도시한 개략도이다.
도 8은 일 실시예에 따라, 가열 장치의 위치에 따른 발열 특성을 상이하게 제어되는 구조를 예시한 것이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 정착용 가열장치를 포함하는 정착장치의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 정착용 가열장치를 포함하는 정착장치의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
이하에서 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명의 한 측면에 따른 발열 복합체는 기존 레이저 프린터의 정착장치가 내부에서 할로겐 램프 등에 의해 발생된 열이 표면으로 전달되는 기존 방식과는 달리, 정착장치 표면에서 직접 발열할 수 있는 저항 발열체로서, 열전달에 의한 열손실을 최소화하고, 동시에 빠른 승온속도를 얻을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 발열 복합체는,
폴리머 매트릭스; 및
상기 폴리머 매트릭스 내에 함침된, 서로 연속적으로 연결된 탄소나노튜브 구조체;를 포함한다.
알려진 바와 같이, 탄소나노튜브는(CNT)는 뛰어난 기계적 강도, 열전도성 및 화학적 안정성을 지니고 있는 우수한 나노소재이다. 탄소나노튜브는 단위부피당 열용량이 약 0.9 J/cm3·K 으로, 다른 전도성 필러 재료, 예컨대, 스테일레스 스틸의 경우 단위부피당 열용량이 약 3.6 J/cm3·K 인 것에 비하여 매우 낮고, 열전도도가 3,000 W/m·K 이상으로 매우 우수하기 때문에, 기존의 일반적인 전도성 필러 재료보다 승온 효율이 매우 우수하다.
본 발명의 일 측면에 따른 발열 복합체는, 이와 같은 탄소나노튜브가 서로 연속적으로 연결된 탄소나노튜브 구조체를 폴리머 매트리스에 함침시킨 고전도성의 복합재료이다. 상기 탄소나노튜브 구조체는 복수의 탄소나노튜브들로 구성되는 탄소나노튜브 섬유(fiber), 탄소나노튜브 얀(yarn), 탄소나노튜브 직물(textile), 탄소나노튜브 시트(sheet) 및 이들의 복합체로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
상기 탄소나노튜브 구조체를 구성하는 최소 단위인 탄소나노튜브 가닥들은 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 다발형 탄소나노튜브 등 어떤 종류의 탄소나노튜브라도 사용가능하며, 이들을 단독 또는 2 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 탄소나노튜브의 종횡비(aspect ration, 길이:직경)가 클수록 발열층(313) 내부에서의 전도성 네트워크 형성이 용이하여 동일한 함량에서 큰 전기전도도를 가질 수 있다. 예를 들어, 탄소나노튜브의 직경은 약 10 ㎛ 이하이고, 탄소나노튜브의 종횡비가 약 5000:1 이상으로 하는 경우에 발열 복합체(313)의 높은 전기전도도를 구현할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 구조체는 건식공정(dry process) 또는 습식공정(wet process)로 제조될 수 있다. 건식공정으로는 미국 텍사스대(University of Texas at Dallas)의 Baughman 교수가 개발한 방법을 예로 들 수 있다. 예를 들어, 탄소나노튜브를 기판 상에 수직배향시켜 성장시킨 다음, 드로잉(drawing) 공정을 통하여 탄소나노튜브 섬유(fiber)나 시트(sheet)를 뽑아내거나, 다양한 방법으로 얀(yarn)을 구현할 수가 있다.
도 1은 수직배향하여 성장된 탄소나노튜브 어레이로부터 탄소나노튜브 섬유나 얀을 형성하는 원리를 개략적으로 나타낸 것이다. 탄소나노튜브 어레이로부터 인출된 탄소나노튜브 섬유는 복수개의 탄소나노튜브의 끝단이 반데르발스(van der Waals) 힘에 의해 서로 결합된 1차원적인 선상 구조체이며, 이러한 탄소나노튜브 섬유는 전통적인 방적공정을 통하여 탄소나노튜브 얀으로 제조될 수 있다.
도 2는 탄소나노튜브 얀의 다양한 형태를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진 (Baughman, Science 306, 1358(2004))으로서, 다중벽 탄소나노튜브 섬유의 다양한 형태((A) Single-ply Yarn, (B) Two-ply Yarn, (C) Four-ply Yarn, (D) Knitted Yarn, (E) Knotted Yarn)를 보여주고 있다. 이는 탄소나노튜브가 다양한 꼬임과 매듭이 가능함을 보여준다.
