KR20130125275A

KR20130125275A - 정착 장치용 가열 부재 및 이를 채용한 정착 장치

Info

Publication number: KR20130125275A
Application number: KR1020120098419A
Authority: KR
Inventors: 이상의; 김동언; 김동욱; 김하진; 박성훈; 배민종; 손윤철; 주건모; 한인택
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2013-11-18

Abstract

개시된 정착 장치용 가열 부재는, 베이스 폴리머에 전기 전도성 필러가 분산된 것으로서, 전기에너지를 공급받아 열을 발생시키는 저항 발열층을 포함하며, 저항 발열층의 저장 동탄성 계수가 1.0Mpa 이상이다.

Description

정착 장치용 가열 부재 및 이를 채용한 정착 장치{heating member and fusing device adopting the same}

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 정착 장치는 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 정착 장치에서는, 열원이 가열롤러를 가열하고, 다시 이 열이 기록매체를 거쳐 토너로 전달되므로 높은 열전달 효율을 기대하기 어렵다. 또, 가열롤러, 즉 피가열부의 열용량이 커서 빠른 승온에 불리하다.

빠른 승온이 가능하고, 내구성을 확보할 수 있는 정착 장치용 가열 부재 및 이를 채용한 정착 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 정착 장치용 가열 부재는, 베이스 폴리머에 전기 전도성 필러가 분산된 것으로서, 전기에너지를 공급받아 열을 발생시키는 저항 발열층;을 포함하며, 상기 저항 발열층의 저장 동탄성 계수가 1.0 MPa 이상이다.

상기 저항 발열층에 사용된 베이스 폴리머의 탄젠트 손실율은 0.2 이하일 수 있다.

120℃ 이상에서 상기 저항 발열층의 저장 동탄성 계수는 1.0MPa 이상이며, 탄젠트 손실율은 0.2 이하일 수 있다.

상기 베이스 폴리머는 실리콘, 폴리이미드, 폴리이미드아미드, 불소계 폴리머 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 전기 전도성 필러는 탄소계 필러를 포함할 수 있다. 상기 탄소계 필러는, 탄소나노튜브, 카본블랙, 탄소나노파이버, 그래핀, 그래파이트 나노 입자, 익스펜디드 그래파이트, 그래파이트 옥사이드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 전기 전도성 필러는 4phr 이상의 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 상기 탄소나노튜브의 길이는 10㎛ 이상일 수 있다.

상기 가열 부재는, 상기 저항 발열층을 지지하는 것으로서 중공 파이프 형상의 지지체를 더 구비할 수 있다. 상기 가열 부재는, 상기 저항 발열층을 지지하는 것으로서 벨트 형성의 지지체를 더 구비할 수 있다.

상기 저항 발열층의 상온에서의 저항을 R₀, 정착 온도에서의 저항을 R이라 하면, 상기 저항 발열층의 저항 변화율 [(R_F-R₀)/R₀]×100(%)는 100% 이하일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 정착 장치는 상술한 가열 부재; 상기 가열 부재와 대면되어 정착닙을 형성하는 가압 부재;를 포함할 수 있다.

상술한 본 발명에 따른 가열 부재 및 이를 채용한 정착 장치에 따르면, 승온 과정에서의 저항 발열층의 저항 변화를 줄임으로써 빠른 승온이 가능하다. 또한, 가열 부재 및 정기의 내구성을 확보할 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 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 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 정착 장치에 적용된 가열 부재의 다른 예를 도시한 단면도이다.
도 7은 탄소나노튜브의 함량에 따른 저장 동탄성 계수와 저항발열층의 저항변화율을 도시한 그래프이다.
도 8은 탄소나노튜브의 함량에 따른 저장 동탄성 계수와 탄젠트 손실율의 변화를 도시한 그래프이다.
도 9는 CNT(13phr)/PDMS 조합의 승온시의 전류 변화를 도시한 그래프이다.
도 10은 CNT(8 phr)/DMMVS 조합의 승온시의 전류 변화를 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, 현상기(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, 현상기(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. 정착 장치(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 정착 장치(300)는 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 정착 장치(300)에서 소비되는 에너지를 줄일 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정착 장치(300)의 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(320)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(313)을 포함할 수 있다. 중공 파이프 형상의 지지체(311)를 채용함으로써 가열 부재(310)는 전체적으로 롤러 형상이 된다. 전자사진방식 화상형성장치의 정착 장치(300)에 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 정착 장치(300)는 벨트 형상의 지지체(311)를 구비하는 가열 부재(310)를 채용한 점에서 도 2에 도시된 정착 장치(300)와 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(313)을 포함할 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, 가열부재(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), 폴리아미드(polyamide), 폴리이미드아미드(polyimideamide), 불소계 폴리머(fluoropolymers) 등의 고내열성 폴리머일 수 있다. 불소계 폴리머는 예를 들어, PFA(perfluoroalkoxy), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: polytetrafluoroethylenes) 등의 퍼플루오로 엘라스토머(Perfluoroelastomer), 불화폴리에테르케톤(PEEK: flurinated polyetherketones), FEP(fluorinated ethylene prophylene), 불화폴리머(fluorinated polymer) 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 예를 들어 금속계 필러와 탄소계 필러가 채용될 수 있다. 금속계 필러는 예를 들어 Ag, Ni, Cu, Fe 등의 금속 입자일 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 상술한 입자들을 다른 전도성 물질로 코팅한 형태일 수도 있다. 또한 전기 전도성 필러(312b)는 상술한 입자들에 전도성 물질을 도핑(doping)한 형태일 수 있다. 전기 전도성 필러(312b)는 파이버(fiber), 구형 등 다양한 형태일 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

