KR20140117203A - 정착 장치 및 이를 채용한 전자사진방식 화상형성장치 - Google Patents
정착 장치 및 이를 채용한 전자사진방식 화상형성장치 Download PDFInfo
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Abstract
개시된 정착 장치는, 가열 롤러와, 가열롤러와 대면되어 장착 닙을 형성하는 닙 형성부를 포함한다. 가열 롤러는, 전류를 공급받아 발열하는 저항 발열층과, 저항 발열층을 지지하는 기재를 포함하며, 저항 발열층의 단위 길이당 저항은 저항 발열층의 길이방향을 기준으로 하여 양측부가 중앙부보다 작다.
Description
저항 발열층을 채용한 정착 장치와 전자사진방식 화상형성장치에 관한 것이다.
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.
일반적으로 정착 장치는 서로 맞물려 정착닙을 형성하는 가열롤러와 가압롤러를 구비한다. 토너가 전사된 기록매체가 정착닙을 통과하는 동안에 열과 압력에 토너에 가해진다. 원통형 가열 롤러의 중앙부에는 할로겐 램프 등의 열원이 배치되어, 공기를 매개로 하는 대류 및 복사에 의하여 가열 롤러가 가열된다. 이러한 정착 장치에서는, 공기를 매체로 하여 열원으로부터 가열 롤러로 열이 전달되기 때문에 높은 열효율을 기대하기 어렵다. 또, 할로겐 램프는 가열에 유효한 적외선보다 가열에 기여하지 않는 가시광선을 많이 방사하기 때문에 전력 소모량이 많다. 또, 이러한 형태의 가열 롤러는 자체의 열용량이 커서 빠른 승온에 불리하다.
표면 발열 방식으로 채용함으로써 열 효율이 향상된 정착 장치와 전자사진방식 화상형성장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
용지가 통과되지 않는 비통지 영역의 과열을 방지할 수 있는 정착 장치와 전자사진방식 화상형성장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 측면에 따른 정착 장치는, 전류를 공급받아 발열하는 저항 발열층과, 상기 저항 발열층을 지지하는 기재를 포함하며, 상기 저항 발열층의 단위 길이당 저항은 상기 저항 발열층의 길이방향을 기준으로 하여 양측부가 중앙부보다 작은 가열 롤러; 상기 가열롤러와 대면되어 장착 닙을 형성하는 닙 형성부;를 포함한다.
상기 저항 발열층의 양측부의 두께는 상기 중앙부의 두께보다 두꺼울 수 있다.
상기 저항 발열층은 상기 기재의 외주측에 위치될 수 있다. 상기 기재는 상기 길이방향으로 중앙부의 외경이 양측부의 외경보다 큰 원통형일 수 있다.
상기 저항 발열층은 상기 기재의 내주측에 위치될 수 있다. 상기 기재는 상기 길이방향으로 중앙부의 내경이 양측부의 내경보다 작은 원통형일 수 있다.
상기 저항 발열층은, 베이스 폴리머와, 상기 베이스 폴리머에 분산되어 전기 전도성 네트워크를 형성하는 전기 전도성 필러를 포함할 수 있다.
일 측면에 따른 정착 장치는, 가열롤러; 상기 가열롤러와 대면되어 장착 닙을 형성하는 닙 형성부;를 포함하며, 상기 가열 롤러는, 베이스 폴리머와, 상기 베이스 폴리머에 분산되어 전기 전도성 네트워크를 형성하는 전기 전도성 필러를 포함하는 저항 발열층; 상기 저항 발열층을 지지하는 기재;를 포함하며, 상기 저항 발열층은 기록 매체가 통과되는 통지영역과 상기 통지영역의 양측에 위치되며 기록 매체가 통과되지 않는 비통지영역을 포함하며, 상기 비통지영역의 두께는 상기 통지영역의 두께보다 두껍다.
상기 저항 발열층은 상기 기재의 외주측에 위치되며, 상기 기재의 상기 통지영역에 대응되는 영역의 외경은 상기 비통지영역에 대응되는 영역의 외경보다 클 수 있다.
상기 저항 발열층은 상기 기재의 내주측에 위치되며, 상기 기재의 상기 통지영역에 대응되는 영역의 내경은 상기 비통지영역에 대응되는 영역의 내경보다 작을 수 있다.
상기 기재와 상기 저항 발열층 사이에는 제1절연층이 마련될 수 있다.
상기 가열 롤러는 최외곽층을 형성하는 이형층을 더 구비할 수 있다. 상기 이형층의 내측에는 제2절연층이 배치될 수 있다.
일 측면에 따른 전자사진방식 화상형성장치는, 기록 매체에 가시적인 토너 화상을 형성하는 인쇄유닛; 상술한 정착 장치;를 포함한다.
상술한 정착 장치와 전자사진방식 화상형성장치에 따르면, 저항 발열층이 기록 매체를 직접 가열할 수 있으므로 신속한 승온이 가능하고, 열효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 저항 발열층의 비통지영역의 과열을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전자사진방식 화상형성장치의 일 실시예의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정착 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정착 장치의 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 가열 롤러의 횡단면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 가열 롤러의 횡단면도이다.
도 6은 도 3에 도시된 가열 롤러의 횡단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 정착 장치의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 정착 장치의 단면도이다.
도 9는 벨트의 일 실시예의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 정착 장치의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 정착 장치의 단면도이다.
도 12는 도 10 및 도 11에 도시된 가열 롤러의 횡단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정착 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정착 장치의 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 가열 롤러의 횡단면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 가열 롤러의 횡단면도이다.
