KR20200052764A - 전자선 주사된 불소 수지로 처리된 닙 플레이트를 포함하는 정착 장치 - Google Patents

전자선 주사된 불소 수지로 처리된 닙 플레이트를 포함하는 정착 장치 Download PDF

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KR20200052764A
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이선형
배세철
장재혁
고진규
천용호
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휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피.
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Abstract

전자선으로 표면처리된 불소 수지 필름이 가압 부재의 닙 플레이트의 외부 표면 위에 백업 부재를 향하는 방향으로 부착된 정착 장치 및 이를 채용한 화상형성장치가 개시된다. 상기 정착 장치는 가압 부재와 정착 벨트 사이에서의 마찰에 기인하는 정착 벨트의 마모를 최소화함으로써 연장된 사용 기간 동안 고속 인쇄 및 저에너지 정착 방식에 효율적으로 사용될 수 있다.

Description

전자선 주사된 불소 수지로 처리된 닙 플레이트를 포함하는 정착 장치 {Fixing Device Comprising Nip Plate Treated with Electron Beam Injected Fluorinated Resins}
팩시밀리 머신, 프린터, 및 복사기 등의 전자사진방식 화상형성장치는 화상수용체에 형성된 정전잠상에 토너를 공급하여 화상수용체 상에 가시적인 토너 화상을 형성하고, 이 토너 화상을 기록 매체로 전사한 후, 전사된 토너 화상을 기록 매체에 정착시킨다.
정착 과정은 토너에 열과 압력을 가하는 과정을 수반한다. 통상적으로 정착장치는 서로 맞물려 정착닙을 형성하는 가열 롤러와 가압 롤러를 구비한다. 가열 롤러는 할로겐 램프 등의 히터에 의하여 가열된다. 토너 화상이 전사된 기록 매체는 정착 닙을 통과하면서 열과 압력을 받으며, 이에 의하여 토너 화상이 기록 매체에 정착된다. 고속 인쇄와 저에너지 정착에 대한 요구에 대응하여, 가열 롤러에 비하여 상대적으로 열용량이 작은 정착 벨트가 이용될 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자사진방식 화상형성장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 화상형성장치에 장착될 수 있는 본 개시의 일 실시예에 따른 정착 장치(200)의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 가압 부재 및 금속 브라켓의 상세 단면도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따라 전자선으로 표면처리된 불소 수지 필름이 가압 부재에 부착된 상태를 도시하는 단면도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따라 전자선으로 표면처리된 불소 수지 필름이 가압 부재에 부착되는 다른 상태를 도시하는 단면도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 회전가능한 무단 벨트 형상의 정착 벨트(210)의 단면도이다.
도 7은 비교예 1~2 및 실시예 1에서 얻어진 닙 플레이트의 내마모성을 평가한 결과를 도시한 그래프이다.
도 8은 정착 장치의 인쇄 매수의 증가에 따른 비교예 2~4 및 실시예 1에서 얻어진 가압 부재를 장착한 정착 장치에 걸리는 토크 변화를 평가한 결과를 도시한 그래프이다.
이하, 본 개시의 몇몇 구체적인 실시예들에 따른 정착 벨트, 및 이를 채용한 정착 장치 및 전자사진방식 화상형성장치에 관하여 설명한다.
정착 벨트를 이용하는 정착 방식에서 정착 벨트의 내부에 위치하는 가압 부재와 가압 롤러의 사이에 정착 벨트가 위치하며, 가압 부재와 가압 롤러 사이의 상호 가압에 의해 벨트 정착 닙을 형성한다. 이때, 가압 부재와 정착 벨트가 서로 접촉한 상태에서 정착 벨트가 회전하기 때문에 정착 벨트에 마모가 발생하여 정착 벨트의 사용 수명이 단축되고 정착 성능이 저하될 수 있다.
따라서 가압 부재와 정착 벨트 사이에서의 마찰에 기인하는 정착 벨트의 마모를 최소화함으로써 연장된 사용 기간 동안 고속 인쇄 및 저에너지 정착 방식에 효율적으로 사용될 수 있는 정착 벨트가 요구되고 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 전자사진방식 화상형성장치의 개략적인 구성도이다. 도 1을 참조하면, 화상형성장치, 예를 들면 프린터는, 기록 매체(P), 예를 들어 용지에 가시적인 토너 화상을 형성하는 인쇄유닛(100), 및 토너 화상을 기록 매체(P)에 정착시키는 정착 장치(200)를 구비할 수 있다. 본 실시예의 인쇄유닛(100)은 전자사진방식에 의하여 칼라 토너 화상을 형성한다.
인쇄유닛(100)은 복수의 감광 드럼(1)과, 복수의 현상기(10), 및 용지 이송 벨트(30)를 포함할 수 있다. 감광 드럼(1)은 그 표면에 정전잠상이 형성되는 감광체의 일 예로서, 도전성 금속 파이프와 그 외주에 형성되는 감광층을 포함할 수 있다. 복수의 현상기(10)는 복수의 감광 드럼(1)에 각각 대응되며, 복수의 감광 드럼(1)에 형성된 정전잠상에 토너를 공급하여 현상시킴으로써 복수의 감광 드럼(1)의 표면에 토너화상을 형성한다. 복수의 현상기(10) 각각은 복수의 감광 드럼(1)과 독립적으로 교체될 수 있다. 또한, 복수의 현상기(10) 각각은 감광 드럼(1)을 포함하는 카트리지의 형태일 수 있다.
칼라 인쇄를 위하여, 복수의 현상기(10)는 옐로우(Y), 마젠타(M), 시안(C), 블랙(K) 색상의 토너를 수용하는 복수의 현상기(10Y)(10M)(10C)(10K)를 포함할 수 있다. 상술한 색상 이외에도 라이트 마젠타(light magenta), 백색(white) 등의 다양한 색상의 토너를 수용하는 현상기가 더 설치될 수 있다. 이하에서는 복수의 현상기(10Y)(10M)(10C)(10K)를 구비하는 화상형성장치에 대하여 설명하며, 특별히 다른 언급이 없는 한 참조부호에 Y, M, C, 또는 K가 붙은 경우에는 각각 옐로우(Y), 마젠타(M), 시안(C), 또는 블랙(K) 색상의 토너를 이용하여 화상을 인쇄하기 위한 구성요소를 지칭한다.
현상기(10)는 그 내부에 수용된 토너를 감광 드럼(1)에 형성된 정전 잠상에 공급하여 정전 잠상을 가시적인 토너 화상으로 현상시킨다. 현상기(10)는 현상 롤러(5)를 구비할 수 있다. 현상 롤러(5)는 현상기(10)내의 토너를 감광 드럼(1)으로 공급한다. 현상 롤러(5)에는 현상 바이어스 전압이 인가될 수 있다. 도시되지 않은 규제 부재는 현상 롤러(5)에 의하여 감광 드럼(1)과 현상 롤러(5)가 대면하는 현상영역으로 공급되는 토너의 양을 규제한다.
