KR20120105827A - 정착장치용 발열체, 이를 구비한 정착장치 및 화상형성장치 - Google Patents

정착장치용 발열체, 이를 구비한 정착장치 및 화상형성장치 Download PDF

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KR20120105827A
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filament
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김종오
조해석
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삼성전자주식회사
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Abstract

화상형성장치에 사용되는 정착장치용 발열체는 카본 섬유 필라멘트와, 상기 카본 섬유 필라멘트를 수용하는 수용관, 및 상기 수용관의 양단에 설치되며, 상기 카본 섬유 필라멘트를 전원과 연결하는 단자를 포함한다. 상기 카본 섬유 필라멘트는 1 내지 7개의 카본 섬유 가닥으로 형성되며, 상기 카본 섬유 가닥은 1 내지 70 텍스(Tex)의 선밀도를 가질 수 있다.

Description

정착장치용 발열체, 이를 구비한 정착장치 및 화상형성장치{Heater for Fixing Apparatus and Fixing Apparatus and Image Forming Apparatus having the same}
본 발명은 화상형성장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자사전방식 화상형성장치에 사용되는 정착장치의 발열체에 관한 것이다.
프린터, 팩시밀리, 복사기, 복합기 등과 같은 화상형성장치는 전자사진방식을 이용하여 인쇄매체에 소정의 화상을 형성한다. 일반적으로 이러한 화상형성장치가 인쇄매체에 화상을 형성하기 위해서는 대전 과정, 노광 과정, 현상 과정, 전사 과정, 정착 과정을 수행하게 된다.
정착 과정에서 사용되는 정착장치는 열과 압력을 인쇄 매체에 인가함으로써 인쇄매체에 있는 미정착된 현상제를 정착시킨다. 일반적으로, 이러한 정착장치는 가열유닛과 가압유닛으로 구성되며, 가열유닛과 가압유닛은 서로 접촉하며 회전하는 가열부재와 가압부재를 포함하며, 가열부재와 가압부재 사이에 정착 닙이 형성된다. 인쇄매체가 이 정착 닙을 통과하는 동안에 열과 압력이 인쇄매체로 전달되어 미정착된 현상제가 인쇄매체에 정착된다.
인쇄매체로 전달하는 열을 발생시키기 위하여 가열부재의 내부에는 발열체, 즉 히터가 배치된다. 정착장치에는 할로겐 램프가 발열체로 주로 사용된다. 할로겐 램프에는 텅스텐 필라멘트가 사용되는데, 텅스텐 필라멘트는 상온에서 저항이 상당히 낮다. 따라서 할로겐 램프로 전력이 공급되면, 전력이 공급되는 시점부터 일정 시간 동안 과도한 돌입 전류(inrush current)가 발생하게 된다. 이와 같은 과도한 돌입 전류는 급격한 전압 변동과 플리커(flicker) 현상을 야기하여, 화상형성장치의 인쇄품질을 저하시킬 수 있다.
화상형성장치에 요구되는 성능 중의 하나는 빠른 첫 장 출력시간(First Paper Out Time; FPOT)이다. 빠른 FPOT를 위해서는 가열유닛 내부에 있는 히터가 발생하는 열 에너지를 증가시켜야 한다. 이를 위하여 발열량이 큰 할로겐 램프를 사용할 필요가 있다. 그러나, 현재 시중에는 850W 이상의 할로겐 램프가 유통되지 않는다.
따라서, 할로겐 램프의 열용량을 크게 하기 위해서 가열유닛 내부에 2개의 할로겐 램프를 설치하는 것이 일반적이다. 그러나, 이러한 방식은 돌입 전류를 더 크게 하고, 정착장치의 소형화를 저해한다. 소비자의 요구에 따라 화상형성장치는 점점 소형화되고 있으며, 그에 따라 정착장치도 소형화되고 있는 추세이다. 따라서, 정착장치에 복수 개의 할로겐 램프를 설치할 수 있는 공간을 확보하는 것이 곤란하다. 또한, 할로겐 램프를 2개 이상 사용하는 것은 화상형성장치의 제조원가를 상승시킨다는 문제점도 있다.
따라서, 정착장치의 돌입 전류를 방지할 수 있고, 소형화가 가능하며, 제조원가를 절감할 수 있는 정착장치용 발열체의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안된 것으로서, 돌입 전류를 방지할 수 있고, 소형화가 가능하며, 제조원가를 절감할 수 있는 정착장치용 발열체와, 이를 포함하는 정착장치 및 화상형성장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 화상형성장치에 사용되는 정착장치용 발열체에 있어서, 카본 섬유 필라멘트; 상기 카본 섬유 필라멘트를 수용하는 수용관; 및 상기 수용관의 양단에 설치되며, 상기 카본 섬유 필라멘트를 전원과 연결하는 단자;를 포함하며, 상기 카본 섬유 필라멘트는 1 내지 7개의 카본 섬유 가닥으로 형성되며, 상기 카본 섬유 가닥은 1 내지 70 텍스(Tex)의 선밀도를 갖는 것이 바람직하다.
상기 카본 섬유 필라멘트는 20 내지 40텍스 사이의 카본 섬유 가닥으로 형성할 수 있다.
상기 카본 섬유 가닥은 1100개 이하의 카본사로 구성될 수 있다.
상기 발열체는 700W 이상 3000W 이하의 출력을 가지며, 상기 카본 섬유 필라멘트의 무게는 0.86g 이하인 것이 좋다.
상기 카본 섬유 필라멘트의 단위 길이당 무게는 4mg/mm 이하인 것이 바람직하다.
상기 카본 섬유 필라멘트는 금속성분과 50% 이상의 카본을 포함할 수 있다.
상기 카본 섬유 필라멘트는 나선형으로 형성되며, 상기 나선의 내경은 8mm 이하로 형성할 수 있다.
상기 카본 섬유 필라멘트의 열용량은 1.4J/℃이하인 것이 바람직하다.
