KR101850277B1 - 가열 부재 및 이를 채용한 정착 장치 - Google Patents
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Abstract
개시된 가열 부재는 베이스 폴리머에 전기 전도성 필러가 분산된 것으로서되어 전기에너지를 공급받아 열을 발생시키는 저항 발열층과, 최외곽층을 형성하는 이형층과, 저항 발열층과 이형층 사이에 위치되는 중간층과, 저항 발열층을 지지하는 지지체를 포함한다. 중간층은 베이스 폴리머와 이형층을 형성하는 폴리머 중 어느 하나와 동일한 계열의 폴리머를 포함한다.
Description
저항 발열체를 이용한 가열 부재 및 이를 채용한 정착 장치가 개시된다.
전자사진방식을 이용하는 화상형성장치는, 화상수용체에 형성된 정전잠상에 토너를 공급하여 화상수용체 상에 가시적인 토너화상을 형성하고, 이 토너화상을 기록매체로 전사한 후, 전사된 토너화상을 기록매체에 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 정착닙을 형성하는 가열롤러와 가압롤러를 구비한다. 가열롤러는 할로겐 램프 등의 열원에 의하여 가열된다. 토너가 전사된 기록매체가 정착닙을 통과하는 동안에 열과 압력에 토너에 가해진다. 이러한 정착장치에서는, 열원이 가열롤러를 가열하고, 다시 이 열이 기록매체를 거쳐 토너로 전달되므로 높은 열전달 효율을 기대하기 어렵다. 또, 가열롤러, 즉 피가열부의 열용량이 커서 빠른 승온에 불리하다.
이러한 점을 극복하기 위하여, 열선을 사용하는 면상 발열체를 가열롤러의 외주에 형성한 정착장치가 제안되어 있다. 면상 발열체는 고속 승온에는 유리하나, 면상 발열체 전체의 균일한 가열에는 불리하다. 즉, 발열체 전체에서 열선과 가까운 부분이 국부적으로 과열될 수 있다.
내구성과 전기적 안정성을 확보할 수 있는 가열 부재 및 이를 채용한 정착 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 가열 부재는, 베이스 폴리머와 상기 베이스 폴리머에 분산된 전기 전도성 필러를 포함하여, 전기에너지를 공급받아 열을 발생시키는 저항 발열층; 최외곽층을 형성하는 이형층; 상기 저항 발열층과 상기 이형층 사이에 위치되는 중간층;을 포함하며, 상기 중간층은 상기 베이스 폴리머와 상기 이형층을 형성하는 폴리머 중 어느 하나와 동일한 계열의 폴리머를 포함한다.
상기 중간층은 탄성층일 수 있다.
상기 중간층과 이형층 사이의 접착력은 300N/m 이상일 수 있다.
상기 중간층의 열전도도는 0.5 W/m·K 이상 일 수 있다.
상기 중간층은 실질적으로 전기 비전도성 층일 수 있다.
상기 중간층은 알루미나, 산화아연, 금속 규소 중 적어도 하나를 포함하는 열전도성 입자를 약 30wt% 이상 포함할 수 있다.
상기 중간층은 실리콘계 폴리머와 불소계 폴리머 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 베이스 폴리머는 실리콘계 폴리머, 폴리이미드, 폴리이미드아미드, 불소계 폴리머 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 전기 전도성 필러는 탄소계 필러를 포함할 수 있다. 상기 전기 전도성 필러의 함량은 5wt% 내지 50wt%일 수 있다. 상기 탄소계 필러는, 탄소나노튜브, 카본블랙, 탄소나노파이버, 그래핀, 그래파이트 나노 입자, 그래파이트 옥사이드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 저항 발열층은 5wt% 이하의 금속 산화물 입자를 포함할 수 있다.
상기 이형층은 실리콘계 폴리머와 불소계 폴리머 중 적어도 하나는 포함할 수 있다. 상기 불소계 폴리머는, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리퍼플루오로에테르, 불화폴리에테르, 불화폴리이미드, 불화 폴리에테르케톤, 불화폴리아미드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 가열 부재는, 상기 저항 발열층을 지지하는 것으로, 중공 파이프 형상의 지지체를 더 포함할 수 있다.
상기 가열 부재는, 상기 저항 발열층을 지지하는 것으로, 벨트 형상의 지지체를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 정착 장치는,
상술한 가열 부재; 상기 가열 부재와 대면되어 정착닙을 형성하는 가압 부재;를 포함한다.
상술한 본 발명의 실시예들에 따르면, 전기 전도성 필러가 분산된 저항 발열층을 채용하고 저항 발열층과 이형층 사이에 저항 발열층 또는 이형층의 폴리머와 동일한 계열의 폴리머를 포함하는 중간층을 개재시킴으로써, 내구성과 전기적 안정성을 강화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가열 부재 및 정착 장치가 채용되는 전자사진방식 화상형성장치의 일 예를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정착 장치로서 롤러 방식의 정착 장치의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 정착 장치에 적용된 가열 부재의 일 예를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정착 장치로서 벨트 방식의 정착 장치의 개략적인 구성도이다.