이성분 현상방식을 채용하는 경우, 현상기(10) 내에는 자성 캐리어 및 토너가 수용될 수 있다. 현상 롤러(5)는 감광 드럼(1)으로부터 수십 내지 수백 미크론 이격하여 위치될 수 있다. 도면에는 도시되지 않았지만, 현상 롤러(5)는 중공 원통형 슬리브 내에 자기 롤러가 배치된 형태일 수 있다. 토너는 자성 캐리어의 표면에 부착된다. 자성 캐리어는 현상 롤러(5)의 표면에 부착되어 감광 드럼(1)과 현상 롤러(5)가 대면하는 현상영역으로 운반된다. 현상 롤러(5)와 감광 드럼(1) 사이에 인가되는 현상 바이어스 전압에 의하여 토너만이 감광 드럼(1)으로 공급되어 감광 드럼(1)의 표면에 형성된 정전잠상을 가시적인 토너화상으로 현상시킨다. 현상기(10)는 토너를 캐리어와 혼합 및 교반하여, 이들을 현상 롤러(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 경우, 현상 롤러(5)는 감광 드럼(1)과 접촉되어 회전될 수 있다. 현상 롤러(5)는 감광 드럼(1)으로부터 수십 내지 수백 미크론 이격되게 위치되어 회전될 수도 있다. 현상기(10)는 토너를 현상 롤러(5)의 표면으로 부착시키는 공급 롤러(미도시)를 더 구비할 수 있다. 공급 롤러에는 공급 바이어스 전압이 인가될 수 있다. 현상기(10)는 교반기(agitator)(미도시)를 더 구비할 수 있다. 교반기는 토너를 교반하여 마찰 대전시킬 수 있다. 교반기는 예를 들어 오거(auger)일 수 있다.
대전 롤러(2)는 감광 드럼(1)이 균일한 표면 전위를 갖도록 대전시키는 대전기의 일 예이다. 대전 롤러(2) 대신에 대전 브러쉬, 코로나 대전기 등이 채용될 수도 있다.
클리닝 블레이드(6)는 전사과정 후에 감광 드럼(1)의 표면에 잔류하는 토너및 이물질을 제거하는 클리닝 수단의 일 예이다. 클리닝 블레이드(6) 대신에 회전하는 브러쉬 등의 다른 형태의 클리닝 장치가 채용될 수도 있다.
위에서 본 개시의 일 실시예에 따른 화상형성장치의 현상방식의 일 예에 대하여 구체적으로 설명하였다. 그러나, 본 개시는 이에 한정되지 않으며, 다양한 현상 방식이 채용될 수 있다.
노광기(20)는 화상정보에 대응하여 변조된 광을 감광 드럼(1Y)(1M)(1C)(1K)에 조사하여 감광 드럼(1Y)(1M)(1C)(1K)에 각각 옐로우(Y), 마젠타(M), 시안(C), 블랙(K) 색상의 화상에 대응되는 정전잠상을 형성한다. 노광기(20)로서 레이저 다이오드를 광원으로 사용하는 LSU(laser scanning unit) 또는 LED(light emitting diode)를 광원으로 사용하는 LED 노광기 등이 사용될 수 있다.
용지 이송 벨트(30)는 기록 매체(P)를 지지하고 이송시킨다. 용지 이송 벨트(30)는 예를 들어 지지 롤러(31)(32)에 의하여 지지되어 순환 주행될 수 있다. 기록 매체(P)는 픽업 롤러(51)에 의하여 적재대(50)로부터 한 장씩 픽업되고, 이송롤러(52)에 의하여 이송되어 용지이송벨트(30)에 예를 들어 정전력에 의하여 부착될 수 있다. 용지이송벨트(30)를 사이에 두고 복수의 감광드럼(1Y)(1M)(1C)(1K)과 대면하는 위치에 복수의 전사롤러(40)가 배치될 수 있다. 복수의 전사 롤러(40)는 복수의 감광드럼(1Y)(1M)(1C)(1K)으로부터 용지 이송 벨트(30)에 지지된 기록 매체(P)로 토너화상을 전사시키는 전사기의 일 예이다. 복수의 전사 롤러(40)에는 기록 매체(P)로 토너화상을 전사시키기 위한 전사 바이어스 전압이 인가된다. 전사 롤러(40) 대신에 코로나 전사기나 핀 스코로트론(pin scorotron) 방식의 전사기가 채용될 수도 있다.
정착 장치(200)는 기록매체(P)로 전사된 화상에 열 및/또는 압력을 가하여 기록 매체(P)에 정착시킬 수 있다. 정착 장치(200)를 통과한 기록매체(P)는 배출 롤러(23)에 의하여 배출된다.
상기한 구성에 의하여, 노광기(20)는 각 색상의 화상정보에 대응하여 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 픽업 롤러(51)와 이송 롤러(52)에 의하여 용지 이송 벨트(30)로 공급되며, 용지 이송 벨트(30) 상에 예를 들어 정전기력에 의하여 유지된다. Y, M, C, K 색상의 토너화상들은 복수의 전사 롤러(40)에 인가되는 전사 바이어스 전압에 의하여 용지 이송 벨트(30)에 의하여 이송되는 기록 매체(P) 상으로 순차로 전사된다. 기록 매체(P)가 정착 장치(200)를 통과하면, 토너화상은 열과 압력에 의하여 기록 매체(P)에 정착된다. 정착이 완료된 기록 매체(P)는 배출 롤러(53)에 의하여 배출된다.
도 1에 도시된 화상형성장치는 복수의 감광 드럼(1Y)(1M)(1C)(1K) 상에 현상된 토너 화상을 용지 이송 벨트(30)에 지지된 기록 매체(P)로 직접 전사하는 방식을 채용하고 있으나, 다른 전사 방식고 가능하다. 예를 들어, 복수의 감광드럼(1Y)(1M)(1C)(1K) 상에 현상된 토너 화상을 중간전사벨트(미도시)로 중간전사하고, 그 후에 다시 기록 매체(P)로 전사하는 방식이 채용될 수도 있다.
단색 화상, 예를 들어 블랙 색상의 화상을 인쇄하는 경우, 화상현상장치는 복수의 현상기(10Y)(10M)(10C)(K) 중에서 현상기(10K)만을 구비할 수 있다. 용지 이송 벨트(30)는 구비될 필요가 없다. 기록 매체(P)는 감광 드럼(1K)과 전사 롤러(40) 사이로 이송되며, 감광 드럼(1K)에 형성된 토너 화상은 전사 롤러(40)에 인가되는 전사 바이어스 전압에 의하여 기록매체(P)로 전사될 수 있다.
정착 장치(200)는 토너 화상에 열과 압력을 가하여 기록 매체(P)에 정착시킨다. 인쇄 속도를 향상시키고 에너지 소모를 줄이기 위하여 정착 장치(200)의 피가열부의 열용량은 작을수록 좋다. 예를 들어, 피가열부로서 얇은 필름 형태의 무단 벨트를 채용한 정착 장치(200)가 채용될 수 있다. 이로서, 정착 장치(200)의 온도를 정착 가능한 온도까지 빠르게 상승시킬 수 있으며, 화상형성장치 전원을 켠 후 빠른 시간 내에 화상형성이 가능한 상태에 도달할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 화상형성장치에 장착될 수 있는 본 개시의 일 실시예에 따른 정착 장치(200)의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 정착 장치(200)는 회전가능한 무단 벨트 형상의 정착 벨트(210), 정착 벨트(210)의 외측에서 정착 벨트(210)와 접촉하도록 배치되어 정착 벨트(210)를 화살표 방향(F)으로 주행시키는 백업 부재(230), 정착 벨트(210)의 내측에 배치된 할로겐 램프와 같은 열원(235), 열원(235)의 하부에 배치되며 열원(235)을 지지하는 금속 브라켓(bracket, 233), 금속 브라켓(233)과 정착 벨트(210)의 사이에 개재하여 열원(235)으로부터의 열과 압력을 정착 벨트(210)로 전달하며 백업 부재(230)와 대향하여 정착 닙(fixing nip; 201)을 형성하는 가압 부재(220)를 구비한다. 도 2에는 도시되어 있지 않지만, 전자선 주사 처리된 불소 수지 필름이 가압 부재(220)의 하부에 부착되어 있다. 예를 들면, 전자선 주사 처리된 불소 수지 필름(도 4의 222)이 닙 플레이트(도 3의 220b)의 외부 표면 위에 백업 부재(230)를 향하는 방향으로 부착되어 있다.