도 6은 도 3에 도시된 가열 롤러의 횡단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 정착 장치의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 정착 장치의 단면도이다.
도 9는 벨트의 일 실시예의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 정착 장치의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 정착 장치의 단면도이다.
도 12는 도 10 및 도 11에 도시된 가열 롤러의 횡단면도이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 정착 장치 및 이를 채용한 전자사진방식 화상형성장치의 실시예들에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 전자사진방식 화상형성장치의 일 실시예의 개략적인 구성도이다. 도 1을 보면, 기록 매체(P), 예를 들어 용지에 가시적인 토너 화상을 형성하는 인쇄유닛(100)과, 토너 화상을 기록 매체(P)에 정착시키는 정착 장치(200)가 도시되어 있다. 본 실시예의 인쇄유닛(100)은 전자사진방식에 의하여 칼라토너화상을 형형성한다.
인쇄유닛(100)은 복수의 감광드럼(1)과, 복수의 현상기(10), 및 용지이송벨트(30)를 포함할 수 있다. 감광드럼(1)은 그 표면에 정전잠상이 형성되는 감광체의 일 예로서, 도전성 금속 파이프와 그 외주에 형성되는 감광층을 포함할 수 있다. 복수의 현상기(10)는 복수의 감광드럼(1)에 각각 대응되며, 복수의 감광드럼(1)에 형성된 정전잠상에 토너를 공급하여 현상시킴으로써 복수의 감광드럼(1)의 표면에 토너화상을 형성하는 것이다. 복수의 현상기(10) 각각은 복수의 감광드럼(1)과 별도로 교체될 수 있다. 또한, 복수의 현상기(10) 각각은 감광드럼(1)을 포함하는 카트리지의 형태일 수 있다.
칼라 인쇄를 위하여, 복수의 현상기(10)는 옐로우(Y:yellow), 마젠타(M:magenta), 시안(C:cyan), 블랙(K:black) 색상의 토너를 수용하는 복수의 현상기(10Y)(10M)(10C)(10K)를 포함할 수 있다. 다만, 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니며, 상술한 색상 이외에도 라이트 마젠타(light magenta), 백색(white) 등의 다양한 색상의 토너를 수용하는 현상기가 더 마련될 수 있다. 이하에서는 복수의 현상기(10Y)(10M)(10C)(10K)를 구비하는 화상형성장치에 대하여 설명하며, 특별히 다른 언급이 없는 한 참조부호에 Y, M, C, K가 붙은 경우에는 각각 옐로우(Y:yellow), 마젠타(M:magenta), 시안(C:cyan), 블랙(K:black) 색상의 토너를 이용하여 화상을 인쇄하기 위한 구성요소를 지칭하는 것이다.
현상기(10)는 그 내부에 수용된 토너를 감광드럼(1)에 형성된 정전 잠상에 공급하여 정전 잠상을 가시적인 토너 화상으로 현상시킨다. 현상기(10)는 현상롤러(5)를 구비할 수 있다. 현상롤러(5)는 현상기(10)내의 토너를 감광드럼(1)으로 공급하기 위한 것이다. 현상롤러(5)에는 현상바이어스전압이 인가될 수 있다. 도시되지 않은 규제부재는 현상롤러(5)에 의하여 감광드럼(1)과 현상롤러(5)가 대면된 현상영역으로 공급되는 토너의 양을 규제한다.
이성분 현상방식을 채용하는 경우에, 현상기(10) 내에는 자성 캐리어가 수용되어 있고, 현상롤러(5)는 감광드럼(1)으로부터 수십 내지 수백 미크론 이격되게 위치된다. 도면으로 도시되지는 않았지만, 현상롤러(5)는 중공 원통형 슬리브 내에 자기롤러가 배치된 형태일 수도 있다. 토너는 자성 캐리어의 표면에 부착된다. 자성 캐리어는 현상롤러(5)의 표면에 부착되어 감광드럼(1)과 현상롤러(5)가 대면된 현상영역으로 운반된다. 현상롤러(5)와 감광드럼(1) 사이에 인가되는 현상바이어스전압에 의하여 토너만이 감광드럼(1)으로 공급되어 감광드럼(1)의 표면에 형성된 정전잠상을 가시적인 토너화상으로 현상시킨다. 이성분 현상방식을 채용하는 경우에, 현상기(10)는 토너를 캐리어와 혼합, 교반하여, 이들을 현상롤러(5)로 운반하는 교반기(미도시)를 구비할 수 있다. 교반기는 예를 들어 오거(auger)일 수 있으며, 현상기(10)에는 복수의 교반기가 마련될 수 있다.
캐리어를 사용하지 않는 일성분 현상방식을 채용하는 경우에, 현상롤러(5)는 감광드럼(1)과 접촉되어 회전될 수 있으며, 감광드럼(1)으로부터 수십 내지 수백 미크론 이격되게 위치되어 회전될 수도 있다. 현상기(10)는 토너를 현상롤러(5)의 표면으로 부착시키는 공급롤러(미도시)를 더 구비할 수 있다. 공급롤러에는 공급바이어스전압이 인가될 수 있다. 현상기(10)는 교반기(agitator)(미도시)를 더 구비할 수 있다. 교반기는 토너를 교반하여 마찰대전시킬 수 있다. 교반기는 예를 들어 오거(auger)일 수 있다.
대전롤러(2)는 감광드럼(1)이 균일한 표면전위를 갖도록 대전시키는 대전기의 일 예이다. 대전롤러(2) 대신에 대전 브러쉬, 코로나 대전기 등이 채용될 수도 있다.