도 5는 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 정착 장치에 적용된 가열 부재의 일 예를 도시한 단면도이다.
도 6은 저항 발열층에의 탄소나노튜브의 함량에 따른 접착강도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7은 중간층이 있는 경우와 중간층이 없는 경우의 접착강도의 변화의 일 예를 보여주는 그래프이다.
도 8은 중간층이 없는 경우의 정착성의 일 예를 보여주는 그래프이다.
도 9는 중간층이 있는 경우의 정착성의 일 예를 보여주는 그래프이다.
도 10은 저항 발열층의 표면온도가 일정할 때 중간층의 열전도도에 따른 중간층의 표면온도의 변화를 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프이다.
도 11은 중간층의 열전도도 변화에 따른 정착성 변화를 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정착 장치로서 롤러 방식의 정착 장치의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 정착 장치에 적용된 가열 부재의 일 예를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정착 장치로서 벨트 방식의 정착 장치의 개략적인 구성도이다.
도 5는 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 정착 장치에 적용된 가열 부재의 일 예를 도시한 단면도이다.
도 6은 저항 발열층에의 탄소나노튜브의 함량에 따른 접착강도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7은 중간층이 있는 경우와 중간층이 없는 경우의 접착강도의 변화의 일 예를 보여주는 그래프이다.
도 8은 중간층이 없는 경우의 정착성의 일 예를 보여주는 그래프이다.
도 9는 중간층이 있는 경우의 정착성의 일 예를 보여주는 그래프이다.
도 10은 저항 발열층의 표면온도가 일정할 때 중간층의 열전도도에 따른 중간층의 표면온도의 변화를 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프이다.
도 11은 중간층의 열전도도 변화에 따른 정착성 변화를 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 가열 부재 및 정착 장치의 실시예들에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 가열 부재 및 정착 장치가 채용되는 전자사진방식 화상형성장치의 일 예를 도시한 구성도이다. 도 1을 보면, 전자사진 프로세스에 의하여 기록매체에 화상을 인쇄하는 인쇄유닛(100)과 정착 장치(300)가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 화상형성장치는 건식 현상제(이하, 토너라 한다.)를 사용하여 칼라화상을 인쇄하는 건식 전자사진방식 화상형성장치이다.
인쇄유닛(100)은 노광기(30), 현상기(10), 전사유닛을 구비한다. 본 실시예의 인쇄유닛(100)은 칼라 화상을 인쇄하기 위하여 서로 다른 색상의 토너, 예를 들면 시안(C:cyab), 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, 현상 카트리지(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) 쪽을 이송시키는 교반기(미도시) 등을 더 설치될 수 있다. 또한, 역시 도시되지는 않았지만, 현상 카트리지(10C, 10M, 10Y, 10K)에는 대전 전에 감광드럼(11)의 외주에 묻은 토너를 제거하는 클리닝 블레이드와, 제거된 토너를 수용하기 위한 수용공간에 마련될 수 있다.
일 예로서, 전사유닛은 기록매체반송벨트(20)와 4개의 전사롤러(40)를 포함할 수 있다. 기록매체반송롤러(20)는 현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)의 외부로 노출된 감광드럼(11)의 외주면과 대면된다. 기록매체반송벨트(20)는 다수의 지지롤러들(21)(22)(23)(24)에 의해 지지되어 순환주행된다. 본 실시예의 기록매체반송벨트(20)는 수직방향으로 설치된다. 4개의 전사롤러(40)는 기록매체반송벨트(20)를 사이에 두고 각 현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)의 감광드럼(11)과 대면되는 위치에 배치된다. 전사롤러(40)에는 전사바이어스가 인가된다. 각 노광기(30C, 30M, 30Y, 30K)는 시안(C:cyab), 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.
상술한 바와 같은 구성에 의한 칼라화상형성과정을 설명한다.
각 현상기(10C, 10M, 10Y, 10K)의 감광드럼(12)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 기록매체(P)는 픽업롤러(121)에 의하여 카세트(120)로부터 인출된다. 기록매체는 이송롤러(122)에 의하여 기록매체반송벨트(20)로 인입된다. 기록매체(P)는 정전기적인 힘에 의하여 기록매체반송벨트(20)의 표면에 부착되어 기록매체반송벨트(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 기록매체(P)의 선단이 전사닙에 도달된다. 전사롤러(40)에 전사바이어스가 인가되면 감광드럼(11)에 형성된 토너화상은 기록매체(P)로 전사된다. 기록매체(P)가 이송됨에 따라 현상기(10M, 10Y, 10K)의 감광드럼(11)들에 형성된 마젠타(M), 옐로우(Y), 블랙(K) 색상의 토너화상은 순차적으로 기록매체(P)에 중첩 전사되어, 기록매체(P)에는 칼라 토너화상이 형성된다.