또한, 2차원적인 면상 구조체로서, 상기 탄소나노튜브 섬유 및 상기 탄소나노튜브 얀 중 적어도 하나를 직조하여 탄소나노튜브 직물을 제조할 수 있다. 또 다른 예로서, 상기 탄소나노튜브 섬유 및 상기 탄소나노튜브 얀 중 적어도 하나를 스트라이프 형상으로 배열시켜 특정 방향의 배향성을 갖는 탄소나노튜브 시트를 제조할 수 있다.
도 3은 탄소나노튜브 어레이로부터 탄소나노튜브 시트(sheet)의 형성과 이의 조합을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다 (Baughman, Science 309, 1215 (2005)). 기판 위에 성장시킨 탄소나노튜브 어레이로부터 탄소나노튜브 섬유 또는 얀을 실질적으로 평행하게 인출하여 탄소나노튜브 시트를 제조할 수 있으며, 복수개의 상기 탄소나노튜브 시트를 서로 다른 방향으로 중첩시킬 수 있다.
이와 같은 탄소나노튜브 섬유, 탄소나노튜브 얀, 탄소나노튜브 직물, 탄소나노튜브 시트는 이를 구성하는 탄소나노튜브 가닥들이 섬유축을 따라 끝단이 서로 연결되고, 일정한 규칙성을 가지고 배열되어 있어서, 전도성 네트워크를 잘 형성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 발열 복합체는 상기 탄소나노튜브 구조체 내부에 반데르발스 힘에 의해 결합된 탄소나노튜브들 외에 부분적으로 서로 뒤엉킨(mechanically interlocked) 복수개의 탄소나노튜브 또는 정렬된 상태가 풀어진 (unzipped) 형태의 복수개의 탄소나노튜브를 더 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 구조체는 인쇄장치용 정착장치에 적용됨에 있어서 급지와인쇄시 발생하는 기계적, 열적 하중에 의한 변형과 응력에 대해 안정적인 발열특성을 구현할 수 있도록 폴리머 매트릭스 내에 함침된다.
상기 폴리머 매트릭스는 탄소나노튜브 구조체를 지지하면서 정착온도에서 견딜 수 있는 내열성을 가지는 재료라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 천연고무, 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 고무(ethylene propylene diene monomer rubber, EPDM rubber), 스티렌 부타디엔 고무(styrene butadiene rubber, SBR), 부타디엔 고무(butadiene rubber, BR), 니트릴 고무(nitrile butadiene rubber, NBR), 이소프렌 고무(isoprene rubber), 폴리이소부틸렌 고무(polyisobutylene rubber) 등의 합성고무, PDMS(polydimethyl siloxane) 등의 실리콘 고무, 플루오로실리콘, 실리콘계 수지, 플루오로엘라스토머 등을 사용할 수 있다. 또는 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아미드 이미드, 폴리이미드, 폴리케톤, 폴리프탈아미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르술폰, 폴리에테르이미드, 폴리아릴에테르케톤 등과 같이 내열성이 우수한 폴리머들을 사용할 수 있다. 예를 들어, 일반적으로 정착장치에 사용되는 실리콘 고무나 폴리이미드와 같은 고내열성 폴리머가 적합할 수 있다. 이들 고분자들은 1종 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 상기 폴리머 매트릭스를 형성할 수 있다.
상기 폴리머 매트릭스는 전도성을 향상시키기 위하여, 선택적으로 카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소 필라멘트, 그라파이트, 그래핀 등의 탄소입자; 철, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속입자; 및 알루미나, 산화철 등의 금속산화물 입자 중 적어도 하나의 도전성 필러를 더 포함할 수 있다. 이들은 1종 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용하는 것이 가능하다.
상기 폴리머 매트릭스는 내열성을 향상시키기 위하여 무기물 필러를 더 포함할 수 있다. 무기물 필러의 예로는 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 황산칼슘, 황산마그네슘, 산화철, 산화아연, 산화마그네슘, 산화알루미늄, 산화칼슘, 산화티타늄, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 미결정실리카, 흄드실리카, 천연제오라이트, 합성 제오라이트, 벤토나이트, 활성백토, 탈크, 카오린, 운모, 규조토 및 크레이 등을 들 수 있다. 이들은 1종 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용하는 것이 가능하다.