이형층(313)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(313)은 가열 부재(310)로의 토너의 부착을 방지하기 위하여 분리성이 우수한 폴리머층으로 형성될 수 있다. 이형층(313)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(313)은 상술한 폴리머들 중 하나, 또는 둘 이상의 폴리머의 혼합체, 또는 둘 이상의 폴리머의 복합체(copolymer)일 수 있다.

저항 발열층(312)의 베이스 폴리머(312a)가 불소계 폴리머로 된 경우에는 이형층(313)이 생략되어 저항 발열층(312)이 최외곽층이 될 수 있다. 또한, 저항 발열층(312)의 베이스 폴리머(312a)가 폴리이미드인 경우에, 벨트 타입의 가열 부재(310)는 도 6에 도시된 바와 같이 지지체(311)가 없는 구조도 가능하다.

저항 발열층(312)은 정착닙(301)을 형성하기 위하여 가해지는 압력, 가압 부재(320)의 회전에 의한 토오크(torque), 가열 부재(310)와 가압 부재(320)의 정렬오차에 의한 저항력 등의 기계적 하중과 정착 온도로의 승온과정에서 발생되는 열적 하중을 받는다. 기계적, 열적 하중은 저항 발열층(312)의 기계적, 열적 변형을 유발하며, 이에 의하여저항 발열층(312)의 저항이 변할 수 있다. 기계적, 열적 변형에 의한 저항 발열층(312)의 저항의 변화는 다음의 식으로 표현될 수 있다.

여기서, R, ε, L, A, s, T는 각각 저항 발열층(312)의 저항, 변형율, 길이, 단면적, 전기 전도도, 및 온도이다.

정전압(V) 구동을 하는 경우에 저항 발열층(312)에 입력되는 입력전력(input power)은 V²/R로 표시될 수 있다. 그런데, 저항 발열층(312)의 저항(R)이 변하면 입력전력이 변하게 된다. 승온과정에서 저항 발열층(312)의 저항이 점차 감소/증가한다면, 입력전력은 점차 증가/감소된다. 입력 전력은 제한될 필요가 있다. 왜냐하면 입력 전력이 제한되지 않는 경우에는 저항 발열층(312)의 저항이 낮은 때에는 과도한 전류가 흘러 승온 과정에서 저항 발열층(312)이 과열될 수 있기 때문이다. 과도한 전류는 베이스 폴리머(312a)에 열충격을 일으켜 저항 발열층(312)의 내구성을 저하시키기 때문에, 과열이나 이로 인한 화재의 위험도를 증가시킬 수 있다.

이와 같이, 최대 입력 전력은 저항 발열층(312)의 저항이 가장 낮을 때를 기준으로 하여 과열되지 않도록 설정된다. 즉, 과열을 방지하기 위하여, 저항 발열층(312)의 저항 변화율이 큰 경우에는 최대 입력 전력의 제한값을 낮추어야 하므로 승온 시간이 증가된다.

상기한 바와 같은 과열을 방지하면서 승온 시간을 단축하기 위하여는 저항 발열층(312)의 저항 변화를 줄일 필요가 있다. 본 실시에서는 승온 과정에서의 저항 변화율이 100% 이하인 저항 발열층(312)을 채용한다. 즉, 상온에서의 저항 발열층(312)의 저항을 R₀, 정착온도에서의 저항 발열층(312)의 저항을 R_F라 하면, 승온 과정에서의 저항 발열층(312)의 저항 변화율은,

을 만족한다.

