KR20010085213A - 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러 및 그 제조 방법 - Google Patents

토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 장치는 도전성의 원통형 롤러 몸체와, 상기 롤러 몸체에 상기 도전성 몸체의 탄성한계온도 이하인 제 1 온도로 소성되어 형성되는 절연층과, 상기 절연층 위에 상기 제 1 온도 보다 낮은 제 2 온도로 소성되어 형성되는 발열층과, 상기 발열층 위에 형성된 보호층과, 상기 발열층 양단에 형성된 전극을 포함한다.
따라서, 본 발명에서는 롤러 표면에 발열층을 후막형태로 균일하게 형성함으로써 양산성 및 온도 균일성이 향상되고, 단시간 내에 동작온도로 상승되므로 초기 구동시 필요한 워밍-업 시간을 줄일 수 있어서 토너정착장치의 전력소모를 줄일 수 있다.

Description

토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러 및 그 제조 방법 {Directly Heating Roller For Fixing a Toner Image And Manufacturing Method thereof}
본 발명은 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자사진 화상형성 장치의 정착부에서 가열 롤러의 외부 표면에 루테늄계 전기저항 발열층을 후막형태로 균일하게 도포하고 비교적 저온에서 소성함으로써 양산성이 향상되고 단시간 내에 동작온도로 상승할 수 있어서 워밍-업 시간을 줄일 수 있는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
전자 사진 현상 방식을 이용하는 전자사진 화상형성 장치, 예컨데 복사기, 레이저 빔 프린터 등은 대전 롤러가 회전하면서 대전 롤러가 고압으로 감광드럼의 외주면상에 감광체를 고루 대전시키게 된다.
노광주사부(Laser Scanning Unit;LSU)를 통해 감광체의 표면을 주사하여 정전 잠상(Electro-static Image)을 생성시킨다. 그 후, 현상기를 통해 감광체에 형성된 정전 잠상에 토너(Toner)를 공급하여 가시상으로 현상한다. 그리고, 전사 롤러와 감광체 사이에 전사 전압을 인가하여 회전시키므로 그 사이를 통과하는 용지에 토너로 형성된 상을 전사한다.
정착부에서는 가열 롤러를 구비하여 용지 위에 열을 제공하여 퇴적된 토너를 일시 용융하여 정착하는 방식을 사용하는 전자사진 화상형성 장치가 통상적으로 사용된다.
일반적으로 가열 롤러의 표면을 정해진 온도로 가열하는 열원으로서 할로겐 램프가 가열 롤러의 내부에 설치되어 사용된다.
종래 전자사진 화상형성 장치의 외부 구조를 도 1에 나타내고 있다.
도 1에서 보면, 종래 전자사진 화상형성 장치는 용지 인출부(101), 조작부(103), 컨트롤 보드덮개(105), 윗덮개 열림 버튼(107), 용지 표시창(109), 다용도 급지창(111), 옵션 카세트(113), 용지 카세트(115), 보조 받침대(117)가 구비된다.
도 2는 종래 전자사진 화상형성 장치의 내부 구성을 나타내며, 도 3은 종래 전자사진 화상형성 장치의 할로겐 램프 가열 롤러가 설치된 상태를 나타낸다.
도면을 참조하면, 토너 카트리지(121) 내부에는 토너(123)가 교반기(125)에 의해 교반된다. 규제 블러이드(129)가 토너 공급양을 규제하면서 공급 롤러(127)를 통해 토너(123)가 공급된다. 대전 롤러(137)가 감광 드럼(135) 표면에 전기적으로 전하층을 균일하게 대전시킨다. 노광 주사부(139)에서 감광 드럼(135) 표면에 정전 잠상을 형성한다. 그리고, 현상 롤러(131)가 감광 드럼(135) 표면에 형성된 정전잠상에 토너(123)를 현상시킨다. 감광 드럼(135) 표면에 형성된 토너 화상(124)을 용지(141)상에 전사 로울로(133)가 전사시킨다.
그 후, 토너가 부착된 용지(141)는 정착부(149)로 이송되고 가열 롤러(145)와 가압 롤러(143) 사이를 통과하면서 분말상의 토너화상은 용지에 용융되어 정착되는 것이다. 상기 가열 롤러(145)는 인가된 전원이 할로겐 램프(151)에 제공되면서 열이 발생하고 정착 롤러(145)의 정착열과 가압 롤러(143)의 가압력으로 인해 토너가 용지에 융착된 후 배출된다. 가열 롤러(145) 상부에 위치한 서미스터(147)는 정착 롤러(145)의 온도를 감지하여 일정온도를 유지할 수 있도록 콘트롤하기 위해 설치된다.
이와 같은 할로겐 램프 방식의 종래 기술은 불필요한 전원 소모가 많고 특히 전원을 오프하였다가 화상형성을 위해 전원을 온 시, 일정시간의 워업타임(Warm-up time)을 필요로 한다. 즉 전원을 인가한 후 가열 롤러(145)가 원하는 목표온도에 도달할 때 까지 일정시간을 기다려야만 한다. 이러한 시간은 짧게는 수십초에서 길게는 수분이 소요되는 경우도 있다. 그리고, 가열 롤러가 용지에 접촉하면서 온도가 떨어지는 것에 대한 보상이 어렵다.
또한 프린트가 종료된 후 다음 화상을 출력하기까지 대기시간에도 일정온도를 유지해 주기 위해서 전원을 일정주기로 인가하므로서 불필요한 전력소모를 증가시키게 되고 다음 화상을 출력하기위해 일정시간의 대기 시간을 가지므로서 빠른 화상출력을 달성하지 못하는 문제점이 있다.
또다른 종래의 기술로서 미국특허 4,776,070호에서는 토너 화상 정착을 위한 직접가열 롤러를 개시한다. 도 4를 참조하면, 종래의 직접가열 롤러는 작은 열 캐패시터를 가지는 롤러 몸체(161)의 외부 표면 위에 하부 절연층(165)과의 결합을위해 본딩층(163)이 형성되고. 상기 본딩층(163)위에는 전류 공급을 차단하기 위해서 하부 절연층(165)이 제공된다. 또한 하부 절연층(165) 위에는 금속 저항 열 발생층(167)을 형성시키고 상기 금속 저항 열 발생층(167)위에 상부 절연층(169)이 제공되고 상기 상부 절연층 위에서 토너 화상의 오프셋을 막기 위해 보호층(171)이 형성되고 상기 금속 저항 열 발생층(167)의 양단에서 전극층(173)이 형성되어 전원을 공급받는다.
이러한 구성에 있어서 금속 저항 열 발생층(167)으로는 통상적으로 니켈-크롬(Ni-Cr) 혼합물이 사용되며 상기 열 발생층을 구성하기 위해 아크플라즈마 스프레이법(Arc-plasma spraying)을 사용하고 있다.
또한, 전기 발열층을 절연시키기 위한 하부 절연층을 롤러 몸체에 접착시키기 위하여 별도의 본딩층을 형성하여야 하는 문제가 있었다. 이와 같은 본딩층을 사용하게 되면 층간 온도특성이나 가압력 등으로 인하여 층간분리가 일어날 우려가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해소하기 위하여 가열 롤러의 표면에 직접 절연층 및 루테늄계 전기 저항 발열층을 소성 형성하여 워밍-업 시간을 극소화하고 소비 전력을 줄이며 구조를 단순화하고 얇은 두께로 도포하여 최종적으로 균일한 온도 분포를 얻을 수 있고 온도 변화 및 충격 등에 강한 내구성 및 양산성이 좋은 토너 화상 정착을 위한 새로운 직접 가열 롤러 및 제조 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 롤러 몸체에 직접 저항 발열층을 소성에 의해 형성하여 워밍-업 시간을 극소화하고 소비 전력을 줄이며 구조를 단순화하고 얇은 두께로 도포하여 최종적으로 균일한 온도 분포를 얻을 수 있고 온도 변화 및 충격 등에 강한 내구성 및 양산성이 좋은 토너 화상 정착을 위한 새로운 직접 가열 롤러 및 제조 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 종래 전자사진 화상형성 장치의 외부 구조를 나타낸 사시도.
도 2는 종래 전자사진 화상형성 장치의 내부 구성을 나타낸 개략도.
