表面處理技術在雷射印表機彩色碳粉上的應用 --- PART 1 前言

前言 (本文發表於 2009/04 化工技術 Vol.193)

有 人說表面處理技術就像是女人化妝品一樣，具有化腐朽為神奇的特殊療效。可以改善設備或材料的功能，同時顯著提升其使用壽命。所以，表面處理技術已廣泛的運 用在化工、機械、土木、電機及其他工程之設備或材料中，例如醫藥的微膠囊藥物釋放控制、金屬表面電鍍處理、材料表面硬化及自潔處理、半導體封裝及蝕刻、LCD光學膜等。由於上述課題已被廣為討論，故本文不再贅述。在此，僅聚焦於表面處理技術運用在雷射印表機彩色碳粉(Color Toner)上的現況。

台灣雖然號稱是電子產品的製造王國，同時擁有電腦、半導體、數位相機、手機及LCD顯 示器等數個生產製造的第一。但是，印表機的生產製造，在台灣始終未能形成重要的產業。原因在於，整個印表機的產業其營運模式與大部分電子產品不同。因為， 印表機的市場主要是以耗材銷售為獲利的來源，而印表機硬體本身並無法成為有效的獲利來源。以雷射印表機為例，其主要的耗材為碳粉匣(Toner Cartridge)，整個使碳粉匣運作的機構稱為列印引擎(engine)，是印表機的關鍵元件。目前，整個雷射印表機的生產製造技術完全控制在日本廠商手中，雖然國內一些代工廠如明碁、東元、虹光、金寶、鴻海等，也陸陸續續替HP、Dell、Lexmark、Canon、Epson等 大廠進行印表機生產代工。但大多只是機殼及周邊電路之組裝，印表機的列印引擎關鍵零組件等技術仍都控制在原廠的手裡。當然，國內的科技廠商也不是省油的 燈，也陸陸續續的開發出許多的關鍵零組件，例如新采科技企圖開發全新的列印引擎、黑木及優力膠業則開發卡匣用滾筒及刮刀、全通及精御科技則生產單色碳粉、 光華及金瑞智則生產有機感光鼓(Organic Photoconductor, OPC)。

拜 數位相機普及所賜，全彩數位相片輸出的需求日益殷切。隨著科技的進步及市場的需求，雷射印表機在最近幾年也逐步踏上全彩化的趨勢。彩色雷射印表機由早期的 數十萬元單價，迅速下降至萬元以下，進而加速彩色雷射印表機的普及化。為了達成高性能低成本的要求，原廠莫不大幅簡化印表機顯像機構並提升軟硬體處理效 率。此外，更發展出新式彩色化學碳粉(Chemically Produced Toner, CPT )製程，以因應此一趨勢。以下將說明彩色雷射印表機的成像原理，並解釋新式彩色CPT對於提升雷射印表機全彩相片輸出的特異功能。

彩色雷射印表機的運作原理

光電成像(Electrophotography)技術起源於美國Chester Carlson在1938年對光導體物質與擦電物質間相互作用的研究所獲致的發明，現已廣泛運用於雷射印表機、影印機、傳真機及多功能複合機等。第一部商用影印機在1959年問世，這項技術發明開啟了千億美元的市場應用。而雷射印表機卻直到1984年才開發成功，並將技術由傳統的類比式演進到數位雷射式成像。顯像解析度也大幅提升至近期的1200 dpi，列印速度上小型雷射印表機可達到約20 ppm的速度，而專業的機型更可達100 ppm的輸出。光電成像技術的演進提供了人們精巧、可靠又便利的列印輸出機器，對資訊與知識之散播流通影響極其深遠。圖 1是雷射印表機的卡匣機構與顯像程序示意圖，其成像的過程可以分成七個步驟[1]：