백업 부재(230)는, 예를 들면 백업 롤러, 즉 가압 롤러일 수 있다. 백업 부재(230)는 정착 벨트(210)를 사이에 두고 이와 접촉하도록 배치되어 가압 부재(220)와 상호 가압되어 회전함으로써 정착 벨트(210)를 주행시킬 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 가압 부재(220) 및 금속 브라켓(233)의 상세 단면도이다.
도 3을 참조하면, 가압 부재(220)는 금속 브라켓(233)을 지지하는 내부 홀더(inner holder, 220a) 및 내부 홀더(220a)의 외부 표면 위에 부착된 닙 플레이트(nip plate, 220b)를 구비한다. 닙 플레이트(220b)는 스테인레스 스틸, 니켈 및 알루미늄에서 선택된 금속을 포함할 수 있다. 구체적으로, 닙 플레이트(220b)는 스테인레스 스틸, 니켈 및 알루미늄에서 선택된 금속으로 이루어진 플레이트로 이루어질 수 있다. 내부 홀더(220)는 예를 들면 내열성 유기 폴리머로 수정의 형상으로 성형된 구조물일 수 있다. 내부 홀더(220)는, 예를 들면 도 3에 도시된 바와 같이, 서로 이격된 제1 및 제2 측벽부, 및 상기 제1 및 제2 측벽부를 서로 연결하는 베이스부를 구비할 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따라 전자선 주사 처리된 불소 수지 필름(222)이 가압 부재(220)에 부착된 상태를 도시하는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 내부 홀더(220)의 제1 및 제2 측벽부 중의 적어도 어느 하나의 외측 표면상에 볼록부(221)가 돌출되어 있다. 닙 플레이트(220b)의 내측 표면상의 볼록부(221)에 대응하는 위치에 오목부가 형성되어 있으며, 볼록부(221)가 오목부내에 삽입됨으로써 닙 플레이트(220b)가 내부 홀더(220a)에 결합될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 내부 홀더(220a)의 제1 및 제2 측벽부 중의 적어도 어느 하나의 외측 표면상에 볼록부(221)가 돌출되어 있으며, 닙 플레이트(220b) 및 상기 불소 수지 필름(222)을 관통하는 개구부(A)가 형성되어 있다. 볼록부(221)가 개구부(A)내에 삽입됨으로써 닙 플레이트(220b)가 내부 홀더(220a)에 결합되고, 상기 불소 수지 필름(222)이 닙 플레이트(220b)의 외부 표면 위에 부착될 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 정착 벨트(210)의 내측에는 할로겐 램프와 같은 열원(235)이 배치된다. 정착 벨트(210)의 외측에는 가압 부재(220)와 대향되는 백업 부재(230)가 배치된다. 가압 부재(220)와 백업 부재(230)는 정착 벨트(210)를 사이에 두고 상호 가압된다. 예를 들어, 열원(235)의 상부에는 온도 센서(미도시) 및 써모스탯(미도시)이 설치될 수 있다. 또한, 정착 벨트(210)의 주행방향과 직교하는 열원(235)의 상부에는 가압수단(미도시), 예를 들어 스프링 장치에 의하여 금속 브라켓(233) 및 백업 부재(230)를 향하여 미는 가압력이 인가될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 백업 부재(230)에도 가압수단, 예를 들어 스프링(231)에 의하여 가압 부재(220)를 향하여 미는 가압력이 인가될 수 있다. 백업 부재(230)는 정착 벨트(210)를 주행시킬 수 있다. 예를 들어, 백업 부재(230)는 금속제 코어의 외주에 탄성층이 마련된 백업 롤러 또는 가압 롤러일 수 있다. 백업 부재(230)는 가압 부재(220)와의 사이에 정착 벨트(210)를 개재하고 가압된 상태에서 회전됨으로써 정착 벨트(210)를 주행시킬 수 있다. 가압 부재(220)는 백업 부재(230)와 함께 정착 닙(201)을 형성하고, 정착 벨트(210)가 주행될 수 있도록 안내한다. 정착 닙(201)의 외측에서 정착 벨트(210)가 부드럽게 주행될 수 있도록 안내하는 벨트 가이드(240)가 더 마련될 수 있다. 벨트 가이드(240)는 가압 부재(220)와 일체로 형성될 수 있으며, 가압 부재(220)와는 별도의 부재일 수도 있다.
도 4의 아래쪽에 도시된 도면을 다시 참조하면, 상기한 바와 같이, 도 4는 도 2에 도시된 가압 부재(220)의 다른 실시예를 나타내는 단면도이다. 도 4를 참조하면, 전자선 주사 처리된 불소 수지 필름(222)이 가압 부재(220)의 하부에 부착되어 있다. 예를 들면, 전자선 주사 처리된 불소 수지 필름(222)이 닙 플레이트(220b)의 외부 표면 위에 백업 부재(230)를 향하는 방향으로 부착되어 있다.
상기 전자선 주사 처리된 불소 수지 필름(222)은 테트라플루오로에틸렌과 퍼플루오로에테르의 공중합체(PFA), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 및 테트라플루오로에틸렌과 헥사플루오로프로필렌의 공중합체(FEP)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 1종의 불소 수지를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 불소 수지 필름(222)은 테트라플루오로에틸렌과 퍼플루오로에테르의 공중합체(PFA), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 및 테트라플루오로에틸렌과 헥사플루오로프로필렌의 공중합체(FEP)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 1종의 불소 수지로 이루어진 필름일 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따라 전자선 주사 처리된 불소 수지 필름(222)이 가압 부재(220)에 부착되는 다른 상태를 도시하는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 프라이머 층(224)이 먼저 닙 플레이트(220b)의 외부 표면위에 도포되어 전자선 주사 처리된 불소 수지 필름(222)이 닙 플레이트(220b)에 부착하는 것을 돕는다. 따라서, 닙 플레이트(220b)와 전자선 주사 처리된 불소 수지 필름(222)의 사이에 상기 불소 수지 필름(222)이 닙 플레이트(220b)에 부착하는 것을 돕는 프라이머 층(224)이 개재되어 있다. 프라이머 층(224)이 사용되는 경우, 불소 수지 필름(222)에 개구부(A)를 형성하고 내부 홀더(220)의 볼록부(221)가 개구부(A)에 삽입되는 방식으로 내부 홀더(220a)에 결합시키거나 또는 아래에서 설명하는 산화처리의 필요가 없다. 반대로, 불소 수지 필름(222)에 개구부(A)를 형성하고 내부 홀더(220)의 볼록부(221)가 개구부(A)에 삽입되는 방식으로 내부 홀더(220a)에 결합시키는 경우에는 프라이머 층(224)을 형성할 필요가 없다.
한편, 상기 불소 수지 필름(222)의 닙 플레이트(220b)를 향한 표면(222a)은 산화처리될 수 있다. 상기 불소 수지 필름(222)의 산화처리된 표면(222a)은 프라이머 층(224)과의 접착력이 증가할 수 있다. 즉, 불소 수지 필름(222)의 산화처리된 표면(222a)에서의 물접촉각이 상기 불소 수지 필름(222)의 산화처리되지 않는 표면에서의 물접촉각보다 작거나 같을 수 있다. 산화 처리는 산소 플라즈마 또는 암모니아 플라즈마 처리에 의하여 실시될 수 있다. 상기 불소 수지 필름(222)을 산소 플라즈마 처리하면 불소 수지가 산화되어 필름 표면(222a)에 카르복실기 등과 같은 반응성기가 생성되어 표면의 부착력이 증가할 수 있다. 불소 수지 필름(222)의 두께는 약 10 ㎛ 내지 약 200 ㎛, 예를 들면 약 20 ㎛ 내지 약 180 ㎛, 약 40 ㎛ 내지 약 160 ㎛, 약 60 ㎛ 내지 약 140 ㎛, 약 80 ㎛ 내지 약 120 ㎛, 약 90 ㎛ 내지 약 110 ㎛, 또는 약 100 ㎛일 수 있다.