기록매체(P)에 전사된 칼라 토너화상은 정전기적인 힘에 의하여 기록매체(P)의 표면에 유지된다. 정착기(300)는 열과 압력을 이용하여 칼라토너화상을 기록매체(P)에 정착시킨다. 정착이 완료된 기록매체(P)는 배출롤러(123)에 의하여 화상형성장치 밖으로 배출된다.
화상형성을 위하여는 정착 장치(300)가 소정의 정착온도에 근접한 온도로 가열되어야 한다. 가열에 소요되는 시간을 줄일수록 인쇄를 명령이 수신된 후에 첫 페이지가 인쇄되어 나오기까지의 시간이 짧아지게 된다. 일반적으로, 전자사진방식 화상형성장치에서, 정착 장치(300)는 인쇄를 수행할 경우에만 가열되고 대기시간에는 작동할 필요가 없다. 그러나, 인쇄를 다시 시작할 경우 정착 장치(300)를 가열하는데 다시 시간이 필요하다. 다시 인쇄를 수행하기까지의 소요시간을 줄이기 위하여 정착장치는 대기모드 시에도 일정 온도를 유지하도록 제어될 수 있다. 대기모드 시 예열온도는 120~180℃정도일 수 있다. 정착 장치(300)의 온도를 인쇄를 수행할 수 있는 온도까지 승온시키는 데에 소요되는 시간이 충분히 짧아질 수 있다면, 대기모드 시의 예열이 필요없게 되며 정착장치에서 소비되는 에너지를 줄일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정착장치의 일 구성도이다. 도 3은 가열 부재의 일 실시예의 사시도이다. 도 2에 도시된 정착 장치는 롤러 형태의 가열 부재를 채용하는 롤러 방식 정착 장치이다.
도 2와 도 3을 보면, 롤러 형태의 가열 부재(310)와, 이와 대면되어 정착닙(301)을 형성하는 가압 부재(320)가 도시되어 있다. 가압 부재(320)는 가열 부재(310)와 대면되어 정착닙(301)을 형성한다. 일 예로서, 가압 부재(320)는 금속 지지체(321)에 탄성층(322)이 형성된 롤러 형태이다. 가열 부재(310)와 가압 부재(320)는 도시되지 않은 바이어스 수단, 예를 들면 스프링에 의하여 서로 맞물리는 방향으로 바이어스된다. 가압 부재(320)의 탄성층(322)이 일부 변형됨으로써 가열 부재(310)로부터 기록매체(P) 상의 토너로의 열전달이 이루어지는 정착 닙(301)이 형성된다.
가열 부재(310)는 저항 발열층(312)과 이를 지지하는 지지체(311), 및 이형층(314)을 포함할 수 있다. 저항 발열층(312)과 이형층(314) 사이에는 중간층(313)이 마련될 수 있다. 중공 파이프 형상의 지지체(311)를 채용함으로써 가열 부재(310)는 전체적으로 롤러 형상이 된다. 전자사진방식 화상형성장치의 정착장치에 적용되는 이러한 형태의 가열 부재(310)를 통상 정착 롤러라 칭한다.
도 4에는 본 발명에 따른 정착 장치의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 4에 도시된 정착장치는 벨트 형상의 지지체(311)를 구비하는 가열 부재(310)를 채용한 점에서 도 2에 도시된 정착장치와 차이가 있다. 이러한 형태의 가열 부재(310)가 정착장치(300)에 적용되는 경우에 통상 정착벨트라 칭한다. 도 4를 보면, 가열 부재(310), 가압롤러(320), 및 닙형성부재(340)가 도시되어 있다. 닙형성부재(340)는 폐루프를 형성하는 벨트 형태의 가열 부재(310)의 내측에 위치된다. 가압 부재(320)는 정착 부재(310)의 외측에 위치된다. 정착 닙(301)을 형성하기 위하여, 닙형성부재(340)와 가압 부재(320)는 가열 부재(310)를 사이에 두고 상호 맞물려 회전된다. 도시되지 않은 바이어스 수단은 닙형성부재(340) 및/또는 가압롤러(320)에 닙형성부재(340)와 가압롤러(320)가 서로 맞물리는 방향으로 탄성력을 가한다.
가열 부재(310)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 지지체(311)와, 지지체(311)의 외측에 마련되는 저항 발열층(312), 및 이형층(314)을 포함할 수 있다. 저항 발열층(312)과 이형층(314) 사이에는 중간층(313)이 마련될 수 있다. 지지체(311)는 가열 부재(310)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.
일 예로서, 닙형성부재(340)는 가압 롤러(320)를 향하여 가압될 수 있다. 도면으로 도시되지는 않았지만, 닙형성부재(340)는 탄성을 가진 롤러형태로서 가압 부재(320)와 함께 회전되면서 가열 부재(310)를 주행시킬 수도 있다.
이하에서, 가열 부재(310)의 실시예에 관하여 설명한다.