상기 수용관의 내경은 10mm 이하이고, 그 두께는 1.0mm인 것이 좋다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 화상형성장치에 사용되는 정착장치용 발열체에 있어서, 카본 섬유 필라멘트; 상기 카본 섬유 필라멘트를 수용하는 수용관; 및 상기 수용관의 양단에 설치되며, 상기 카본 섬유 필라멘트를 전원과 연결하는 단자;를 포함하며, 상기 카본 섬유 필라멘트는 1 내지 70 텍스(Tex)의 카본 섬유 가닥으로 형성되며, 상기 카본 섬유 필라멘트에 입력되는 정격입력전압이 200V 내지 250V인 경우 상기 카본 섬유 필라멘트 양단의 전기저항이 5 내지 100Ω인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 화상형성장치에 사용되는 정착장치용 발열체에 있어서, 카본 섬유 필라멘트; 상기 카본 섬유 필라멘트를 수용하는 수용관; 및 상기 수용관의 양단에 설치되며, 상기 카본 섬유 필라멘트를 전원과 연결하는 단자;를 포함하며, 상기 카본 섬유 필라멘트는 1 내지 70 텍스(Tex)의 카본 섬유 가닥으로 형성되며, 상기 카본 섬유 필라멘트에 입력되는 정격입력전압이 90V 내지 130V인 경우 상기 카본 섬유 필라멘트 양단의 전기저항이 2 내지 50Ω인 것이 바람직하다.
이때, 상기 카본 섬유 필라멘트에 전기가 공급될 때의 최대온도는 1500℃ 이상인 것이 좋다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 화상형성장치를 개략적으로 나타내는 단면도;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 정착장치를 개략적으로 나타내는 부분 단면 사시도;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 정착장치용 발열체를 확대하여 나타낸 사시도;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 정착장치용 발열체에 사용되는 카본 섬유 필라멘트의 일부를 나타내는 부분 사시도;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 정착장치용 발열체에 사용되는 것으로서, 40텍스의 카본 섬유 가닥을 7개 꼬아 만든 카본 섬유 필라멘트를 대략 200배 확대하여 나타낸 부분 확대 사시도;
도 6은 종래의 2개의 텅스텐 램프를 포함하는 정착장치의 시간에 따른 소비전력의 변화를 나타내는 그래프;
도 7은 시간에 따른 텅스텐 램프의 특성 변화를 나타내는 그래프;
도 8은 시간에 따른 텅스텐 램프와 종래의 카본 섬유 필라멘트 발열체의 특성 변화를 나타내는 그래프;
도 9는 40텍스, 7개의 카본 섬유 가닥으로 형성된 카본 섬유 필라멘트를 사용한 발열체의 시간에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프;
도 10은 40텍스, 7개의 카본 섬유 가닥으로 형성된 카본 섬유 필라멘트를 사용한 발열체의 시간에 따른 전기저항과 전류의 변화를 나타내는 그래프;
도 11은 열용량이 다른 카본 섬유 필라멘트를 사용한 3개의 가열롤러의 시간에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프;
도 12는 본 발명이 일 실시예에 의한 발열체와 종래의 텅스텐 램프의 승온 성능을 비교한 그래프;
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 발열체의 카본 섬유 필라멘트의 내경 변화에 따른 승온 성능을 나타내는 그래프; 및
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 발열체를 사용한 정착장치의 소비전력과 텅스텐 램프의 소비전력을 비교하는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 스페이서 자동 실장 시스템 및 스페이서 자동 실장방법의 실시예들에 대하여 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 이하에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 화상형성장치(1)를 개략적으로 나타낸 것이다. 화상형성장치(1)는 전자사진방식에 의해 인쇄매체에 소정의 화상을 형성하는 장치로서, 레이저 프린터, 팩시밀리, 복사기, 복합기 등과 같은 장치를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 화상형성장치(1)는 급지장치(10), 대전장치(20), 광주사장치(40), 현상장치(50), 전사장치(60), 정착장치(100), 및 배지장치(80)를 포함할 수 있다.
급지장치(10)는 종이와 같은 인쇄매체를 소정 매수 저장하며, 인쇄매체를 한 장씩 픽업하여 공급한다. 인쇄매체는 다수의 이송롤러(11)에 의해 이송경로(2)를 따라 이동한다.
대전장치(20)는 감광매체(30)를 소정 전위로 대전시킬 수 있다. 광주사장치(40)는 감광매체(30)로 광(41)을 주사하여 인쇄 데이터에 대응되는 정전잠상을 감광매체(30)의 표면에 형성할 수 있다.
현상장치(50)는 정전잠상이 형성된 감광매체(30)로 현상제를 공급하여 현상제 화상을 형성할 수 있다. 현상장치(50)는 현상제 수용부(51), 현상제 공급롤러(52), 현상롤러(53), 규제 블레이드(54)를 포함할 수 있다.
현상제 수용부(51)는 내부에 소정량의 현상제를 수용한다. 현상제 공급롤러(52)는 현상제 수용부(51)에 수용된 현상제를 현상롤러(53)로 공급하며, 그에 따라 현상롤러(53)에는 현상제층이 형성된다. 규제 블레이드(54)는 현상롤러(53)가 회전하면, 현상롤러(53)에 형성된 현상제층을 일정 두께로 제한하고 대전시킨다. 현상롤러(53)의 표면에 현상제층을 이루던 현상제는 전위차에 의해 감광매체(30)에 형성된 정전잠상으로 이동하여 현상제 화상을 형성한다.