정착 장치(300)가 구동되면서 승온되는 과정에서 저항 발열층(312)에 작용되는 압축력과 인장력에 의한 저항 변화는 각각 아래의 식으로 표시될 수 있다.

ε_p는 압축력에 의한 변형율, ε_t는 인장력에 의한 변형율, ν는 포아송 비(poisson's ratio)이다.

위의 두 식에서 우변의 첫번째 항은 기계적 변형을 말하며, 저항 발열층(312)의 저항변화는 기계적 변형에 비례하여 커진다. 따라서, 저항변화를 줄이기 위하여는 저항 발열층(312)의 기계적 강성(stiffness)가 높일 필요가 있다.

위의 두 식에서 우변의 두번째 항은 전기 전도도의 변화에 의하여 손실되는 에너지를 나타낸다. 이는 베이스 폴리머(312a) 내부에 전기 전도성 필러(312b)에 의하여 형성되는 전도성 네트워크의 변화에 기인한다. 전도성 네트워크의 변화는 전기 전도성 필러(312b)와 베이스 폴리머(312a) 사이의 계면의 접합력, 예를 들어 반데르바알스힘(Van der Waals force)와 같은 전기 전도성 필러(312b)간의 상호 작용, 전기 전도성 필러(312b)간의 기계적인 엉킴(mechanical interlocking) 등에 의존된다. 저항 발열층(312)의 저항 변화를 줄이기 위하여는 손실되는 에너지를 최소화할 필요가 있다.

가열 부재(310)는 정착과정에서 주기적인 동적 하중(dynamic load)을 받는다. 동적 하중 하에서의 기계적 강성과 손실 에너지는 저장 동탄성 계수(storage modulus)와 손실 동탄성 계수(loss modulus)에 의하여 표시될 수 있다. DMA(dynamic mechanical analysis)를 통하여 주기적으로 가해지는 동적 하중 하에서의 저장 동탄성 계수(storage modulus)와 손실 동탄성 계수(loss modulus)를 측정할 수 있다.

정착과정에서 저항 발열층(312)이 선형 점탄성 거동을 한다고 가정하면, 변형율(ε)과 응력(σ)은 다음과 같이 표시될 수 있다. 여기서 δ_poly는 베이스 폴리머(312a)에 기인하는 위상차, δ_part _- _part는 전기 전도성 필러(312b) 간의 상호 작용에 기인하는 위상차, δ_part _- _poly는 베이스 폴리머(312a)와 전기 전도성 필러(312b)간의 상호 작용에 의한 위상차를 의미하며, δc = δpoly + δpart-part + δpart-poly 이다.

여기서,

저장 동탄성 계수(E_c')를

손실 동탄성 계수(E_c'')를

라 하면,

이 된다.

기계적 강성은 저장 동탄성 계수(E_c')에 의하여 표시될 수 있으며, 손실 에너지는 손실 동탄성 계수(E_c'')의 저장 동탄성 계수(E_c')에 대한 비인 탄젠트 손실(tanδ_c)로서 아래와 같이 표시될 수 있다.

전술하였듯이 저항 발열층(312)의 저항 변화율을 낮추기 위하여는 저항 발열층(312)의 기계적 강성(stiffness)을 높여 저항 발열층(312)의 기계적 변형을 줄일 필요가 있다. 이를 위하여, 저장 동탄성 계수(E_c')는 클수록 유리하며, 정착 온도에서 약 1MPa 이상일 수 있다.

또한, 전술하였듯이 저항 발열층(312)의 저항변화율을 줄이기 위하여는 손실 에너지를 줄일 필요가 있다. 이를 위하여 탄젠트 손실(tanδ_c)은 정착온도에서 약 0.2 이하일 수 있다.

정착 장치에서 가열 부재(310)에 인가되는 가압력은 예를 들어 약 2~20Kgf, 정착닙(301)의 폭은 약 4~10mm 정도이다. 따라서, 평균 가압력은 약 0.00476 MPa ~ 0.019 MPa 범위이다. 이 조건에서 저장 동탄성 계수(E_c')과 변형율(ε)의 관계는 아래 표 2와 같다. 일반적인 러버(rubber)의 경우 저장 동탄성 계수(E_c')에 대하여 선형적으로 변형되는 구간이 변형율(ε)이 약 5% 이상인 구간이다. 그러므로, 저항 변화를 작게 하기 위해서 변형율(ε)이 약 5% 이하가 되려면 저장 동탄성 계수(E_c')는 약 0.5 MPa 이상이면 된다.