도 3은 종래 전자사진 화상형성 장치의 할로겐 램프 가열 롤러가 설치된 상태를 나타내는 단면도.
도 4는 종래 전자사진 화상형성 장치의 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러가 설치된 상태를 나타내는 단면도.
도 5는 본 발명에 의한 전자사진 화상형성 장치의 직접 가열 롤러의 바람직한 제 1 실시예를 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명에 의한 제 1 실시예의 가열 롤러가 설치된 전자사진 화상형성 장치의 정착부를 나타낸 단면도.
도 7은 본 발명에 의한 제 1 실시예의 직접 가열 롤러의 제조방법을 나타낸 순서도.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명에 의한 제 1 실시예의 직접 가열 롤러의 제조과정을 나타낸 도면들.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명에 의한 페이스트의 스크인 인쇄법을 설명하기위한 도면들.
도 10은 본 발명에 의한 제 1 실시예의 절연층을 형성하기 위한 형성하기 위한 소성 온도 사이클을 나타낸 도면.
도 11은 본 발명에 의한 제 1 실시예의 발열층을 형성하기 위한 소성 온도 사이클을 나타낸 도면.
도 12a 내지 도 12c는 본 발명에 의한 제 1 실시예의 발열층의 형성 메카니즘을 설명하기 위한 도면들.
도 13은 본 발명에 의한 제 1 실시예의 직접 가열 롤러의 전자 현미경 사진.
도 14는 본 발명에 의한 제 2 실시예의 절연층을 형성하기 위한 소성 온도 사이클을 나타낸 도면.
도 15는 본 발명에 의한 제 2 실시예의 발열층을 형성하기 위한 소성 온도 사이클을 나타낸 도면.
도 16는 본 발명에 의한 제 3 실시예의 전자사진 화상형성 장치의 직접 가열 롤러의 단면도.
도 17는 본 발명에 의한 제 3 실시예의 가열 롤러가 설치된 전자사진 화상형성 장치의 정착부를 나타내는 단면도.
도 18은 본 발명에 의한 제 3 실시예의 직접 가열 롤러의 제조방법을 나타낸 순서도.
도 19a 내지 도 19d는 본 발명에 의한 다른 실시예의 직접 가열 롤러의 제조과정을 나타낸 도면들.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
201 : 롤러 몸체 202 : 글래스 절연층
203 : 전기저항 발열층 205 : 보호층
207 : 전극
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러는 도전성의 원통형 롤러 몸체와, 상기 롤러 몸체에 상기 도전성 몸체의 탄성한계온도 이하인 제 1 온도로 소성되어 형성되는 절연층과, 상기 절연층 위에 상기 제 1 온도 보다 낮은 제 2 온도로 소성되어 형성되는 발열층과, 상기 발열층 위에 형성된 보호층과, 상기 발열층 양단에 형성된 전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 방법은 금속제로 형성된 원통형 롤러 몸체를 마련하는 단계와, 상기 롤러 몸체의 외부 표면에 글래스 페이스트를 소정 두께로 도포하는 단계와, 상기 도포된 글래스 페이스트를 롤러 몸체의 탄성한계온도 보다 낮은 제 1 온도로 소성시켜서 절연층을 형성하는 단계와, 상기 절연층 표면에 발열체 페이스트를 균일한 두께로 도포하는 단계와, 상기 도포된 발열층을 상기 절연층의 소성 온도보다 낮은 제 2 온도로 소성시켜서 발열층을 형성하는 단계와, 상기 발열층 상에 보호층을 형성하는 단계와, 상기 전기저항 발열층의 양단에 전극을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 장치는 절연성의 원통형의 롤러 몸체와, 상기 롤러 몸체 위에 페이스트 상태로 도포되고, 도포된 페이스트를 상기 롤러 몸체의 탄성한계온도 보다 낮은 온도로 소성하여 부도체에서 도전체로 전기적 성질이 변환되는 발열층과, 상기 전기 저항 발열층 위에 형성된 보호층과, 상기 전기 저항 발열층의 양단에 전기적으로 접촉되는 전극을 구비한다.
본 발명의 다른 방법은 절연제로 형성된 원통형 롤러 몸체를 마련하는 단계와, 상기 롤러 몸체 위에 발열체 페이스트를 균일한 두께로 도포하는 단계와, 상기 도포된 발열체 페이스트를 소정 온도로 소성시켜서 발열층을 형성하는 단계와, 상기 발열층 상에 보호층을 형성하는 단계와, 상기 발열층의 양단에 전극을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의하여 더욱 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명에 의한 전자사진 화상형성 장치의 직접 가열 롤러의 바람직한 일 실시예의 구성을 나타낸 종단면도이다. 도 6은 본 발명에 의한 전자사진 화상형성 장치의 정착부가 설치된 상태를 나타내는 종단면도이다.
도면에서 본 발명의 직접 가열 롤러(213)는 롤러 몸체(201)에 절연층(202), 발열층(203), 보호층(205)이 차례로 적층되어 형성된다. 발열층(203)의 중앙부는 보호층으로 보호되고, 발열층(203)에는 양단부에 설치된 한 쌍의 전극(207)을 통하여 전류가 공급된다.
도 6에 도시한 바와 같이, 전자사진 화상형성 장치의 정착부는 용지(219)가배출되는 방향(화살표 방향), 즉 시계 방향으로 회전하는 가열 롤러(213)와, 가열 롤러(213)와 접촉하여 반시계 방향으로 회전하는 가압 롤러(211)가 구비된다. 상기 가열 롤러(213)에는 가열 롤러(213)의 온도를 검출하기 위한 서미스터(217)가 접촉된다.
가열 롤러(213)와 가압 롤러(211)는 화상형성장치의 본체에 회전 가능하게 설치된다. 설치된 가열 롤러(213) 및 가압 롤러(211)는 본체에 설치된 구동모터로부터 동력을 전달받아 회전된다. 또한, 가열 롤러(213)는 전극(207)을 통하여 전원이 인가되면 발열층(203)에 공급되는 전류에 의한 저항열이 발생되고 이에 가열 롤러의 온도가 상승한다. 상기 가열 롤러(213)의 표면온도는 가열롤러에 표면에 접촉된 서미스터(217)에 의해 검출되어 본체의 전원공급 콘트롤러에 제공된다. 전원공급 콘트롤러에서는 가열롤러(213)의 표면온도를 설정된 가열 온도 범위로 온도를 콘트롤한다.
상기 가압 롤러(211) 및 가압 롤러(211)에 의하여 용지(219)위에 정착전의 토너화상(215)은 가열 가압되어 용지(219)에 안정된 토너화상(216)으로 정착된다.
상술한 바와 같이, 토너를 정착시키기 위해서는 약 200℃ 정도의 정착온도가 요구된다. 따라서, 상온의 가열 롤러를 200℃의 동작온도로 가열하기 위한 워밍 업 시간이 요구되고 이 때 전력을 많이 소모하게 된다.
따라서, 본 발명에서는 워밍 업 시간을 줄여서 전력소모를 줄일 수 있도록 가열 롤러를 구성한 것이다.
< 제 1 실시예 > 저온 도전성 롤러 몸체
1. 롤러 몸체
가열 롤러의 몸체(201)는 오스테나이트계(Ostenite)의 스테인레스 스틸(예: SUS304 계열, JIS 규격)을 사용한다. 오스테나이트(Ostenite)계의 스테인레스 스틸은 탄성한계점인 630℃가 넘게 되면 변형되거나 비틀리는 등의 기계적 특성이 변질되므로 후속 공정의 온도조건을 630℃ 이하로 제한하지 않으면 안된다.
탄성한계온도는 다음과 같이 정의할 수 있다. 일반적으로 물체에 하중이 가해지면 변형하게 되고, 어느 정도까지의 하중을 가한 후에 그것을 제거하게 되면 그 물체는 원래의 치수를 다시 회복하게 된다. 이와 같이 하중을 제거하면 물체가 원래의 칫수로 되돌아가는 한계를 탄성한계라고 한다.