또한, 상기 발열 복합체는 발열효과를 손상시키지 않는 범위에서 필요에 따라 적당한 첨가제, 예를 들면, 내산화 안정제, 내후 안정제, 대전 방지제, 염료, 안료, 분산제, 커플링제 등을 폴리머 매트릭스 내에 배합할 수도 있다.
상기 발열 복합체는 예를 들어, 상술한 바와 같은 탄소나노튜브 구조체를 분산공정이나 정렬공정 없이 폴리머에 함침(matrix impregnation) 후 잉여 수지를 제거하는 공정을 거쳐 기재(또는 하중 지지체)에 접합시키거나, 기재(또는 하중 지지체) 상에 상기 탄소나노튜브 구조체를 형성 또는 전사시킨 후 폴리머에 함침시켜 제조될 수 있으며, 이를 통하여 복합재료화에 있어서 공정 단순화가 가능하다.
기존의 탄소나노튜브-폴리머 복합소재는 폴리머 매트릭스 내에 탄소나노튜브가 불규칙하게 분산되어 있어 특정 방향으로 탄소나노튜브를 배향시키기 어렵고, 고함량에서 탄소나노튜브의 분산이 용이하지 않은 것에 비하면, 상기 발열 복합체는 전도성 네트워크가 잘 형성되고 탄소나노튜브가 발열 복합체 전체적으로 균일하게 배열될 수 있으므로 동일한 탄소나노튜브 함량에서도 높은 전기전도도를 구현할 수 있다. 따라서, 상기 발열 복합체는 기존의 탄소나노튜브-폴리머 복합소재에 비하여 빠른 승온속도를 얻을 수 있으며, 균일한 발열 특성을 구현할 수 있다.
예시적으로, 도 4는 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 복합체를 포함하는 상기 발열 복합체로 달성가능한 최대 전기전도도와 전단력으로 배향된 일반적인 탄소나노튜브 복합재료의 전기전도도를 비교한 그래프이다. 도 4에서 일 실시예에 따른 발열 복합체의 전기전도도 곡선은, 길이가 200 μm, 직경이 15 nm, 전기전도도가 105 S/m, 그리고 튜브간 접촉저항이 106 W이고, 탄소나노튜브가 완전히 한 방향으로 배향되어 있을 경우를 가정하였을 때 탄소나노튜브 함량에 따른 이론적인 전기전도도 값을 나타낸 것이다. 비교예에 따른 탄소나노튜브 복합재료의 전기전도도 곡선은, 앞서 언급한 탄소나노튜브를 실리콘 러버에 분산시킨 후 전단유동(shear flow)을 유도하여 부분적으로 탄소나노튜브를 배향시킨 복합소재의 실험적인 전기전도도 측정값을 보여준다. 도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 탄소나노튜브 복합체는 폴리머에 랜덤하게 분산된 탄소나노튜브를 전단유동을 통하여 배향한 복합재료보다는 높은 전기전도도를 가질 수 있다.
상기 발열 복합체 내의 탄소나노튜브 구조체의 함량은 70 중량% 이하일 수 있다. 예를 들여, 탄소나노튜브의 함량은 10 내지 50 중량% 일 수 있다.
상기 발열 복합체는 폴리머 대비 탄소나노튜브 복합체의 함량이나 탄소나노튜브 이외의 무기물의 첨가량에 따라 요구되는 발열체의 열용량은 다양하게 변화될 수 있다. 비제한적인 예로서, 상기 발열 복합체의 단위부피당 열용량은 0.9 J/cm3K 이상일 수 있으며, 앞서 언급하였듯이 다른 필러의 첨가나 폴리머의 열용량에 따라 발열복합체의 열용량을 조절할 수 있다. 예를 들어 단위부피당 열용량이 0.9 내지 2.0 J/cm3K 의 범위일 수 있다. 바람직하게는 약 1.2~1.5 J/cm3K 일 수 있다.
또한, 상기 발열 복합체는 선상의 탄소나노튜브 구조체의 와인딩 밀도를 변화시키거나, 또는 면상의 탄소나노튜브 구조체의 적층수를 변화시키는 것이 용이하므로, 가열장치에 적용함에 있어서 국부적인 발열특성을 제어하는 것이 용이하다.
