KR20210088328A - 정착 벨트와 가압 부재 사이의 마찰 저감을 위한 습동층 - Google Patents

정착 벨트와 가압 부재 사이의 마찰 저감을 위한 습동층 Download PDF

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KR20210088328A
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이선형
배세철
장재혁
고진규
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휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피.
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Abstract

인쇄 용지에 형성된 화상을 정착시키기 위한 정착 장치가 개시된다. 본 정착장치는 축 회전하는 가압 롤러, 가압 롤러로부터 회전력을 전달받아 회전하는 정착 벨트 및 정착 벨트의 내측에서 가압 롤러 쪽으로 가압하여 정착 벨트와 가압 롤러 사이에 인쇄 용지가 물리는 닙(nip)을 형성하는 가압 부재를 포함하고, 정착 벨트 내면 혹은 가압 부재 표면에는, 정착 벨트와 가압 부재 사이의 마찰 저감을 위한 습동층 및 습동층을 정착 벨트의 내면 혹은 가압 부재 표면에 접착시키기 위한 접착층이 형성되어 있다.

Description

정착 벨트와 가압 부재 사이의 마찰 저감을 위한 습동층 {sliding layer for reducing friction between fusing belt and pressing member thereof}
화상형성장치는 컴퓨터와 같은 인쇄 제어 단말장치에서 생성된 인쇄 데이터를 인쇄 용지에 인쇄하는 장치를 의미한다. 이러한 화상형성장치의 예로는 복사기, 프린터, 팩시밀리 또는 이들의 기능을 하나의 장치를 통해 복합적으로 구현하는 복합기(Multi-Function Peripheral: MFP) 등을 들 수 있다.
도 1은 가열 롤러 방식의 정착 장치의 일 예의 횡단면을 나타낸 도면,
도 2는 정착 벨트 방식의 정착 장치의 일 예의 횡단면을 나타낸 도면,
도 3은 정착 벨트 방식의 정착 장치에서 사용될 수 있는 정착 벨트의 일 예의 단면도를 도시한 도면,
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 정착 벨트 방식의 정착 장치의 구성들을 설명하기 위한 도면,
도 5는 정착 벨트 방식의 정착 장치에서 발생할 수 있는 정착 벨트 내면의 스크레치성 마모를 나타낸 이미지,
도 6은 별도의 접착층 없이 습동층이 코팅된, 본 개시의 일 실시 예에 따른 정착 벨트 및 가압 부재를 설명하기 위한 도면,
도 7은 접착층을 통해 습동층이 코팅된, 본 개시의 또 다른 실시 예에 따른 정착 벨트 및 가압 부재를 설명하기 위한 도면, 그리고
도 8은 본 개시의 다양한 실시 예에 따른 정착 장치의 인쇄 매수에 따른 토크 변화를 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 다양한 실시 예들을 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시 예들은 여러 가지 상이한 형태로 변형되어 실시될 수도 있다. 실시 예들의 특징을 보다 명확히 설명하기 위하여 이하의 실시 예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려져 있는 사항들에 관해서 자세한 설명은 생략한다.
한편, 본 명세서에서 어떤 구성이 다른 구성과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’되어 있는 경우뿐 아니라, ‘그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결’되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성이 다른 구성을 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 그 외 다른 구성을 제외하는 것이 아니라 다른 구성들 더 포함할 수도 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 “화상형성장치”란 컴퓨터와 같은 단말장치에서 생성된 인쇄 데이터를 기록 용지에 인쇄하는 장치를 말한다. 이러한 화상형성장치의 예로는 복사기, 프린터, 팩시밀리 또는 이들의 기능을 하나의 장치를 통해 복합적으로 구현하는 복합기(multi-function printer, MFP)등을 들 수 있다.
화상형성장치는 현상 장치, 전사 장치, 정착 장치를 포함할 수 있다. 현상 장치는 인쇄 용지에 화상을 형성하기 위한 구성이다. 현상 장치는 정전잠상이 형성된 감광체에 현상제, 즉, 토너를 공급하여 화상을 형성한다. 전자 장치는 감광체에 형성된 화상을 인쇄 용지로 전사시킨다. 인쇄 용지로 전사된 화상은 정착 장치를 지나면서 인쇄 용지에 고정될 수 있다.
정착 장치에는 여러 종류가 있다. 예컨대, 가열 롤러 방식의 정착 장치와 정착 벨트 방식의 정착 장치 등이 있다. 이하에서 정착 장치의 다양한 예시에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 가열 롤러 방식의 정착 장치의 일 예시의 횡단면을 나타낸 도면이다.
도 1을 참고하면, 정착 장치(100)는 내부에 가열원을 가지는 가열 롤러(110) 및 가열 롤러(110)에 압접하게 배치되어 닙(Nip)을 형성하는 가압 롤러(120)를 포함할 수 있다.
가열 롤러(110)는 가열원(10) 및 원통형 기재(substrate)(11)의 외부 면에 배치된 이형층(release layer)(13)을 포함할 수 있다. 기재(11)와 이형층(13) 사이에 내열성이 강한 탄성층(12)이 더 배치될 수 있다. 내열성이 있는 탄성층(12) 없이 이형층(13)만 형성시키는 것도 가능하다.
기재(11)는 알루미늄 심금(metal core)으로 형성될 수 있고, 알루미늄 심금의 중공 내부에 가열원(10)이 배치될 수 있다. 가열원(10)은 가열 롤러(110)의 회전축과 거의 같은 위치에 배치될 수 있다. 가열원(10)은 할로겐 램프 등을 이용할 수 있고, 가열 롤러(110)는 가열원(10)으로부터의 열에 의하여 가열될 수 있다.
가압 롤러(120)는 심금(20)의 외부 면에 내열성 탄성층(21) 및 내열성 수지피막 또는 내열성 고무피막 등의 이형층(22)을 포함할 수 있다.