여기서는 원통형의 롤러 몸체에 절연재 페이스트나 발열재 페이스트를 도포한 후 고온에서 이를 소성하기 위한 공정에서 도전성의 원통형 롤러 몸체가 원래의 형상을 잃지 않고 가공된 그대로의 형상을 유지할 수 있는 온도를 말한다. 보통 상기한 탄성한계온도 이상으로 상기 원통형 몸체부가 노출되었을 때에는 롤러 몸체가 뒤틀리거나 휘는 현상 등이 발생하고 이렇게 탄성변형이 생긴 롤러는 용지에 부착된 토너화상을 균일하게 밀착하여 온도에 의한 토너화상 정착을 수행할 수 없게 된다.
2. 절연층
절연층(202)은 산화납 성분을 포함한 유기 프릿, 유기 바인더, 용제, 첨가제를 혼합하여 만든 페이스트를 롤러 몸체(201)에 후막도포기법으로 도포한 후 롤러 몸체(201)의 탄성한계온도 630℃이하에서 소성하여서 형성한다. 절연층의 두께는 약 50-300㎛ 정도로 균일한 두께를 가진다.
상기 유기 프릿은 다음과 같은 조성비를 가진다.
PbO 40~60w%
SiO220~40w%
B2O310~20w%
Al2O30~10w%
TiO20~5w%
유기 바인더는 셀룰로스계 수지 또는 아크릴 수지를 사용한다. 용제는 Terpineol, BCR, BCA 등을 사용하고, 첨가제는 Al2O3, ZrO3를 사용한다.
3. 발열층
발열층(203)은 루테늄계 화합물, 산화납 성분을 포함한 유리 프릿, 유기 바인더, 용제, 첨가제를 혼합하여 페이스트 상태로 만든 후 절연층(202) 상에 후막도포기법으로 도포하고 약 550℃ 정도로 소성하여 형성한다.
본 발명의 발열층 페이스트에서 전도성 물질로 사용된 루테늄계 산화물 및 Ag계 분말은 전기적 특성을 결정하며 최종 후막의 기계적 특성에 영향을 주게되고,유리 프릿은 기판에 대한 후막의 결합성을 증대시키는 역할을 하며, 유기 바인더는 전도성 물질과 무기 결합제를 분산시키는 역할을 하며 후막 형성시 페이스트의 유동성에 영향을 미치게 된다.
본 발명의 발열층 페이스트 조성물의 구성 성분은 다음과 같다.
(1) 루테늄계 분말
본 발명의 발열체용 저항 페이스트 조성물에 사용되는 루테늄계 분말은 루테늄 금속 분말 또는 루테늄 산화물 분말을 나타내며, 루테늄 산화물의 구체적인 예로는 RuO2, GdBiRu2O6∼7, Pb2Ru2O6∼7, CO2Ru2O6, PbBiRu2O6∼7, CuxBi2-xRu2O6∼7(0<x<1) 및 Bi2Ru2O6∼7등이 포함되고, 이들 중 1종 이상을 선택하여 사용할 수 있다.
상기 루테늄계 분말은 비표면적이 5 내지 30 m2/g 범위인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 10 내지 25 m2/g 범위이다. 비표면적이 5 m2/g 미만이면 입자가 너무 커지게 되어 균일한 후막이 얻어지지 않으며, 비표면적이 30 m2/g 보다 크면 분말이 너무 미세하여 인쇄특성이 저하되고 정도(精度)가 저하되며 소결성이 저하되어 치밀한 막이 얻어지기가 어렵게 된다.
루테늄계 분말은 평균입경이 0.01 내지 0.1 ㎛ 범위인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.02 내지 0.08 ㎛ 범위이다. 평균 입경이 0.01 ㎛ 미만이면 입자가 너무 미세하여 인쇄특성이 저하되고 정도(精度)가 저하되며 소결성이 저하되어치밀한 막이 얻어지기가 어렵게 되며, 평균 입경이 0.1 ㎛ 보다 크면 입자가 너무 커지게 되어 균일한 후막이 얻어지지 않으므로 바람직하지 않다.
상기 루테늄계 분말의 사용량은 조성물 중량의 5 내지 75 중량%, 바람직하게는 5 내지 20 중량% 범위의 양이며, 5 중량% 미만으로 사용하면 형성된 전기저항 발열층이 0.1 내지 30Ω 범위의 낮은 저항값을 가지기 힘들며, 75 중량%를 초과하면 막의 표면 평활성이 저하되어 바람직하지 않다.
(2) Ag계 분말
또한, 본 발명의 발열체용 저항 페이스트 조성물은 Ag계 분말을 5 내지 75 중량%, 바람직하게는 20 내지 40 중량% 범위의 양으로 포함한다. 5 중량% 미만으로 사용하면 형성된 전기발열체가 0.1 내지 30Ω 범위의 낮은 저항값을 가지기 힘들며, 75 중량%를 초과하면 0.1Ω 이하의 저항값을 갖게되어, 300 ℃ 이상의 온도로 발열되어 저항체 후막을 손상시킬 수 있어 바람직하지 않다.
본 발명에서 사용하는 Ag계 분말은 Ag 금속의 분말, Ag 산화물의 분말(예를 들면 Ag2O), Ag 합금의 분말(예를 들면 AgPd, Ag0.1Pd0.9RhO2등) 일 수 있다. 상기 Ag계 분말은 평균 입경 0.1 내지 3 ㎛ 범위 및 최대 입자크기 7 ㎛ 이하인 것이 바람직한데, 평균 입경이 0.1 ㎛ 미만이면, 입자가 너무 미세하게 되어 소결시 수축률이 커지고 막에 크랙이 생기기 쉬우며 입자가 응집되기 쉽고 페이스트 중에서의 안정된 분산상태를 얻기가 곤란하고 인쇄 특성이 저하되며, 평균 입경이 3 ㎛ 보다 크면 페이스트 도포막의 표면이 거칠게 되고 매우 미세한 패턴을 얻기가 어려우며 또한 소결성이 저하되어 치밀한 박막이 얻어지기 어려워 바람직하지 않다.
상기 Ag계 분말의 표면적/중량비(비표면적)는 0.5 내지 3.5 m2/g이고, 밀도는 2.5 내지 6 g/cm3범위인 것이 바람직하다. 비표면적이 0.5 m2/g 미만이면 입자가 너무 커져 소성 후의 도포막의 평활성이 저하되어 바람직하지 않으며, 3.5 m2/g 보다 크면 입자가 너무 미세해져 입자가 응집하기 쉽고 인쇄 특성이 저하된다. 또한, 밀도 값이 상기 범위를 벗어나면 인쇄 특성이 불량해지므로 바람직하지 않다.
(3) 유리 프릿
또한, 본 발명의 페이스트 조성물에 사용되는 유리 프릿은 루테늄계 분말들을 서로 결합시키는 결착제 역할을 하며, 페이스트의 기판에 대한 접착성을 향상시킴과 동시에 소결시에 연화하여 유리 프릿을 기판 측에 응집시키는 작용 효과가 있다.
상기 유리 프릿의 연화점은 시차열(DSP)법에 의해 측정되는데, 연화점이 400 내지 550 ℃ 범위인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 420 내지 500 ℃ 범위이다. 연화점이 400 ℃ 보다 낮으면, 유기 성분이 포함되기 쉽고 유기 성분이 분해됨에 따라 페이스트의 도포막 중에 블리스터(blister)가 생기기 쉽게 된다. 한편, 연화점이 550 ℃ 보다 높으면 소성 후의 막의 기판에 대한 접착강도가 저하된다.
상기 유리 프릿은 본 발명의 페이스트 조성물에 5 내지 40 중량%, 바람직하게는 10 내지 40 중량% 범위로 사용하며, 사용량이 5 중량% 미만이면 소성 후의 막의 기판에 대한 접착강도가 저하되고, 40 중량%를 초과하면 형성된 전기저항 발열층이 0.1 내지 30Ω 범위의 낮은 저항값을 가지기 힘들다.
상기 유리 프릿로서는 유리 프릿 A 및 유리 프릿 B가 바람직하게 이용될 수 있다. 상기 유리 프릿 A로서는 산화비스무스(Bi2O3)를 함유하는 것이 이용가능하며, 산화물 환산 표기로 나타낸 조성 성분 및 함량이 하기 표 3과 같은 조성을 90 중량% 이상 함유하는 것이 바람직하고, 유리 프릿 B는 산화납(PbO)을 함유하는 것이 이용되며, 산화물 환산 표기로 나타낸 조성 성분 및 함량이 하기 표 4와 같은 조성을 90 중량% 이상 함유하는 것이 바람직하다.