전사장치(60)는 감광매체(30)에 형성된 현상제 화상을 인쇄매체로 전사시킬 수 있다. 클리닝장치(70)는 전사과정이 수행된 후에 감광매체(30)의 표면에 남아있는 폐현상제를 제거할 수 있다.
정착장치(100)는 열과 압력을 인쇄매체에 인가하여 인쇄매체 위에 있는 현상제 화상을 형성하는 미정착된 현상제를 인쇄매체에 정착시킬 수 있다. 현상제가 정착된 인쇄매체가 배지롤러(80)에 의해 화상형성장치(1)의 외부로 배출되면, 화상형성장치(1)의 인쇄과정이 완료된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 정착장치(100)는 가압 부재(110)와 가열부재(120)를 포함할 수 있다. 가압부재(110)와 가열부재(120)가 접촉하는 영역에는 정착 닙(N)이 형성된다. 전사장치(60)를 통과한 인쇄매체 위에는 미정착된 현상제 화상이 존재하는데, 이런 인쇄매체가 정착 닙(N)을 통과하는 과정에서 열과 압력이 인쇄매체에 인가됨으로써 인쇄매체 위에 있는 미정착된 현상제가 정착될 수 있다.
가압부재(110)는 정착 닙(N)을 통과하는 인쇄매체에 압력을 가할 수 있도록 탄성부재(111)에 의해 가열부재(120) 쪽으로 가압된다. 본 발명의 일 실시 예에서는 가압부재(110)가 롤러 타입으로 구성되었으나, 가압부재(110)는 벨트 타입으로 구성될 수도 있다. 벨트 타입의 가압부재는 공지 기술로부터 당업자가 용이하게 이해할 수 있으므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
가열부재(120)는 정착 닙(N)을 통과하는 인쇄매체에 열을 가하며, 가열롤러(121)와 가열롤러(121) 안에 배치되는 발열체(200)를 포함할 수 있다. 발열체(200)는 인쇄매체로 공급하기 위한 열을 발생하며, 발열체(200)가 생성한 열은 가열롤러(121)를 통해 인쇄매체로 전달된다. 가열롤러(121)는 발열체에 의해 높은 온도로 가열되기 때문에 내열성 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시 예에서는 가열부재(120)가 가열롤러(121)를 이용한 롤러 타입으로 구성되었으나, 가열부재(120)는 벨트 타입으로 구성될 수도 있다. 즉, 이 경우에는 가열롤러(121) 대신에 가열벨트가 사용된다. 벨트 타입의 가열부재는 공지 기술로부터 당업자가 용이하게 이해할 수 있으므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이하, 도 3 내지 14를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 정착장치용 발열체(200)에 대해 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 정착장치용 발열체(200)를 확대하여 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3의 정착장치용 발열체(200)에 사용되는 카본 섬유 필라멘트(201)의 일부를 나타내는 부분 확대 사시도이다.
도 3을 참조하면, 정착장치용 발열체(200)는 수용관(203), 카본 섬유 필라멘트(201), 및 단자(205)를 포함한다.
수용관(203)은 대략 원통 형상을 가지며, 내부에는 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체가 밀봉되어 있다. 수용관(203)은 투명하고 내열성 있는 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 석영 유리로 수용관(203)을 형성할 수 있다. 가열롤러(121)를 소형화할 수 있도록 수용관(203)의 외경은 10mm 이하로 하는 것이 좋다. 예를 들면, 수용관(203)의 외경을 8mm, 또는 6mm로 할 수 있다. 수용관(203) 외경의 하한치는 그 내부에 수용되는 카본 섬유 필라멘트(201)의 크기에 따라 결정될 수 있다.
카본 섬유 필라멘트(carbon fiber filament)(201)는 수용관(203)의 내부에 배치되며, 외부의 전원에서 공급되는 전기 에너지를 열로 변환하다. 카본 섬유 필라멘트(201)에 전기를 공급하기 위해 수용관(203)의 양단에는 단자(205)가 마련되고, 이 단자(205)는 카본 섬유 필라멘트(201)의 양단에 전기적으로 연결된다. 따라서, 수용관(203)의 양단에 설치된 단자(205)에 전기가 공급되면 수용관(203) 내부에 설치된 카본 섬유 필라멘트(201)가 열을 발생하게 된다.
카본 섬유 필라멘트(201)는 종래의 정착장치에 사용되는 할로겐 램프에 사용되는 텅스텐 필라멘트 대신에 사용되는 것이다. 텅스텐 필라멘트는 보통 온도가 2000℃ 이상까지 상승하고, 발열 효율이 우수하며, 오버 슈트(over shoot)량이 작아 정착장치의 발열원으로 널리 사용된다.
그런데 고속인쇄의 경우에는 짧은 시간 내에 가열부재를 현상제를 정착시킬 수 있는 온도까지 상승시킬 필요가 있다. 이를 위해서는 가열부재의 열원이 충분한 소비전력(Watt)을 가져야 한다. 예를 들면, 텅스텐 필라멘트를 사용하는 할로겐 램프가 장착된 정착장치를 구비한 화상형성장치로 48PPM의 속도로 인쇄를 할 경우에 도 6에 도시된 바와 같이 인쇄 초반에 정착장치에서 약 1200W의 전력이 소모된다. 따라서, 정착장치에 1200W 이상의 소비전력을 갖는 열원을 사용하지 않으면, 현상제가 미정착될 수도 있다. 이하에서는 텅스텐 필라멘트를 사용하는 할로겐 램프를 설명의 편의를 위해 텅스텐 램프라 칭하고, 필요에 따라 할로겐 램프와 혼용하여 사용한다.