본 발명의 다른 측면에 따른 정착용 가열장치는, 상술한 발열 복합체를 채용함으로써
롤러 형상 또는 벨트 형상을 가지는 하중 지지체; 및
상기 하중 지지체의 외면에 배치되는 발열 복합체;를 포함하고,
상기 발열 복합체는,
폴리머 매트릭스; 및
상기 폴리머 매트릭스 내에 함침되고, 서로 연속적으로 연결된 탄소나노튜브 구조체;를 포함한다.
도 5는 일 실시예에 따른 정착용 가열장치를 포함하는 정착장치의 단면을 개략적으로 도시한 것이며, 도 6은 도 5에 도시된 정착장치 중 가열장치 부분에 대한 상세 단면도이다. 정착장치(300)는 레이저 프린터 등의 인쇄장치에 사용되는 것으로서, 가열장치(310) 및 이와 맞물려 정착 닙(301)을 형성하는 가압장치(320)를 포함한다. 상기 가열장치(310)는 도 5에 도시한 바와 같이 롤러 형태일 수 있다. 또한, 가압장치(320)는 예를 들어 금속 재질의 하중 지지체(321)에 탄성층(322)이 형성된 롤러 형태일 수 있다. 가열장치(310)와 가압장치(320)는 도시되지 않은 바이어스 수단, 예를 들면 스프링에 의하여 서로 맞물리는 방향으로 바이어스된다. 가압장치(320)의 탄성층(322)이 일부 변형됨으로써 가열장치(310)로부터 용지(P) 상의 토너로의 열전달이 이루어지는 정착 닙(301)이 형성된다.
가열장치(310)는 하중 지지체(311)와, 상기 하중 지지체(311)의 외면에 발열 복합체(313)를 구비한다.
하중 지지체(311)로서 예를 들어 금속제 중공 파이프를 채용할 수 있으며, 금속 재질 외에도 정착장치에서 통상 발생하는 온도에서 기계적 특성이 유지되는 폴리머 재료도 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아미드 이미드, 폴리이미드, 폴리케톤, 폴리프탈아미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르술폰, 폴리에테르이미드, 폴리아릴에테르케톤 등과 같이 고온에서도 기계적 특성이 우수한 고내열성 플라스틱 재료를 사용할 수 있다.
하중 지지체(311) 내부에는 가열장치(310)와 가압장치(320)를 압착시켜 주기 위하여 내부 프레임(미도시)이 배치될 수 있다. 토너와 종이로 열전달이 이루어져야 정착성을 향상시킬 수 있다는 점에서 하중 지지체(311) 재료는 내열성은 우수하되, 열전달 특성은 낮은 것이 좋다. 내부 프레임 또한 하중 지지체(311) 재료로부터 열을 잘 흡수하지 않는 재료로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 하중 지지체(311)의 외면에 형성되는 발열 복합체(313)는 폴리머 매트릭스 및 상기 폴리머 매트릭스 내에 함침된, 서로 연속적으로 연결된 탄소나노튜브 구조체를 포함한다. 발열 복합체(313)에 대하여 위에서 상술한 부분은 여기에서도 동일하게 적용되므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 탄소나노튜브 구조체가 탄소나노튜브 섬유(fiber) 및 탄소나노튜브 얀(yarn) 중 적어도 하나로 이루어지는 탄소나노튜브 선상 구조체인 경우, 일 실시예에 따르면, 상기 하중 지지체의 외면을 따라 상기 탄소나노튜브 선상 구조체가 와인딩될 수 있다. 도 7에 도시된 것과 같이, 탄소나노튜브 선상 구조체(313a)는 하중 지지체(311)의 외면을 따라 나선 형태로 감아 와인딩될 수 있으며, 이를 폴리머에 함침시켜 발열 복합체(313)를 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 선상 구조체는 상기 하중 지지체의 회전축 또는 상기 하중 지지체를 주행시키는 회전체의 회전축 방향을 따라 와인딩 횟수를 변화시키거나, 및/또는 와인딩을 중첩적으로 실시함에 따라 와인딩 밀도가 변화될 수 있으며, 이를 통하여 상기 가열 장치의 국부적 온도 분포를 용이하게 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 탄소나노튜브 선상 구조체는 상기 하중 지지체의 회전축 또는 상기 하중 지지체를 주행시키는 회전체의 회전축의 방향과 평행하게 배열될 수 있다.