가열 롤러(110)와 가압 롤러(120) 중 어느 하나의 롤러가 회전 구동하며, 이 구동에 의한 다른 롤러도 회전하고, 두 롤러의 회전에 의해 인쇄 용지(P)의 이송이 가능하게 되며, 인쇄 용지(P)에 가열 및 가압을 동시에 전달하는 것이 가능하다.
가열 롤러(110)와 가압 롤러(120)의 압접부인 닙에 인쇄 용지(P)를 도입시켜 인쇄 용지(P)에 있는 미 정착 화상을 가열 롤러(110)의 열에 의하여 연화시키고 가압 롤러(120)와 가열 롤러(110)의 압접에 의해 가압하여, 인쇄 용지에 정착시킬 수 있다.
이러한 가열 롤러 방식의 정착 장치(100)에 있어서 가열 롤러(110)는 보통 0.6t이상의 중공 알루미늄 파이프를 기재(11)로서 사용하는데, 알루미늄 파이프는 열 용량이 커서 인쇄 용지(P)에 화상을 정착시키기 위해 필요한 온도까지 가열하는데 시간이 많이 필요하여, 신속한 가열(quick-heating)이 불가능한 문제점이 있으며, 가열 롤러(110) 본체 자체를 가열해야 하므로, 열 손실 문제점 및 열 용량이 많아 효율이 낮은 문제점이 있다.
이러한 문제점을 보완하기 위해 제안된 것이 정착 벨트 방식의 정착 장치로, 정착 벨트 방식은 가열 롤러 본체를 가열하는 대신에, 열 용량이 작은 벨트를 가열함으로써 열 손실을 줄일 수 있다.
도 2는 정착 벨트 방식의 정착 장치의 일 예의 횡단면을 나타낸 것이다.
도 2를 참고하면, 정착 장치(200)는 정착 벨트(210)와, 정착 벨트(210)의 내부에 배치된 가압 부재(220), 정착 벨트를 가압하는 금속 브라켓(240) 및 히터(230), 그리고 가압 롤러(250)와, 전력 공급 차단을 위한 온도 센서(260) 및 서모스탯(thermostat)(270)을 포함할 수 있다. 실시 형태에 따라 구성들 중 일부는 생략될 수 있고, 도시되지 않았더라도 당업자에게 자명한 수준의 구성들이 정착 장치(200)에 추가로 포함될 수 있다.
가압 부재(220)는 정착 벨트(210) 내측에 배치되어 정착 벨트(210)와 접촉하며, 정착 벨트(210)를 가압 롤러(250) 쪽으로 가압하기 위한 구성이다.
가압 부재(220)는 정착 벨트(210)를 내부에서 가압할 수 있는 구조라면 어떠한 구조라도 가능하나, 일 예에 따르면 도 1에 도시된 것과 같이, 실질적으로 가압은 금속 브라켓(240)에 가해지고 금속 브라켓(240)에 의해 가압 부재(220)가 정착 벨트(210)를 가압 롤러(250) 쪽으로 가압하는 구조일 수 있다.
정착 벨트(210)를 사이에 두고 가압 부재(220)와 가압 롤러(250) 간의 상호 가압에 의해 인쇄 용지(P)가 물리는 닙(Nip)이 형성된다. 이와 같이 닙을 형성하는 정착 벨트 방식에서의 닙의 폭은 가열 롤러 방식에서 형성되는 닙의 폭보다 넓고 평탄하다.
가압 롤러(250)는 축 회전을 하며, 정착 벨트(210)는 가압 롤러(250)로부터 회전력을 전달받아 회전할 수 있고, 이에 따라 인쇄 용지(P)도 이동하게 된다.
히터(230)는 정착 벨트(210)의 회전의 중심부에 위치할 수 있다. 히터(230)로는 할로겐 램프 등을 사용할 수 있다. 히터(230)로부터의 복사열에 의해 정착 벨트(210)가 가열되고, 정착 벨트(210)로부터의 전도열에 의해 닙에서 인쇄 용지(P)에 있는 미 정착 화상이 열에 의하여 연화되고 정착 벨트(210)와 가압 롤러(250)의 압접에 의해 가압되어 인쇄 용지(P)에 정착될 수 있다.
온도 센서(260)는 히터(230)의 온도를 검출하기 위한 구성이다. 히터(230)의 온도가 정착 가능한 범위 이하로 낮아지면 히터(230)에 전원이 공급되어 히터(230)의 온도를 정착 가능한 범위로 상승시킬 수 있다. 서모스탯(270)은 정착 벨트(210)의 상태에 따라 히터(230)로의 전력 공급을 차단할 수 있다. 서모스탯(270)은 바이메탈을 가지며, 바이메탈의 온도가 임계 값 이상인 경우에 히터(230)로의 전력 공급이 차단될 수 있다.
도 3은 상술한 것과 같은 정착 벨트 방식의 정착 장치에서 사용될 수 있는 정착 벨트(210)의 일 예의 단면도를 도시한 것이다.
도 2와 도 3을 함께 참고하면, 정착 벨트(210)는 원통 형태의 무단 벨트(endless belt)일 수 있다. 정착 벨트(210)는 히터(230)로부터의 복사열에 의해 가열이 용이하도록 내측에 흑화층(blackened layer)(211)을 포함할 수 있다. 흑화층(211)은 기재층(213)을 산화시켜 형성된 것일 수 있다. 예컨대, 흑화층(211)은 Fe4O3 일 수 있다.
정착 벨트(210)는 도 3에 도시된 바와 같이 기재층(213) 및 이형층(217)을 포함할 수 있고, 인쇄물의 화상 품질을 향상 시키기 위해서 기재층(213)과 이형층(217) 사이에 탄성층(215)을 배치하여 비교적 넓고 평탄한 닙을 형성할 수도 있다.