그런데 텅스텐 필라멘트는 통상적으로 850W의 소비전력을 갖는 것만이 유통된다. 따라서, 고속인쇄를 위해 높은 소비전력이 요구되는 경우에는 850W의 텅스텐 램프를 2개 사용하는 것이 일반적이다. 그러나, 이와 같이 2개의 텅스텐 램프를 사용하는 듀얼 텅스텐 램프의 경우에는, 도 7에 도시된 바와 같이 높은 돌입 전류(Inrush current)가 발생하게 되며, 이에 따른 플리커 때문에 정착열원으로 사용이 곤란하다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해 제로 크로싱 위상 제어 또는 쵸핑(Chopping0 제어와 같은 특별한 제어방법을 사용하고 있다.
따라서, 카본 섬유 필라멘트(201)를 정착장치(100)의 열원으로 사용하기 위해서는 이러한 조건을 만족시켜야 한다. 카본 섬유 필라멘트(201)는 도 5에 도시된 바와 같이 복수 개의 카본 섬유 가닥을 꼬아서 만드는 것이 일반적이다. 도 5는 40텍스의 카본 섬유 가닥(201a) 7개를 꼬아 만든 카본 섬유 필라멘트(201)를 나타낸다. 카본 섬유 가닥은 1100개 이하의 카본사로 만들 수 있다. 또한, 카본 섬유 필라멘트를 구성하는 카본 섬유 가닥은 금속성분과 50% 이상의 카본을 포함할 수 있다.
현재 시중에서 유통되고 있는 카본 섬유 필라멘트는 100 텍스 내지 200 텍스(Tex)의 선밀도를 갖는 카본 섬유 가닥을 7개 이상 꼬아서 만든 것이다. 여기서, 텍스는 섬유공업에서 실을 표기하기 위해 사용하는 단위로서, 실 1000m 당 실의 무게를 g으로 나타낸 것이다. 즉 1텍스는 1g/1000m = 1mg/m이다.
이와 같은 종래의 카본 섬유 필라멘트는 돌입 전류는 발생하지 않으나, 일정 온도까지 상승하는데 시간이 오래 걸려 지연시간(delay time)이 존재하고 발열효율이 텅스텐보다 낮다는 문제점이 있다.
표 1은 종래의 카본 섬유 필라멘트를 사용한 카본 섬유 램프와 텅스텐을 비교시험한 결과를 나타낸다. 도 8은 종래의 카본 섬유 필라멘트의 승온 성능을 850W의 텅스텐 램프와 비교한 것이다. 종래의 카본 섬유 필라멘트는 100텍스의 선밀도를 가진 카본 섬유 가닥을 7개 꼬아 만든 것을 사용하였다. 또한, 카본 섬유 필라멘트를 도 3 및 4에 도시된 바와 같이 코일 형상으로 형성하였다.
Figure pat00001
상기의 표 1에서, 내경과 감김수는 각각 카본 섬유 필라멘트 코일(201)의 내경(d, 도 4 참조)과 감김수를 말한다. 필라멘트의 온도는 대략 1100 내지 1300℃ 정도이다.
도 8을 참조하면, 종래의 카본 섬유 필라멘트는 그 구성요소인 카본 섬유 가닥의 Tex가 크고 가닥 개수 등이 많아서 850W 텅스텐 램프보다 초기에 온도 상승 반응이 없는 지연시간(delay time)이 길고, 승온 속도가 느리고, 정착 온도까지의 승온시 에너지 소모량도 많은 것을 알 수 있다. 예를 들면, 텅스텐 램프가 정착온도까지 승온하는 데 소요된 에너지를 100%로 할 경우, 카본 섬유 필라멘트 램프의 정착온도까지의 승온시 소요된 에너지는 181%이다.
카본 섬유 필라멘트를 고속 인쇄가 가능한 화상형성장치에 사용되는 정착장치의 발열원으로 사용하기 위해서는 1개의 램프로 돌입 전류나 플리커 등의 현상이 없이 700W 이상 3000W 이하의 소비전력을 가질 수 있도록 할 필요가 있다.
종래의 카본 섬유 필라멘트 램프는 한 개의 램프로 100W - 3000W를 사용할 수 있다. 그런데, 종래의 카본 섬유 필라멘트는 100텍스 7가닥으로 된 경우, 1200W로 작동시 전기저항이 60-80Ω으로 높다. 따라서, 최대 소비전력(Full Watts)에 도달하는데 3-4초의 지연시간이 존재하며, 상온을 벗어나 승온이 시작될 때까지 1.5-2.5초의 지연시간이 존재한다. 일반적인 텅스텐 필라멘트는 상온을 벗어나 승온을 시작하는 시점까지 걸리는 지연시간이 0.6-0.8초이다. 따라서, 카본 섬유 필라멘트를 정착장치의 발열원으로 사용하기 위해서는 텅스텐 필라멘트에 필적하는 승온 성능을 갖는 것이 필요하다.
필라멘트 열용량 = 필라멘트 비열계수 X 필라멘트 무게
연구 결과, 카본 섬유 필라멘트는 열용량이 작을수록 온도가 빠르게 증가하여 전기저항이 빠르게 감소하고, 초기 승온 시작점까지의 지연시간
이를 위해, 정착장치의 열원으로 사용되는 텅스텐 필라멘트의 비열 계수와 무게를 측정하여 열용량을 계산하여 산출하였다. 그리고, 텅스텐 필라멘트의 열용량에 근접하거나 동등하거나 더 작은 열용량을 갖는 카본 섬유 필라멘트를 개발하였다. 여기서, 필라멘트의 열용량은 필라멘트 비열계수와 필라멘트 무게의 곱으로 구할 수 있다. 즉,이 감소하고, 승온 속도가 향상되며, 발열효율이 상승하고, 오버슈트 최고 온도도 감소하고, 온도 제어에 대해 열원이 빠르게 반응하는 것을 알 수 있었다. 또한, 카본 섬유 필라멘트는 열용량이 작을수록 카본 섬유 필라멘트의 온도가 상승하여 복사 열유속이 커진다.
이와 같은 카본 섬유 필라멘트를 정착장치용 발열원으로 사용하기 위해서 카본 섬유 필라멘트(201)의 무게를 일정 값 이하로 제한하였다.
즉, 카본 섬유 필라멘트(201)의 무게는 이를 구성하는 카본 섬유 가닥(201a)의 선밀도(또는 무게)와 가닥의 개수에 의해 결정된다. 카본 섬유 가닥(201a)의 무게는 텍스(Tex)를 사용하여 나타내므로 카본 섬유 필라멘트(201)의 무게는 카본 섬유 가닥(201a)의 텍스와 개수에 의해 결정된다고 할 수 있다.
정착장치(100)에 사용될 수 있는 카본 섬유 필라멘트(201)를 개발하기 위해 카본 섬유 필라멘트(201)를 구성하는 카본 섬유 가닥(201a)의 텍스는 일정하게 하고, 가닥의 개수를 변경하는 실험을 하였다. 그 시험 결과가 아래의 표 2에 기재되어 있다.
이 실험을 위해 도 2의 정착장치(100)와 유사한 정착장치를 사용하였다. 또한, 카본 섬유 램프(200)의 제어온도는 185℃로 하였으며, 듀티 제어(Duty control)는 -5℃; 100%, -3℃; 50%, -1℃; 33%, 1℃; 0%로 하였다.