지지체(311)의 재료로서는 예를 들어 폴리이미드(polyimide), 폴리이미드아미드(polyimideamide), 불소계(fluoropolymers) 폴리머 등의 폴리머계 재료, 또는 금속계 재료가 이용될 수 있다. 여기서, 불소계 폴리머는 불화폴리에테르케톤(PEEK: flurinated polyetherketones), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: polytetrafluoroethylenes), PFA(perfluoroalkoxy), FEP(fluorinated ethylene prophylene) 등일 수 있다. 금속계 재료는 예를 들어 스테인레스 스틸, 니켈, 구리, 황동(brass) 등일 수 있다. 지지체(311)가 도전성을 갖는 금속계 재료로 형성된 경우 지지체(311)와 저항 발열층(312) 사이에는 절연층(미도시)이 개재될 수 있다.
저항 발열층(312)은 베이스 폴리머(312a)와 그 내부에 분산된 전기 전도성 필러(312b)를 포함할 수 있다. 베이스 폴리머(312a)는 정착온도에서 견딜 수 있는 내열성을 가지는 재료라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 베이스 폴리머(312a)는 실리콘계 폴리머(silicone polymer), 폴리이미드(polyimide), 폴리이미드아미드(polyimideamide), 불소계 폴리머(fluoropolymers) 등의 고내열성 폴리머일 수 있다. 불소계 폴리머는 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: polytetrafluoroethylenes), 불화폴리에테르케톤(PEEK: flurinated polyetherketones), PFA(perfluoroalkoxy), FEP(fluorinated ethylene prophylene) 등일 수 있다. 저항 발열층(312)은 탄성을 가질 수 있다. 베이스 폴리머(312a)의 경도는 소망하는 저항 발열층(312)의 탄성에 맞추어 조절될 수 있다. 베이스 폴리머(312a)는 상술한 폴리머 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 베이스 폴리머(312a)는 상술한 폴리머 중 어느 하나일 수 있으며, 상술한 폴리머 중 둘 이상의 혼합체(blend) 또는 복합체(copolymer) 일 수 있다.
한 종류 또는 두 종류 이상의 전기 전도성 필러(312b)가 베이스 폴리머(312a)에 분산될 수 있다. 전기 전도성 필러(312b)로서는 금속 입자 등의 금속계 필러와 탄소계 필러가 채용될 수 있다. 탄소계 필러는 예를 들어, 탄소나노튜브(CNT: carbon nanotube), 카본블랙(carbon black), 탄소나노파이버(carbon nanofiber), 그래핀(graphene), 익스팬디드 그래파이트(expanded grahite), 그래파이트 나노 입자(graphite nano platelet), 그래파이트 옥사이드(GO: graphite oxide) 등일 수 있다.
전기 전도성 필러(312b)는 베이스 폴리머(312a) 내부에 분산되어 전기 전도성 네트워크를 형성한다. 예를 들어, 탄소나노튜브는 그 함량에 따라서 10-4S/m 내지 100S/m 정도의 전도도를 가진 전도체 또는 저항체로 제작이 가능하다. 아래 표 1에서 보는 바와 같이, 탄소나노튜브는 금속에 버금가는 전도도를 가지면서 밀도가 매우 낮아서 단위 부피당의 열용량(열용량 - 밀도×비열)이 일반적인 저항재료보다 3 내지 4배 정도 낮다. 이는, 탄소나노튜브를 전도성 필러로 채용하는 저항 발열층(312)은 매우 빠른 온도변화가 가능하다는 것을 의미한다. 따라서, 전기 전도성 필러(312b)를 포함하는 저항 발열층(312)을 구비하는 가열 부재(310)를 채용함으로써 대기 상태로부터 인쇄 상태로의 전환에 걸리는 시간을 줄일 수 있어 신속한 첫번째 인쇄가 가능하다. 나아가서는, 대기 상태에서 가열 부재(310)를 예열할 필요가 거의 없어 전력소비를 줄일 수 있다.
| 저항재료 | 밀도 (g/cm3) |
비저항 (Ω㎝) |
열전도도 (W/m·K) |
비열 (J/Kg·K) |
| Al2O3 | 3.97 | >1014 | 36 | 765 |
| AlN | 3.26 | >1014 | 140~180 | 740 |
| 스테인레스 스틸 | 7.8 | >10-5 | 55 | 460 |
| 실리콘(PDMS) | 1.03 | >1014 | 0.18 | 1460 |
| 탄소나노튜브 | ~1.35 | ~10-3~10-4 | >3000 | 700 |
| 니크롬선 | 8.4 | 1.09×10-4 | 11.3 | 450 |
탄소계 필러가 채용되는 경우 그 함량은 약 5wt% 내지 약 50wt% 일 수 있다. 탄소계 필러의 함량이 약 5wt% 보다 작으면 의미 있는 전기 전도성 네트워크를 형성할 수 없다. 저항 발열층(312) 내의 탄소계 필러의 함량이 높을수록 전기 전도도는 향상되나, 저항 발열층(312)의 강직도(stiffness)가 너무 커질 수 있다. 저항 발열층(312)은 가압 부재(320)와 함께 정착 닙(301)을 형성하는데, 저항 발열층(312)의 강직도가 너무 커지면 충분한 크기의 정착 닙(301)을 형성하는 데에 불리하다. 또한, 큰 강직도는 저항 발열층(312)의 기계적 성질을 저하시켜 가열 부재(310)의 수명이 짧아질 수 있다. 상기한 점을 감안하여, 탄소계 필러의 함량이 약 50wt%이하로 할 수 있다. 저항 발열층(312)의 내열성을 향상시키기 위하여, 저항 발열층(312)에는 예를 들어, Fe2O3, Al2O3 등의 금속 산화물 입자가 포함될 수 있다. 금속 산화물 입자의 함량은 예를 들어 약 5wt% 이하일 수 있다.