기재층(213)은 폴리이미드 (PI, Polyimide), 폴리아미드 (PA, Polyamide), 폴리아미드이미드 (PAI, Polyamideimide) 등의 내열성 수지 또는 스테인레스 (SUS), 니켈(Ni) 등의 금속으로 형성될 수 있고, 두께는 30~200 ㎛, 또는 바람직하게는 50~100 ㎛일 수 있다.
기재층(213) 위에 피복된 이형층(217)은 불소 수지, 예를 들면 퍼플루오로알콕시 불소수지　(Perfluoroalkoxy, PFA), 폴리테트라플루오로에틸렌 (Polytetrafluoroethylene, PTFE), 4불화 에틸렌과 6불화 에틸렌의 공중합체 (Fluorinated ethylene　propylene, FEP)등일 수 있고, 두께는 10~30 ㎛ 일 수 있다.
탄성층(215)은 불소 고무나 실리콘 고무, 천연　고무, 이소프렌 고무, 부타디엔 고무, 니트릴 고무, 클로로프렌 고무, 부틸 고무,　아크릴 고무, 히드린 고무, 우레탄 고무와 같은 각종 고무 재료나, 스틸렌계, 폴리올레핀계, 폴리 염화 비닐계, 폴리우레탄계, 폴리에스테르계,　폴리아미드계, 폴리부타디엔계, 폴리이소프렌계, 염소화 폴리에틸렌계 등의 각종　열가소성 엘라스토머 등의 탄성 재료 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 탄성층(215)의 두께는 인쇄 용지로의 열 전달을 고려하여 100~300 ㎛으로 하는 것이 바람직하다.
도 4는 정착 벨트(210)의 내부에 배치되는 구성들을 좀 더 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 도 4를 도 2와 함께 참고하면, 도 4의 왼쪽은 정착 벨트(210) 내부에 배치되는 가압 부재(220) 및 금속 브라켓(240)의 개략도이고, 도 4의 오른쪽은 일 구현 예에 따른 가압 부재(220)의 실제 형상을 촬영한 사진이다.
도 4를 참고하면, 가압 부재(220)는 내부 홀더(inner holder)(221) 및 플레이트-닙(plate-nip)(223)로 구성될 수 있다. 플레이트-닙(223)이 정착 벨트(210)의 내면과 맞닿게 된다.
내부 홀더(221)는 내열성 수지인 LCP (Liquid Crystal Polymer), PEEK (polyetheretherketone), PPS (Polyphenylene Sulfide) 등으로 제작할 수 있다. 플레이트-닙(223)은 SUS, 알루미늄 등의 금속으로 제작할 수 있고, 두께는 0.1~0.5t일 수 있다.
도 4에서 도시된 예에서는 가압 부재(220)가 내부 홀더(221)와 플레이트-닙(223) 두 개의 부재로 구성되는 것으로 나타내어져 있으나, 하나의 부재로 형성되는 것도 가능하다.
정착 벨트 방식의 정착 장치에서는, 가압 부재와 정착 벨트의 내부가 서로 접촉하며 회전하므로 두 부재 간에 마모가 발생하여 수명 및 성능에 문제가 될 수 있다.
구체적인 예로, 가압 부재와 정착 벨트의 내부 흑화층 간의 마찰에 의해 가압 부재 및 정착 벨트 내부 면에 스크레치성 마모가 선형(line)으로 발생할 수 있고(도 5 참조), 이는 계속된 사용에 의해 정착 벨트에 크랙이 발생하게 하여 결국에는 정착 벨트가 파손되는 문제점이 있다.
한편, 가압 부재와 정착 벨트의 회전 시 마찰력을 최소화하기 위해 가압 부재에 습동성(slidability) 향상을 위한 코팅층을 형성하고 윤활제를 도포할 수 있다. 하지만 가압 부재와 정착 벨트의 내부 흑화층 간의 마찰에 의해 정착 벨트 및 가압 부재의 코팅면에 스크레치성 마모가 발생하고, 이 마모에 의한 분진이 윤활제의 성능을 떨어지게 하고, 계속된 사용으로 결과적으로 정착 장치의 구동 토크(torque)를 증가시키는 문제점이 있다. 특히, 정착 벨트 내면의 흑화층의 스크레치성의 마모가 발생되는 부분의 복사 편차가 발생하고 되고 이로 인해 정착 벨트에서의 온도 편차가 발생하게 되어, 이는 화상에서 광택 편차를 발생시키는 원인이 된다.
따라서 정착 벨트 방식의 정착 장치에서는, 가압 부재와 정착 벨트의 내부면 간의 마모를 최소화하는 것이 중요하다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 정착 벨트의 내면 및/또는 가압 부재 표면에 마찰력 저감을 위한 코팅층이 형성될 수 있다. 이러한 코팅층을 습동층(sliding layer)으로 명명할 수 있다. 습동층이 형성된 정착 벨트와 가압 부재의 예시적 구조는 도 6에 도시하였다.
도 6의 (a)는 본 개시의 또 다른 실시 예에 따른 정착 벨트(210)이며 도 6의 (b)는 본 개시의 또 다른 실시 예에 따른 가압 부재(220)를 도시한 것이다.
도 6의 (a)를 참고하면, 정착 벨트(210)는 기재층(213) 및 이형층(217)을 포함하고, 기재층(213)과 이형층(217) 사이에 탄성층(215)이 배치될 수 있다. 기재층(213), 탄성층(215) 및 이형층(217)에 대해선 도 3에 대한 설명에서 상술하였으므로 반복 설명은 생략한다.
특히, 본 실시 예에 따른 정착 벨트(210)는 내면에 습동층(60a)이 형성되어있을 수 있다. 습동층(60a)은 가압 부재(220)와의 마찰 저감을 위한 기능을 한다.