 필라멘트 수용관 외경 초기 전기저항 풀 전력시 전기저항 필라멘트 사양 실측풀전력 delay 풀 전력시 180도까지 에너지 180도 도달시간 오버슈트
Tex 가닥 내경 턴수 승온속도 승온효율
mm Ω Ω 선밀도 개 Watts 초 도/초 승온속도/100W Whr 초 도
1램프 텅스텐 6 5 60 765 0.8 21.8 2.85 2.00 8.6 203
#0 카본 8 73.6 39.7

40

 9 4 64 1188 1.5 29.7 2.50 2.44 7.56 223
#1 카본 10 69.6 38.2 9 4 63 1235 1.2 32.3 2.62 2.32 6.65 226
#2 카본 8 66.5 35.8 7 4 64 1315 1,2 35.8 2.72 2.23 6.23 230
#3 카본 8 72.7 39.3 9 4 60 1240 1,2 31.7 2.56 2.32 6.74 224
#4 카본 8 11 30.0 9 4 64 1577 1,3 38.6 2.44 2.70 6.12 245
상기의 표 2를 참조하면, 카본 섬유 가닥(201a)의 개수가 9가닥에서 7가닥으로 가닥 수가 줄어들수록 승온 효율은 좋아진다. 즉, 필라멘트의 무게 감소(필라멘트 열용량의 감소)에 의해 카본 섬유 필라멘트(201)의 온도가 빠르게 증가하고, 더 고온이 되어 정착용 가열부재를 가열하기 위한 램프의 복수 열유속이 증가한다. 다시 말해, 카본 섬유 필라멘트(201)의 무게(열용량)가 감소할수록 필라멘트 자체 온도를 증가시키기 위해서는 더 적은 에너지가 소모되므로, 그 결과 더 높은 온도까지 상승하여 복사 열로 방출되는 에너지가 증가한다.
도 9 및 도 10에는 40텍스 카본 섬유 가닥(201a) 7개로 형성한 카본 섬유 필라멘트(201)가 장착된 가열롤러(121)의 시간의 경과에 따른 승온 및 소비전력 곡선과 전류-저항- 전압곡선이다. 카본 섬유 필라멘트 램프(200)는 200-250V 용이고, 카본 섬유 필라멘트(201)의 양단자의 저항은 55-85Ω이다. 이때, 카본 섬유 필라멘트(201)의 양단자의 저항은 5 내지 100Ω의 범위 내이면 사용할 수 있다. 또, 카본 섬유 필라멘트(201)가 90-130V의 범위 내에서 사용되는 경우에는 카본 섬유 필라멘트(201)의 양단자의 저항은 2 내지 50Ω의 범위 내이면 사용할 수 있다. 도 9와 도 10을 참조하면, 전원 스위치가 ON되자마자 카본 섬유 필라멘트(201)의 온도가 상승함에 따라 전기 저항은 감소하여 발열량은 증가한다. 카본 섬유 필라멘트(201)는 온도에 따라 반도체적 성질로 부저항적 특성을 보인다. 도 9의 승온-전력 곡선에서, 초기에 온도가 상승하기까지 지연시간(delay time)이 존재하고, 온도가 상승함에 따라 전기저항이 감소하고 카본 섬유 필라멘트(201)로의 전류 유입이 증가하여 발열량이 증가한다. 도 9에서 듀티는 정착장치(100)의 제어부(미도시)에서 가열롤러(121)로 전송하는 듀티 신호(Duty signal)를 말한다.
다음의 표 3은 35텍스와 40텍스의 카본 섬유 가닥을 사용한 카본 섬유 필라멘트(201)에 대해 승온 실험을 한 결과이다.