이형층(314)은 가열 부재(310)의 최외곽층을 형성한다. 정착 과정에서 기록매체(P) 상의 토너가 용융되면서 가열 부재(310)에 부착되는 오프셋(offset) 현상이 발생될 수 있다. 오프셋 현상은 기록매체(P) 상의 인쇄 화상의 일부가 누락되는 인쇄 불량과, 정착 닙을 벗어난 기록매체(P)가 가열 부재(310)로부터 분리되지 않고 가열 부재(310)의 표면에 부착되는 잼(jam)의 원인이 될 수 있다. 이형층(314)은 가열 부재(310)로의 토너의 부착을 방지하기 위하여 분리성이 우수한 폴리머층으로 형성될 수 있다. 이형층(314)으로서는 예를 들어 실리콘계 폴리머와 불소계 폴리머가 채용될 수 있다. 불소계 폴리머는 예를 들어, 폴리퍼플루오로에테르(polyperfluoroethers), 불화폴리에테르(fluorinated polyethers), 불화폴리이미드(fluorinated polyimodes), 불화폴리에테르케톤(PEEK: flurinated polyetherketones), 불화폴리아미드(fluorinated polyamides), 불화폴리에스테르(fluorinated polyesters) 등일 수 있다. 이형층(314)은 상술한 폴리머들 중 하나, 또는 둘 이상의 폴리머의 혼합체, 또는 둘 이상의 폴리머의 복합체(copolymer)일 수 있다.
이형층(314)이 저항 발열층(312)에 접합되는 경우에, 저항 발열층(312)의 외표면과 이형층(314) 사이에 프라이머(primer)가 적용된다. 즉, 프리이머를 도포한 이형층(314)이 저항 발열층(312)의 외표면에 접착될 수 있다. 빠른 승온을 위하여 저항 발열층(312)의 전기 전도도는 가능한 한 높을수록 좋으며, 이를 위하여 전기 전도성 필러(312b)의 함량을 상술한 범위 내에서 가능한 높이는 것이 좋다. 그러나, 프라이머는 저항 발열층(312)의 베이스 폴리머(312a)와 이형층(314)을 접합시키며, 전기 전도성 필러(312b)와 이형층(314)을 접합시키지는 않는다. 따라서, 전기 전도성 필러(312b)의 함량이 높아지면 저항 발열층(312)의 외표면으로 노출되는 전기 전도성 필러(312b)의 양이 증가되고, 이는 이형층(314)과 저항 발열층(312)의 접합력을 저하시키게 된다. 도 6은 실리콘 고무(silicone elastomer)에 탄소나노튜브가 분산된 저항 발열층(312)에 불소계 폴리머로 된 이형층(314)을 접합하는 경우에 탄소나노튜브의 함량에 따른 접착강도를 시험은 결과를 나타내는 그래프이다. 예를 들어 프라이머를 도포한 이형층(314)을 저항 발열층(312)의 외표면에 접착하고 150℃에서 30분, 200℃에서 4시간 경화시켜 벨트 타입의 가열 부재(310)를 형성한 후에, 90도 필 테스트(peel test)를 통하여 접착강도를 측정할 수 있다. 도 6을 보면, 탄소나노튜브의 함량이 증가할수록 접착 강도가 저하된다는 점을 확인할 수 있다. 정착 장치에서 장착 닙에 작용되는 압력이 최대 약 10Mpa 이내라는 점을 감안하면 이형층(314)의 접착강도(peel strength)는 약 300N/m 이상이 되어야 한다. 그러나, 도 6을 보면 탄소나노튜브의 함량이 약 5wt 이상이 되면 접착강도가 300N/m 보다 낮아진다. 저항 발열층(312)의 전도성 필러 함량이 약 5wt% 이상이라는 점을 감안하면, 이형층(314)이 저항 발열층(312)에 직접 접합되는 구조에 의하여는 내구성 높은 정착 장치를 구현하기 어렵다. 저항 발열층(312)과 이형층(314)이 매끄러운 접합 계면을 형성하지 못하는 경우에는, 저항 발열층(312)과 이형층(314)의 계면에 핀홀(pin hole)이 발생될 수 있다. 이 핀홀은 내전압의 강하 나아가서는 이형층(314)의 파손을 유발할 수 있다. 이형층(314)이 파손되면 누설 전류로 인한 감전 등의 위험이 있을 수 있다.