가압력	[kgf]	2	20
정착닙 폭	[mm]	4	10
정착닙 길이	[mm]	210	210
평균 압력	[MPa]	0.00476	0.0194
저장 동탄성 계수(E_c')	[MPa]	변형율(ε)
0.1		4.76	19.05
0.2		2.38	9.52
0.3		1.59	6.35
0.4		1.19	4.76
0.5		0.95	3.81
0.6		0.79	3.17
0.7		0.68	2.72
0.8		0.6	2.38
0.9		0.53	2.12
1		0.48	1.9
2		0.24	0.95
2.5		0.19	0.76
3		0.19	0.63
5		0.1	0.38
6		0.08	0.32
7		0.07	0.27
13		0.04	0.15

아래의 조건으로 가열 부재(310)의 시료를 제작하여 저항 발열층(312)의 저항 변화를 관찰하였다. 전기 전도성 필러(312b)의 함량을 표시하는 영문 'phr'는 part per hundred resin의 약자로서, 예를 들어 베이스 수지(312a) 100 중량부 당 전도성 필러(312b)의 중량부를 의미한다.

[가열 부재]

지지체(311): 두께 약 50㎛, 내경 약 24mm의 벨트 형상

베이스 폴리머(312a): PDMS(polydimethylsiloxane), DMMVS(dimethyl-methylvinyl silixane)

전기 전도성 필러(312b): 직경 약 10~15nm, 길이 약 10㎛의 탄소나노튜브(CNT)

전기 전도성 필러(312b)의 함량: 1, 4, 8, 13, 26phr

이형층(313): 두께 약 30㎛의 PFA층

[실험 조건]

가열 부재(310) 양단의 가압력: 각각 20kgf

정착닙(301)의 폭: 약 10mm

측정 조건: 10Hz, 정착온도 200℃

동탄성 계수 측정기: TA Instrument사의 Q800

도 7은 탄소나노튜브의 함량에 따른 저항발열층(312)의 저장 동탄성 계수와 저항변화율을 도시한 그래프이다. 도 8은 탄소나노튜브의 함량에 따른 저항발열층(312)의 저장 동탄성 계수와 탄젠트 손실율의 변화를 도시한 그래프이다. 도 7을 참조하면, 탄소나노튜브의 함량이 증가됨에 따라 저장 동탄성 계수는 증가하지만, 저항 발열층(312)의 저항은 지수적으로 감소함을 알 수 있다. 이는 탄소나노튜브의 함량이 높을수록 베이스 폴리머(312a) 내의 전도성 네트워크가 급격하게 증가되기 때문인 것으로 보인다. 탄소나노튜브의 함량이 약 1 phr 인 경우에 CNT/PDMS 조합의 저항 변화율는 약 62%, CNT/DMMVS 조합의 저항 변화율는 약 167%이나, 탄소나노튜브의 함량이 증가됨에 따라 저항변화율이 급격하게 낮아짐을 알 수 있다. 정착 장치(300)의 정착온도를 효과적으로 제어하기 위한 저항 변화율이 약 100% 이하라는 점을 감안하면, 탄소나노튜브의 함량이 약 4phr 이상이라면 약 1MPa 이상의 동탄성 계수를 갖는 저항 발열체(312)라면 정착 장치(300)에 유효하게 적용될 수 있다.

도 8을 참조하면, 탄소나노튜브의 함량이 증가될수록 탄젠트 손실율은 증가된다. CNT/DMMVS 조합이 CNT/PDMS 조합에 비하여 상대적으로 높은 탄젠트 손실율을 보인다. 탄젠트 손실율이 높다는 것은 변형 중 손실 에너지가 많다는 것을 의미하며, 이 에너지 손실은 폴리머-폴리머, 폴리머-CNT, CNT-CNT 간에서 발생된다. 저항 발열체(312)로서 가능한 한 낮은 탄젠트 손실율을 가지는 폴리머를 사용함으로써 저항변화율을 낮출 수 있다.

도 9는 위의 실험 예에서, CNT(13phr)/PDMS 조합의 승온시의 전류 변화를 도시한 그래프이다. 도 10은 위의 실험 예에서 CNT(8 phr)/DMMVS 조합의 승온시의 전류 변화를 도시한 그래프이다. 도 9와 도 10을 참조하면, 저항 변화는 전류의 변화와 비례하므로, CNT(13phr)/PDMS 조합의 경우 약 7%의 저항 변화율을 보이며, CNT(8 phr)/DMMVS 조합은 약 53%의 저항 변화율을 보인다. 두 조합 모두 저항변화율이 100% 이하로서 정착 장치(300)에 유효하게 적용될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 동일한 가압력과 정착온도에서는 동탄성 계수가 높을수록 저항변화율이 작음을 알 수 있다.