도 6의 (b)를 참고하면, 정착 벨트(210)와 맞닿게 되는 가압 부재(220)의 표면에는 정착 벨트(210)와의 마찰 저감을 위한 습동층(60b)이 형성될 수 있다. 도 6의 (b)의 가압 부재(220)는 도 4에서 설명한 것과 같이 내부 홀더와 플레이트 닙으로 구성될 수 있고, 습동층(60b)은 플레이트 닙 상에 형성될 수 있다.
습동층(60a, 60b)은 예를 들면, 폴리이미드(또는 폴리아미드이미드)의 전구체인 폴리아믹산(polyamic acid)용액에 내윤활 유기물 입자를 분산시킨 코팅액을 도포하고 열처리하여 이미드화 반응을 통해 폴리이미드(또는 폴리아미드이미드)가 형성될 때 접착하는 성질을 이용하여 형성될 수 있다. 이 경우 별도의 접착층이 요구되지 않아 습동층(60a, 60b)은 얇게 형성될 수 있다. 습동층(60a, 60b)의 두께는 10~50㎛일 수 있다. 여기서 내윤활 유기물 입자는 퍼플루오로알콕시 불소수지(Perfluoroalkoxy, PFA) 입자, PEEK(polyetheretherketone) 입자, 카본(Carbon) 입자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고 습동층(60a, 60b)의 두께는 1 내지 50㎛일 수 있으며, 습동층(60a, 60b)은 검정색으로, 히터(230)로부터의 복사열을 흡수하는 흑화층 역할을 할 수 있다.
도 6을 참고하여 설명하는 본 실시 예에서 습동층은 정착 벨트(210)와 가압 부재(220) 둘 다에 형성될 수도 있고, 정착 벨트(210)와 가압 부재(220) 중 어느 하나에만 형성되도록 할 수도 있다.
도 7은 본 개시의 또 다른 실시 예에 따른 정착 벨트(210) 및 가압 부재(220)를 설명하기 위한 도면이다.
본 실시 예는 습동층(70a, 70b)이 접착층(72a, 72b)에 의해 접착되어 있다는 점에서 도 6에서 설명한 실시 예와 차이가 있으며, 이하 좀 더 구체적으로 설명하겠지만 습동층(70a, 70b)에 폴리이미드 성분이 불포함되어 있다는 점에서도 도 6에서 설명한 실시 예와 차이가 있다.
구체적으로, 도 7의 (a)를 참고하면, 본 실시 예에 따른 정착 벨트(210)는 기재층(213) 및 이형층(217)을 포함하고, 기재층(213)과 이형층(217) 사이에 탄성층(215)이 배치될 수 있다. 기재층(213), 탄성층(215) 및 이형층(217)에 대해선 도 3에 대한 설명에서 상술하였으므로 반복설명은 생략한다.
그리고, 기재층(213)의 안쪽 표면에 접착층(72a)이 형성되고, 그 위에 습동층(70a)이 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 기재층(213)의 내면 상에 흑화층(미도시)이 코팅되어 있고, 흑화층 상에 접착층(72a)이 형성되고, 접착층(72a) 상에 습동층(70a)이 형성될 수 있다. 흑화층은 기재층(213)을 산화시켜 형성될 수 있고, 예컨대 흑화층은 Fe4O3 일 수 있다. 또 다른 실시 예에 따르면, 흑화층은 생략될 수 있다. 즉, 기재층(213)의 내면에 접착층(72a)이 형성되고, 그 위에 습동층(70a)이 형성될 수 있다.
도 7의 (b)를 참고하면, 정착 벨트(210)와 맞닿는 가압 부재(220)의 면 상에 접착층(72b)이 형성되고, 그 위에 습동층(70b)이 형성될 수 있다. 도 7의 (b)의 가압 부재(220)는 도 4에서 설명한 것과 같이 내부 홀더와 플레이트 닙으로 구성될 수 있고, 접착층(72b)과 습동층(70b)은 플레이트 닙 상에 형성될 수 있다.
접착층(72a, 72b)은 습동층(70a, 70b)을 접착면에 접착시키기 위한 구성으로서 적절한 접착력이 있는 어떠한 물질이라도 사용될 수 있다.
접착층(72a, 72b)의 두께는 1~20㎛일 수 있다.
본 실시 예에 따르면, 습동층(70a, 70b)은 정착 벨트(210)와 가압 부재(220) 사이의 마찰 저감을 위한 층으로서, 내마모성 수지 입자를 접착층(72a, 72b)에 분사한 후 열처리하여 형성될 수 있다. 예컨대 물 또는 유기 용매에 내마모성 수지 입자를 분산시켜 제작한 용액을 접착층(72a, 72b)위에 스프레이 도포 방식으로 도포하고 열처리하면, 용매는 증발되고 내마모성 입자들끼리 녹아 서로 엉겨붙어 습동층(70a, 70b)이 형성될 수 있다.
여기서 내마모성 수지 입자는, 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone, PEEK)으로 구성될 수 있다.
또 다른 실시 예에 따르면, 내마모성 수지 입자는, 폴리에테르에테르케톤( PEEK) 및 퍼플루오로알콕시 불소수지(Perfluoroalkoxy, PFA)으로 구성되거나, 또는 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)으로 구성될 수 있다.
습동층(70a, 70b)에서, 퍼플루오로알콕시 불소수지(PFA) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)의 함량은 0 내지 50wt%일 수 있다. 너무 많은 함량으로 포함되면 습동층(70a, 70b)의 마모가 쉬우므로, 0 내지 50wt%가 바람직하다.
그리고 습동층(70a, 70b)의 두께는 1 내지 50㎛일 수 있다. 두꺼우면 두꺼울수록 좋지만, 정착성 및 열효율 측면에서 불리하기 때문에 1 내지 50㎛가 바람직하다.