본 실시예의 가열 부재(310)에 따르면 저항 발열층(312)와 이형층(314) 사이에 중간층(313)이 마련된다. 중간층(313)을 형성하는 폴리머로서는 저항 발열층(312)을 형성하는 폴리머와 동일한 계열의 폴리머가 채용된다. 동일 계열의 폴리머끼리의 접착력은 다른 계열의 폴리머끼리의 접착력보다 크므로, 중간층(313)과 저항 발열층(312)과의 접착력을 향상시킬 수 있다. 중간층(313)은 실리콘계 폴리머와 불소계 폴리머 중 적어도 하나로 된 폴리머층일 수 있으며, 이들 폴리머의 혼합체 또는 복합체일 수 있다. 불소계 폴리머는 예를 들어, 폴리퍼플루오로에테르(polyperfluoroethers), 불화폴리에테르(fluorinated polyethers), 불화폴리이미드(fluorinated polyimodes), 불화폴리에테르케톤(PEEK: flurinated polyetherketones), 불화폴리아미드(fluorinated polyamides), 불화폴리에스테르(fluorinated polyesters) 등일 수 있다.
중간층(313)은 실질적으로 전기 비전도성 층일 수 있다. 즉, 중간층(313)은 전기 전도성 필러가 포함되지 않은 층일 수 있다. 다만, 중간층(313)에 미량의 전기 전도성 필러는 의도적으로 또는 제조 과정에서 비의도적으로 포함될 수는 있으나, 그 함량은 5wt% 이내일 수 있다.
예를 들어, 베이스 폴리머(312a)에 전기 전도성 필러(312b)를 분산시켜 저항 발열층(312)을 형성하고, 저항 발열층(312)의 표면에 베이스 폴리머(312a)와 동일한 계열의 폴리머를 이용하여 중간층(313)을 형성할 수 있다. 저항 발열층(312)을 경화시키는 공정을 수행하기 전에 저항 발열층(312)의 외표면에 중간층(313)을 형성하고, 그 후에 저항 발열층(312)과 중간층(313)을 함께 경화시킴으로써 접착강도를 더욱 향상시킬 수 있다. 물론, 중간층(313)을 형성하는 과정에서 저항 발열층(312)의 손상을 방지하기 위하여 저항 발열층(312)을 반경화시킨 후에 중간층(313)을 형성할 수도 있다. 이에 의하여 저항 발열층(312)과 중간층(313)의 접착 강도를 강화시킬 수 있다.
그런 후에 프라이머를 도포한 이형층(314)을 중간층(313)의 외표면에 접합시킨다. 중간층(313)에는 전기 전도성 필러(312b)가 없거나 또는 그 양이 매우 적으므로 중간층(313)과 이형층(314) 사이에는 매끄럽고 높은 접착강도를 가진 계면이 형성될 수 있다. 이에 의하여, 중간층(313)과 이형층(314)과의 접착 강도를 강화시킬 수 있다.
예를 들어, 실리콘 고무에 9wt%의 탄소나노튜브를 분산시킨 300㎛ 두께의 저항 발열층(312)을 형성하고, 저항 발열층(312)의 외표면에 탄소나노튜브를 포함하지 않는 실리콘 고무로 된 50㎛ 두께의 중간층(313)을 형성한 후에 중간층(313)의 외표면에 불소계 폴리머로 된 이형층(314)을 형성할 수 있다. 위의 공정에 의하여 제조된 가열 부재(310)를 이용하여 90도 필 테스트(peel test)를 수행하여 접착 강도를 측정한 결과, 도 7에 도시된 바와 같이 중간층(313)이 있는 경우에는 중간층(313)이 없는 경우에 비하여 높은 접착강도를 얻을 수 있다.
중간층(313)은 탄성을 가진 폴리머층이므로, 저항 발열층(312)과 함께 중간층(313)이 탄성층으로서의 역할을 하게 된다. 따라서, 정착 닙을 형성하기가 용이하여 정착성을 형상시킬 수 있으며, 반복 사용에 의한 저항 발열층(312)의 피로도를 저하시켜 가열 부재(310)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 8과 도 9는 정착온도 180℃, 가압력 15Kgf 조건에서 중간층(313)이 없는 경우와 중간층(313)이 있는 경우의 정착성을 확인한 결과를 각각 도시한 그래프이다. 가열 부재(310)로서는 두께 약 50㎛의 폴리이미드제 지지체(311) 상에 저항 발열층(312), 중간층(313), 이형층(314)을 순차로 형성한 벨트 타입의 가열 부재가 사용된다. 저항 발열층(312)은 실리콘 고무에 10wt%의 탄소나노튜브를 분산시킨 것으로서, 두께는 약 250㎛ 이다. 중간층(313)은 외표면에 탄소나노튜브를 포함하지 않는 실리콘 고무로서, 두께는 약 100㎛ 이다. 이형층(314)은 PFA층으로서 두께는 약 30㎛이다. 도 8과 도 9를 보면, 중간층(313)이 있는 경우에는 인쇄매수가 증가되더라도 약 80% 이상의 정착성을 유지하여, 중간층(313)이 없는 경우에 비하여 우수한 정착성을 보인다는 것을 알 수 있다.