< 유리 프릿 A >
구성 성분 함량(중량%)
Bi2O3 40 내지 90
SiO2 5 내지 30
B2O3 5 내지 30
BaO 2 내지 40
< 유리 프릿 B >
구성 성분 함량(중량%)
PbO 40 내지 90
SiO2 10 내지 40
B2O3 5 내지 30
TiO2 0 내지 10
Al2O3 0 내지 20
상기 유리 프릿의 사용에 의해, 유리 기판이 응력을 받지 않는 온도에서 페이스트를 소부(燒付)하는 것이 가능하게 된다.
상기 유리 프릿 A 조성에서, 산화 비스무스(Bi2O3)가 40 중량% 미만으로 사용되면 페이스트를 유리 기판에 소부할 때 접착강도를 증대시키는 효과가 적으며, 90중량%를 초과하면 유리 프릿의 연화점이 너무 낮아 페이스트의 탈 비히클성이 나쁘게 되고 기판과의 접착강도가 저하되기 때문에 바람직하지 않다. 산화 비스무스의 바람직한 양은 50 내지 80 중량% 범위이다.
상기 유리 프릿 A 조성에서 산화규소(SiO2)가 5 중량% 미만인 경우는 유리 프릿의 안정성이 저하되며, 30 중량% 보다 많은 경우는 내열 온도가 상승하여 570 ℃ 이하에서 유리 기판 상에 소부하기가 곤란해진다. 바람직하게는, 산화규소는 5 내지 15 중량% 범위의 양으로 사용한다.
상기 유리 프릿 A 조성에서 산화붕소(B2O3)는 접착강도, 열팽창계수 등의 특성을 손상하지 않도록 유리 기판 상에서의 소부 온도를 제어하기 위해 첨가되는데, 5 중량% 미만에서는 접착강도가 저하되고, 30 중량%를 초과하면 유리 프릿의 안정성이 저하된다. 산화붕소는 7 내지 20 중량% 범위의 양으로 사용하는 것이 바람직하다.
상기 유리 프릿 A 조성에서 산화바륨(BaO)은, 2 중량% 미만으로 사용되면 유리 기판 상의 소부 온도를 제어하는 것이 곤란해지고, 40 중량%를 초과하면 유리 기판의 안정성이 저하된다. 바람직하게는 2 내지 30 중량% 범위의 양으로 사용한다.
또한, 상기 유리 프릿 B 조성에서 산화납(PbO)이 40 중량% 미만인 경우는 페이스트를 유리 기판 위에 소부할 때 접착강도를 높이는 효과가 적고, 90 중량%를 초과하면 유리 프릿의 연화점이 너무 낮아 페이스트의 탈 비히클성이 나빠지고, 기판과의 접착강도가 저하되기 때문에 바람직하지 않다. 산화납의 바람직한 양의 범위는 50 내지 80 중량% 범위이다.
상기 유리 프릿 B 조성에서 산화규소(SiO2)가 10 중량% 미만인 경우는 유리 프릿의 안정성이 저하되며, 40 중량% 보다 많은 경우는 내열 온도가 상승하여 570 ℃ 이하에서 유리 기판 상에 소부하기가 곤란해진다. 바람직하게는, 산화규소는 10 내지 30 중량% 범위의 양으로 사용한다.
상기 유리 프릿 B 조성에서 산화붕소(B2O3)가 5 중량% 미만으로 사용되면 접착강도가 저하되고, 30 중량%를 초과하여 사용되면 유리 프릿의 안정성이 저하된다. 산화붕소는 5 내지 20 중량% 범위의 양으로 사용하는 것이 바람직하다.
상기 유리 프릿 B 조성에서 이산화티타늄(TiO2)이 10 중량%를 초과하여 사용되면 유리 층의 안정성이 저하되며, 바람직한 사용량은 2 내지 5 중량% 범위이다.
상기 유리 프릿 B 조성에서, 산화알루미늄(Al2O3)은 조성물의 변형 온도를 높이고 유리 조성이나 페이스트의 안정화를 위해 첨가되며, 20 중량%를 초과하면 유리의 내열 온도가 너무 높아져 유리 기판 상에 소부하기가 곤란해진다. 바람직한 사용량은 2 내지 15 중량% 범위이다.
또한, 본 발명에 따르면, 유리 프릿으로서 상기 유리 프릿 A와 유리 프릿 B 둘다를 함유하는 복합 유리 프릿을 사용할 수도 있으며, 산화물 환산 표기로 나타낸 구성 성분 및 함량이 하기 표 5과 같은 복합 유리 프릿을 90 중량% 이상 함유하는 것이 바람직하다.
상기 유리 프릿 A, 유리 프릿 B 및 복합 유리 프릿은 평균입경 0.2 내지 5 ㎛ 및 최대 크기 10 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 상기 유리 프릿의 입경을 상기 범위로 하면, 저온에서의 유리 기판과의 접착강도가 높아지게 되고 저 저항성의 치밀한 막이 얻어질 수 있으며, 또한 박막으로 하는 경우에도 박막의 박리가 일어나기 어렵다는 장점이 있다.
< 복합 유리 프릿 >
구성 성분 함량(중량%)
Bi2O3 40 내지 90
PbO 40 내지 90
SiO2 5 내지 30
B2O3 5 내지 30
BaO 2 내지 40
TiO2 0 내지 10
Al2O3 0 내지 20
(4) 유기 바인더
본 발명의 발열체용 저항 페이스트 조성물에 사용 가능한 유기 바인더 성분으로는 에틸셀룰로즈, 메틸셀룰로즈, 니트로셀룰로즈, 카복시메틸셀룰로즈 등의 셀룰로즈 유도체와 아크릴산에스테르, 메타크릴산에스테르, 폴리비닐알콜, 폴리비닐부티랄 등의 수지 성분이 이용될 수 있다. 이들 중에서, 아크릴 수지, 에틸셀룰로즈가 바람직하게 이용될 수 있다.
상기 유기 바인더 성분은 본 발명의 조성물에 5 내지 45 중량%의 양으로 사용되는데, 이 범위 내에 있지 않으면 소성단계에서 완전히 증발(소결, 탈바인더)될 수 없게 되므로 바람직하지 않다.
(5) 유기 용매
또한, 본 발명의 페이스트 조성물에는, 유기 성분들을 용해시키고 미분말 및 유리 프릿을 분산시켜 점도를 조정하기 위해, 유기 용매가 첨가될 수 있다. 유기 용매로는 텍사놀(texanol)(2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올모노이소부티레이트), 에틸렌글리콜(테르펜), 부틸칼비톨, 에틸셀로솔브, 에틸벤젠, 이소프로필벤젠, 메틸에틸케톤, 디옥산, 아세톤, 시클로헥사논, 시클로펜타논, 이소부틸알콜, 디메틸술폭사이드, 테레피네올, 파인 오일, 폴리비닐부티랄, 3-메톡시부틸 아세테이트, γ-부티로락톤, 디에틸프탈레이트 등이 있다. 이들 유기 용매는 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다.
(6) 기타 첨가제
본 발명의 페이스트 조성물에는 상술한 성분들 이외에도, 보존 중의 안정성을 부여하고, 번짐, 톱날 현상, 두께 편차를 방지하고, 막의 균열을 방지하기 위해, 히드로퀴논 모노메틸 에테르와 같은 중합금지제; 폴리아크릴산염, 셀룰로즈 유도체와 같은 분산제; 기재에 대한 접착성을 개선하기 위한 실란 커플링제 등의 접착성 부여제; 도포성능을 개선하기 위한 소포제; 작업성을 개선하기 위한 폴리에틸렌글리콜, 디부틸프탈레이트 등과 같은 가소제; 계면활성제; 틱소트로피성 부여제 등의 첨가제가 0.1 내지 5.0 중량% 범위 내에서 본 발명 조성물의 효과에 해를 미치지 않는 범위의 양으로 포함될 수 있다.
본 발명의 페이스트 조성물은 상기 구성 성분들을 예를 들면 3개의 롤을 가진 롤밀, 믹서, 균질화기 등의 혼련기를 이용하여 혼련한다. 또한, 도포에 적합한 유동성을 부여하기 위해 페이스트 조성물의 점도는 전단속도(shear rate) 4 S-1에서 통상 70,000 내지 300,000 센티포이즈 범위이다. 인쇄시의 도포액의 점도는 통상 100,000 내지 200,000 센티포이즈 범위, 바람직하게는 130,000 내지 180,000 센티포이즈 범위로 조정될 수 있다.