위의 실험 예는 약 70ppm(page per minute) 이상의 인쇄속도에 적용되는 정착 장치(300)의 조건, 즉 정착 온도 약 200℃, 편측 가압력 약 20kgf 의 조건에서 실험한 예이나, 이보다 낮은 인쇄속도에 적용되는 정착 장치의 조건, 예를 들어 정착 온도 약 120℃ 내지 200℃, 편측 가압력 약 2kgf의 조건에도 동일하게 적용될 수 있다.

따라서, 저항 발열층(312)으로서 정착 온도인 약 120℃ 이상, 예를 들어 120℃ 내지 200℃의 온도에서, 저장 동탄성 계수(E_c') 약 1MPa 이상인 폴리머 재료를 사용함으로써 약 100% 이하의 저항 변화율을 확보할 수 있다. 또한, 작은 저항 변화율을 확보하기 위하여 탄젠트 손실(tanδ_c)이 약 0.2 이하인 폴리머재료를 사용할 수 있다.

이상에서는 실리콘 러버를 베이스 폴리머(312a)로 채용한 경우의 실험예에 관하여 설명하였으나, 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 저장 동탄성계수가 1MPa 이상이고 정착 온도에서 내열특성을 만족한다면 실리콘 러버 이외에 다른 폴리머도 사용 가능하다.

전기 전도성 필러(312b)로서 탄소나노튜브가 채용되는 경우 그 함량은 약 100wt% 이하일 수 있다. 저항 발열층(312) 내의 탄소나노튜브의 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, 탄소나노튜브의 함량이 약 100wt% 이하로 할 수 있다.

탄소나노튜브의 길이가 짧으면 정착 과정에서 저항 발열층(312)의 압축 변형 및 인장 변형에 기인하는 전기 전도성 네트워크의 변화가 커서 손실 에너지가 커질 수 있다. 전도성 네트워크의 변화를 줄이기 위하여 길이가 10㎛ 이상인 탄소나노튜브를 채용할 수 있다.

상술한 실시예들에서는 가열부재가 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

Claims

베이스 폴리머에 전기 전도성 필러가 분산된 것으로서, 전기에너지를 공급받아 열을 발생시키는 저항 발열층;를 포함하며,
상기 저항 발열층의 저장 동탄성 계수가 1.0Mpa 이상인 정착 장치용 가열 부재.
제1항에 있어서,
상기 저항 발열층의 탄젠트 손실율은 0.2 이하인 정착 장치용 가열 부재.
제1항에 있어서,
120℃ 이상에서 상기 저항 발열층의 저장 동탄성 계수는 1.0MPa 이상이며, 탄젠트 손실율은 0.2 이하인 정착 장치용 가열 부재.
제1항에 있어서,
상기 베이스 폴리머는 실리콘, 폴리이미드, 폴리이미드아미드, 불소계 폴리머 중 적어도 하나를 포함하는 정착 장치용 가열 부재.
제1항에 있어서,
상기 전기 전도성 필러는 탄소계 필러를 포함하는 정착 장치용 가열 부재.
제5항에 있어서,
상기 탄소계 필러는, 탄소나노튜브, 카본블랙, 탄소나노파이버, 그래핀, 그래파이트 나노 입자, 익스펜디드 그래파이트, 그래파이트 옥사이드 중 적어도 하나를 포함하는 정착 장치용 가열 부재.
제6항에 있어서,
상기 전기 전도성 필러는 4 phr 이상의 탄소나노튜브를 포함하는 정착 장치용 가열 부재.
제7항에 있어서,
상기 탄소나노튜브의 길이는 10㎛ 이상인 정착 장치용 가열부재.
제1항에 있어서,
상기 저항 발열층을 지지하는 것으로서, 중공 파이프 형상의 지지체;를 더 구비하는 정착 장치용 가열 부재.
제1항에 있어서,
상기 저항 발열층을 지지하는 것으로서, 벨트 형상의 지지체;를 더 구비하는 정착 장치용 가열 부재.
제1항에 있어서,
상기 저항 발열층의 상온에서의 저항을 R₀, 정착온도에서의 저항을 R이라 하면, 상기 저항 발열층의 저항 변화율 [(R_F-R₀)/R₀]×100(%)는 100% 이하인 정착 장치용 가열 부재.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 가열 부재;
상기 가열 부재와 대면되어 정착닙을 형성하는 가압 부재;를 포함하는 정착 장치.