중간층(313)은 그 자체로서 가열 부재(310)의 내전압을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 내전압은 전류차단재료의 두께에 비례하여 증가되는데, 저항 발열층(312)과 이형층(314) 사이에 전기 비전도성인 중간층(313)을 마련함으로써 전류차단재료의 두께가 증가될 수 있다. 정착 장치에 적용되는 가열 부재(310)의 경우, 약 4KV 이상의 내전압이 요구된다. 불소계 폴리머로 된 이형층(314)의 내전압 특성이 약 100V/㎛ 정도이고, 이형층(314)의 두께가 30㎛ 정도라는 점을 감안하면, 중간층(313)은 약 1KV 정도의 내전압을 형성할 수 있으면 된다. 중간층(313)이 탄성층으로서의 역할을 겸하기 위하여는 이형층(314)보다는 두껍게 할 필요가 있으므로, 안전율을 감안하여 중간층(313)의 내전압 특성은 약 50V/㎛ 이상일 수 있다.
전기 비전도성인 중간층(313)은 누설전류를 차단하는 역할을 할 수 있다. 중간층(313)은 저항 발열층(312)과 중간층(313) 사이의 계면에서 발생되는 핀홀의 외측으로의 성장을 차단함으로써 누설 전류를 차단할 수 있다. 또한, 반복 사용에 의하여 이형층(314)이 파손되더라도 전기 비전도성인 중간층(313)이 저항 발열층(312)을 감싸고 있으므로 저항 발열층(312)이 외부로 노출되지 않는다. 따라서, 누설전류에 의한 감전 위험을 방지할 수 있다.
중간층(313)은 난연 등급이 UL94 기준 V2등급 이상의 폴리머로 형성될 수 있다. 난연성의 중간층(313)이 저항 발열층(312)을 감쌈으로써 정착 장치가 전체적으로 난연성을 가지는데 도움이 된다.
중간층(313)은 저항 발열층(312)에서 발생된 열을 정착 닙으로 효과적으로 전달할 수 있는 열전도도를 가질 필요가 있다. 이를 위하여, 중간층(313)의 열전도도는 약 0.5W/m·K 이상일 수 있다. 중간층(313)에는 열전도 특성을 향상시키기 위하여 예를 들어, 알루미나(Al2O3), 아연산화물(zinc oxide), 금속 규소 등의 열전도성 입자가 30wt% 이상 포함될 수 있다.
상술한 실시예에서는 중간층(313)을 저항 발열층(312)과 동일한 계열의 폴리머로 형성하는 경우에 대하여 설명하였으나, 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 중간층(313)을 이형층(314)과 동일한 계열의 폴리머로 형성할 수도 있다. 중간층(313)과 이형층(314) 사이에 강한 접착강도를 갖는 계면을 형성함으로써, 300N/m 이상의 접착 강도를 구현할 수 있다. 또, 중간층(313)이 저항 발열층(312)과 함께 탄성층의 역할을 함으로써 반복 사용에 의하여 저항 발열층(312)에 축적되는 피로도를 저하시킬 수 있다. 따라서, 가열 부재(310)의 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 중간층(313)이 저항 발열층(312)과 이형층(314) 사이에 개재됨으로써 저항 발열층(312)과 중간층(313) 사이의 계면에서 발생되는 핀홀의 외측으로의 성장을 차단하여 이형층(314)의 파손 및 이에 의한 누설전류의 발생을 방지할 수 있다.
도 10은 저항 발열층(312)의 표면온도가 일정할 때 중간층(313)의 열전도도에 따른 중간층(313)의 표면온도의 변화를 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프이다. 저항 발열층(312)의 표면온도, 즉 저항 발열층(312)과 중간층(313)의 경계면의 온도는 200C로, 중간층(313)의 두께는 200㎛, 인쇄에 필요한 열량은 1000W로 가정한다. 그리고, 시뮬레이션에서 이형층(314)의 존재는 무시한다. 도 10에 도시된 그래프에 따르면, 중간층(313)의 열전도도가 높을수록 중간층(313)의 표면온도는 상승하므로 정착성을 높이는데 유리하다.
도 11은 중간층(313)의 열전도도 변화에 따른 정착성 변화를 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프이다. 이형층(314)은 없다고 가정하고 중간층(313)과 토너 물질이 직접 접촉하는 것으로 가정한다. 또, 중간층(313)의 밀도와 열용량은 각각 1000Kg/m3 및 1000J/Kg·K으로 가정한다.도 13에서 가로축은 중간층(313)의 열전도도를 나타내고 세로축은 중간층(313)과 토너 물질과의 접촉면 온도를 나타낸다. 토너의 온도는 상온(25℃)이며, 중간층(313)의 온도를 180도로 제어하는 경우 중간층(313)의 열전도도를 0.3에서 0.8 W/mK로 올리면 접촉면의 온도는 110도에서 약 130도로 약 20도 정도 증가하는 효과가 나타난다. 그러므로 중간층(313)의 열전도도가 높은 경우에 토너를 잘 녹여서 정착성을 우수하게 만드는 효과를 나타내게 된다.