그리고 습동층(70a, 70b)은 검정색으로, 히터(230)로부터의 복사열을 흡수하는 흑화층 역할을 할 수 있다.
접착층과 습동층은 정착 벨트(210)와 가압 부재(220) 둘 다에 형성될 수도 있고, 정착 벨트(210)와 가압 부재(220) 중 어느 하나에만 형성되도록 할 수도 있다. 접착층과 습동층이 정착 벨트(210)와 가압 부재(220) 둘 다에 형성된 경우, 가압 부재(220) 상에 형성된 습동층과 정착 벨트(210) 내면에 형성된 습동층은 서로 같은 재질일 수 있다. 또는 각각이 다른 재질로 형성되는 것도 가능하다.
도 6을 참고하여 설명한 실시 예와 비교하였을 때, 도 7을 참고하여 설명하는 본 실시 예는 폴리이미드가 아닌 별도의 접착층을 이용하여 습동층을 접착하므로, 접착력이 더 강하고, 또한 폴리이미드보다 습동성이 더 좋은 PEEK, PFA, PTFE 등의 내마모성 수지 입자가 더 많은 비율로 습동층에 포함되기 때문에 정착 벨트와 가압 부재 간 마찰력이 더 감소될 수 있다.
상술한 실시 예들에서와 같이 정착 벨트와 가압 부재가 서로 접촉하는 면에 습동층을 배치함으로서 정착 벨트 회전 시 마찰력을 최소화할 수 있으며 정착 벨트와 가압 부재의 마모량을 최소화하여 윤활제의 성능 저하를 줄일 수 있고, 이에 따라 회전 토크 증가 및 크랙 발생을 방지하여 정착 벨트 방식의 정착 장치의 장수명을 실현할 수 있으며, 정착 벨트 내부의 마모로 인해 발생하는 온도 편차로 생기는 화상 불량을 방지할 수 있다.
마찰력 평가를 위해 다양한 구조의 정착 벨트의 제작하여 성능을 평가한 것을 표 1 내지 표 4에 나타내었다. 표 1 내지 표 2는 윤활제가 있는 경우이며, 표 3 내지 표 4는 윤활제가 없는 경우의 결과이다.
구체적으로, 표 1은 내면에 흑화층을 갖는 정착 벨트 및 내면에 접착제 없이 습동층이 코팅된 정착 벨트에 대해 원주 방향으로의 마찰계수를 측정한 결과이다. 흑화층을 갖는 정착 벨트에 있어서 흑화층에 존재하는 흑화 결정 사이즈 크기가 10㎛이상을 갖는 흑화층은 결정사이즈 대, 흑화 결정 사이즈 크기가 1~10㎛로 분포하는 흑화층은 결정사이즈 중, 흑화 결정 사이즈 크기가 1㎛이하을 갖는 흑화층은 결정사이즈 소로 분류했다. 내면에 습동층이 코팅된 정착 벨트는, 폴리이미드(PI) 전구체 용액에 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 입자와 퍼플루오로알콕시 불소수지(PFA) 입자를 분산시킨 용액을 도포하고 열처리하여 그 결과로 폴리이미드가 형성되면서 이의 접착력에 의해 코팅이 된 것이다. 이를 PI+PEEK+PFA로 나타내었다.
표 2는 표 1과 동일하게 내면에 흑화층을 갖는 정착 벨트 및 내면에 습동층이 코팅이 된 정착 벨트에 대해 길이 방향으로의 마찰계수를 측정한 결과이다.
표 1과 표 2에서 마찰계수 측정을 위한 상대물은 폴리이미드 전구체 용액에 퍼플루오로알콕시 불소수지(PFA) 입자를 분산한 것을 코팅액으로 하여 열처리하여 코팅한 SUS이다. 표 1과 표 2는 상대물과 정착 벨트 내면 간의 마찰 계수 측정 시 윤활제를 도포하고 측정한 결과이다.
표 1과 표 2에서 알 수 있듯이 원주 방향 및 길이 방향에 대한 정착 벨트 내면의 마찰계수는 흑화층이 갖는 흑화 결정 사이즈에 영향을 받는 것을 알 수 있으며, 흑화 결정 사이즈가 작으면 작을수록 낮아지는 것을 알 수 있으며 사이즈가 작아지면 표면 조도가 낮아져서 윤활제의 막이 균일하게 형성되어 마찰계수가 낮아지는 것으로 판단된다. 반면, 내면을 PI+PEEK+PFA 습동층으로 코팅한 정착 벨트의 마찰계수는 제일 낮은 것을 확인 할 수 있으며, 흑화 결정은 보통 Fe4O3로 산화 금속물에 비해 유기물의 마찰계수가 낮은 것과 조도가 낮아 윤활제의 윤활 효과가 높은 것에 의한 것으로 판단된다.