클리닝 블레이드(6)는 전사과정 후에 감광드럼(1)의 표면에 잔류되는 토너와 이물질을 제거하는 클리닝 수단의 일 예이다. 클리닝 블레이드(6) 대신에 회전되는 브러쉬 등의 다른 형태의 클리닝 장치가 채용될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화상형성장치의 현상방식의 일 예에 대하여 구체적으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 현상방식에 대하여는 다양한 변형 및 변경이 가능하다.
노광기(20)는 화상정보에 대응되어 변조된 광을 후술하는 감광드럼(1Y)(1M)(1C)(1K)에 조사하여 감광드럼(1Y)(1M)(1C)(1K)에 각각 옐로우(Y:yellow), 마젠타(M:magenta), 시안(C:cyan), 블랙(K:black) 색상의 화상에 대응되는 정전잠상을 형성하는 것으로서, 대표적인 예로서는 레이저 다이오드를 광원으로 사용하는 LSU(laser scanning unit), LED(light emitting diode)를 광원으로 사용하는 LED노광기 등이 있다.
용지이송벨트(30)는 기록 매체(P)를 지지하고 이송시킨다. 용지이송벨트(30)는 예를 들어 지지롤러(31)(32)에 의하여 지지되어 순환주행될 수 있다. 용지이송벨트(30)를 사이에 두고 복수의 감광드럼(1Y)(1M)(1C)(1K)과 대면되는 위치에 복수의 전사롤러(40)가 배치된다. 복수의 전사롤러(40)에는 복수의 감광드럼(1Y)(1M)(1C)(1K)으로부터 용지이송벨트(30)에 지지된 기록 매체(P)로 토너화상을 전사시키는 전사기의 일 예이다. 복수의 전사롤러(40)에는 기록 매체(P)로 토너화상을 전사시키기 위한 전사바이어스전압이 인가된다. 전사롤러(40) 대신에 코로나 전사기나 핀 스코로트론(pin scorotron)방식의 전사기가 채용될 수도 있다.
기록매체(P)는 픽업롤러(21)에 의하여 적재대(50)로부터 한 장씩 픽업되고, 이송롤러(51)에 의하여 이송되어 용지이송벨트(30)에 예를 들어 정전력에 의하여 부착될 수 있다.
정착 장치(200)는 기록매체(P)로 전사된 화상에 열 및/또는 압력을 가하여 기록매체(P)에 정착시킨다. 정착 장치(200)를 통과한 기록매체(P)는 배출롤러(53)에 의하여 배출된다.
상기한 구성에 의하여, 노광기(20)는 각 색상의 화상정보에 대등하여 변조된 복수의 광을 복수의 감광드럼(1Y)(1M)(1C)(1K)에 각각 주사하여 정전잠상을 형성시킨다. 복수의 현상기(10Y)(10M)(10C)(10K)는 복수의 감광드럼(1Y)(1M)(1C)(1K)에 형성된 정전잠상에 Y, M, C, K 색상의 토너를 각각 공급하여 복수의 감광드럼(1Y)(1M)(1C)(1K)의 표면에 각각 Y, M, C, K 색상의 가시적인 토너화상을 형성한다. 적재대(50)에 적재된 기록매체(P)는 픽업롤러(51)와 이송롤러(52)에 의하여 용지이송벨트(30)로 공급되며, 용지이송벨트(30) 상에 예를 들어 정전기력에 의하여 유지된다. Y, M, C, K 색상의 토너화상들은 전사롤러(40)에 인가되는 전사바어스전압에 의하여 용지이송벨트(30)에 의하여 이송되는 기록 매체(P) 상으로 순차로 전사된다. 기록매체(P)가 정착 장치(200)를 통과하면, 토너화상은 열과 압력에 의하여 기록매체(P)에 정착된다. 정착이 완료된 기록매체(P)는 배출롤러(53)에 의하여 배출된다.
도 1에 도시된 화상형성장치는 복수의 감광드럼(1Y)(1M)(1C)(1K) 상에 현상된 토너화상을 용지이송벨트(30)에 지지된 기록 매체(P)로 직접 전사하는 방식을 채용하고 있으나, 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 복수의 감광드럼(1Y)(1M)(1C)(1K) 상에 현상된 토너화상을 중간전사벨트로 중간전사하고 그 후에 다시 기록 매체(P)로 전사하는 방식이 채용될 수도 있다. 중간전사방식은 당업계에서 잘 알려진 방식이므로 상세한 설명은 생략한다.
도 2와 도 3은 정착 장치(200)의 실시예의 개략적인 단면도들이다. 도 2와 도 3을 참조하면, 정착 장치(200)는 회전되는 가열 롤러(210)(210a)와, 닙 형성부(220)를 포함할 수 있다. 닙형성부(220)는 가열 롤러(210)(210a)와 대향되어 정착 닙(201)을 형성한다.
닙 형성부(220)는 가열 롤러(210)(210a)와 접촉되어 회전되는 가압 롤러(230)를 포함할 수 있다. 가압 롤러(230)는 예를 들어 금속 코어(231)와 그 외주에 형성되는 탄성층(232)을 포함할 수 있다. 필요에 따라서 탄성층(232)의 외주에는 이형층(233)이 더 마련될 수도 있다. 탄성층(232)은 내열 엘라스토머층일 수 있다. 내열성 엘라스토머는 예를 들어 실리콘 엘라스토머, 불소 엘라스토머 등일 수 있다. 이형층(233)은 분리성이 우수한 수지층일 수 있다. 이형층(233)은 예를 들어 PFA(perfluoroalkoxy), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: polytetrafluoroethylenes), FEP(fluorinated ethylene prophylene) 등 중 하나, 또는 둘 이상의 혼합체(blend) 또는 이들의 복합체(copolymer)일 수 있다.