1. 佈電(Charging) ─ 利用佈電滾筒(Primary Charge Roller, PCR)或電暈網(Corona)高壓放電，使OPC表面帶靜電；
2. 曝光(Exposure) ─ 顯像物資訊經微電腦處理送至光學機構以雷射光束(Laser Beam)射至OPC，藉由元件上之感光材料行光電作用中和表面電荷，形成靜電潛影(Latent Image)；
3. 顯像(Developing) ─ 碳粉匣內的碳粉經由顯像滾筒(Developer Roller)攜出，與平準刮刀(Doctor Blade)摩擦或注入電荷而帶與OPC相同電性之靜電，藉由OPC上的靜電潛影與顯像滾筒上已帶電之碳粉間的交互作用，使碳粉因靜電吸引或排斥而飛到OPC靜電潛像區，以形成碳粉的顯影；
4. 轉印(Transfer) ─ 帶有顯影碳粉的OPC透過帶吸引電荷的傳送滾筒(Transfer Roller)，將OPC上的碳粉藉由靜電吸引而轉移到紙張上；
5. 固著(Fusing) ─ 帶有顯影碳粉的紙張傳輸至熱壓滾筒(Fusing/Pressure Roller)元件時，將紙上顯影的碳粉熱融定著於紙上；
6. 清理(Cleaning) ─ 將OPC上殘存的碳粉利用清潔刮刀(Wiper Blade)刮除；
7. 除電(Erasing) ─ OPC上殘存的電荷利用光源或佈電滾筒將之去除，以利下次列印並減少列印缺陷的發生。

圖1：碳粉匣細部各零組件及其相關位置之示意圖[2]

面對全彩圖片輸出在品質及成本的嚴格要求，以及彩色噴墨印表機對全彩輸出市場的威脅。彩色雷射印表機為了提昇列印效率、強化列印品質及降低輸出成本，尚需要克服下列幾項潛在的問題：

1.          圖像解析度

雷射印表機的顯像方式是採網點套印，當顯像網點越小，則所能顯示的圖像細節越精細，如圖2所示。而影響顯像網點大小的因素，包括雷射光束的直徑及碳粉粒徑等。目前傳統粉碎式製程所製備的碳粉顆粒，因設備及成本的考量，無法顯著縮小碳粉粒徑。尤其當碳粉粒徑小於6μm以 下時，傳統粉碎製程的成本將大幅提昇，且製程良率會顯著下降。這也就是目前新式彩色雷射印表機大多採用濕式化學碳粉製程的緣故。而縮小碳粉粒徑，不僅可以 提昇顯像解析度，同時顯影所需碳粉層厚度也隨粒徑縮小而變薄。換言之，雷射印表機顯影所消耗的碳粉將隨粒徑縮小而變少，如圖3。

圖2、碳粉粒徑對解析度及列印品質的影響。

圖3、碳粉粒徑對碳粉消耗量的影響[3]。

 2.          色彩均勻度

所 謂的色彩均勻度，意指形成圖像之碳粉層的均勻度及覆蓋效率。當碳粉的粒徑分佈及外觀形狀越均一，則碳粉在顯影堆疊時則越均勻，所需的顯像碳粉堆疊厚度亦較 薄。而碳粉的粒徑分佈及外觀形狀越均一，則碳粉的摩擦帶電量也會越均一，進一步促使碳粉被靜電傳輸時能更均勻傳送。此外，碳粉外觀越接近球型，則碳粉的流 動性越佳，有助於碳粉均勻通過平準刮刀，並在顯像滾筒上形成均勻碳粉薄層。而粒徑越小或流動性越佳的碳粉，易於填入紙張纖維坑洞中，有利於提高覆蓋效率， 如圖4。相反的，傳統粉碎式碳粉其粒徑分佈較寬廣且碳粉外觀為粗糙不規則，故其在顯影堆疊、摩擦帶電或流動性上，無法有效滿足現有全彩寫真輸出的需求。

圖4、粒徑及擦電均一性對列印品質的影響[4]。

 3.          色階分辨率

由 於，粒徑分佈越均一的碳粉，其摩擦帶電量也越均一。因此，當雷射印表機藉由不同顯像電壓調控不同色階分辨率時，摩擦帶電量均一的碳粉，可以被精確的控制並 得到所需的全彩套色。相反的，粒徑分佈較寬的碳粉將獲得不均一的摩擦帶電性。由於小粒徑碳粉比表面積大，易造成靜電帶電量過高；而大粒徑的碳粉則相反。所 以，粒徑分佈不均的碳粉，無法被準確的顯影並得到正確的色階分辨率，易造成圖像有色偏差，無法顯示細節，如圖5所示。此外，不均的碳粉帶電量易導致碳粉顯像位置產生偏差，產生列印毛邊(smear)或底灰(background)。粒徑不均及形狀不規則的碳粉，其顯像堆疊的碳粉層較鬆散，需較厚的碳粉層覆蓋著色，碳粉虛耗較多，較不經濟，如圖3所示。