 사양 단위 텅스텐 사양#1 사양#2 사양#3 사양#4
텍스 선밀도 35 35 35 35 40 40 40 40
가닥 7 7 7 7 7 7 7 7
피치 턴수 58 58 58 58 64 64 64 64
양단저항 ohm 6 72 72 63 63 72 72 67 67
시험시공급V 218 220 220 220 220 220 220 220 220
시험회수 1차 2차 1차 2차 1차 2차 1차 2차

데이터		 최대전력 W 771 1242 1248 1348 1347 1239 1245 1328 1332
18도에서 180도 도달시간 초 8.81 6.71 6.60 6.40 6.30 7.41 7.3 6.80 6.68




결과		 100W당 승온속도 ℃/초 초기지연시간포함 2.65 2.16 2.19 2.09 2.12 1.96 1.98 1.99 2.02
100W당 승온속도 % 초기지연시간포함 100 82 82 79 80 74 75 75 76
소비에너지 Whr 시작부터180도까지 1.94 2.26 2.25 2.34 2.30 2.46 2.45 2.43 2.44
소비에너지 % 텅스텐기준비교 100 116 116 121 119 127 126 125 126
여기서, 승온속도는 처음 램프의 전원 스위치를 ON한 순간부터 180℃의 정착 온도에 도달할 때까지의 구간에서 구한 것이다.
상기의 표 3으로부터 35텍스가 40텍스보다 승온속도가 빠르고, 발열효율이 좋음을 알 수 있다. 예를 들면, 사양 #1,#2의 35텍스의 카본 섬유 필라멘트가 사양 #3,#4의 카본 섬유 필라멘트보다 가열롤러의 온도가 180℃에 도달 시까지의 에너지 소모가 줄어 효율이 좋아짐을 알 수 있다.
다음으로 카본 섬유 필라멘트의 카본 섬유 가닥의 수를 줄였을 경우의 승온속도와 발열효율의 변화를 알아보기 위해 실험을 하였으며, 그 결과를 표 4에 나타내었다. 아래의 표 4는 35텍스, 7개의 카본 섬유 가닥(201a)으로 구성된 카본 섬유 필라멘트(201)를 장착한 램프에 대한 실험을 한 결과이다.







 사양 단위 텅스텐1 텅스텐2 #5
Tex 35 35
가닥 5 5
피치 60 60
양단저항 ohm 68 68
시험횟수 1번째 2번째
램프타입 싱글 듀얼 싱글 싱글
램프공급전압 Volts 220.54(벽전류) 220.54(벽전류) 220.32(AC 소스) 220.32(AC 소스)

데이터
 최대소비전력 W 778 1189 1290 1292
처음에서 180도 도달시간 초 8.11 5.49 5.55 5.60
지연시간(대기+3도 도달) 초 0.74 0.65 0.88 0.83

인러시건		 전류피크(스위치ON시) A 40.60 46.7 7.32 6.76
인러시 전력(스위치ON시) W 2402.0 5280.0 972.0 836.0