정착 닙(201)을 형성하기 위하여, 가열 롤러(210)(210a) 및/또는 가압 롤러(230)에는 서로를 향하는 탄성력이 인가될 수 있다. 이에 의하여, 가압 롤러(230)의 탄성층(232)이 일부 압축 변형되면서 정착 닙(201)이 형성된다. 이와 같은 구성에 의하여, 가열 롤러(210)(210a)와 가압 롤러(230)가 회전됨으로써 정착 닙(201)으로 진입한 기록 매체(P)를 이송시킬 수 있다.
도 4와 도 5는 각각 도 2와 도 3에 도시된 가열 롤러(210)(210a)의 횡단면도들이다. 도 2 내지 도 5를 참조하면, 가열 롤러(210)(210a)는 저항 발열층(213)과, 저항 발열층(213)을 지지하는 기재(211)를 포함할 수 있다. 기재(211)와 저항 발열층(213) 사이에는 전기 절연성 층인 제1절연층(212)이 개재될 수 있다. 가열 롤러(210)(210a)의 길이 방향의 양단부에는 저항 발열층(213)에 전류를 공급하기 위한 전극(216)(217)이 배치된다. 전극(216)(217)은 저저항 금속으로 형성될 수 있으며, 제1절연층(212) 상에 위치될 수 있다. 기재(211)가 전기 절연성 재료로 형성된 경우, 도면으로 도시되지는 않았지만 전극(216)(217)은 기재(211)의 외주면에 위치될 수 있다. 전극(216)(217)은 저항 발열층(213)의 길이 방향의 양단부에 접촉되며, 그 일부는 도시되지 않은 전원 공급 장치가 연결될 수 있도록 노출된다. 가열 롤러(210)(210a)와 기록 매체(P)와의 분리성을 향상시키기 위하여, 가열 롤러(210)(210a)의 최외곽층에는 이형층(215)이 마련될 수 있다. 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 가열 롤러(210a)는 이형층(215)의 내측, 즉, 이형층(215)과 저항 발열층(213) 사이에 위치되는 전기 절연성 층인 제2절연층(또는 절연 탄성층)(214)을 더 구비할 수 있다. 이형층(215)이 충분한 내전압 특성을 가진 경우 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 가열 롤러(210)와 같이 제2절연층(또는 절연 탄성층)(214)이 생략될 수 있다.
기재(211)는 내열성과 정착 닙(201)을 형성하기 위한 가압력에 견딜 수 있는 강성을 가진 재료로 형성될 수 있다. 기재(211)는 예를 들어, PPS(poly-proohylene sulfide) 등의 플라스틱 재료, 알루미나(Al2O3) 등의 세라믹 재료, 킬드 강(killed steeel) 등의 금속 재료로 형성될 수 있다. 원통형 봉 형상 또는 중공 파이프 형상일 수 있다.
저항 발열층(213)는 예를 들어 Ag-Pd합금층, Ag-Pt합금층, Ni-Sn합금층 등의 금속 발열층일 수 있다. 전술한 금속 합금층은 예를 들어 기재(211)의 표면에 Ag-Pd합금, Ag-Pt합금, Ni-Sn합금 등을 도포함으로써 형성될 수 있다.
또한, 저항 발열층(213)은 베이스 폴리머와 그 내부에 분산된 전기 전도성 필러를 포함할 수 있다. 베이스 폴리머는 정착온도에서 견딜 수 있는 내열성을 가지는 재료라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 베이스 폴리머는 내열성 수지 또는 내열성 엘라스토머일 수 있다. 내열성 수지는 폴리이미드(polyimide), 폴리이미드아미드(polyimideamide) 등일 수 있다. 내열성 엘라스토머는 실리콘 엘라스토머, 불소 엘라스토머 등일 수 있다. 베이스 폴리머는 상술한 재료 중 어느 하나, 또는 상술한 재료 중 둘 이상의 혼합체(blend) 또는 복합체(copolymer) 일 수 있다.
한 종류 또는 그 이상의 전기 전도성 필러가 베이스 폴리머에 분산될 수 있다. 전기 전도성 필러로서는 금속 입자 등의 금속계 필러와 탄소계 필러가 채용될 수 있다. 탄소계 필러는 예를 들어, 카본블랙(carbon black), 탄소나노튜브(CNT: carbon nanotube), 컵-스택 탄소나노 튜브(cup-stacked carbon nanotube), 탄소파이버(carbon fiber), 탄소나노파이버(carbon nanofiber), 탄소나노코일(carbon nanocoil), 플러렌(fullerene), 그래파이트(graphite), 익스팬디드 그래파이트(expanded grahite), 그래파이트 나노 입자(graphite nano platelet), 그래파이트 옥사이드(GO: graphite oxide) 등을 포함할 수 있다. 전기 전도성 필러는 이들 중 하나 또는 둘 이상의 조합일 수 있다. 일 실시예로서, 전기 전도성 필러로서 다층탄소나노튜브(Multi-walled carbon nanotube, MWNT)가 채용된 경우, 전기 전도성 필러의 함량은 약 10~40 wt%일 수 있다.