상기 탄소나노튜브 구조체는 탄소나노튜브 직물(textile) 및 탄소나노튜브 시트(sheet) 중 적어도 하나로 이루어지는 탄소나노튜브 면상 구조체인 경우, 일 실시예에 따르면, 상기 탄소나노튜브 면상 구조체는 복수개 적층될 수 있다. 이 경우, 상기 면상 구조체는 상기 하중 지지체의 회전축 또는 상기 하중 지지체를 주행시키는 회전체의 회전축의 방향을 따라 면상 구조체의 적층수를 변화시킬 수 있으며, 이를 통하여 상기 가열 장치의 국부적 온도 분포를 제어할 수 있다.
도 8은 가열 장치의 위치에 따른 발열 특성을 상이하게 제어되는 구조를 예시한 것이다. 도 8을 참조하면, 예를 들어, 롤러 형태의 정착용 가열장치(310)에서 (a)구역은 인쇄 영역으로서, 피가열체(예컨대, 인쇄 용지)가 인입되는 부분이고, (b) 및 (c)구역은 비인쇄 영역으로서, 특히 (c)구역은 전극이 형성되는 부분이다. 인쇄영역인 (a)구역은 저항을 크게 하여 발열 효과를 높일 필요가 있고, 비인쇄영역 (b)구역은 저항을 낮게 하여 불필요한 발열로 인한 전력 소모를 방지할 필요가 있다. (a)구역에서의 저항을 Ra, (b)구역에서의 저항을 Rb라고 표시할 때, 저항 분포를 Ra>Rb가 되도록 탄소나노튜브 구조체의 와인딩 밀도 또는 적층수를 변화시키면, (a)구역에서의 온도 Ta가 (b)구역에서의 온도 Tb보다 높게 발열될 수 있다. 이와 같이 선상 또는 면상의 탄소나노튜브 구조체는 회전축 방향의 온도분포를 용이한 방법으로 상이하게 제어할 수 있는 것이다.
일 실시예에 따르면, 발열 복합체(313)에서 발생된 열이 하중 지지체(311)를통하여 손실되는 것을 방지하기 위하여, 하중 지지체(311) 및 발열 복합체(313) 사이에 절연층(312)이 더 배치될 수 있다. 절연층(312)은 예를 들어 실리콘 고무, 플루오로시릴콘 및 플루오로엘라스토머와 같은 임의의 적절한 재료로 이루어질 수 있다. 절연층(312)은 단열 특성을 함께 고려할 때 스펀지(sponge)나 폼(foam) 형태의 폴리머를 사용하여 형성될 수도 있다. 또한, 열전도 특성이 요구될 때에는 전기전도도를 과하게 높이지 않는 상태에서　철, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속계 필러; 카본블랙, 탄소단섬유, 탄소 필라멘트, 탄소 코일 등의 탄소계 필러; 알루미나, 산화철 등의 금속 산화물계 필러와 같은 도전성 필러를 첨가한 형태로 사용할 수도 있다.
하중 지지체(311) 재료로서 절연성을 가지는 폴리머가 사용될 경우, 그 위에 절연층(312) 없이 바로 발열 복합체(313)를 형성할 수 있다. 이 경우, 탄성을 향상시키기 위하여 탄성층(미도시)이 하중 지지체(311)와 발열 복합체(313) 사이에 형성될 수 있다.
절연층(312) 내부에는 전극(미도시)이 배치될 수 있다. 이때, 절연층(312)은 하중 지지체(311)와 발열 복합체(313)을 분리시켜 주는 동시에 하중 지지체(311)와 전극을 분리해 주는 역할을 수행한다. 이 경우, 상기 전극을 절연층(312)의 외부면 위치에 가깝게 위치시킴으로써 발열 복합체(313)에 전류를 유도할 수도 있다. 전극에 전압을 가하여 발열 복합체(313)에 전력이 공급되면, 공급된 전력은 줄 효과(Joule effect)에 의해 발열 복합체(313) 내에서 열로 바뀌게 된다.
상기 가열장치(310)의 최외면에는 이형층(314)이 더 배치될 수 있다. 이형층(314)은 열에 의하여 용융된 토너가 가열장치(310)에 부착되지 않도록 하여, 정착 닙(301)을 통과한 용지(P)가 가열장치(310)로부터 용이하게 분리되도록 하기 위한 것이다.