결과		 100W당 승온속도 ℃/초 2.58 2.50 2.28 2.25
100W당 승온속도 % 100 97 88 87
소비에너지 Whr 1.82 1.89 2.01 2.00
소비에너지 % 100 104 110 110
여기서, 승온속도는 처음 램프(200)의 전원 스위치를 ON한 순간부터 180℃의 정착 온도에 도달할 때까지의 시간구간에서 구한 것이다.
상기의 표 3과 표 4에서, 35텍스의 카본 섬유 가닥(201a)을 사용한 경우를 비교하면, 가닥수를 7개에서 5개로 줄였을 때, 승온속도가 약 8-9% 상승하고, 발열효율이 약 10% 상승하는 것을 알 수 있다. 즉, 180℃의 가열 롤러 온도까지 도달하기까지 소모에너지가 약 10% 감소한다.
상기와 같은 승온속도의 향상 및 발열효율의 증대는 카본 섬유 필라멘트(201)의 열용량을 텅스텐에 가깝게 줄임으로써 얻은 것이다.
가열롤러(121), 정착벨트 등과 같은 미정착 현상제를 가열하기 위한 가열부재는 주로 램프(200)로부터의 복사 에너지를 이용하여 가열한다. 그리고, 복사 열유속은 다음의 식에서 알 수 있는 바와 같이 열원의 온도의 4승에 비례하여 증가한다.
q = σT4A
여기서, q는 단위시간당 열전달(heat transfer)(W), σ는 스테판볼츠만상수로서 5.6703X10-8 (W/m2K4), T는 절대온도(K), A는 발열체의 면적(m2)이다.
따라서, 가열부재의 승온속도를 높이기 위해서는 카본 섬유 필라멘트(201)의 온도를 증가시켜야 함을 알 수 있다. 그런데, 카본 섬유 필라멘트(201)의 온도를 높이기 위해서는 카본 섬유 필라멘트(201)의 열용량을 줄이는 것이 좋다.
아래의 표 5는 카본 섬유 가닥(201a)의 텍스와 개수의 변화에 따른 카본 섬유 필라멘트의 온도 변화를 측정한 결과를 나타낸다. 이때, 사용된 카본 섬유 필라멘트(201)의 비열계수는 1610J/Kg℃이다. 필라멘트의 무게는 218mm 폭의 A4 용지를 정착할 수 있는 정착장치(100)에 사용되는 카본 섬유 필라멘트(201)를 기준으로 하였다.
Tex 가닥수 필라멘트 발열부 전체무게(g) 필라멘트 발열부 전체 열용량(J/℃) 실측된 최대 소비전력 필라멘트 열적 안정상태에서 온도(℃)
35 5 0.252 0.406 1290 2220
40 7 0.339 0.546 1250 1825
40 9 0.361 0.581 1240 1780
70 7 0.861 1.386 1180 1510
70 9 0.950 1.530 1150 1390
100 9 1.269 2.043 1125 1200
이상에서 카본 섬유 필라멘트의 열용량이 작을수록 승온속도와 발열효율이 증가하고, 지연시간이 감소하며, 고온의 제어가 가능한 정착열원이 될 수 있다.
그러나, 열용량이 큰 경우에는 지연시간과 발열효율을 고려할 때, 카본 섬유 필라멘트 램프(200)로 종래의 1개의 230V-850W 텅스텐 램프를 대치하기에는 이점이 없다.
상기 표 5에서는 필라멘트의 열적 안정상태(steady state)에서의 온도가 1510℃ 이상인 경우에 해당하는 규격을 갖는 카본 섬유 필라멘트(201)는 정착 열원으로 사용 가능하나, 그 아래의 규격을 갖는 카본 섬유 필라멘트는 정착 열원으로 부적절하다. 다시 말해, 카본 섬유 필라멘트의 열용량이 약 1,4J/℃이하인 경우에는 정착 열원으로 사용할 수 있다. 카본 섬유 필라멘트의 열용량의 하한값은 카본 섬유 필라멘트를 얼마나 적은 텍스를 갖는 카본 섬유 가닥을 사용하여 형성할 수 있는 것에 달려 있다. 실질적으로는 카본 섬유 필라멘트의 열용량이 약 0.1J/℃ 정도까지 제조할 수 있을 것이다.
상기의 시험결과로부터 카본 섬유 필라멘트의 단위 램프 길이당 무게를 구할 수 있다. 상기의 시험은 218mm의 A4용지를 정착할 수 있는 정착장치로 시험한 것이므로, 램프의 길이를 218mm라고 할 수 있다. 따라서, 카본 섬유 필라멘트의 단위 램프 길이당 무게는 0.861g/218mm = 0.4mg/mm이다. 그러므로, 0.4mg/mm 이하의 단위 램프당 무게를 갖는 카본 섬유 필라멘트는 정착장치의 발열원으로 사용할 수 있다. 카본 섬유 필라멘트의 단위 램프당 무게의 하한치도 카본 섬유 필라멘트의 열용량의 하한치에 따라 정해질 수 있다.
상기의 시험결과로부터 정착 열원으로 사용하기 위해서는 카본 섬유 필라멘트(201)를 선밀도가 70텍스 이하인 카본 섬유 가닥(201a)을 사용하여 형성하되, 가닥 수를 7개 이하로 하는 것이 좋다. 만일 카본 섬유 가닥(201a)의 선밀도가 40텍스인 경우에는 가닥 수를 9개로 하여 카본 섬유 필라멘트(201)를 제조할 수도 있다. 카본 섬유 가닥(201a)의 선밀도의 하한치는 제조한계에 의해 결정된다. 따라서, 카본 섬유 가닥의 선밀도(201a)의 하한치는 1텍스일 수 있다.
도 11은 상기의 표 5 중에서 3종류의 카본 섬유 필라멘트에 대한 전원 ON시부터의 시간 경과에 따른 온도 변화를 측정한 그래프이다. 여기서, 3종류의 카본 섬유 필라멘트는 각각 35텍스의 카본 섬유 가닥 5개, 70텍스의 카본 섬유 가닥 7개, 100텍스의 카본 섬유 가닥 7개로 된 것이다.
도 11에서 카본 섬유 필라멘트의 열용량을 감소시켰을 때 승온속도와 발열효율이 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 필라멘트의 열용량의 작을수록 온도가 빠르게 상승하므로 전기저항이 빠르게 낮아져서 전하유입량이 빠르게 많아지므로 승온시작점이 빨라지게 되는 것을 알 수 있다.
다음으로, 본 발명에 의한 카본 섬유 필라멘트를 사용한 램프의 성능을 종래의 텅스텐 필라멘트를 사용한 램프의 성능과 직접 비교하기 위하여, 카본 섬유 필라멘트의 열용량을 텅스텐 필라멘트의 열용량과 동일하게 한 카본 섬유 필라멘트 램프를 제작하여 비교시험을 하였다. 그 결과가 도 12에 도시되어 있으며, 사용된 카본 섬유 필라멘트와 텅스텐 필라멘트의 사양은 아래의 표 6에 표시하였다. 시험에 사용된 가열롤러(121)는 폭 218mm의 A4 용지를 정착할 수 있는 크기이며, 가열롤러(121)의 두께는 0.3mm이다.
단위 230V-1300W텅스텐 필라멘트 230V-1300W카본섬유필라멘트
비열계수 J/Kg℃ 134 1610
필라멘트 무게 g 2.600 0.216
필라멘트 열용량 J/℃ 0.3484 0.3484
도 12를 참조하면, 종래의 카본 섬유 필라멘트는 텅스텐 필라멘트에 성능이 뒤졌으나, 본 발명에 의한 카본 섬유 필라멘트는 지연시간이 0.8초로 개선되었고, 180℃ 도달시점이 1300W 텅스텐 램프 2개를 사용하는 텅스텐 듀얼 램프와 동일한 것을 알 수 있다.
도 13은 도 4와 같이 나선형으로 감긴 카본 섬유 필라멘트(201)의 피치(p)는 그대로 유지한 채로 나선의 내경(d) 만을 4mm에서 3mm로 줄인 경우의 시간에 따른 온도변화를 측정한 것이다. 도 13을 참조하면, 3mm 카본 섬유 필라멘트(201)는 무게가 0.195g으로 4mm 카본 섬유 필라멘트보다 무게가 작기 때문에, 승온속도와 발열효율이 4% 상승하고, 듀얼 텅스텐 램프에 비해 승온 시점 지연시간도 0.04.초 감소한다.
이와 같이 본 발명에 의한 카본 섬유 필라멘트를 사용한 정착장치(100)는 도 14에 도시된 바와 같이 돌입전류가 없어 플리커 현상이 발생하지 않는다. 따라서, FPOT를 단축할 수 있고, 고속 인쇄에 적용할 수 있다. 또한, 텅스텐 램프를 사용하는 종래의 정착장치에 비해 제어가 간단하고, 가격도 낮출 수 있다.
1; 화상형성장치 2; 인쇄경로
10; 급지장치 11; 이송롤러
20; 대전장치 30; 감광매체
40; 노광장치 50; 현상장치
60; 전사장치 70; 클리닝장치
80; 배지롤러 100; 정착장치
110; 가압부재 120; 가열부재
121; 가열롤러 200; 발열체
201; 카본 섬유 필라멘트 201a; 카본 섬유 가닥
203; 수용관 205; 단자

