Физические основы и материалы, используемые в электрографических лазерных принтерах, копирах, МФУ.

Физические основы и материалы, используемые в электрографических лазерных принтерах, копирах, МФУ.

Известно, что электропроводимость определенных материалов меняется под воздействием света. Это свойство и было положено в основу процесса  электрографической печати. 

Основой механизма печатающего устройства является фотобарабан (рис. 1), представляющий собой алюминиевый цилиндр с нанесенным на него светочувствительным слоем, в котором при попада­нии фотонов света формируется скрытое электро­статическое поле, представляющее собой точную проекцию оригинала, первоначально отразившего этот свет.

В отдельных моделях копировальных аппаратов встречаются некоторые модификации подобной конструкции, например, барабан может быть заменен на светочувствительную мастер-пленку, которая тоже представляет собой фоточувстви­тельный слой, но только нанесенный не на алюми­ниевый барабан, а на гибкую синтетическую основу 

Фотобарабан обычно называют еще и фоторецептором или светочувствительным барабаном (СБ). Фотобарабан очень чувствите­лен к свету. Солнечный свет может навсегда вывести барабан из строя. Если барабан извлечен из маши­ны, он должен быть укрыт от света газетами или еще чем-то, чтобы обеспечить максимальное его затемнение. Слег­ка засвеченный барабан может восстановить свои свойства после «отдыха» в темноте, но обычно все равно остаются дефекты. Имеется несколько типов фоторецепторов. Наиболее популярен органический фоторецептор. Слово «органический» говорит о том, что такие рецепторы можно выбрасывать после выработки их ресурса в обычный мусор.

Рис. 1

Ранее использовались се­леновые или кадмий-сульфидные барабаны, которые нужно было возвращать производителю для правильной ути­лизации.  Некоторые, еще более устаревшие машины использовали розовый фотопроводник - оксид цинка с очень небольшим сроком службы. Его хватало всего на 500...1000 копий.

Большинство органических или селеновых барабанов выдерживают производство 30000...200000 копий.

Также используется материал, называемый аморфный силикон, которого хватает примерно на 1000000 копий. Обычно на практике при­ходится работать только с органическими и селеновыми барабанами.

Органические барабаны могут иметь любой цвет.

Селеновые барабаны зеркальные.

Кад­мий-сульфидные имеют рыжевато-коричневый цвет.

Барабаны недолговечны и дорого стоят. Они всегда имеют известное время жизни. Трение бумаги, чистя­щее лезвие, пальцы отделения приводят к их износу. Если что-то сделано неправильно, барабан выйдет из строя раньше, и это будет стоить денег.

Барабан можно отполировать пастой, используемой для по­лировки металла. Это поможет убрать небольшие царапины, но сократит общее время жизни барабана. Поверхность барабана очень гладкая. Любые пятна, царапины или зазубрины будут видны на копии. Ба­рабан электрически заземляется на корпус машины, обычно через его металлическую ось.

Основные характеристики фотопроводников позволяют оценить возможности, которые влияют на процесс воспроизведения изображения устройствами печати и копирами. Эти базовые сведения необходимо знать каждому специалисту, который связан с обслуживанием, диагностикой и ремонтом такого оборудования. Указанные характеристики помогут также правильно осуществить выбор принтера (или копира) с учетом требований к качеству печати в Вашей организации или на предприятии.

Основы работы любого копировального аппарата и лазерного принтера лежит процесс сухой ксерографии. В свою очередь, он базируется на методе создания изображения называемом сухой     электрографией. В основе электростатической фотографии лежит способность некоторых полупроводников уменьшать свое удельное сопротивление под действием света. Такие полупроводники называются      фотопроводниками  и используются для изготовления фоторецепторов.

Основные характеристики фотопроводников это:

1. Спектральная чувствительность - характеризует способность фото проводника реагировать на излучение различных длин волн. Ни один фото проводник не может одинаково реагировать на различные длины волн. Некоторые типы фоторецепторов слабо реагируют на голубой цвет, который вообще не воспроизводится на копии, некоторые слабо реагируют на желтый цвет. В цифровых аппаратах фотопроводник имеет максимальную чувствительность к длине волны излучения полупроводникового -780 нм для G a Al As-лазера. Кпд ЭФ-устройства определяется эффективностью фотогенерации свободных носителей заряда, которая, как правило, меньше 1, но возрастает с увеличением электрического поля. В идеале, фотопроводник должен одинаково хорошо передавать все цвета, однако обычно этого не происходит.
2. Фотоэлектрическая чувствительность (скорость формирования изображения) - это величина, характеризующая скорость уменьшения заряда на фото рецепторе при освещении его светом заданной интенсивности. Чем меньше остаточная величина заряда на фоторецепторе после его экспонирования, тем выше качество копии. Эта величина может зависеть от материала, срока эксплуатации и состояния проводника.
3. Скорость темновой утечки - величина, характеризующая, как быстро фото проводник теряет заряд в темноте. Это связано с тем, что полупроводник из которого изготовлен фоторецептор, хотя и приобретает в темноте свойства диэлектрика, но все же не может хранить заряд так долго, как это могут делать диэлектрики.
4. Усталость материала - это явление, возникающее при многократном и частом экспонировании фоторецептора.. Усталость материала может возникать и при засветке солнечным светом Усталость материала приводит к увеличению скорости темновой утечки заряда, а в некоторых случаях наоборот к с охранению заряда на поверхности после экспонирования.
5. Устойчивость к внешним воздействиям - эта характеристика определяет способность фотопроводника сохранять свои свойства как можно дольше при механическом контакте с бумагой. Фотополупроводники должны быть достаточно стабильны при работе в атмосфере химически активных молекул (озона, оксидов азота и др.), образующихся в короне, и устойчивы к механическим воздействиям при проявлении и очистке, а также фотохимически инертны к воздействию экспонирующего излучения и естественно, должны быть экологически чистыми. К примеру бумага, при правильном использовании аппарата, является наиболее важным фактором естественного износа фоторецептора.. Поэтому шероховатая бумага, неправильно обрезанная и т.д. сокращает срок службы фоторецептора. Хотя сама бумага практически не контактирует с фоторецептором, однако жесткие волокна бумаги могут попадать под ракельный нож. Кроме того, срок его службы сокращают различные химические вещества, которые могут попасть на него с бумаги или с другого источника, а также механические повреждения.
6. Кристаллизация - процесс преобразования атомов фотопроводника из аморфной структуры в упорядоченную, кристаллическую. При этом фотопроводник теряет свои свойства. Такой процесс нельзя остановить, но можно замедлить при правильном обращении с проводником.
7. Начальный потенциал - это потенциал на поверхности фоторецептора, при котором накапливаемый заряд равен заряду, утекающему в подложку. Обычно фоторецептор заряжают до потенциала ниже начального, чтобы избежать его повреждения.
8. Остаточный потенциал - потенциал, который остается на осветленных участках фоторецептора, после экспонирования При экспонировании фоторецептор быстро теряет заряд до определенной величины, затем скорость утекания заряда значительно снижается. Высокий остаточный потенциал способствует притягиванию частиц тонера на освещенные участки, что приводит к фону на копии.

Рассматриваемые характеристики фотопроводника тщательно анализируются при выборе его в качестве фоторецептора для копировального аппарата или принтера. В современных принтерах и копирах доминирующее положение занимают разнообразные органические фотопроводники. Основные их преимущества: высокие физико-механические свойства, экологическая безопасность и низкая стоимость. В высокоскоростных копировальных машинах в качестве фоторецепторов используются ремни, покрытые несколькими слоями органических фотопроводников, а в большинстве копировальных аппаратов - алюминиевые барабаны с многослойным покрытием из органических фотопроводников. Большинство органических материалов обладает хорошими фотогенерационными или злектронно-транспортными свойствами. Поэтому в настоящее время в основном производятся двухслойные органические фоторецепторы, в которых функции фото генерации и транспорта носителей заряда распределены между различными слоями. Толстый транспортный слой (ТС) наносится на более тонкий генерационный слой (ГС) органического пигмента или красителя (см. рис. 2).

ТС состоит из электронно-транспортного полимера или из инертного полимерного связующего, где однородно распределены мономерные транспортные молекулы.

В ГС наиболее часто применяются новые классы фотопроводящих органических соединений: пери лены, скварилиевые красители, тиапириллиевые красители, азосоединения, безметальный фталоцианин, фталоцианин ванадила. Эффективность фотогенерации свободных носителей заряда определяется конкуренцией процессов парной рекомбинации носителей заряда, то есть вероятностью рекомбинации пары электрон - дырка, образованной при поглощении одного фотона и их перехода в свободное состояние, а именно вероятностью диссоциации пары на свободные носители заряда. На эффективность фоторецептора влияет также величина энергетического барьера для инжекции носителей заряда из ГС в ТС.

ТС состоит из полимерного связующего, допированного (легированного) транспортными молекулами, поэтому возможно независимое изменение его транспортных и физико-механических характеристик. Для того чтобы служить транспортными центрами для дырок, молекулы допанта (специально в веденной примеси) должны иметь низкий потенциал ионизации.

Рис. 2

Основные процессы электрографического принтера

                  Рис. 3.1.  Заряд                                                                         Рис. 3.2. Разряд

Основные процессы электрографии – это заряд светочувствительного барабана и разряд  светочувствительного барабана ( рис. 3.1; 3.2).  На рисунке CGL – это светочувствительный слой генерации заряда, CTL – светочувствительный проводящий слой. 

                Процесс состоит из следующих основных этапов:

• Предварительная зарядка отрицательным потенциалом поверхности фоточувствительного барабана.
• Проецирование изображения на барабан таким образом, чтобы лучи лазера, соответствующие отраженным от темных участков оригинала лучам света, нейтрализовали соответствующие области фоторецептора, оставляя отрицательно заряженными лишь те части барабана, на которые в дальнейшем не будет накла­дываться тонер.
• Перенос отрицательно заряженных частиц тонера с магнитного вала узла проявки на положительно заряженные участки поверхности фотобарабана.
• Перенос тонера с барабана на бумагу.
• Термическое закрепление копии.

Часто фотобарабан рассматривается целиком - как неразделимый узел, включающий в себя несу­щие крепления, ракель для счистки отработанного тонера, бункер, куда этот тонер попадает после сня­тия с барабана, и прочие детали: коротрон перено­са, лампы предварительной засветки и бланкирова­ния, специальные печатные платы барабана и т. п. В таких случаях он называется узлом барабана, драм-картриджем или драм-юнитом.

Основная функциональная часть фотобарабана - светочувствительный слой, в котором при попада­нии фотонов света формируется скрытое электро­статическое поле, представляющее собой точную проекцию оригинала, первоначально отразившего этот свет.