일 실시예로서, 베이스 폴리머의 전구체를 이와 화학적으로 친화도가 높은 유기 용매에 용해시키고, 이 용액에 전기 전도성 필러를 분산시킨다. 이 용액을 기재(211)의 외주면(제1절연층(212)이 존재하는 경우에는 제1절연층(212)의 표면), 및 전극(216)(217)의 표면에 도포하고, 열처리할 수 있다. 열처리 과정에서 용매는 분해되며, 폴리머 전구체는 고형화되어 고체 폴리머가 된다. 이때, 고체 폴리머는 그 내부에 분산된 전기 전도성 필러에 대한 강한 접착력을 갖게 되어 폴리머 내부에 전기 전도성 필러를 고정시킨다. 그러므로, 폴리머 내부에서의 전기 전도성 필러의 이동이 방지되고, 전기 전도성 네트워크의 형성에 기여하는 전기 전도성 필러의 구조, 예를 들어 그래핀 구조(π-π* 결합)이 파괴되지 않으므로 입력 전압에 대한 반응성(발열속도)가 뛰어난 발열체를 얻을 수 있다. 또한, 이 공정에 의하여, 도전성 프라이머를 사용하지 않고 저항 발열층(213)과 전극(216)(217)을 접합시킬 수 있다. 따라서, 저항 발열층(213)과 전극(216)(217) 간의 접촉 저항이 낮고 접착력이 우수한 가열 롤러(210)(210a)의 제조가 가능하다.
전기 전도성 필러는 베이스 폴리머 내부에 분산되어 전기 전도성 네트워크를 형성한다. 이에 의하여 저항 발열층(213)은 전기 전도체 또는 저항체가 될 수 있다. 예를 들어, 탄소나노튜브는 금속에 버금가는 전도도를 가지면서 밀도가 매우 낮아서 단위 부피당의 열용량이 일반적인 저항재료보다 3 내지 4배 정도 낮다. 이는, 탄소나노튜브를 전도성 필러로 채용하는 저항 발열층(213)은 매우 빠른 온도변화가 가능하다는 것을 의미한다. 따라서, 저항 발열층(213)을 채용한 가열 롤러(210)(210a)에 의하면, 대기 상태로부터 인쇄 상태로의 전환에 걸리는 시간을 줄일 수 있어 신속한 첫번째 인쇄가 가능하다.
제1절연층(212)은 예를 들어, 고내열성 및 전기 절연성을 갖는 폴리머층일 수 있다. 예를 들어, 제1절연층(212)은 폴리이미드(Polyimide, PI) 수지층일 수 있다. 제1절연층(212)은 예를 들어 약 3kV 이상의 내전압 특성을 가질 수 있다. 폴리이미드 수지층의 두께는 약 20~70㎛ 정도일 수 있다. 내전압 평가 결과, 폴리이미드 수지층의 경우 약 20㎛ 이상에서 약 3kV 이상의 내전압 특성을 가지므로, 폴리이미드 수지층의 두께는 내전압 특성을 고려하여 약 20㎛ 이상으로 할 수 있으며, 열전도 특성을 고려하여 약 70㎛ 이내로 할 수 있다. 일 실시예로서, 제1절연층(212)으로서의 폴리이미드 수지층의 두께는 약 20~50㎛ 정도로 할 수 있다.
제1절연층(212)은 프라이머에 의하여 기재(211)의 외주면에 접착될 수 있다. 예를 들어, 폴리이미드 튜브를 프라이머를 도포한 기재(211)의 외주면에 접착시킬 수 있다. 다른 방안으로서, 예를 들어 폴리이미드 전구체 용액을 기재(211)의 외주면에 도포하고 경화 열처리 공정을 거침으로써 폴리이미드와 기재(211)를 직접 접착시킬 수도 있다.
저항 발열층(213)으로서 금속 합금층이 채용되는 경우, 금속 합금층 형성하기 위하여 예를 들어 약 600℃ 이상의 고온 공정이 필요하다. 그러므로, 이 경우에는 제1절연층(212)으로서 폴리이미드와 같은 유기물층을 사용하기는 어렵다. 이 경우에는 제1절연층(212)으로서는 예를 들어 알루미나(Al2O3)층과 같은 세라믹층이 채용될 수 있다.
이형층(215)은 가열 롤러(210)(210a)의 최외곽층을 형성한다. 정착 과정에서 기록매체(P) 상의 토너가 용융되면서 가열 롤러(210)(210a)의 표면에 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 롤러(210)(210a)로부터 분리되지 않고 가열 롤러(210)(210a)의 표면에 부착되는 잼(jam)의 원인이 될 수 있다. 이형층(215)은 분리성이 우수한 수지층, 예를 들어 불소 수지층일 수 있다. 불소 수지는 예를 들어 PFA(perfluoroalkoxy), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: polytetrafluoroethylenes), FEP(fluorinated ethylene prophylene) 등 중 하나, 또는 둘 이상의 혼합체(blend) 또는 이들의 복합체(copolymer)일 수 있다. 전술한 재료로 된 튜브를 기재(211)에 씌우거나 또는 전술한 재료를 기재(211)의 표면에 코팅함으로써 형성될 수 있다. 이형층(215)의 두께는 가열 롤러(210)(210a)에 요구되는 내전압 특성을 고려하여 예를 들어 30~80㎛ 정도일 수 있다. 제2절연층(절연 탄성층)(214)이 구비되지 않는 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 이형층(215)은 저항 발열층(213)의 양단부를 완전히 감쌀 수 있다.