상술한 실시예들에서는 가열 부재가 전자사진방식 화상형성장치의 정착장치에 적용되는 경우에 대하여 설명하였다. 그러나, 가열 부재의 적용범위가 정착장치에 한정되는 것은 아니며, 전기를 이용하여 열을 발생시키는 발열원이 요구되는 다양한 장치에 적용될 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.
10...현상기 11...감광드럼
20...용지이송벨트 30...노광기
40...전사롤러 100......인쇄유닛
300...정착 장치 301......정착 닙
310...가열 부재 311......지지체
312......저항 발열층 312a...베이스 폴리머
312b...전기 전도성 필러 313......중간층
314......이형층 320......가압 부재
340......닙형성부재
20...용지이송벨트 30...노광기
40...전사롤러 100......인쇄유닛
300...정착 장치 301......정착 닙
310...가열 부재 311......지지체
312......저항 발열층 312a...베이스 폴리머
312b...전기 전도성 필러 313......중간층
314......이형층 320......가압 부재
340......닙형성부재
Claims (22)
- 베이스 폴리머와 상기 베이스 폴리머에 분산된 전기 전도성 필러를 포함하여, 전기에너지를 공급받아 열을 발생시키는 저항 발열층;
최외곽층을 형성하는 이형층;
상기 저항 발열층과 상기 이형층 사이에 위치되는 중간층;
상기 중간층은 상기 베이스 폴리머와 상기 이형층을 형성하는 폴리머 중 어느 하나와 동일한 계열의 폴리머를 포함하며,
상기 중간층은 열전도성 입자를 30wt% 이상 포함하는 가열 부재. - 제1항에 있어서,
상기 중간층은 탄성층인 가열 부재. - 제1항에 있어서,
상기 중간층과 이형층 사이의 접착력은 300N/m 이상인 가열 부재. - 제1항에 있어서,
상기 중간층의 열전도도는 0.5 W/m·K 이상인 가열 부재. - 제1항에 있어서,
상기 열전도성 입자는 알루미나, 아연산화물, 금속 규소 중 적어도 하나를 포함하는 가열 부재. - 제1항에 있어서,
상기 중간층은 실질적으로 전기 비전도성 층인 가열 부재. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중간층은 실리콘계 폴리머와 불소계 폴리머 중 적어도 하나를 포함하는 가열 부재. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 베이스 폴리머는 실리콘계 폴리머, 폴리이미드, 폴리이미드아미드, 불소계 폴리머 중 적어도 하나를 포함하는 가열 부재. - 제8항에 있어서,
상기 전기 전도성 필러는 탄소계 필러를 포함하는 가열 부재. - 제9항에 있어서,
상기 전기 전도성 필러의 함량은 5wt% 내지 50wt%인 가열 부재. - 제10항에 있어서,
상기 탄소계 필러는, 탄소나노튜브, 카본블랙, 탄소나노파이버, 그래핀, 그래파이트 나노 입자, 그래파이트 옥사이드 중 적어도 하나를 포함하는 가열 부재. - 제7항에 있어서,
상기 저항 발열층은 5wt% 이하의 금속 산화물 입자를 포함하는 가열 부재. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이형층은 실리콘계 폴리머와 불소계 폴리머 중 적어도 하나는 포함하는 가열 부재. - 제13항에 있어서,
상기 불소계 폴리머는, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리퍼플루오로에테르, 불화폴리에테르, 불화폴리이미드, 불화 폴리에테르케톤, 불화폴리아미드 중 적어도 하나를 포함하는 가열 부재. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 저항 발열층을 지지하는 것으로서, 중공 파이프 형상의 지지체;를 포함하는 가열 부재. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 저항 발열층을 지지하는 것으로서, 벨트 형상의 지지체;를 포함하는 가열 부재. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 가열 부재;
상기 가열 부재와 대면되어 기록 매체를 가압 이송시키기 위한 정착닙을 형성하는 가압 부재;를 포함하는 정착 장치. - 제17항에 있어서,
상기 저항 발열층을 지지하는 것으로서, 중공 파이프 형상의 지지체;를 포함하는 정착 장치. - 제17항에 있어서,
상기 저항 발열층을 지지하는 것으로서, 벨트 형상의 지지체;를 포함하는 정착 장치. - 제17항에 있어서,
상기 중간층은 실리콘계 폴리머와 불소계 폴리머 중 적어도 하나를 포함하는 정착 장치. - 제20항에 있어서,
상기 불소계 폴리머는, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리퍼플루오로에테르, 불화폴리에테르, 불화폴리이미드, 불화 폴리에테르케톤, 불화폴리아미드 중 적어도 하나를 포함하는 정착 장치. - 제17항에 있어서,
상기 전기 전도성 필러는 함량 5wt% 내지 50wt%의 탄소계 필러를 포함하는 정착 장치.
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