본 발명의 발열층(203)의 두께 범위는 3∼100㎛ 사이이다. 발열층(203)은 15㎛ 이하, 예컨대 6, 8, 10, 또는 15um두께를 가질 수 있다. 전기저항 발열층(203)은 110V 인가 시에는 5~10Ω의 전기저항을 가지며, 220V 인가시에는 15 내지 25Ω의 전기저항을 가지는 것이 바람직하다. 이러한 저항값은 시스템의 요구에 따라 다양한 전기저항을 가지도록 변경하는 것이 가능하다.
3. 보호층
보호층(205)은 불소 수지(PFA) 튜브로 형성되어 전기저항 발열층(203) 상에 끼워진 다음에 열처리에 의해 수축되어 압착된다. 보호층(205)은 인쇄용지와 직접 접촉하여 토너 박리층을 이룬다. 특히, 상기 보호층(205)은 전류가 외부로 흐르는 것을 막는 절연특성을 가진다.
4. 전극
전극(207)은 보호층(205) 양측에 노출된 발열층(203)의 양단에 은 페이스트를 도포한 후에 고리 모양의 전극(207)이 끼워진 다음에 은 페이스트를 경화시켜서 접착 형성한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 직접 가열 롤러의 소비전력은 초기 인가시 약800W 정도이고, 순간적인 정착온도 상승으로 전원 인가 후 7 내지 8초 이내에 목표동작온도 예컨대 180 내지 200℃에 도달하게 된다. 그러므로, 순간적으로 정착온도에 도달하게 되므로 워밍 업 시에 전력소모를 줄일 수 있다. 또한, 대기시에도 정착수단에 전원을 인가할 필요가 없으므로 대기시 소비전력을 줄일 수 있다.
5. 제조방법
도 7은 본 발명에 의한 직접 가열 롤러의 제조방법의 순서를 나타내고, 도 8a 내지 도 8e는 본 발명에 의한 직접 가열 롤러의 제조과정을 나타낸다.
도면을 참조하면, 본 발명의 직접 가열 롤러는 먼저 SUS와 같은 금속제를 가공하여 파이프 또는 원통형의 롤러 몸체(201)를 형성한다(도 8a 참조). 가공된 롤러 몸체는 초음파 세척을 하여 불순물을 제거한다(S301).
세척된 롤러 몸체(201)의 표면에 상술한 절연층 페이스트를 스크린 인쇄법으로 도포한다(S302).
도 9a 내지 도 9c는 본 발명에 의한 스크린 인쇄법을 나타낸다. 먼저 도 9a에 도시한 바와 같이, 인쇄판(214)의 마스크(212) 상에 페이스트를 덮는다. 이어서, 회전축에 고정된 롤러 몸체(218)를 상승시켜서 마스크(212)의 하부에 접촉시킨다. 스퀴즈(squeeze)(216)를 하강시켜서 마스크(212)의 상부에 접촉시킨다. 인쇄판(210)을 좌측방향(화살표 방향)으로 이동시키면서 롤러 몸체(218)를 반시계 방향으로 회전시키면 스퀴즈(216)에 의해 페이스트(214)가 가압되어 마스크(212)의 그물눈을 통하여 하방으로 밀려서 짜지게 된다. 마스크(212) 하방으로 밀려 짜진페이스트는 회전하는 로우러 몸체(212)에 도포된다. 도포된 페이스트의 두께는 마스크(212)의 그물눈의 크기 및 인쇄판의 이동속도 등에 의해 결정된다. 마스크의 폭은 롤러 몸체의 원주길이와 동일하게 형성된다.
이와 같은 스크린 인쇄법으로 도포하고(S302), 일정 온도에서 일정 시간동안 건조시킨 다음에(S303) 소성한다(S304). 페이스트를 도포한 다음에 건조시킴으로써 피막이 형성되는 것을 방지하고 크랙이 발생하는 것을 막을 수 있다. 스크린 인쇄법에 의해 복수 횟수 도포하는 것은 일정한 두께를 얻기 위한 것이며 그 횟수나 도포두께는 설계적인 선택사양에 의해 변경되어 질 수 있다.
도 10a는 절연층의 소성온도특성을 나타낸다.
절연층 페이스트가 도포된 롤러 몸체를 소결로에 넣고 전체 소성시간 약 45분 동안 진행한다.
즉, tg1 내지 tg2 사이에서는 약 15분동안 서서히 온도를 올려서 약 620℃(Tg2)로 온도를 상승시키고 tg2 내지 tg3 사이에 약 10 내지 15분 동안 620℃를 유지한 다음에 tg3 내지 tg4 사이에서는 약 15분 동안 다시 서서히 온도를 떨어뜨린다.
이와 같이 인쇄와 소성을 1회 이상 반복함으로써 롤러 몸체에 절연층이 밀착 고정되어 형성되므로 충격 및 온도특성에 대해 강한 내성을 가지게 된다. 본 발명의 실시예에서는 70 내지 120㎛의 글래스 절연층을 얻는다(도 8b 참조). 이러한 절연층은 발열층의 연화점보다 높은 온도에서 연화되는 절연층 페이스트를 사용한다. 그 이유는 발열층의 소성시 발생하는 루테늄화합물과 절연층에서 돌출되는 납성분과의 반응이 절연층에서도 발생하게 되면 절연층의 절연특성이 떨어지게 되기 때문이다.
이어서, 상기 절연층(202) 표면에 상술한 루테늄계 발열층 페이스트를 도 9a 내지 도 9c에 도시한 바와 같이 스크린 인쇄법으로 2회 도포한다(S306). 도포한 후에 열풍 순환식, 전열히터 또는 적외선로 등에서 80 내지 120℃로 약 5분 내지 10분간 건조시킨다(S307). 건조된 도막의 두께는 약 23㎛이다. 이와 같은 건조과정은 도포된 페이스트의 표면의 피막형성을 방지하고 크랙발생을 방지한다.
이어서, 상기 도포된 발열층 페이스트를 소정 온도로 소성시켜서 발열층을 형성한다(S308)(도 8C). 이하, 전기 저항 발열체의 소성과정에 대해서 설명한다.
도 11은 본 발명에 따른 발열층 페이스트를 형성하기 위한 소성 온도 사이클을 나타내고, 12a 내지 도 12c는 본 발명에 의한 전기저항 발열층의 형성 메카니즘을 나타낸다.
먼저, 소결로 내에 발열층 페이스트가 도포된 롤러 몸체를 넣고 가열한다. 시간 ta1(tb1) 내지 ta2(tb2)에 걸쳐서 Ta1(Tb1)에서 Ta2(Tb2)로 온도가 상승하면서 페이스트에 포함된 유기물이 연소되기 시작하면 도 12a에 도시한 바와 같이, 글래스 그레인들의 주변에 산화 루테늄이 달라붙는 형태로 존재하고 글래스 그레인들이 연화되기 시작한다.
시간 ta2(tb2) 내지 ta3(tb3)에 걸쳐서 Ta2(Tb2)에서 Ta3(Tb3)로 온도가 상승하면 글래스 그레인들이 더욱 연화되기 시작하고, 납성분이 포함된 부위가 돌출되기 시작한다. 시간 ta3(tb3) 내지 ta4(tb4)에 걸쳐서 Ta3(Tb3)에서 Ta4(Tb4)로상승되면 이 연화점 이상에서 도 12b에 도시한 바와 같이 연화된 글래스 그레인으로부터 돌출된 납이 루테늄과 반응하여 파이로클로로 타입의 루테늄 옥사이드(Pb2Ru2O6-x)가 글래스 그레인 표면에 생성되기 시작한다. 상기한 반응은 특정하게 구별된 시간 및 온도영역에서만 발생하는 것이 아니라 반응 과정을 설명하기 위해 구분한 것이며 유기물연소와 글래스 연화 루테늄과 납성분과의 반응등은 점차적으로 진행되는 것이다.