Claims (14)

  1. 화상형성장치에 사용되는 정착장치용 발열체에 있어서,
    카본 섬유 필라멘트;
    상기 카본 섬유 필라멘트를 수용하는 수용관; 및
    상기 수용관의 양단에 설치되며, 상기 카본 섬유 필라멘트를 전원과 연결하는 단자;를 포함하며,
    상기 카본 섬유 필라멘트는 1 내지 7개의 카본 섬유 가닥으로 형성되며, 상기 카본 섬유 가닥은 1 내지 70 텍스(Tex)의 선밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 정착장치용 발열체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 카본 섬유 필라멘트는 20 내지 40텍스 사이의 카본 섬유 가닥으로 형성된 것을 특징으로 하는 정착장치용 발열체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 카본 섬유 가닥은 1100개 이하의 카본사로 구성된 것을 특징으로 하는 정착장치용 발열체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열체는 700W 이상 3000W 이하의 출력을 가지며,
    상기 카본 섬유 필라멘트의 무게는 0.86g 이하인 것을 특징으로 하는 정착장치용 발열체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 카본 섬유 필라멘트의 단위 길이당 무게는 4mg/mm 이하인 것을 특징으로 하는 정착장치용 발열체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 카본 섬유 필라멘트는 금속성분과 50% 이상의 카본을 포함하는 것을 특징으로 하는 정착장치용 발열체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 카본 섬유 필라멘트는 나선형으로 형성되며,
    상기 나선의 내경은 8mm 이하인 것을 특징으로 하는 정착장치용 발열체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 카본 섬유 필라멘트의 열용량은 1.4J/℃이하인 것을 특징으로 하는 정착장치용 발열체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 수용관의 내경은 10mm 이하이고, 그 두께는 1.0mm인 것을 특징으로 하는 정착장치용 발열체.
  10. 화상형성장치에 사용되는 정착장치용 발열체에 있어서,
    카본 섬유 필라멘트;
    상기 카본 섬유 필라멘트를 수용하는 수용관; 및
    상기 수용관의 양단에 설치되며, 상기 카본 섬유 필라멘트를 전원과 연결하는 단자;를 포함하며,
    상기 카본 섬유 필라멘트는 1 내지 70 텍스(Tex)의 카본 섬유 가닥으로 형성되며,
    상기 카본 섬유 필라멘트에 입력되는 정격입력전압이 200V 내지 250V인 경우 상기 카본 섬유 필라멘트 양단의 전기저항이 5 내지 100Ω인 것을 특징으로 하는 정착장치용 발열체.
  11. 화상형성장치에 사용되는 정착장치용 발열체에 있어서,
    카본 섬유 필라멘트;
    상기 카본 섬유 필라멘트를 수용하는 수용관; 및
    상기 수용관의 양단에 설치되며, 상기 카본 섬유 필라멘트를 전원과 연결하는 단자;를 포함하며,
    상기 카본 섬유 필라멘트는 1 내지 70 텍스(Tex)의 카본 섬유 가닥으로 형성되며,
    상기 카본 섬유 필라멘트에 입력되는 정격입력전압이 90V 내지 130V인 경우 상기 카본 섬유 필라멘트 양단의 전기저항이 2 내지 50Ω인 것을 특징으로 하는 정착장치용 발열체.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 카본 섬유 필라멘트에 전기가 공급될 때의 최대온도는 1500℃ 이상인 것을 특징으로 하는 정착장치용 발열체.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따르는 발열체를 포함하는 것을 특징으로 하는 정착장치.
  14. 제13항에 따르는 정착장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상형성장치.

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