토너화상이 부착된 용지(P)의 표면은 가열장치(310)와 접촉되며, 용지(P)의 이면은 가압장치(320)에 의하여 지지된다. 발열층(113)에 전력이 공급되면, 가열장치(310)의 온도는 정착에 필요한 온도, 예를 들면 150 내지 200℃로 승온된다. 발열층(113)의 열에너지에 의하여 용지(P) 상의 토너가 융융되며, 용융된 토너는 서로 맞물린 가열장치(310)와 가압장치(320)에 의하여 가해지는 압력에 의하여 용지(P)의 표면에 압착된다. 이에 의하여 토너화상이 용지(P)에 정착된다.
이형층(314) 재료로는 토너가 열과 압력을 받았을 때 종이 위에 안정하게 정착되고 오프셋(offset)이 발생하지 않을 정도의 이형성을 가지는 폴리머가 사용될 수 있다. 예를 들어, 테플론(Teflon)으로 잘 알려진 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 등의 플루오로폴리머 계통이 적합하다. 이형층(314)은 열전달을 향상시키기 위하여 앞서 언급한 금속계, 탄소계, 금속 산화물계 등의 도전성 필러를 더 포함할 수 있으며, 열전달 특성이 우수하면서 이형성을 가지는 어떤 재료로도 구성될 수 있다.
도 9에는 다른 실시예에 따른 정착용 가열장치를 포함하는 정착장치의 단면을 개략적으로 도시한 것이다. 도 9에 도시된 정착장치(300a)는 벨트 형태의 하중 지지체(311a)를 구비하는 가열장치(310a)를 채용한 점에서 도 5에 도시된 정착장치(300)와 차이가 있다. 도 9를 보면, 벨트 형태의 가열장치(310a), 롤러 형태의 가압장치(320), 및 닙형성부재(340)가 도시되어 있다. 닙형성부재(340)는 폐루프를 형성하는 벨트 형태의 가열장치(310a)의 내측에 위치되며 벨트 형태의 가열장치(310a)를 주행시킬 수 있는 회전체 역할을 한다. 가압장치(320)는 가열장치(310a)의 외측에 위치된다. 정착 닙(301)을 형성하기 위하여, 닙형성부재(340)와 가압장치(320)는 가열장치(310a)를 사이에 두고 상호 맞물려 회전된다. 도시되지 않은 바이어스 수단은 닙형성부재(340) 및/또는 가압장치(320)에 닙형성부재(340)와 가압장치(320)가 서로 맞물리는 방향으로 탄성력을 가한다.
가열장치(310a)는 도 6에 도시된 바와 같이, 벨트 형태의 내측면에 하중 지지체(311)가 위치되고, 하중 지지체(311)의 외측에 마련되는 발열 복합체(313)을 포함한다. 하중 지지체(311)는 금속 박막, 예를 들면, 스테인레스 스틸 박막일 수 있다. 또한, 내열성이 높고 강도가 우수한 폴리머 재질이라면 특별히 한정되지 않고 하중 지지체(311)로 사용될 수 있다. 하중 지지체(311a)의 두께는 가열장치(310a)가 정착 닙(301)에서 유연하게 변형되고 정착 닙(301)을 벗어난 후에는 원래 상태로 회복될 수 있는 정도의 유연성을 가질 수 있도록 선정될 수 있다. 예를 들어, 하중 지지체(311a)는 두께 약 35미크론 정도의 스테인레스 스틸 박막일 수 있다. 발열 복합체(313)에 관하여는 전술하였으므로 상세한 설명은 생략한다.
일 예로서, 닙형성부재(340)는 도 9에 도시된 바와 같이 탄성을 가진 롤러 형태로서 가압장치(320)와 함께 회전되면서 가열장치(310a)를 주행시킬 수 있다. 가열장치(310a)가 서로 맞물려 회전되는 닙형성부재(340)와 가압장치(320)에 의하여 주행되므로, 가열장치(310a)와 닙형성부재(340) 및 가압장치(320) 사이의 슬립이 매우 작거나 거의 없다. 따라서, 가열장치(310a)의 안정적인 주행이 가능하다.
가열장치(310a)는 무장력(tensionless) 상태로 주행될 수 있다. 즉, 가열장치(310a)는 닙형성부재(340) 및 가압장치(320)의 회전에 의하여 주행되며, 가열장치(310a) 전체적에 걸쳐 인위적인 장력이 인가되지는 않는다. 벨트 가이드(360)는 가열장치(310a)의 처짐을 방지하기 위한 것으로서, 가열장치(310a)에 장력이 가해지지 않도록 가열장치(310a)를 느슨하게 지지한다. 더불어, 벨트 가이드(360)는 가열장치(310a)의 사행(skew)을 방지하기 위하여 가열장치(310a)의 폭방향의 단부를 가이드할 수 있는 형태일 수 있다.