시간 ta4(tb4) 내지 ta5(tb5)에 걸쳐서 Ta4(Tb4)로 온도를 일정하게 유지하면 도 12c에 도시한 바와 같이 표면에 형성된 파이로클로로 타입의 루테늄 옥사이드(Pb2Ru2O6-x)가 글래스 그레인 내부로 확산된다
시간 ta5(tb5) 내지 ta6(tb6)에 걸쳐서 Ta4(Tb4)로부터 온도를 하강시키면서 어닐링(Annealing)공정에 의해 소결 조직의 스트레스가 완화되면서 조직이 치밀화된다.
이러한 소성 시간은 ta1(tb1) - ta4(tb2) 약 15분 정도, ta4(tb4) - ta5(tb5)가 약 10 - 15분 정도, ta5(tb5) - ta6(tb6)가 약 15 분 정도로 소요되고 전체적으로 약 45분 정도의 소성시간이 소요된다. 그러나 이러한 온도특성은 보다 최적화 되어 질 수 있다.
이와 같은 소성과정을 거쳐서 입자들이 서로 융착하여 치밀화되고, 일정한 기계적 강도를 지닌 안정된 조직으로 형성되어 발열층(203)이 형성된다. 도 12c에 도시한 바와 같이, 전하는 파이로클로로 타입의 루테늄 옥사이드(Pb2Ru2O6-x)를 통하여 이동하게 된다.
얻어진 전기저항 발열층의 후막은 두께가 5㎛이고, 면적저항이 12Ω/mm2이였었다.
도 8d에 도시한 바와 같이, 보호층(205)은 약 50㎛정도의 두께를 가지며 불소수지(PFA : tetrafluroethlene perfluoro alkylvinylether copolymer resin)로 튜브형태로 제작된 다음에 전기저항 발열층(203) 상에 끼워진다(S309). 끼워진 상태에서 약 250 내지 400℃로 열처리하면 수축 압착된다. 보호층(205)은 내토너성이 강하고 절연재로 전기저항 발열층의 표면을 절연시킴과 동시에 토너로부터 전기저항 발열층(203)을 보호한다.
도 8e 에 도시한 바와 같이, 보호층(205)의 양측에 노출된 전기저항 발열층(203)의 표면에 은 페이스트를 도포한 다음에 고리모양의 동 전극층(207)을 끼우고 150℃ 온도로 약 30분간 은 페이스트를 경화시킨다(S310).
도 13은 상술한 바와 같이 본 발명에 의해 만들어진 일 실시예의 직접 가열 롤러의 단면을 전자 현미경으로 찍은 사진을 나타낸다. 사진에 나타난 바와 같이 롤러 몸체에 절연층과 발열층이 소성에 의해 형성되므로 밀착 고정되므로 온도특성 및 기계적 충격 등에도 매우 강한 내구성을 가지게 된다.
< 제 2 실시예 > 고온 도전성 롤러몸체
1. 롤러 몸체
본 발명의 제 2 실시예에서는 상술한 일 실시예와 비교하여 고온의 절연층 페이스트와 발열층 페이스트를 사용하기 위하여 롤러 몸체는 탄성한계온도가 약 900℃이상인 고온에 견딜 수 있는 페라이트(Ferrite)계의 스테인레스 스틸(SUS404 계열)을 사용한다.
2. 절연층
절연층은 절연층 페이스트를 롤러 몸체(201)에 후막도포기법으로 도포한 후 롤러 몸체(201)의 탄성한계온도 900℃이하에서 소성하여서 형성한다. 절연층의 두께는 약 50-300㎛ 정도로 균일한 두께를 가진다. 절연층으로는 한국특허 등록번호 제130831호(국제출원번호 PCT/US/93/004187)에 개시된 유리 결합제, 무기첨가제, 유기매질을 이용하여 구성할 수 있다.
3. 발열층
상기 발열층은 루테늄계 화합물을 포함하는 발열층 페이스트를 절연층 상에 도포하고 제 1 온도 보다 낮은 제 2 온도에서 소성하게 된다. 바람직하게는 850℃이하이다. 고온 소성 발열층으로는 듀퐁사의 3500N GLAZE를 사용할 수 있다.
4. 보호층
실시예 1과 동일
5. 전극
실시예 1과 동일
6. 제조공정
먼저 페라이트계 스테인레스(SUS404)를 가공하여 파이프 또는 원통형의 롤러 몸체를 형성한다. 가공된 롤러 몸체는 초음파 세척을 하여 불순물을 제거한다.
세척된 롤러 몸체의 표면에 상술한 절연층 페이스트를 스크린 인쇄법으로 도포한다.
이와 같은 스크린 인쇄법으로 도포하고, 일정 온도에서 일정 시간동안 건조시킨 다음에 소성한다. 페이스트를 도포한 다음에 건조시킴으로써 피막이 형성되는 것을 방지하고 크랙이 발생하는 것을 막을 수 있다. 스크린 인쇄법에 의해 복수 횟수 도포하는 것은 일정한 두께를 얻기 위한 것이며 그 횟수나 도포두께는 설계적인 선택사양에 의해 변경되어 질 수 있다.
도 14는 절연층의 소성온도특성을 나타낸다.
절연층 페이스트가 도포된 롤러 몸체를 소결로에 넣고 전체 소성시간 약 45분 동안 진행한다.
즉, tg1 내지 tg2 사이에서는 약 15분동안 서서히 온도를 올려서 약 900℃(Tg2)로 온도를 상승시키고 tg2 내지 tg3 사이에 약 10 내지 15분 동안 900℃를 유지한 다음에 tg3 내지 tg4 사이에서는 약 15분 동안 다시 서서히 온도를 떨어뜨린다.
이와 같이 인쇄와 소성을 1회 이상 반복함으로써 롤러 몸체에 절연층이 밀착 고정되어 형성되므로 충격 및 온도특성에 대해 강한 내성을 가지게 된다. 본 발명의 실시예에서는 70 내지 120㎛의 글래스 절연층을 얻는다. 이러한 절연층은 발열층의 연화점보다 높은 온도에서 연화되는 절연층 페이스트를 사용한다. 그 이유는 발열층의 소성시 발생하는 루테늄화합물과 절연층에서 돌출되는 납성분과의 반응이 절연층에서도 발생하게 되면 절연층의 절연특성이 떨어지게 되기 때문이다.
이어서, 상기 절연층 표면에 상술한 루테늄계 발열층 페이스트를 스크린 인쇄법으로 2회 도포한다. 도포한 후에 열풍 순환식, 전열히터 또는 적외선로 등에서 80 내지 120℃로 약 5분 내지 10분간 건조시킨다. 건조된 도막의 두께는 약 23㎛이다. 이와 같은 건조과정은 도포된 페이스트의 표면의 피막형성을 방지하고 크랙발생을 방지한다.
이어서, 상기 도포된 발열층 페이스트를 소정 온도로 소성시켜서 발열층을 형성한다. 이하, 전기 저항 발열체의 소성과정에 대해서 설명한다.
도 15는 본 발명에 따른 발열층 페이스트를 형성하기 위한 소성 온도 사이클을 나타낸다.
먼저, 소결로 내에 발열층 페이스트가 도포된 롤러 몸체를 넣고 가열한다. 시간 tb1 내지 tb2에 걸쳐서 Tb1에서 Tb2로 온도가 상승하면서 페이스트에 포함된 유기물이 연소되기 시작하면 글래스 그레인들의 주변에 산화 루테늄이 달라붙는 형태로 존재하고 글래스 그레인들이 연화되기 시작한다.
시간 tb2 내지 tb3에 걸쳐서 Tb2(500℃)에서 Tb3(700℃)로 온도가 상승하면글래스 그레인들이 더욱 연화되기 시작하고, 납성분이 포함된 부위가 돌출되기 시작한다. 시간 tb3 내지 tb4에 걸쳐서 Tb3(700℃)에서 Tb4(850℃)로 상승되면 이 연화점 이상에서 연화된 글래스 그레인으로부터 돌출된 납이 루테늄과 반응하여 파이로클로로 타입의 루테늄 옥사이드(Pb2Ru2O6-x)가 글래스 그레인 표면에 생성되기 시작한다. 상기한 반응은 특정하게 구별된 시간 및 온도영역에서만 발생하는 것이 아니라 반응 과정을 설명하기위해 구분한 것이며 유기물연소와 글래스 연화 루테늄과 납성분과의 반응등은 점차적으로 진행되는 것이다.