불소 수지(fluorinated polymer)는 비불소 수지와 비교할 때 낮은 마찰계수, 높은 내후성 및 열안정성을 갖는다. 불소 수지는 화학적으로 안정하고 불활성이며 상대적으로 비반응성이다. 통상의 불소 수지는 선형 분자 구조를 갖지만, 진공 중에서 불소 수지 필름에 전자선을 조사하면 불소 수지의 주쇄 중의 탄소-탄소(C-C) 결합 또는 측쇄기의 탄소-불소(C-F) 공유 결합이 절단될 수 있다. 이후, 절단된 부분들 끼리 재결합함으로써 새로운 공유 결합이 형성됨으로써 결과적으로 선상 분자들 사이에 가교 결합이 형성될 수 있다. 가교 결합의 형성 이외에 트리플루오로메틸(CF3)기를 포함하는 분지가 형성될 수 있다. 가교 결합의 형성에 의하여 불소 수지의 분자량이 전자선 조사전의 불소 수지에 비하여 기하급수적으로 증가하게 된다. 이와 같은 가교 결합에 의하여 불소 수지의 분자량은 기존에 비해 높아지게 되고, 이로 인하여 불소 수지의 기계적 강도가 매우 높아지게 된다. 상온에서 불소 수지 필름에 전자선을 조사하는 것에 비하여 고온에서 불소 수지 필름에 전자선을 조사하면 가교 밀도를 증가시킬 수 있다.
따라서 전자선 주사 처리된 불소 수지 필름(222)이 닙 플레이트(220b)의 외부 표면 위에 백업 부재(230)를 향하는 방향으로 부착되면, 정착 벨트(210)의 슬라이딩성이 향상될 수 있으며, 정착 벨트(210)와 닙 플레이트(220b)의 마찰에 의하여 발생하는 정착 벨트(210)와 닙 플레이트(220b)의 마모량을 최소화할 수 있다.
통상의 벨트 방식 정착 장치에서는 정착 벨트(210)와 접촉하는 가압 부재(220)의 닙 플레이트(220b) 표면에 그리스를 도포하여 정착 벨트 회전시 발생하는 마찰을 최소화한다. 상기 마찰에 의하여 정착 벨트(210) 및 닙 플레이트(220b) 표면에 스크래치와 같은 마모 흔적이 발생할 수 있다. 이 마모에 의하여 발생한 미세한 입자들이 그리스의 성능을 저하시키고 정착 장치의 구동 토크를 증가시키는 문제가 발생할 수 있다. 그러나 본 실시예에서는 상기 불소 수지 필름(222) 위에 그리스를 도포하는 데, 상기 불소 수지 필름(222)의 낮은 마찰 계수 및 높은 강도에 기인하여 정착 벨트(210)와 닙 플레이트(220b)의 마찰에 의하여 발생하는 정착 벨트(210)와 닙 플레이트(220b)의 마모량이 최소화될 수 있다. 따라서 가압 부재(220)의 닙 플레이트(220b)와 정착 벨트(210) 내부의 흑화층(도 6의 214)의 마찰에 의하여 정착 벨트(210) 및 닙 플레이트(220b) 표면에서 발생할 수 있는 스크래치 및 크랙과 같은 마모 흔적 및 이 마모에 의한 미세한 입자 발생 및 정착 벨트 손상이 최소화될 수 있다. 따라서 본 실시예에 의한 정착 장치에서는 마모에 의한 그리스의 성능 저하 및 정착 장치의 구동 토크 증가를 최소화할 수 있으며 정착 장치의 사용 수명을 증가시킬 수 있다. 또한, 정착 벨트(210)의 흑화층(214)이 마모되면 마모된 부분과 마모되지 않은 부분 사이에 복사 가열량의 차이가 발생하고 이로 인하여 정착 벨트(210) 표면에서 온도 편차가 발생하게 되어 정착된 화상에서 광택 편차가 발생하는 원인이 될 수 있다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 회전가능한 무단 벨트 형상의 정착 벨트(210)의 단면도이다.
도 6을 참조하면, 정착 벨트(210)는 회전가능한 무단 벨트 형상의 기재(substrate)층(211)을 포함할 수 있다. 기재층(211)은 스테인레스 스틸, 니켈 및 알루미늄에서 선택된 적어도 1종의 금속을 포함할 수 있다. 예를 들면, 기재층(211)은 스테인레스 스틸, 니켈 및 알루미늄에서 선택된 적어도 1종의 금속으로 이루어진 필름층일 수 있다. 다른 실시예에서, 기재층(211)은 폴리이미드(PI), 폴리아미드(PA), 또는 폴리아미드이미드(PAI 등에서 선택된 적어도 1종의 내열성 및 내마모성이 우수한 수지로 이루어진 필름층일 수 있다. 다른 실시예에서, 기재층(222)은 제1 베이스 수지; 및 제1 베이스 수지 중에 분산된 제1 열전도성 충전제를 포함하는 구조를 가질 수 있다. 제1 베이스 수지는 상기한 적어도 1종의 내열성 및 내마모성이 우수한 수지일 수 있다. 제1 베이스 수지는 이들 폴리머 중의 1종 또는 2종 이상의 블렌드일 수 있다. 이들 폴리머는 정착 온도, 예를 들어 약 120℃ 내지 약 200℃의 온도에서 견딜 수 있는 내열성과 내마모성을 갖는 것일 수 있다. 제1 열전도성 충전제는 카본 블랙, 그래파이트, 보론 나이트라이드(BN), 탄소나노튜브(CNT), 및 탄소 섬유 중에서 선택된 적어도 어느 1종 이상일 수 있다. 제1 열전도성 충전제의 형상은 입자 또는 섬유일 수 있으며, 열전도성을 증가시키기 위한 측면에서는 종횡비가 클수록 유리하다. 예를 들면, 제1 열전도성 충전제는 제1 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 평균 길이 6 ㎛ 이상의 탄소 섬유 30 내지 50 중량부를 포함할 수 있다. 기재층(211)의 내굴곡성을 향상시키기 위해서 제1 열전도성 충전제의 함량은 40 중량부 이하로 조정할 수 있다. 제1 열전도성 충전제는 제1 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 평균 길이 7 ㎛ 이상의 탄소 섬유 30 내지 50 중량부를 포함할 수 있다. 제1 열전도성 충전제는 제1 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 평균 길이 8 ㎛ 이상의 탄소 섬유 30 내지 50 중량부를 포함할 수 있다. 상기 탄소 섬유의 평균 길이의 상한값은 특별히 제한될 필요는 없으나, 상업적 입수가능성에 의하여 제한될 수 있다. 탄소 섬유의 평균 길이의 상한값은 예를 들면 약 100 ㎛ 이하, 구체적으로 약 50 ㎛ 이하, 약 40 ㎛ 이하, 약 30 ㎛ 이하, 약 20 ㎛ 이하, 약 15 ㎛ 이하, 약 14 ㎛ 이하, 약 13 ㎛ 이하, 약 12 ㎛ 이하, 약 11 ㎛ 이하, 또는 약 10 ㎛ 이하일 수 있다. 제1 열전도성 충전제의 함량 및 평균길이를 상기와 같은 범위내에서 조절함으로써 기재층(211)의 두께 방향 열전도도가 1.5 W/mㆍK 이상, 예를 들면 1.8 W/mㆍK 이상이 되게 할 수 있다. 상기 탄소 섬유는 예를 들면 기상 성장 탄소 섬유(VGCF)일 수 있다.
기재층(211)의 두께는 정착 벨트(210)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. 예를 들어, 기재(211)의 두께는 약 30~200㎛일 수 있으며, 구체적으로 약 75~100㎛ 또는 약 50~100㎛일 수 있다.