물론, 도 10에 도시된 정착장치(300b)와 같이, 벨트 형태의 가열장치(310a)는 롤러 형태의 벨트 가이드(360a)에 의하여 안내되어 장력이 인가된 상태로 주행될 수도 있다.
상술한 실시예들에서는 가열장치(310, 310a)가 인쇄장치용 정착장치에 적용되는 경우에 대하여 설명하였다. 그러나, 상기 가열장치는 (310, 310a)의 적용범위가 정착장치에 한정되는 것은 아니며, 전기를 이용하여 열을 발생시키는 발열원이 요구되는 다양한 장치에 적용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 인쇄장치용 정착장치는, 도 5, 9 및 10를 통하여 예시한 바와 같이, 상기 정착용 가열장치; 및 상기 가열 장치와 대면되어 정착 닙을 형성하는 가압장치;를 포함하여, 상기 정착 닙을 통과하는 피가열체 상의 토너를 정착시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 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.

Claims (21)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 롤러 형상 또는 벨트 형상을 가지는 하중 지지체; 및
    상기 하중 지지체의 외면에 배치되는 발열 복합체;를 포함하고,
    상기 발열 복합체는,
    폴리머 매트릭스; 및
    상기 폴리머 매트릭스 내에 함침되고, 서로 연속적으로 연결된 탄소나노튜브 구조체;를 포함하고,
    상기 폴리머 매트릭스는 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 황산칼슘, 황산마그네슘, 산화철, 산화아연, 산화마그네슘, 산화알루미늄, 산화칼슘, 산화티타늄, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화알루미늄, 미결정실리카, 흄드실리카, 천연제오라이트, 합성 제오라이트, 벤토나이트, 활성백토, 탈크, 카오린, 운모, 규조토 및 크레이로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 무기물 필러를 더 포함하며,
    상기 탄소나노튜브 구조체는 탄소나노튜브 섬유(fiber) 및 탄소나노튜브 얀(yarn) 중 적어도 하나로 이루어지는 탄소나노튜브 선상 구조체이고, 상기 탄소나노튜브 선상 구조체가 상기 하중 지지체의 외면을 따라 와인딩되어 있는 정착용 가열장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 선상 구조체는 상기 하중 지지체의 회전축 또는 상기 하중 지지체를 주행시키는 회전체의 회전축의 방향을 따라 와인딩 밀도가 변화됨으로써 상기 가열 장치의 국부적 온도 분포를 제어하는 정착용 가열장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 선상 구조체가 상기 하중 지지체의 회전축 또는 상기 하중 지지체를 주행시키는 회전체의 회전축의 방향과 평행하게 배열되어 있는 정착용 가열장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제8항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스는 천연고무, 합성고무, 실리콘고무, 플루오로실리콘, 플루오로엘라스토머, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리아미드 이미드, 폴리이미드, 폴리케톤, 폴리프탈아미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르술폰, 폴리에테르이미드 및 폴리아릴에테르케톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 정착용 가열장치.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스는 카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소 필라멘트, 그라파이트, 그래핀; 철, 니켈, 알루미늄, 은, 알루미나 및 산화철로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 도전성 필러를 더 포함하는 정착용 가열장치.
  17. 삭제
  18. 제8항에 있어서,
    상기 하중 지지체 및 발열 복합체 사이에 절연층이 배치되는 정착용 가열장치.
  19. 제8항에 있어서,
    상기 정착용 가열장치의 최외면에 이형층이 배치되는 정착용 가열장치.
  20. 제8항에 있어서,
    상기 정착용 가열 장치는, 상기 정착용 가열장치의 외부에 위치하는 피가열체를 가열하는 정착용 가열장치.
  21. 제8항, 제11항, 제12항, 제15항, 제16항 및 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 정착용 가열장치; 및
    상기 정착용 가열 장치와 대면되어 정착 닙을 형성하는 가압장치;를 포함하고,
    상기 정착 닙을 통과하는 피가열체 상의 토너를 정착시키는 인쇄장치용 정착장치.
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