시간 tb4 내지 tb5에 걸쳐서 Tb4(850℃)로 온도를 일정하게 유지하면 표면에 형성된 파이로클로로 타입의 루테늄 옥사이드(Pb2Ru2O6-x)가 글래스 그레인 내부로 확산된다
시간 tb5 내지 tb6에 걸쳐서 Tb4(850℃)로부터 온도를 하강시키면서 어닐링(Annealing)공정에 의해 소결 조직의 스트레스가 완화되면서 조직이 치밀화 된다.
이러한 소성 시간은 tb1 - tb2 약 15분 정도, tb4 - tb5가 약 10 - 15분 정도, tb5 - tb6가 약 15 분 정도로 소요되고 전체적으로 약 45분 정도의 소성시간이 소요된다. 그러나 이러한 온도특성은 보다 최적화 되어 질 수 있다.
이와 같은 소성과정을 거쳐서 입자들이 서로 융착하여 치밀화 되고, 일정한 기계적 강도를 지닌 안정된 조직으로 형성되어 발열층이 형성된다.
다음에 보호층과 전극은 상술한 실시예 1과 동일한 방법으로 진행된다.
< 제 3 실시예 > 저온 절연 롤러 몸체
도 16은 본 발명에 의한 저온 절연 롤러로 구성한 직접가열 롤러의 구성을 나타낸다.
제 3 실시예는 절연성의 롤러 몸체로 구성한 경우로서 롤러 몸체(401)는 세라믹이나 글라스 등으로 형성된다. 세라믹은 스테인레스 스틸에 비해 기계적 충격이 약하나 고온 열처리에도 변형이나 물성변화 없이 견딜 수 있으므로 페이스트의 소성 온도범위를 넓게 설정할 수 있다. 따라서, 전기 저항 페이스트의 조성물 선택을 용이하게 하고 소성공정의 온도조건을 넓힐 수 있다. 또한, 세라믹은 절연성이므로 절연층을 형성하는 공정을 생략하고 곧바로 롤러 몸체(401)의 외부 표면에 발열층을 형성할 수 있다.
도 17은 본 발명에 의한 다른 실시예의 가열 롤러가 설치된 전자사진 화상형성 장치의 정착부가 설치된 상태를 나타낸다.
제 3 실시예에서 정착부(409)는 용지가 배출되는 방향, 즉 반시계 방향으로 회전하는 가열롤러(413)와, 가열롤러(413)와 접촉하여 시계방향으로 회전하는 가압롤러(411)를 구비한다. 가열롤러(413)의 표면에는 서미스터(417)가 접촉된다. 가열 롤러(413)는 절연체인 원통형 롤러 몸체(401), 발열층(403), 보호층(405), 전극(407)을 포함한다.
본 발명에 의한 전자사진 화상형성 장치의 정착부(409)는 전극층을 통하여 전기저항 발열층(403)에 전류가 공급되면 저항열에 의해 온도가 상승한다. 서미스터(417)에 의해 가열 롤러(413)의 표면온도가 검출되고 검출된 신호에 응답하여 전기저항 발열층(403)에 제공되는 전류량이 제어된다.
상기 가압 롤러(411) 및 가압 롤러(411)에 의하여 용지(419)위에 정착전 토너화상(415)은 가열 가압되어 용지(419)에 안정된 토너화상(416)으로 정착된다.
제 3 실시예의 가열 롤러의 구성은 다음과 같다.
1. 롤러 몸체
탄성한계온도가 600℃ 이상인 절연성의 세라믹 또는 글라스
2. 발열층, 보호층, 전극
상술한 제 1 실시예와 동일
3. 제조방법
도 18은 제 3 실시예에 의한 직접 가열 롤러의 제조방법의 순서를 나타내고, 도 19a 내지 도 19d는 본 발명에 의한 직접 가열 롤러의 제조과정을 나타낸다.
도면을 참조하면, 본 발명의 직접 가열 롤러는 먼저 세라믹과 같은 절연체로 파이프 또는 원통형의 롤러 몸체(401)를 형성한다(도 19a 참조). 가공된 롤러 몸체는 초음파 세척을 하여 불순물을 제거한다(S401).
상기 롤러 몸체(401) 표면에 상술한 실시예 1의 루테늄계 발열층 페이스트를 도 9a 내지 도 9c에 도시한 바와 같이 스크린 인쇄법으로 균일한 두께로 1회 이상 도포한다(S402). 도포한 후에 열풍 순환식, 전열히터 또는 적외선로 등에서 80 내지 120℃로 약 5분 내지 10분간 건조시킨다(S403).
상기 건조된 발열층 도막을 소성시킨다(S308). 소성 온도 사이클은 상기 실시예 1의 저온 발열층 페이스트의 소성과정과 동일하다. 이와 같은 소성과정을 거쳐서 입자들이 서로 융착하여 치밀화되고, 일정한 기계적 강도를 지닌 안정된 조직으로 형성되어 전기저항 발열층(403)이 형성된다(도 19b 참조).
도 19c에 도시한 바와 같이, 보호층(405)은 약 50㎛정도의 두께를 가지며 불소수지(PFA : tetrafluroethlene perfluoro alkylvinylether copolymer resin)로 튜브형태로 제작된 다음에 전기저항 발열층(403) 상에 끼워진다(S405). 끼워진 상태에서 약 350℃로 열처리하면 수축 압착된다.
도 19d에 도시한 바와 같이, 보호층(405)의 양측에 노출된 전기저항 발열층(403)의 표면에 은 페이스트를 도포한 다음에 고리모양의 동 전극(407)을 끼우고 150℃ 온도로 약 30분간 은 페이스트를 경화시킨다(S406).
< 제 4 실시예 > 고온 절연 롤러 몸체
제 4 실시예는 절연성의 롤러 몸체로 구성한 경우로서 롤러 몸체는 세라믹이나 글라스 등으로 형성된다. 제 3 실시예와 비교하여 롤러 몸체의 탄성한계온도가 900℃ 이상인 세라믹 또는 글라스를 사용한 점이 다르다.
따라서, 발열층 페이스트의 조성물 선택을 용이하게 하고 소성 공정의 온도조건을 넓힐 수 있다. 또한, 세라믹은 절연성이므로 절연층을 형성하는 공정을 생략하고 곧바로 롤러 몸체의 외부 표면에 발열층을 형성할 수 있다.
제 4 실시예의 가열 롤러의 구성은 다음과 같다.
1. 롤러 몸체
탄성한계온도가 900℃ 이상인 절연성의 세라믹 또는 글라스
2. 발열층, 보호층, 전극
상술한 제 2 실시예와 동일
3. 제조방법
제 4 실시예의 제조방법은 탄성한계온도가 900℃ 이상의 세라믹과 같은 절연체로 파이프 또는 원통형의 롤러 몸체를 형성한다. 가공된 롤러 몸체는 초음파 세척을 하여 불순물을 제거한다(S401).
상기 롤러 몸체 표면에 상술한 실시예 2의 루테늄계 발열층 페이스트를 도 9a 내지 도 9c에 도시한 바와 같이 스크린 인쇄법으로 균일한 두께로 1회 이상 도포한다. 도포한 후에 열풍 순환식, 전열히터 또는 적외선로 등에서 80 내지 120℃로 약 5분 내지 10분간 건조시킨다.
상기 건조된 발열층 도막을 소성 시킨다(S308). 소성 온도 사이클은 상기 실시예 2의 고온 발열층 페이스트의 소성과정과 동일하다. 이와 같은 소성과정을 거쳐서 입자들이 서로 융착하여 치밀화 되고, 일정한 기계적 강도를 지닌 안정된 조직으로 형성되어 전기저항 발열층이 형성된다.
상술한 다른 실시예들과 동일한 방법으로 보호층과 전극을 형성한다.