기재층(211)의 제1 베이스 수지가 폴리이미드인 경우, 기재층(211)은 예를 들면 다음과 같은 방식으로 제조될 수 있다. 우선, 디안하이드라이드 화합물과 디아민 화합물을 반응시켜서 폴리아믹산(polyamic acid)을 얻는다. 사용될 수 있는 디안하이드라이드 화합물의 구체적인 예는 피로멜리틱 디안하이드라이드(PMDA), 3,3',4,4'-비페닐테트라카르복실 디안하이드라이드, 4,4'-헥사플루오로이소프로필리덴 비스(프탈릭 안하이드라이드), 4,4',5,5'-설포닐디프탈릭 안하이드라이드, 3,3'4,4'-벤조페논테트라카르복실릭 디안하이드라이드, 및 3,3'4,4'-옥시디프탈릭 안하이드라이드 등을 포함한다. 사용될 수 있는 디아민 화합물의 구체적인 예는 p-페닐렌 디아민(p-PDA), m-페닐렌 디아민, 4,4'-옥시디아닐린(ODA), 4,4'-메틸렌 디아민, 및 4,4'-디아미노디페닐 설폰 등을 포함한다. 폴리아믹산은 디안하이드라이드 화합물 대 디아민 화합물의 화학양론비를 약 0.9~1 : 약 0.9~1의 범위에서 비교적 저온에서, 예를 들면 상온에서 반응시킴으로써 얻을 수 있다. 이 반응은 예를 들면 디메틸아세트아미드(DMAc) 및 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)과 같은 쌍극자 비양성자성 아미드 용매(dipolar aprotic amide solvents) 중에서 진행될 수도 있다. 다음 단계에서, 폴리아믹산 중에 탄소 섬유와 같은 제1 열전도성 충전제를 롤밀 방식으로 분산하여 분산물을 얻는다. 양자의 양적 관계는 상기한 바와 같은 범위내에서 조정될 수 있다. 분산 방식으로서는 용기내에 밀링 비드와 함께 분산대상물을 넣고 분산 로터를 회전시켜 밀링하는 회전 밀(rotation mill) 방식, 또는 롤밀(roll mill) 방식, 예를 들면 피드 롤, 센터 롤, 및 에이프론 롤의 맞물려 회전하는 3개의 롤을 사용하여 분산대상물을 밀링하는 3 롤밀 방식을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 회전 밀 방식을 이용하는 경우, 밀링 비드에 가해지는 회전력을 너무 강해서 제1 열전도성 충전제의 길이가 짧아지는 경향을 겪을 수 있다. 이 경우 기재층(211) 내에서 도전성 패스 또는 도전성 네트워크를 형성하는 데 불리할 수 있다. 이 경우 기재층(211)의 열전도도를 목적하는 만큼 증가시키는 데 불리할 수 있다. 3 롤밀 방식을 사용하는 경우, 제1 열전도성 충전제에 가해지는 물리력을 최소화함으로써 이의 길이가 짧아지는 현상을 최소화할 수 있어서 기재층(211)의 열전도도 향상에 유리할 수 있다.
계속하여, 위에서 얻어진 분산물을 필름상으로 성형한 후, 이 필름을 약 300℃ 내지 380℃, 예를 들면 약 320℃ 내지 약 370℃, 약 330℃ 내지 약 360℃, 약 340℃ 내지 약 355 ℃, 또는 약 340℃ 내지 약 350℃의 온도 범위에서 가열하여 이미드화 반응을 일으킴으로써 폴리이미드 기재층(211)을 얻을 수 있다.
제1 열전도성 충전제를 포함하는 폴리이미드 기재층(211)을 사용하면 내굴곡성 및 내크랙성이 우수하여 정착 벨트의 사용 수명을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 제1 열전도성 충전제 들이 형성하는 열전도성 패스 또는 네트워크의 효율적인 형성에 의하여 높은 열전도도를 실현할 수 있다.
할로겐 램프를 열원으로 사용하는 정착 벨트 정착 방식에서 기재층(211)은 스테인레스 스틸, 니켈 및 알루미늄에서 선택된 적어도 1종의 금속으로 이루어진 필름층을 사용하는 것이 일반적이다.
정착 벨트(210)의 최외각층은 이형층(213)일 수 있다. 정착 과정에서 기록 매체(P) 상의 토너가 용융되면서 정착 벨트(210)에 부착되는 오프셋(offset) 현상이 발생할 수 있다. 오프셋 현상은 기록 매체(P) 상의 인쇄 화상의 일부가 누락되는 인쇄 불량, 및 정착 닙(201)을 벗어난 기록 매체(P)가 정착 벨트(210)로부터 분리되지 않고 정착 벨트(210)의 외표면에 부착되는 잼(jam)의 원인이 될 수 있다. 이형층(213)은 오프셋 현상을 방지하기 위하여 분리성이 우수한 내열성 수지층일 수 있다. 이형층(213)은 예를 들어 소위 퍼플루오로알콕시(perfluoroalkoxy; PFA)로도 지칭되는 테트라플루오로에틸렌과 퍼플루오로에테르의 공중합체; 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE); 및 FEP(fluorinated ethylene prophylene)로도 지칭되는 테트라플루오로에틸렌과 헥사플루오로프로필렌의 공중합체로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 1종의 불소 수지를 포함할 수 있다. 이들 불소 수지는 1종 단독으로 사용되거나 2종 이상의 블렌드로 사용될 수 있다. 전술한 재료로 된 튜브를 기재층(211)에 씌우거나 또는 전술한 재료를 기재층(211)의 표면에 코팅함으로써 형성될 수 있다. 이형층(213)의 두께는 예를 들어 약 10㎛ ~ 약 30㎛ 또는 약 20㎛ ~ 약 30㎛ 정도일 수 있다. 예를 들면, 이형층(213)은 기재층(211) 또는 탄성층(212) 위에 접착제 또는 프라이머를 도포하고 두께 약 20㎛ ~ 약 30㎛의 불소 수지 튜브를 부착하여 형성될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 개시의 일 실시예에 따른 정착 벨트(210)는 기재층(211)과 이형층(213)의 사이에 개재된 탄성층(212)을 더 포함할 수 있다. 탄성층(212)은 비교적 넓고 평탄한 정착 닙(201)을 용이하게 형성할 수 있게 한다. 탄성층(212)을 구비하는 정착 벨트를 이용하면, 인쇄물의 화상 품질을 향상시키는데 유리하다. 따라서 탄성층(212)을 구비하는 정착 벨트는 칼라 화상 형성용 화상형성장치에 종종 사용된다. 탄성층(212)은 정착 온도에 견딜 수 있는 내열성을 가진 재료로 형성될 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에서, 탄성층(212)은 불소 고무(fluorine-containing rubber), 실리콘 고무, 천연　고무, 이소프렌 고무, 부타디엔 고무, 니트릴 고무, 클로로프렌 고무, 부틸 고무,　아크릴 고무, 히드린 고무, 우레탄 고무, 폴리스티렌계 수지, 폴리올레핀 수지, 폴리염화비닐계 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리에스테르 수지,　폴리아미드 수지, 폴리부타디엔계 수지, 트랜스 폴리이소프렌계 수지, 및 염소화 폴리에틸렌계 수지로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 1종의 탄성 수지를 포함할 수 있다. 예를 들면, 탄성층(212)은 상기한 적어도 1종의 탄성 수지로 이루어진 필름층일 수 있다. 다른 실시예에서, 탄성층(212)은 제2 베이스 수지 및 상기 제2 베이스 수지 중에 분산된 제2 열전도성 충전제를 포함할 수 있다. 제2 베이스 수지는 상기한 적어도 1종의 탄성 수지를 포함할 수 있다. 상기 탄성 수지는 정착 온도, 예를 들어 약 120℃ 내지 약 200℃의 온도에서 견딜 수 있는 내열성과 내마모성을 갖는 탄성 고무 또는 열가소성 엘라스토머일 수 있다. 제2 베이스 수지는 이들 탄성 수지 중의 어느 1종, 또는 2종 이상의 블렌드일 수 있다.