도 3과 도 5에 도시된 바와 같이, 저항 발열층(213)과 이형층(215) 사이에는 제2절연층(또는 절연 탄성층)(214)이 배치될 수 있다. 제2절연층(214)은 제1절연층(212)과 마찬가지로 폴리이미드층일 수 있다. 기록 매체(P)로의 열전달을 고려하여 제2절연층(213)의 두께는 제1절연층(212)의 두께보다 작을 수 있다. 예를 들어 제2절연층(214)의 두께는 10~50㎛ 정도일 수 있다.
제2절연층(214)이 절연 탄성층으로 대체될 수 있다. 절연 탄성층은 가열 롤러(210)(210a)에 탄성을 부여하여 정착 닙(201)을 용이하게 형성할 수 있도록 하기 위한 것으로서, 전기 절연성과 정착 온도에서 견딜 수 있는 내열성을 가진 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어 절연 탄성층은 불소 고무, 실리콘 고무, 천연 고무, 이소프렌 고무, 부타디엔 고무, 니트릴 고무, 클로로프렌 고무, 브틸 고무, 아크릴 고무, 히드린 고무, 우레렌 고무 등의 고무 재료로 형성될 수 있으며, 스틸렌계, 폴리올레핀계, 폴리염화비닐계, 폴리우레탄계, 폴리에스테르계, 폴리아미드계, 폴리부타디엔계, 트랜스폴리이소프렌계, 염소화폴리에틸렌계 등의 각종 열가소성 엘라스토머 중 어느 하나 또는 이들의 혼합체 또는 이들의 복합체로 형성될 수 있다. 절연 탄성층의 두께는 예를 들어 약 10~100㎛ 정도일 수 있다.
제2절연층(절연 탄성층)(214)은 도 5에 도시된 바와 같이 저항 발열층(213)의 양단부를 완전히 감쌀 수 있다.
상술한 바와 같은 가열 롤러(210)(210a)를 채용하는 정착 장치(200)에 따르면, 가열 롤러(210)(210a) 상의 저항 발열층(213)이 직접적으로 기록 매체(P)에 열에너지를 전달하므로, 빠른 승온이 가능하고, 열효율을 향상시킬 수 있으며, 정착 과정에서 소비되는 전력을 줄일 수 있다.
도 4와 도 5를 참조하면, 저항 발열층(213)은 길이방향으로 기록 매체(P)가 통과되는 통지영역(A)과, 통지영역(A)의 외측에 위치되는 비통지영역(B), 및 비통지영역(B)의 외측에 위치되고 전극(216)(217)과 저항 발열층(213)이 서로 접촉되는 전극접촉영역(C)으로 구분될 수 있다. 정착 과정에서 비통지영역(A2)에는 기록 매체(P)가 통과되지 않으므로 저항 발열층(213)에서 발생된 열이 기록 매체(P)로 전달되지 않는다. 그러므로 통지영역(A)이 소망하는 정착온도로 유지되도록 저항 발열층(213)의 발열량을 조절하면 비통지영역(B)은 정착온도 이상으로 과열될 수 있다. 전극접촉영역(C)에서 발생된 열은 전극(216)(217)을 통하여 외부로 전달되므로 전극접촉영역(C)에서의 과열 위험은 비통지영역(B)에 비하여 상대적으로 낮다. 비통지영역(B)의 과열은 가열 롤러(210)(210a)를 구성하는 물질층들의 물성을 저하시켜, 정착성 저하, 가열 롤러(210)(210a)의 내구성을 저하 등의 문제를 유발할 수 있다.
비통지영역(B)의 과열을 방지하기 위하여, 비통지영역(저항 발열층(213)의 양단부)(B)의 단위 길이당의 발열량을 통지영역(저항 발열층(213)의 중앙부)(A)의 단위 길이당의 발열량보다 작게 할 수 있다. 저항 발열층(213)에 흐르는 전류량은 저항 발열층(213)의 전체 저항에 의하여 결정되므로, 비통지영역(B)의 단위 길이당의 저항값을 통지영역(A)의 단위 길이당의 저항값보다 작게 하여, 비통지영역(B)의 발열량을 통지영역(A)의 발량보다 작게 할 수 있다. 저항값은 저항이 흐르는 재료의 단면적에 반비례한다. 그러므로, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 비통지영역(B)의 두께를 통지영역(A)의 두께보다 크게 함으로써 비통지영역(B)의 단위 길이당의 저항값을 통지영역(A)의 단위 길이당의 저항값보다 작게 할 수 있다. 저항 발열층(213)의 두께는 길이방향의 중앙부보다 양단부가 더 크게 할 수 있다. 저항 발열층(213)의 두께는 길이방향의 중앙부로부터 양단부로 갈수록 점차 커질 수 있다. 저항 발열층(213)의 두께는 길이방향을 기준으로 하여 중앙부로부터 일정 영역, 예를 들어 통지영역(A)과 비통지영역(B)의 경계 부근까지는 두께가 일정하고, 그로부터 양단부를 향하여 두께가 감소하는 형태일 수도 있다. 예를 들어, 저항 발열층(213)의 비통지영역(B)의 두께는 통지영역(A)의 두께보다 약 0.001~0.25mm 정도 클 수 있다. 저항 발열층(213)의 중앙부의 두께는 예를 들어, 약 10~100㎛일 수 있다.