Sample 최대하중
(Kgf) 		최소하중
(Kgf) 		평균하중
(Kgf) 		최대
마찰계수 		최소
마찰계수 		평균
마찰계수
흑화 결정
사이즈 대 		1.71 1.43 1.53 0.34 0.29 0.30
흑화 결정
사이즈 중 		1.08 0.99 1.04 0.22 0.20 0.21
흑화 결정
사이즈 소 		0.97 0.82 0.88 0.19 0.16 0.18
습동층
(PI+PEEK+PFA) 		0.58 0.48 0.53 0.12 0.10 0.11
Sample 최대하중
(Kgf) 		최소하중
(Kgf) 		평균하중
(Kgf) 		최대
마찰계수 		최소
마찰계수 		평균
마찰계수
흑화 결정
사이즈 대 		1.77 1.50 1.58 0.35 0.30 0.31
흑화 결정
사이즈 중 		1.18 1.09 1.14 0.24 0.22 0.23
흑화 결정
사이즈 소 		1.00 0.81 0.88 0.20 0.16 0.18
습동층
(PI+PEEK+PFA) 		0.64 0.54 0.59 0.13 0.11 0.12
표 3은 내면에 흑화층을 갖는 정착 벨트 및 내면에 접착제 없이 습동층이 코팅된 정착 벨트에 대해 원주 방향으로의 마찰계수를 측정한 결과이다. 흑화층을 갖는 정착 벨트에 있어서 흑화층에 존재하는 흑화 결정 사이즈 크기가 10㎛이상을 갖는 흑화층은 결정사이즈 대, 흑화 결정 사이즈 크기가 1~10㎛로 분포하는 흑화층은 결정사이즈 중, 흑화 결정 사이즈 크기가 1㎛이하을 갖는 흑화층은 결정사이즈 소로 분류했다. 내면에 습동층이 코팅된 정착 벨트는, 폴리이미드(PI) 전구체 용액에 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 입자와 퍼플루오로알콕시 불소수지(PFA) 입자를 분산시킨 용액을 도포하고 열처리하여 그 결과로 폴리이미드가 형성되면서 이의 접착력에 의해 코팅이 된 것이다. 이를 PI+PEEK+PFA로 나타내었다.
표 4는 표 3과 동일하게 내면에 흑화층을 갖는 정착 벨트 및 내면에 습동층이 코팅이 된 정착 벨트에 대해 길이 방향으로의 마찰계수를 측정한 결과이다.
표 3과 표 4에서 마찰계수 측정을 위한 상대물은 폴리이미드 전구체 용액에 퍼플루오로알콕시 불소수지(PFA) 입자를 분산한 것을 코팅액으로 하여 열처리하여 코팅한 SUS이다. 표 3과 표 4는 상대물과 정착 벨트 내면 간의 마찰계수 측정 시 윤활제를 도포하지 않고 측정한 결과이다.
표 3과 표 4에서 알 수 있듯이 원주 방향 및 길이 방향에 대한 정착 벨트 내면의 마찰계수는 흑화층이 갖는 흑화 결정 사이즈에 영향을 받는 것을 알 수 있으며, 흑화 결정 사이즈가 크면 클수록 낮아지는 것을 알 수 있으며 사이즈가 크면 표면 조도가 높아 상대물과의 접촉 면적이 적어져서 마찰계수가 낮아지는 것으로 판단된다. 반면 내면을 유기물 코팅한 정착 벨트의 마찰계수는 제일 낮은 것을 확인할 수 있으며 흑화 결정은 보통 Fe4O3로 산화 금속물에 비해 유기물의 마찰계수가 낮은 것에 의한 것으로 판단된다.
Sample 최대하중
(Kgf) 		최소하중
(Kgf) 		평균하중
(Kgf) 		최대
마찰계수 		최소
마찰계수 		평균
마찰계수
흑화 결정
사이즈 대 		1.22 1.09 1.15 0.24 0.22 0.23
흑화 결정
사이즈 중 		1.45 1.29 1.36 0.29 0.26 0.27
흑화 결정
사이즈 소 		1.47 1.31 1.39 0.29 0.26 0.28
습동층
(PI+PEEK+PFA) 		0.91 0.69 0.81 0.18 0.14 0.16
Sample 최대하중
(Kgf) 		최소하중
(Kgf) 		평균하중
(Kgf) 		최대
마찰계수 		최소
마찰계수 		평균
마찰계수
흑화 결정
사이즈 대 		0.91 0.73 0.81 0.18 0.15 0.16
흑화 결정
사이즈 중 		1.46 1.35 1.41 0.29 0.27 0.28
흑화 결정
사이즈 소 		1.62 1.44 1.52 0.32 0.29 0.30
습동층
(PI+PEEK+PFA) 		0.92 0.58 0.72 0.19 0.12 0.15
표 1 내지 표 4의 마찰 계수의 측정 결과에서 알 수 있듯이, 정착 벨트 내면에 흑화층보다 습동층이 존재하는 경우가 윤활제의 유무에 상관없이 마찰 계수가 낮은 것을 알 수 있다. 또한 내면에 흑화층이 존재하는 정착 벨트는 흑화 결정 사이즈에 차이에 따라 윤활제의 유무에 따라 특성이 변화하는 것을 알 수 있다. 보통 정착 벨트 방식의 정착 장치에서 정착 벨트 내면과 접촉하는 가압 부재 사이에 윤활제를 도포하는데 이 윤활제는 사용에 따라 점점 줄어들기 때문에 윤활제의 유무에 의해 마찰 계수 특성이 변화하고, 내면에 흑화층을 갖는 정착 벨트에 있어서는, 흑화 결정의 사이즈에 상관없이 사용에 따라 마찰 특성이 변화한다. 반면, 내면에 습동층이 존재하는 정착 벨트는 윤활제의 유무에 상관없이 낮은 마찰계수를 유지하기 때문에 흑화층을 갖는 정착 벨트에 비해 수명성이 뛰어난 것을 알 수 있다.
이에 따라, 어떠한 물질로 습동층을 형성하였을 때 가장 성능이 좋은지 알아보기 위해 다양한 물질로 습동층을 형성하여 마모량 평가를 하였다. 그 결과는 표 5 내지 표 6에 나타내었다.
표 5는 폴리이미드 전구체 용액에, 습동성 향상을 위한 여러가지 내윤활 유기물 입자를 분산 시켜서 얻은 용액을 SUS기재에 도포한 후 열처리하여 폴리이미드가 형성됨으로써 폴리이미드의 접착력에 의해 코팅된 샘플들을 바탕으로 실험한 결과이다. 폴리이미드의 접착력에 의해 코팅되므로 코팅과 SUS 기재 사이에 별도의 접착층은 존재하지 않는다. 폴리이미드는 PI이고, PFA, PEEK는 각각 폴리이미드에 분산된 퍼플루오로알콕시 불소수지(PFA) 입자와 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 입자를 나타낸다.