탄성층(212)은 제2 베이스 수지 중에 분산된 제2 열전도성 충전제를 포함할 수 있다. 제2 열전도성 충전제는 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘 나이트라이드(Si3N4), 보론 나이트라이드(BN), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 알루미나(Al2O3), 아연산화물(ZnO), 마그네슘 산화물(MgO), 실리카(SiO2), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 철(Fe), 니켈(Ni), 카본 블랙, 그래파이트, 보론 나이트라이드(BN), 탄소나노튜브(CNT), 및 탄소 섬유 중에서 선택된 적어도 1종일 수 있다. 제2 열전도성 충전제의 형상은 입자 또는 섬유일 수 있으며, 열전도성을 증가시키기 위한 측면에서는 종횡비가 클수록 유리하다. 예를 들면, 내굴곡성 및 열전도성의 측면에서 제2 열전도성 충전제는 제2 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 SiC 60 내지 70 중량부, BN 0 내지 10 중량부, 및 평균 길이 6 ㎛ 이상의 탄소 섬유 0.5 내지 5 중량부, 예를 들면 2 내지 4 중량부 또는 2 내지 3 중량부일 수 있다. 제2 열전도성 충전제는 제2 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 평균 길이 7 ㎛ 이상의 탄소 섬유 0.5 내지 5 중량부, 예를 들면 2 내지 4 중량부 또는 2 내지 3 중량부를 포함할 수 있다. 탄성층(212)의 열전도도를 증가시키기 위해서는 다량의 제2 열전도성 충전제를 혼합해야 한다. 그러나, 제2 열전도성 충전제의 함량이 증가하면, 기재층(211)과 탄성층(212) 사이 및 탄성층(212)과 이형층(213) 사이에서의 접착력이 낮아지거나 탄성층(212) 자체의 결합력이 약해져서 정착 벨트의 사용 수명을 감소시키는 경향이 있다.
예를 들면, 제2 열전도성 충전제는 제2 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 평균 길이 8 ㎛ 이상의 탄소 섬유 0.5 내지 5 중량부, 예를 들면 2 내지 4 중량부 또는 2 내지 3 중량부를 포함할 수 있다. 상기 탄소 섬유의 평균 길이의 상한값은 특별히 제한될 필요는 없으나, 상업적 입수가능성에 의하여 제한될 수 있다. 탄소 섬유의 평균 길이의 상한값은 예를 들면 약 100 ㎛ 이하, 구체적으로 약 50 ㎛ 이하, 약 40 ㎛ 이하, 약 30 ㎛ 이하, 약 20 ㎛ 이하, 약 15 ㎛ 이하, 약 14 ㎛ 이하, 약 13 ㎛ 이하, 약 12 ㎛ 이하, 약 11 ㎛ 이하, 또는 약 10 ㎛ 이하일 수 있다. 제2 열전도성 충전제의 함량 및 평균길이를 상기와 같은 범위내에서 조절함으로써 탄성층(212)의 두께 방향 열전도도가 1.3 W/mㆍK 이상, 예를 들면 1.4 W/mㆍK 이상, 1.5 W/mㆍK 이상, 또는 1.6 W/mㆍK 이상이 되게 할 수 있다. 상기 탄소 섬유는 예를 들면 기상 성장 탄소 섬유(VGCF)일 수 있다.
탄성층(212)의 두께는 정착 벨트(210)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. 예를 들어, 탄성층(212)의 두께는 기록 매체(P)로의 열전달을 고려하여 예를 들면 약 10㎛ ~ 약 300㎛, 구체적으로, 약 50㎛ ~ 약 250㎛, 약 70㎛ ~ 약 200㎛, 약 60㎛ ~ 약 150㎛, 또는 약 70㎛ ~ 약 130㎛, 약 80㎛ ~ 약 120㎛일 수 있다. 제2 열전도성 충전제의 함량 및 평균길이를 상기와 같은 범위내에서 조절함으로써 탄성층(212)의 두께 방향 열전도도가 1.3 W/mㆍK 이상이 되게 할 수 있다. 상기 탄소 섬유는 예를 들면 기상 성장 탄소 섬유(VGCF)일 수 있다.
일 실시예에서, 정착 벨트(210)의 내측에 배치된 열원(235)이 할로겐 램프와 같이 복사선을 발산하여 정착 벨트(210)를 가열하는 방식인 경우, 불소 수지 필름(222)과 접촉하는 기재층(211)의 내측 표면상에는 정착 벨트(210)를 효율적으로 가열하기 위한 흑화층(214)이 배치된다. 흑화층(214)은 열원으로부터의 복사선에 의하여 가열될 수 있는 금속산화물층일 수 있다. 상기 금속산화물은 철산화물, 예를 들면 삼산화철(ferric oxide, Fe2O3)일 수 있다. 흑화층(214)의 두께는 정착 벨트(210)가 열원으로부터 충분히 복사 가열되어 기록 매체(P)로 화상 정착을 위해 요구되는 열이 충분히 전달될 수 있도록 약 1㎛ ~ 약 10㎛, 이 범위내에서 구체적으로, 약 2㎛ ~ 약 8㎛, 또는 더 구체적으로 약 2 ㎛ ~ 약 5 ㎛일 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 개시의 정착 장치(200)에서 정착 벨트(210)와 접촉하는 가압 부재(220), 구체적으로 닙 플레이트(220b)의 표면에는 정착 벨트(210)의 슬라이딩성을 향상시키기 위하여 낮은 마찰 계수 및 높은 강도를 갖는 상기 불소 수지 필름(222)이 부착되어 있기 때문에 정착 벨트(210)와 닙 플레이트(220b)의 마찰에 의하여 발생하는 정착 벨트(210)와 닙 플레이트(220b)의 마모량이 최소화될 수 있다. 따라서 가압 부재(220)의 닙 플레이트(220b)와 정착 벨트(210) 내부의 흑화층(214)의 마찰에 의하여 정착 벨트(210) 및 닙 플레이트(220b) 표면에서 발생할 수 있는 마모 및 이 마모에 의한 미세한 입자 발생 및 크랙 등의 정착 벨트 손상이 최소화될 수 있다. 따라서 본 개시의 정착 장치(200)에서는 마모에 의한 그리스의 성능 저하 및 정착 장치의 구동 토크 증가를 최소화할 수 있으며 정착 장치의 사용 수명을 증가시킬 수 있다. 또한, 본 개시의 정착 장치(200)에서는 흑화층(214)의 마모로 인해 발생하는 온도 편차로 생기는 화상 불량을 효율적으로 방지하여 고성능의 정착 장치(200)를 실현할 수 있다. 정착 벨트(210)의 흑화층(214)이 마모되면 마모된 부분과 마모되지 않은 부분 사이에 복사 가열량의 차이가 발생하고 이로 인하여 정착 벨트(210) 표면에서 온도 편차가 발생하게 되어 정착된 화상에서 광택 편차가 발생하는 원인이 될 수 있다.
가압 부재와 정착 벨트 사이에서의 마찰에 기인하는 정착 벨트의 마모를 최소화함으로써 본 개시에 따른 정착 장치는 연장된 사용 기간 동안 고속 인쇄 및 저에너지 정착 방식에 효율적으로 사용될 수 있다.