도면 및 상세한 설명에서 본 발명의 바람직한 기술을 설명했는데, 이는 이하의 청구범위에 개시되어 있는 발명의 범주로 이를 제한 하고자 하는 목적이 아니다. 따라서 본 발명은 청구사항에 한정되지 않고 당업자의 수준에서 그 변형 및 개량이 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 루테늄계 발열층을 롤러 표면에 형성하여 순간적으로 정착온도로 발열되는 것이 가능하다. 종래의 니켈-크롬계의 저항 발열체와 비교하면 보다 적은 전력으로 보다 빠른 시간에 목표 정착온도로 발열되는 것이 가능하다. 또한, 본 발명에서는 루테륨계 전기저항 발열층을 형성함에 있어서, 그 소성온도를 550℃정도의 저온으로 처리함으로써 롤러 몸체 및 절연층의 재료선택의 폭이 넓어져서 양산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 전기저항 발열층을 균일한 두께로 제작하는 것이 가능하여 전체적으로 정착온도특성을 균일하게 유지할 수 있어서 토너 정착특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (51)

  1. 도전성의 원통형 롤러 몸체;
    상기 롤러 몸체에 탄성한계온도 이하인 제 1 온도로 소성되어 형성되는 절연층;
    상기 절연층 위에 상기 제 1 온도 보다 낮은 제 2 온도로 소성되어 형성되는 발열층;
    상기 발열층 위에 형성된 보호층; 및
    상기 발열층 양단에 형성된 전극을 구비한 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 온도는 630℃ 이하인 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 온도는 550℃이하인 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 롤러 몸체는 탄성한계 온도가 630℃ 이상인 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 롤러 몸체는 오스테나이트(Ostenite) 계의 스테인레스 스틸인 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 절연층은 산화납 성분을 포함한 유리 프릿, 유기 바인더, 용제, 첨가제를 포함한 절연층 페이스트를 소성하여 형성된 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 발열층은 루테늄계 화합물, 산화납 성분을 포함한 유리 프릿, 유기 바인더, 용제, 첨가제를 포함한 절연성 페이스트를 소성하여 형성된 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 보호층은 내토너성이 우수한 불소수지로 구성된 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 발열층의 두께는 3-200㎛ 정도인 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 절연층은 산화납을 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 발열층은 파이로클로로 타입의 루테늄옥사이드(Pb2Ru2O6-x)를 포함하는 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 발열층은 파이로클로로 타입의 루테늄 옥사이드(Pb2Ru2O6-x)와 Ag성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 파이로클로로 타입의 루테늄 옥사이드(Pb2Ru2O6-x)는 비화학양론비 X 범위가 0.1∼1.0의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 온도는 900℃ 이하인 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 온도는 850℃이하인 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 롤러 몸체는 탄성한계온도가 900℃ 이상인 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  17. 제 1 항에 있어서, 몸체는 페라이트(Ferrite) 계의 스테인레스 스틸인 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 절연층은 소성 온도가 900℃이하인 절연층 페이스트를 소성하여 된 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 발열층은 소성 온도가 850℃ 이하인 페이스트를 소성하여서 된 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  20. 도전성의 원통형 롤러 몸체를 마련하는 단계;
    상기 롤러 몸체의 외부 표면에 절연층 페이스트를 소정 두께로 도포하는 단계;
    상기 도포된 절연층 페이스트를 상기 도전성 원통형 롤러의 탄성한계온도 보다 낮은 제 1 온도로 소성시켜서 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층 표면에 발열층 페이스트를 균일한 두께로 도포하는 단계;
    상기 도포된 발열층 페이스트를 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도로 소성시켜서 발열층을 형성하는 단계;
    상기 발열층 상에 보호층을 형성하는 단계; 및
    상기 발열층의 양단에 전극을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러의 제조방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 절연층 페이스트를 도포하는 단계에 있어서 일정두께를 얻기 위해 복수회 도포하는 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러의 제조방법.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 발열층 페이스트를 도포하는 단계에 있어서 일정두께를 얻기 위해 복수회 도포하는 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러의 제조방법.
  23. 제 20 항에 있어서, 상기 절연층 페이스트를 도포한 후 일정 시간 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러의 제조방법.
  24. 제 20 항에 있어서 발열층 페이스트를 도포한 후 일정 시간 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러의 제조방법.
  25. 제 20 항에 있어서 제 1 온도는 630℃ 이하인 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러의 제조방법.
  26. 제 20 항에 있어서 제 2 온도는 550℃ 이하인 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러의 제조방법.
  27. 제 20에 있어서, 상기 전극을 형성하는 단계는 상기 발열층의 양단에 은 페이스트를 도포한 후 링 모양의 전극을 끼운 다음에 도포된 은 페이스트를 경화시키는 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러의 제조방법.
  28. 제 20 항에 있어서, 상기 보호층은 튜브 타입의 보호층을 삽입하여 열압착하여 수축하는 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러의 제조방법.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 보호층을 열압착하는 온도는 250 내지 400℃사이 인 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러의 제조방법.
  30. 제 20 항에 있어서, 제 1 온도는 900℃ 이하인 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러의 제조방법.
  31. 제 20 항에 있어서, 제 2 온도는 850℃ 이하인 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러의 제조방법.
  32. 절연성 원통형의 롤러 몸체;
    상기 롤러 몸체 위에 발열층 페이스트 상태로 도포되고, 도포된 발열층 페이스트를 상기 롤러 몸체의 탄성한계 온도보다 낮은 온도로 소성하여 형성된 발열층;
    상기 발열층 위에 형성된 보호층; 및
    상기 발열층의 양단에 전기적으로 접촉되는 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  33. 제 32 항에 있어서 상기 절연성 원통형 몸체는 탄성한계 온도가 550℃ 이상인 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  34. 제 32 항에 있어서, 상기 발열층은 550℃이하에서 소성되는 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  35. 제 32 항에 있어서 상기 절연성 원통형 몸체는 세라믹 또는 글라스 인 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러의 제조방법.
  36. 제 32 항에 있어서 상기 발열층의 페이스트 성분은 루테늄계 화합물, 산화납 성분을 포함한 유리 프릿, 유기 바인더, 용제, 첨가제를 포함한 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  37. 제 32 항에 있어서, 상기 보호층은 내토너성이 우수한 불소수지로 구성된 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  38. 제 32 항에 있어서, 상기 발열층의 두께는 3-200㎛ 정도인 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  39. 제 32 항에 있어서, 상기 발열층은 파이로클로로 타입의 루테늄 옥사이드(Pb2Ru2O6-x)를 포함하는 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  40. 제 32 항에 있어서, 상기 발열층은 파이로클로로 타입의 루테늄 옥사이드(Pb2Ru2O)와 Ag성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  41. 제 32 항에 있어서, 파이로클로로 타입의 루테늄 옥사이드(Pb2Ru2O6-x)는 비화학양론비 X 범위가 0.1∼1.0의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  42. 제 32 항에 있어서, 상기 절연성 원통형 몸체는 탄성한계 온도가 850℃ 이상인 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  43. 제 32 항에 있어서, 상기 발열층은 850℃이하에서 소성되는 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러.
  44. 절연성의 원통형 롤러 몸체를 마련하는 단계;
    상기 원통형 몸체 표면에 발열층 페이스트를 균일한 두께로 도포하는 단계;
    상기 도포된 발열층 페이스트를 소정 온도로 소성시켜서 발열층을 형성하는 단계;
    상기 발열층 상에 보호층을 형성하는 단계; 및
    상기 발열층의 양단에 전극을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러의 제조방법.
  45. 제 44 항에 있어서 상기 발열층 페이스트를 도포하는 단계에 있어서 일정두께를 얻기 위해 복수회 도포하는 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러의 제조방법.
  46. 제 44 항에 있어서, 상기 발열층을 도포한 후 일정시간 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러의 제조방법.
  47. 제 44 항에 있어서, 상기 소정온도는 550℃ 이하에서 소성하는 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러의 제조방법.
  48. 제 44 항에 있어서, 상기 전극을 형성하는 단계는 상기 발열층의 양단에 은 페이스트를 도포한 후 링 모양의 전극을 끼운 다음에 도포된 은 페이스트를 경화시키는 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러의 제조방법.
  49. 제 44 항에 있어서, 상기 보호층은 튜브 타입의 보호층을 삽입하여 열압착하여 수축하는 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러의 제조방법.
  50. 제 44 항에 있어서, 상기 보호층을 열압착하는 온도는 250 내지 400℃인 것을 특징으로 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러의 제조방법.
  51. 제 44 항에 있어서, 상기 탄성한계온도 보다 낮은 온도는 850℃ 이하인 것을 특징으로 하는 토너 화상 정착을 위한 직접 가열 롤러의 제조방법.
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