구체적으로, 표 5는 PI+carbon, PI+PFA, PI+PEEK+PFA를 SUS위에 코팅한 후 각 재질 별 상대적 마모성을 측정한 결과이다. PI+carbon, PI+PFA, PI+PEEK+PFA를 코팅한 SUS인 Sample B를 고정으로 하고, PI+carbon, PI+PFA, PI+PEEK+PFA를 코팅한 SUS인 Sample A를 하중 2Kg을 가하고 회전 속도 200rpm으로 회전 시켜 코팅 두께 변화로 마모를 측정한 결과이다. 이때, Sample A와 Sample B사이에는 윤활제를 도포하고 Sample A는 180℃로 가열하여 회전 시작 후 2000sec후에 두께 변화량을 측정하여 마모량을 비교하였다.
표 5에서 알 수 있듯이, PI+PFA 또는 PI+Carbon을 코팅한 경우에는 마모량이 상대적으로 많은 것을 알 수 있으며, 또한 PI+PEEK+PFA를 코팅한 경우에는 상대적으로 마모량이 적은 것을 알 수 있다. 이중 가장 마모량이 적은 경우는 Sample A와 Sample B 모두 PI+PEEK+PFA 코팅한 경우이다. 표 5의 결과에 따르면, 동일 재질인 PI+PEEK+PFA를 정착 벨트의 내면과 가압 부재에 코팅하여 사용하는 것이 마모에 있어서 유리하다고 판단된다.
No. Sample A Sample B 접착층
유무 		윤활제
유무 		마모량(㎛)
Sample A Sample B
1 PI+carbon PI+carbon 무 유 0.4 2.3
2 PI+PFA PI+carbon 무 유 1.4 1.9
3 PI+PFA PI+PEEK+PFA 무 유 0.8 1
4 PI+carbon PI+PEEK+PFA 무 유 0.6 2.1
5 SUS PI+PEEK+PFA 무 유 0.8 0.8
6 PI+PEEK+PFA PI+PEEK+PFA 무 유 0.8 0.5
정착 벨트 내부에 존재하는 가압 부재와 정착 벨트 내면 간의 마찰에 의한 마모량은 정착 장치 성능에 중요한 영향을 미친다. 또한 습동성 향상을 위해 정착 벨트의 내면과 가압 부재 표면에 코팅된 습동층의 접착력 역시 매우 중요하다. 정착 벨트와 그 내면의 습동층 간의 접착력과 가압 부재와 습동층 간의 접착력이 강할수록 회전 시의 습동층의 유동을 방지하므로 마모가 적게 일어난다.
마모량을 최소화하기 위해 접착제를 이용하여 습동층을 형성한 경우에 대해서도 비교 실험을 실시하였다.
표 6은 별도의 접착층 없이 PI에 의해 기재와 접착하는 습동층 (PI+PEEK+PFA)과 별도의 접착층을 통해 접착된 습동층의 마모를 측정한 결과이다. 마모 측정은 표 5의 실험에서와 동일하게 Sample B를 고정으로 하고 Sample A를 하중 2Kg을 가하고 회전 속도 200rpm으로 회전 시켜 코팅 두께 변화로 마모를 측정하였다. 이때, Sample A와 Sample B사이에는 윤활제를 도포하지 않았으며 Sample A는 180℃로 가열하여 회전 시작 후 2000sec후에 두께 변화량을 측정하여 마모량을 비교하였다.
표 6에서 알 수 있듯이 별도의 접착층 없이 PI에 의해 정착 벨트 내부 표면 및 가압 부재 표면에 습동층을 형성할 경우에 비해, 접착층이 존재할 경우가 마모량이 매우 적은 것을 알 수 있다. 별도의 접착층을 사용할 경우, 습동층에 PI 성분이 존재하기 않고, 대신 상대적으로 습동성이 좋은 PEEK+PFA 성분이 많기 때문에 마모량이 적은 것으로 판단된다. 또한 별도의 접착층을 사용한 경우가 윤활제가 없더라도 마모에 있어서 우수함을 알 수 있다. 이와 같이 정착 벨트의 내면과 가압 부재 표면에 별도의 접착층을 설치하고 그 위에 습동층(PEEK 또는 PEEK+PFA)을 정착 벨트의 내면과 가압 부재 표면에 동일하게 형성할 경우가 마모에 있어서 가장 유리하다고 판단된다. 퍼플루오로알콕시 불소수지(PFA)와 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 유사한 계통의 물질이므로, PFA를 PTFE로 대체하여 습동층을 PEEK+PTEE 층으로 한 경우도 윤활제 없이 마모량에 있어서 성능이 우수함을 확인하였다.
No. Sample A Sample B 접착층
유무 		윤활제
유무 		마모량(㎛)
Sample A Sample B
1 PI+PEEK+PFA PI+PEEK+PFA 무 무 3.8 5.8
2 PEEK PEEK 유 무 0.8 0.8
3 PEEK+PFA PEEK+PFA 유 무 0.9 0.6
도 8은 내면에 흑화층을 갖는 정착 벨트와 가압 부재 표면에 별도의 접착층 없이 PI+PFA 습동층을 갖는 정착 장치, 정착 벨트의 내면과 가압 부재 표면에 별도의 접착층을 형성하고 그 위에 습동층으로 PEEK 층을 형성한 정착 장치, 정착 벨트의 내면과 가압 부재 표면에 별도의 접착층을 배치하고 그 위에 습동층으로 PEEK+PFA층을 형성한 정착 장치의 인쇄 매수에 따른 토크 변화를 나타낸 것이다.