이하, 비교예 및 실시예에 의해 본 개시를 더 구체적으로 설명하지만, 이는 예시를 위한 것으로서 본 개시의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
비교예 1
도 3에 도시한 형상의 액정 폴리머(LCP) 수지로 사출 성형된 길이 240 mm 및 폭 22 mm의 내부 홀더 부재(220a) 및 이를 감싸는 스테인레스 스틸(SUS)로 이루어진 두께 0.2 mm의 닙 플레이트(220b)로 이루어진 가압 부재(220)를 준비하였다.
테트라플루오로에틸렌과 퍼플루오로에테르의 공중합체(PFA)의 60% 수성 분산액(제조사: Dupont, 제품명: DuPont™ Teflon® PFA TE-7224)을 준비하였다. 이 PFA 분산액을 닙 플레이트(220b) 표면위에 스프레이 코팅하고 250℃ 내지 350℃의 범위에서 경화하였다. 이에 의하여 두께 약 20㎛의 PFA 코팅을 닙 플레이트(220b) 표면위에 형성하였다.
비교예 2
비교예 1에서 설명한 내부 홀더 부재(220a) 및 이를 감싸는 스테인레스 스틸(SUS)로 이루어진 닙 플레이트(220b)로 이루어진 가압 부재(220)를 준비하였다.
PFA+폴리아미드이미드 수지(PAI) 혼합 코팅액(다이킨사, TCL-7109-611(7109BK))을 준비하였다. 이 코팅액은 PFA:PAI = 1; 1~3 중량비로 혼합한 혼합 수지를 NMP 용매에 용해하여 고형분 약 50 중량%의 PFA+PAI 혼합 코팅액이다. 이 PFA 및 PAI의 혼합 코팅액을 닙 플레이트(220b) 표면위로 스프레이 코팅하고 약 200℃에서 경화하였다. 이에 의하여 두께 약 30㎛의 PFA 및 PAI 블렌드의 코팅을 닙 플레이트(220b) 표면위에 형성하였다.
비교예 3
비교예 1에서 설명한 내부 홀더 부재(220a) 및 이를 감싸는 스테인레스 스틸(SUS)로 이루어진 닙 플레이트(220b)로 이루어진 가압 부재(220)를 준비하였다.
폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 수지 및 평균입경 약 1 ㎛의 폴리페닐렌 설파이드(PPS) 입자가 PTFE 수지: PPS 입자 = 약 80:20 중량비로 물에 분산된 코팅액을 준비하였다. 이 PTFE 수지 코팅액을 닙 플레이트(220b) 표면위로 스프레이 코팅하고 약 200~300℃에서 경화하였다. 이에 의하여 두께 약 30㎛의 PPS +PTFE 수지 코팅을 닙 플레이트(220b) 표면위에 형성하였다.
비교예 4
비교예 1에서 설명한 내부 홀더 부재(220a) 및 이를 감싸는 스테인레스 스틸(SUS)로 이루어진 닙 플레이트(220b)로 이루어진 가압 부재(220)를 준비하였다.
전자선으로 조사된 테트라플루오로에틸렌과 퍼플루오로에테르의 공중합체(PFA)가 물에 분산된 약 60% PFA 코팅액(Dupont사 제조)을 준비하였다. 이 PFA 코팅액을 닙 플레이트(220b) 표면위에 스프레이 코팅하고 250℃ 내지 350℃의 범위에서 경화하였다. 이에 의하여 두께 약 20㎛의 전자선으로 조사된 PFA 코팅을 닙 플레이트(220b) 표면위에 형성하였다.
실시예 1
비교예 1에서 설명한 내부 홀더 부재(220a) 및 이를 감싸는 스테인레스 스틸(SUS)로 이루어진 닙 플레이트(220b)로 이루어진 가압 부재(220)를 준비하였다.
전자선 주사 처리된 두께 약 100㎛의 테트라플루오로에틸렌과 퍼플루오로에테르의 공중합체(PFA) 시트(제조원: 스미토모화학)를 내열성 접착제를 사용하여 닙 플레이트(220b) 표면위에 부착하였다.
도 7은 비교예 1~2 및 실시예 1에서 얻어진 닙 플레이트(220b)의 내마모성을 평가한 결과를 도시한 그래프이다. 이 내마모성 평가는 다음과 같은 방식으로 실시되었다: 코팅층 또는 코팅 필름이 부착된 닙 플레이트(220b) 시편을 각각 고정하였다. 위 시편의 코팅층 또는 코팅 필름 위에 #3000 샌드페이퍼를 놓고 이에 하중 2kg를 가하였다. 상기 샌드페이퍼의 회전 속도를 약 200rpm으로 하고 시간 경과에 따른 마모량을 측정하였다. 도 7에서 예를 들어 회전수 10,000은 회전 속도를 약 200rpm으로 50분 동안 내마모성 시험을 한 것을 의미한다.
도 7의 결과를 참조하면, 비교예 1의 PFA 코팅의 경우 시간 경과에 따라 마모량이 급격히 증가하였다. 비교예 2의 PAI 및 PFA 혼합물 코팅 역시 비교예 1의 PFA 코팅보다는 마모량이 적었으나 시간 경과에 따라 마모량이 많이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 반면, 실시예 1의 전자선 주사 처리된 PFA 필름은 시간 경과에 따라 회전수가 많아져도 거의 마모가 되지 않았다. 따라서 전자선 주사 처리된 PFA 필름이 비교된 다른 재료에 비해 내마모성이 매우 향상된 것을 확인하였다. 따라서 전자선 주사 처리된 불소 수지 필름을 닙 플레이트(220b) 위에 부착하면 닙 플레이트(220b) 마모에 의한 문제를 획기적으로 개선할 수 있다. 또한, 전자선 주사 처리된 불소 수지 필름은 마찰 계수가 정착 벨트 내표면의 삼산화철 흑화층(214)의 마찰계수에 비해 매우 작기 때문에 정착 벨트의 흑화층(214)의 마모도 획기적으로 감소시킬 수 있다.
도 8은 정착 장치의 인쇄 매수의 증가에 따른 비교예 2~4 및 실시예 1에서 얻어진 가압 부재(220)를 장착한 정착 장치에 걸리는 토크 변화를 평가한 결과를 도시한 그래프이다. 상기 정착 장치는 시판의 전자사진방식 레이저 프린터 (제조사:삼성전자, 제품명: M4580)에 장착된 정착 장치이다. 이 토크 측정은 다음과 같은 방식으로 실시되었다: 상기 정착 장치의 구동을 시작하면 정착 장치는 가열되면서 회전한다. 자체 제작한 측정 지그를 사용하여 정착 장치의 모터를 흐르는 전류량을 측정하면 정착 장치의 모터에 걸리는 토크를 산출할 수 있다. 정착 장치가 구동하는 동안 0.5초 마다 전류량을 측정하며, 150초 정도 측정하며 전류량 변화가 안정되는 구간에 도달한다. 이러한 전류량 변화가 안정된 구간에서 정착 장치의 모터에 걸리는 토크의 평균치를 측정하였다.