비통지영역(B)의 두께가 통지영역(A)의 두께보다 크게 하기 위하여, 중앙부의 외경이 양단부의 외경보다 큰 기재(211)가 채용될 수 있다. 기재(211)는 중앙부가 볼록한 크라운 형상일 수 있다. 기재(211)는 중앙부로부터 길이방향으로 양단부로 갈수록 그 외경이 점차 감소하는 형태일 수 있다. 또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 기재(211)는 길이방향을 기준으로 하여 중앙부로부터 일정 영역(L1), 예를 들어 통지영역(A)과 비통지영역(B)의 경계 부근까지는 외경이 일정하고, 그로부터 양단부를 향하여 외경이 감소하는 영역(L2)을 구비할 수 있다. 기재(211)의 중앙부와 양단부의 외경 차이는 약 0.002~0.5mm 정도일 수 있다.
상술한 바와 같이, 비통지영역(B)의 발열량을 통지영역(A)의 발열량보다 작게 함으로써, 가열 롤러(210)(210a)의 내구성 저하 등의 비통지영역(B)의 과열로 인한 문제를 방지할 수 있다.
도 7과 도 8은 정착 장치(200)의 다른 실시예의 단면도들이다. 도 7와 도 8을 참조하면, 도 2와 도 3에 도시된 실시예와 달리 벨트(250)를 이용하는 닙 형성부(220)가 채용된다. 닙 형성부(220)는 벨트(250)와, 벨트(250)의 내측에 배치되어 벨트(250)를 가열 롤러(210)(210a) 쪽으로 가압하는 가압 부재(240)를 포함할 수 있다. 정착 닙(201)을 형성하기 위하여 탄성 부재(260)는 가압 부재(240)를 가열 롤러(210)(210a) 쪽으로 향하는 탄성력을 제공한다.
도 9에는 벨트(250)의 일 실시예의 단면도가 도시되어 있다. 도 9를 참조하면, 벨트(250)는 내열성 기재(251)를 포함할 수 있다. 기재(251)는 스테인레스 스틸 박막, 니켈 박막 등의 금속 박막이나, 폴리이미드(polyimide) 필름, 폴리아미드(polyamide) 필름, 폴리이미드아미드(polyimideamide) 필름 등의 정착 온도, 예를 들어 120℃ 내지 200℃ 정도의 온도에서 견딜 수 있는 내열성과 내마모성을 가진 폴리머 필름일 수 있다. 기재(251)의 두께는 벨트(250)가 정착 닙(201)에서 유연하게 변형되고 정착 닙(201)을 벗어난 후에는 원래 상태로 회복될 수 있는 정도의 유연성과 탄성을 가질 수 있도록 선정될 수 있다. 기재(251)의 외측에는 탄성층(252)이 더 마련될 수 있다. 벨트(250)의 외주면에 토너 등이 부착되지 않도록 하기 위하여, 벨트(250)의 최외곽층에는 이형층(253)이 더 마련될 수 있다. 탄성층(252)은 내열 엘라스토머층일 수 있다. 내열성 엘라스토머는 예를 들어 실리콘 엘라스토머, 불소 엘라스토머 등일 수 있다. 이형층(253)은 분리성이 우수한 수지층일 수 있다. 이형층(253)은 예를 들어 PFA(perfluoroalkoxy), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: polytetrafluoroethylenes), FEP(fluorinated ethylene prophylene) 등 중 하나, 또는 둘 이상의 혼합체(blend) 또는 이들의 복합체(copolymer)일 수 있다.
이와 같은 구성에 의하면, 가압 롤러(230)에 비하여 벨트(250)의 열용량이 작으므로 가열 롤러(210)(210a)에서 발생된 열 중에서 닙 형성부(220)로 이동되는 열의 양을 줄일 수 있으므로, 높은 열효율을 얻을 수 있다.
도 10 및 도 11은 정착 장치(200)의 실시예의 단면도들이다. 도 12은 도 10 및 도 11에 도시된 가열 롤러(210c)의 횡단면도이다. 도 2, 도 3, 도 7, 및 도 8에 도시된 정착 장치(200)는 저항 발열층(213)이 기재(211)의 외주측에 배치된 가열 롤러(210)(210a)를 채용한 정착 장치이나, 도 10 및 도 11에 도시된 정착 장치(200)는 저항 발열층(213)이 기재(211c)의 내주측에 배치된 가열 롤러(200c)를 채용한다. 도 10, 도 11, 및 도 12를 보면, 가열 롤러(210c)는 기재(211c)와, 기재(211c)의 내주측에 배치된 저항 발열층(213)을 구비한다. 기재(211c)와 저항 발열층(213) 사이에는 제1절연층(212)이 배치될 수 있다. 기재(211c)의 외주에는 이형층(215)이 배치될 수 있다.
전술한 바와 마찬가지로, 비통지영역(B)의 과열을 방지하기 위하여, 도 12에 도시된 바와 같이 비통지영역(B)의 두께를 통지영역(A)의 두께보다 크게 할 수 있다. 저항 발열층(213)의 두께는 길이방향의 중앙부보다 양단부가 더 크게 할 수 있다. 저항 발열층(213)의 두께는 길이방향의 중앙부로부터 양단부로 갈수록 점차 커질 수 있다. 저항 발열층(213)의 두께는 길이방향을 기준으로 하여 중앙부로부터 일정 영역, 예를 들어 통지영역(A)과 비통지영역(B)의 경계 부근까지는 두께가 일정하고, 그로부터 양단부를 향하여 두께가 감소하는 형태일 수도 있다. 예를 들어, 저항 발열층(213)의 비통지영역(B)의 두께는 통지영역(A)의 두께보다 약 0.001~0.25mm 정도 클 수 있다. 저항 발열층(213)의 중앙부의 두께는 예를 들어, 약 10~100㎛일 수 있다.