圖5、色階分辨率不足，易導致圖像產生色偏差。

4.          轉移效率

碳粉主要是利用靜電力來傳遞，並藉此形成影像。因此，影響到碳粉轉移的因素包括來自卡匣元件間的偏壓所形成的庫侖靜電力(Coulomb electrostatic force)，以及物質間的凡得瓦力(van der Waals force)。例如光電成像步驟3，顯像滾筒上的碳粉要轉移至OPC時，驅動碳粉的轉移力是由顯像滾筒與OPC間的元件偏壓所引發；而抑制碳粉轉移的力量包括碳粉與顯像滾筒間的庫侖靜電力及凡得瓦力[5]。當轉移力大於抑制力時，碳粉才會發生轉移，並在OPC表面形成圖像，如圖6所示。所以，控制碳粉轉移效率的參數包括元件偏壓，碳粉帶靜電能力，以及碳粉表面的凡得瓦力[6]。 影響碳粉摩擦帶電能力與凡得瓦力的因素包括碳粉粒徑大小、碳粉外觀、以及碳粉表面材料性質。碳粉粒徑越小，其比表面積越大，所以摩擦帶電能力越強，且凡得 瓦吸引力也越大。碳粉外觀越規則或平坦，例如呈圓形或橢圓形，其摩擦帶電能力較差，且凡得瓦吸引力也較小。碳粉的表面如果帶有極性基或低機械強度之材料， 則碳粉間易團聚或易沾黏於卡匣元件上，進而影響碳粉摩擦帶電能力，以及導致硬體元件間偏壓異常。一般而言，碳粉摩擦帶電能力有一最佳值，並非越高越好，需 搭配硬體元件偏壓的條件。所以，提升轉移效率的有效辦法是降低凡得瓦吸引力，也就是使用外表越規則或平坦的碳粉，或是降低碳粉表面能量。圖7顯示不同外觀之碳粉的轉移能力，越球型化的碳粉轉移率越高。但過度球型化會降低碳粉摩擦阻力，導致擦電能力下降，以及不易被清潔刮刀去除。

圖6、碳粉轉移示意圖。

圖7、不同外觀之碳粉的轉移能力[3]。

  5.          圖像光澤度

高光澤度的圖像，有助於提升色彩飽和度，以及增加照片的質感。有效提升光澤度的方法，就是讓形成圖像的碳粉層表面盡可能平整。如此，光線才不易因紙張表面的凹凸造成散射，而降低光澤度。為了使碳粉層在融熔定著時能平坦均勻，大多會添加低分子量樹脂或是蠟來幫助碳粉融熔[7]。但是低分子量樹脂或蠟都是低機械強度材料，如果這些材料裸露在碳粉表面，將導致碳粉沾黏於卡匣元件上，引發污染造成列印缺陷[8]。因此，如何提高低分子量樹脂或蠟的添加量，但又不會造成碳粉沾黏於卡匣元件上，是新式碳粉的一項挑戰。

6.          印表機能耗及列印效率

最 近幾年，為了降低印表機熱定著的能耗及提升印表機的列印速度，各大印表機廠商紛紛推出低溫定著之節能減碳型印表機。為了在短時間內完成碳粉熱熔定著，勢必 需要降低圖像碳粉層厚度，或是採用可低溫熱熔的碳粉材料。較薄的碳粉圖像層，有助於熱傳送以縮短熱壓定著的時間，可以降低能量消耗及加快列印速度。而且， 較薄且均勻的碳粉顯像層，可以使得影像透光性較佳，質感接近平版印刷，過厚的碳粉顯像層會導致影像表面粗糙，同時易使得列印紙張捲曲。但過薄的圖像碳粉 層，將不易形成均勻圖層，且色濃度亦會不足。所以，採用低溫熱熔之碳粉材料將是不可避免的趨勢[9]。然而，常用的低溫定著材料，如低分子量樹脂及蠟，往往會造成碳粉污染卡匣元件等問題，有待解決。