도 8을 참조하면, 비교예 2의 PAI 및 PFA 혼합물 코팅의 경우 75,000매 이상 인쇄시 급격하게 토크가 증가하기 때문에 75,000매 이상에서는 닙 플레이트(220b)의 PAI 및 PFA 코팅 또는 정착 벨트(210)의 흑화층(214)의 마모에 따른 그리스 성능 저하에 의하여 토크가 증가함을 알 수 있다. 비교예 3의 PPS 섬유 및 PTFE 수지 코팅의 경우 토크가 크게 상승하지는 않지만 토크가 불안정하게 변화하는 것을 알 수 있으며 또한 인쇄 초기 구간의 토크가 매우 높은 것을 알 수 있다. 비교예 4의 전자선으로 조사된 PFA 코팅의 경우 300,000매 이상 인쇄시 토크가 급격히 증가한 것을 알 수 있다. 이는 닙 플레이트(220b) 위의 PFA 코팅 또는 정착 벨트 내표면의 삼산화철 흑화층(214)이 마모되어 그리스의 성능 저하로 인해 토크가 증가하는 것을 의미한다. 반면, 실시예 1의 전자 주사 PFA 필름을 사용한 경우 인쇄 매수가 증가하여도 토크 증가 없이 정착 장치가 안정하게 구동되는 것을 확인할 수 있으며, 초기 인쇄 구간에서의 토크도 역시 상대적으로 낮은 것을 확인할 수 있다. 이상의 결과로부터, 다른 재료에 비해 전자 주사 불소 수지 필름을 닙 플레이트(220b) 위에 부착하여 사용하는 경우 안정한 정착 장치를 구현할 수 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 이에 의하여 닙 플레이트(220b) 및 흑화층(214) 사이의 스크래치성 마모에 의한 정착 벨트의 크랙을 효율적으로 감소시킬 수 있으므로 정착 벨트 정착 장치의 장수명을 실현할 수 있다. 이처럼 정착 벨트의 내표면의 흑화층(214)의 마모가 감소하면, 정착 벨트(210) 표면에서 온도 편차에 의해 화상 불량을 효과적으로 방지할 수 있으므로 화상 품질이 우수한 고성능의 정착 장치를 얻을 수 있다.
이상의 결과로부터, 본 개시에 따른 정착 장치는 가압 부재와 정착 벨트 사이에서의 마찰에 기인하는 정착 벨트의 마모를 최소화함으로써 연장된 사용 기간 동안 고속 인쇄 및 저에너지 정착 방식에 효율적으로 사용될 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
본 개시는 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 개시의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 정착 장치로서,
    회전가능한 무단 벨트 형상의 정착 벨트;
    상기 정착 벨트의 외측에 상기 정착 벨트와 접촉하도록 배치되어 상기 정착 벨트를 주행시키는 백업 부재;
    상기 정착 벨트의 내측에 배치된 열원:
    상기 열원의 하부에 배치되며 상기 열원을 지지하는 금속 브라켓(bracket): 및
    상기 금속 브라켓과 상기 정착 벨트의 사이에 개재하여 상기 열원으로부터의 열과 압력을 상기 정착 벨트로 전달하며 상기 백업 부재와 대향하여 정착 닙(fixing nip)을 형성하는 가압 부재;를 포함하며,
    상기 가압 부재는 상기 금속 브라켓을 지지하는 내부 홀더(inner holder) 및 상기 내부 홀더의 외부 표면 위에 부착된 닙 플레이트(nip plate)를 구비하며,
    전자선으로 표면처리된 불소 수지 필름이 상기 닙 플레이트의 외부 표면 위에 상기 백업 부재를 향하는 방향으로 부착된 정착 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 불소 수지 필름은 테트라플루오로에틸렌과 퍼플루오로에테르의 공중합체(PFA), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 및 테트라플루오로에틸렌과 헥사플루오로프로필렌의 공중합체(FEP)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 1종의 불소 수지를 포함하는 정착 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 닙 플레이트는 스테인레스 스틸, 니켈 및 알루미늄에서 선택된 금속을 포함하는 정착 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 닙 플레이트와 상기 전자선으로 표면처리된 불소 수지 필름의 사이에 상기 불소 수지 필름이 상기 닙 플레이트에 부착하는 것을 돕는 프라이머 층이 개재된 정착 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 불소 수지 필름의 상기 닙 플레이트를 향한 표면이 산화처리됨으로써 상기 불소 수지 필름의 산화처리된 표면에서의 물접촉각이 상기 불소 수지 필름의 산화처리되지 않는 표면에서의 물접촉각보다 작거나 같은 정착 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 내부 홀더는 서로 이격된 제1 및 제2 측벽부, 및 상기 제1 및 제2 측벽부를 서로 연결하는 베이스부를 구비하며, 상기 내부 홀더의 상기 제1 및 제2 측벽부 중의 적어도 어느 하나의 외측 표면상에 볼록부가 돌출되어 있으며, 상기 닙 플레이트의 내측 표면상에 오목부가 형성되어 있으며, 상기 볼록부가 상기 오목부내에 삽입됨으로써 상기 닙 플레이트가 상기 내부 홀더에 결합되는 정착 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 내부 홀더의 상기 제1 및 제2 측벽부 중의 적어도 어느 하나의 외측 표면상에 볼록부가 돌출되어 있으며, 상기 닙 플레이트 및 상기 불소 수지 필름을 관통하는 개구부가 형성되어 있으며, 상기 볼록부가 상기 개구부내에 삽입됨으로써 상기 닙 플레이트가 상기 내부 홀더에 결합되고, 상기 불소 수지 필름이 상기 닙 플레이트의 외부 표면 위에 부착된 정착 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 정착 벨트는 기재층 및 상기 기재층의 외측 표면상에 형성된 이형층을 포함하는 정착 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 정착 벨트는 상기 기재층과 상기 이형층의 사이에 개재된 탄성층을 더 포함하는 정착 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 기재층의 내측 표면상에 형성되어 상기 불소 수지 필름과 접촉하며, 상기 열원으로부터의 복사선에 의하여 가열될 수 있는 금속산화물층을 더 포함하는 정착 장치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 기재층은 스테인레스 스틸, 니켈 및 알루미늄에서 선택된 적어도 1종의 금속을 포함하는 정착 장치.
  12. 제8항에 있어서, 상기 이형층은 테트라플루오로에틸렌과 퍼플루오로에테르의 공중합체(PFA), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 및 테트라플루오로에틸렌과 헥사플루오로프로필렌의 공중합체(FEP)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 1종의 불소 수지를 포함하는 정착 장치.
  13. 제9항에 있어서, 상기 탄성층은 불소 고무(fluorine-containing rubber), 실리콘 고무, 천연　고무, 이소프렌 고무, 부타디엔 고무, 니트릴 고무, 클로로프렌 고무, 부틸 고무,　아크릴 고무, 히드린 고무, 우레탄 고무, 폴리스티렌계 수지, 폴리올레핀 수지, 폴리염화비닐계 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리에스테르 수지,　폴리아미드 수지, 폴리부타디엔계 수지, 트랜스 폴리이소프렌계 수지, 및 염소화 폴리에틸렌계 수지로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 1종의 탄성 수지를 포함하는 정착 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 백업 부재는 백업 롤러인 정착 장치.
  15. 화상형성장치로서, 상기 화상형성장치는
    기록 매체에 가시적인 토너 화상을 형성하는 인쇄 유닛; 및
    상기 토너 화상을 상기 기록 매체에 정착시키는 정착 장치;를 포함하며,
    상기 정착 장치는,
    회전가능한 무단 벨트 형상의 정착 벨트;
    상기 정착 벨트의 외측에 상기 정착 벨트와 접촉하도록 배치되어 상기 정착 벨트를 주행시키는 백업 부재;
    상기 정착 벨트의 내측에 설치된 열원:
    상기 열원의 하부에 위치하며 상기 열원을 지지하는 금속 브라켓(bracket): 및
    상기 금속 브라켓과 상기 정착 벨트의 사이에 개재하여 상기 열원으로부터의 열과 압력을 상기 정착 벨트로 전달함으로써 상기 백업 부재와 대향하여 정착 닙(fixing nip)을 형성하는 가압 부재;를 포함하며,
    상기 가압 부재는 상기 금속 브라켓을 지지하는 내부 홀더(inner holder) 및 상기 내부 홀더의 외부 표면 위에 부착된 닙 플레이트(nip plate)를 구비하며,
    전자선으로 표면처리된 불소 수지 필름이 상기 닙 플레이트의 외부 표면 위에 상기 백업 부재를 향하는 방향으로 부착된 정착 장치인,
    화상형성장치.
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