도 8을 참고하면, 흑화층을 갖는 정착 벨트와 가압 부재 표면에 별도의 접착층 없이 PI+PFA 습동층을 갖는 정착 장치는 70K이후 토크가 급격히 증가하기 때문에 가압 부재 상의 PI+PFA 습동층 또는 정착 벨트 내부의 흑화층이 마모가 되어 윤활제의 성능을 저하시켜 토크가 증가함을 알 수 있다. 정착 벨트의 내면과 가압 부재 표면에 별도의 접착층을 형성하고 그 위에 습동층으로 PEEK 층을 형성한 정착 장치에서는 150K이후 토크가 급격히 증가하기 때문에 가압 부재 상의 PEEK 습동층 또는 정착 벨트 내면의 PEEK 습동층이 마모가 되어 윤활제의 성능을 저하시켜 토크가 증가함을 알 수 있다. 반면, 정착 벨트의 내면과 가압 부재 표면에 별도의 접착층을 배치하고 그 위에 습동층으로 PEEK+PFA층을 형성한 정착 장치 경우에는 인쇄 매수 증가에도 토크 증가 없이 정착 장치가 안정하게 구동됨을 알 수 있다. 이와 같은 결과로 타 재질에 비해 정착 벨트의 내면과 가압 부재 표면에 별도의 접착층을 배치하고 그 위에 습동층으로 PEEK+PFA층을 형성한 정착 장치가 안정적이고 수명성이 좋다는 것을 알 수 있다. 퍼플루오로알콕시 불소수지(PFA)와 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 유사한 계통의 물질이므로, PFA를 PTFE로 대체하여 습동층을 PEEK+PTEE 층으로 한 경우도 성능이 우수함을 확인하였다.
이상에서는 본 개시의 바람직한 실시 예에 대해서 도시하고, 설명하였으나, 본 개시는 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 개시의 요지를 벗어남이 없이 당해 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
200: 정착 장치 210: 정착 벨트
220: 가압 부재 230: 히터
240: 금속 브라켓 250: 가압롤러
260: 온도 센서 270: 서모스탯

Claims (15)

  1. 인쇄 용지에 형성된 화상을 정착시키기 위한 정착 장치에 있어서,
    축 회전하는 가압 롤러;
    상기 가압 롤러로부터 회전력을 전달받아 회전하는 정착 벨트; 및
    상기 정착 벨트의 내측에서 상기 가압 롤러 쪽으로 가압하여 상기 정착 벨트와 상기 가압 롤러 사이에 인쇄 용지가 물리는 닙(nip)을 형성하는 가압 부재;를 포함하고,
    상기 정착 벨트의 내면 혹은 상기 가압 부재의 표면에는,
    상기 정착 벨트와 상기 가압 부재 사이의 마찰 저감을 위한 습동층 및 상기 습동층을 상기 정착 벨트의 내면 혹은 상기 가압 부재의 표면에 접착시키기 위한 접착층이 형성된, 정착 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 습동층은, 내마모성 수지 입자를 상기 접착층에 분사한 후 열처리하여 형성된 것인, 정착 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 내마모성 수지 입자는,
    폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone, PEEK); 및
    퍼플루오로알콕시 불소수지(Perfluoroalkoxy, PFA) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE);으로 구성되는, 정착 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 습동층에서, 상기 퍼플루오로알콕시 불소수지 또는 상기 폴리테트라플루오로에틸렌의 함량은 0 내지 50wt%인, 정착 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가압 부재의 표면에 형성된 습동층과 상기 정착 벨트의 내면에 형성된 습동층은 같은 재질인, 정착 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 정착 벨트의 내면에 흑화층이 코팅되어 있으며, 상기 흑화층 상에 상기 습동층이 형성되어 있는, 정착 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 흑화층은 Fe4O3 인, 정착 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 정착 벨트와 상기 가압 부재 사이에 별도의 윤활제가 미 존재하는, 정착 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 정착 벨트의 내측에 상기 정착 벨트를 가열하기 위한 히터;를 더 포함하는 정착 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 습동층의 두께는 1 내지 50㎛인, 정착 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 접착층의 두께는 1 내지 20㎛인, 정착 장치.
  12. 화상형성장치에 있어서,
    감광체;
    상기 감광체에 화상을 형성하는 현상 장치;
    인쇄 용지에 상기 화상을 전사시키는 전사 장치; 및
    상기 인쇄 용지에 전사된 화상을 정착시키는 정착 장치;를 포함하며,
    상기 정착 장치는,
    축 회전하는 가압 롤러;
    상기 가압 롤러로부터 회전력을 전달받아 회전하는 정착 벨트; 및
    상기 정착 벨트의 내측에서 상기 가압 롤러 쪽으로 가압하여 상기 정착 벨트와 상기 가압 롤러 사이에 인쇄 용지가 물리는 닙(nip)을 형성하는 가압 부재;를 포함하고,
    상기 정착 벨트의 내면 혹은 상기 가압 부재의 표면에는,
    상기 정착 벨트와 상기 가압 부재 사이의 마찰 저감을 위한 습동층 및 상기 습동층을 상기 정착 벨트의 내면 혹은 상기 가압 부재의 표면에 접착시키기 위한 접착층이 형성된, 화상형성장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 습동층은, 내마모성 수지 입자를 상기 접착층에 분사한 후 열처리하여 형성된 것인, 화상형성장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 내마모성 수지 입자는,
    폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone, PEEK); 및
    퍼플루오로알콕시 불소수지(Perfluoroalkoxy, PFA) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE);으로 구성되는, 화상형성장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 습동층에서, 상기 퍼플루오로알콕시 불소수지 또는 상기 폴리테트라플루오로에틸렌의 함량은 0 내지 50wt%인, 화상형성장치.
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