통지영역(A)의 두께가 비통지영역(B)의 두께보다 크게 하기 위하여, 중앙부의 내경이 양단부의 내경보다 작은 기재(211c)가 채용될 수 있다. 기재(211c)는 중앙부가 내측으로 볼록한 역크라운 형상일 수 있다. 기재(211c)는 중앙부로부터 길이방향으로 양단부로 갈수록 그 내경이 점차 증가하는 형태일 수 있다. 또한, 기재(211c)는 길이방향을 기준으로하여 중앙부로부터 일정 영역, 예를 들어 통지영역(A)과 비통지영역(B)의 경계 부근까지는 내경이 일정하고, 그로부터 양단부를 향하여 내경이 증가하는 형태일 수도 있다. 기재(211c)의 중앙부와 양단부의 외경 차이는 약 0.002~0.5mm 정도일 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.
1...감광드럼 2...대전롤러
4...클리닝부재 5...현상롤러
10......현상기 20...노광기
30...용지이송벨트 40...전사롤러
50...적재대 51...픽업롤러
52...이송롤러 53...배출롤러
200...정착 장치 201...정착 닙
210, 210a, 210c...가열 롤러 211, 211c...기재
212...제1절연층 213...저항 발열층
214...제2절연층(절연 탄성층) 215...이형층
216, 217...전극 220...닙 형성부
230...가압 롤러 240...가압 부재
250...벨트 260...탄성부재
4...클리닝부재 5...현상롤러
10......현상기 20...노광기
30...용지이송벨트 40...전사롤러
50...적재대 51...픽업롤러
52...이송롤러 53...배출롤러
200...정착 장치 201...정착 닙
210, 210a, 210c...가열 롤러 211, 211c...기재
212...제1절연층 213...저항 발열층
214...제2절연층(절연 탄성층) 215...이형층
216, 217...전극 220...닙 형성부
230...가압 롤러 240...가압 부재
250...벨트 260...탄성부재
Claims (17)
- 전류를 공급받아 발열하는 저항 발열층과, 상기 저항 발열층을 지지하는 기재;를 포함하며, 상기 저항 발열층의 단위 길이당 저항은 상기 저항 발열층의 길이방향을 기준으로 하여 양측부가 중앙부보다 작은 가열 롤러;
상기 가열롤러와 대면되어 장착 닙을 형성하는 닙 형성부;를 포함하는 정착 장치. - 제1항에 있어서,
상기 저항 발열층의 양측부의 두께는 상기 중앙부의 두께보다 두꺼운 정착 장치. - 제2항에 있어서,
상기 저항 발열층은 상기 기재의 외주측에 위치되는 정착 장치. - 제3항에 있어서,
상기 기재는 상기 길이방향으로 중앙부의 외경이 양측부의 외경보다 큰 원통형인 정착 장치. - 제2항에 있어서,
상기 저항 발열층은 상기 기재의 내주측에 위치되는 정착 장치. - 제5항에 있어서,
상기 기재는 상기 길이방향으로 중앙부의 내경이 양측부의 내경보다 작은 원통형인 정착 장치. - 제1항에 있어서,
상기 저항 발열층은, 베이스 폴리머와, 상기 베이스 폴리머에 분산되어 전기 전도성 네트워크를 형성하는 전기 전도성 필러를 포함하는 정착 장치. - 가열롤러;
상기 가열롤러와 대면되어 장착 닙을 형성하는 닙 형성부;를 포함하며,
상기 가열 롤러는,
베이스 폴리머와, 상기 베이스 폴리머에 분산되어 전기 전도성 네트워크를 형성하는 전기 전도성 필러를 포함하는 저항 발열층;
상기 저항 발열층을 지지하는 기재;를 포함하며,
상기 저항 발열층은 기록 매체가 통과되는 통지영역과 상기 통지영역의 양측에 위치되며 기록 매체가 통과되지 않는 비통지영역을 포함하며,
상기 비통지영역의 두께는 상기 통지영역의 두께보다 두꺼운 정착 장치. - 제8항에 있어서,
상기 저항 발열층은 상기 기재의 외주측에 위치되며,
상기 기재의 상기 통지영역에 대응되는 영역의 외경은 상기 비통지영역에 대응되는 영역의 외경보다 큰 정착 장치. - 제8항에 있어서,
상기 저항 발열층은 상기 기재의 내주측에 위치되며,
상기 기재의 상기 통지영역에 대응되는 영역의 내경은 상기 비통지영역에 대응되는 영역의 내경보다 작은 정착 장치. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기재와 상기 저항 발열층 사이에는 제1절연층이 마련된 정착 장치. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 롤러는 최외곽층을 형성하는 이형층을 더 구비하는 정착 장치. - 제12항에 있어서,
상기 이형층의 내측에는 제2절연층이 배치되는 정착 장치. - 기록 매체에 가시적인 토너 화상을 형성하는 인쇄유닛;
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 정착 장치;를 포함하는 전자사진방식 화상형성장치. - 제14항에 있어서,
상기 기재와 상기 저항 발열층 사이에는 제1절연층이 마련된 전자사진방식 화상형성장치. - 제14항에 있어서,
상기 가열 롤러는 최외곽층을 형성하는 이형층을 더 구비하는 전자사진방식 화상형성장치. - 제16항에 있어서,
상기 이형층의 내측에는 제2절연층이 배치되는 전자사진방식 화상형성장치.
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