表面處理技術在雷射印表機彩色碳粉上的應用 --- PART 4 電子流體粉顯示器

電子流體粉顯示器 (本文發表於 2009/04 化工技術 Vol.193)

雷射印表機成像技術中，靜電傳輸碳粉的原理，還可運用在電子紙顯示器(electronic paper display)中。常見的電子紙技術包括旋轉球(twisting ball)、電泳動(electrophoretic)、雙穩態液晶(bistable LCD)、電潤濕(electrowetting)及流體粉等[26]。電子流體粉顯示器的結構示意圖，如圖13所示。其原理類似電泳動的電子紙，只是顯示顆粒換成帶電碳粉，且電泳液被空氣取代。利用顯示元件上下電極產生的電場，可以驅動帶電碳粉往不同電極移動。藉由電極的轉換，便可以得到不同顏色之顯像碳粉的圖像[27]。同時，利用驅動電壓的大小，可以控制圖像顏色的深淺，藉此表現出灰階的層次，如圖14。目前，此技術的主要發展廠商包括Bridgestone、Fuji Xerox及Chiba University等。而Bridgestone已經開始量產銷售，並且利用彩色濾光片發展出彩色之流體粉顯示器。

圖13、電子流體粉顯示器的結構示意圖[28]。

圖14、電子流體粉顯示器[28]。

 由於流體粉顯示器中的顯像顆粒並無液體間隔分散，為了避免流體粉顆粒團聚。故需對顯像碳粉進行表面處理，使其能達到足夠的帶靜電量，以及能有效降低表面量提昇粉體流動性。所謂的流體粉，是指顯像碳粉的流動有如流體一般之意。一般的粉體流動差，故易堆疊成山狀(a)；而流動像液體之流體粉，其流動就像水一樣會四散開來不會堆積(b)，如圖15。流體粉粒徑約在10μm且窄粒徑分佈，可以採用傳統粉碎式碳粉(a)或化學式碳粉(b)，也可是特殊表面結構之顆粒(c)及(d)，如圖16。因為，顯像碳粉的帶電量及其流動性，會影響到顯示器顯影的驅動電壓。過高的驅動電壓，將不利於攜帶式電子產品的運用。目前，市售的流體粉顯示器其驅動電壓約在70-80 volt，而電泳動顯示器約在15 volt。因此，如何強化碳粉帶靜電量、提高碳粉的流動性及改善元件電性等，以達到降低驅動電壓的目的，是未來重要的課題。

圖15、粉體流動性測試[28]。

圖16、電子流體粉的SEM外觀[28]。

 結語

藉由表面處理技術， 可以輕易的對碳粉表面進行機能性的改質。利用不同的機能材料特點，強化碳粉在列印輸出時的效能。本文除了分析傳統以無機奈米粉體進行碳粉表面處理的各種參 數影響外，並針對彩色化學碳粉的製程與表面處理技術提供相關資訊。此外，亦對其延伸應用之流體粉顯示器做一概述。新式化學碳粉製程提供化工人在雷射印表機 耗材產業上，一個可以發揮的新舞台。隨著彩色雷射印表機的日益普及，高效能的彩色碳粉需求將與日遽增。而新式化學碳粉的製程具有粒徑小且易調控、粒徑分佈 窄、形狀規則、以及可進行殼核或微膠囊化之表面處理等特點。因此，各雷射印表機生產廠商，皆將其視為高品質輸出耗材的不二人選。近年來，不但相關專利發表 熱絡，且運用化學碳粉的印表機機型也逐漸增多，各大廠商也陸續擴建化學碳粉廠以因應未來需求。依據各大廠所發表的機型分析得知，節能省碳的低溫定著、提昇 效率的高速列印、以及高光澤全彩寫真輸出等技術是未來發展趨勢。所以，如何有效利用兩相界面化學製程條件及機能性表面處理技術，來製備優質化學碳粉，將是 現在亟需解決的課題。

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表面處理技術在雷射印表機彩色碳粉上的應用 --- PART 3 彩色碳粉表面處理技術

彩色碳粉表面處理技術 (本文發表於 2009/04 化工技術 Vol.193)

具備可生產 小粒徑、窄粒徑分佈及外觀近似球狀的碳粉之碳粉製程，便可以有效提升圖像解析度、色階分辨率、以及色彩均勻度等，已可滿足全彩圖像輸出之基本需求。但若要 進一步提升碳粉轉移效率、圖像光澤度、以及列印速度與降低能耗等特性，仍有許多性質需藉助表面處理技術來加以改善碳粉的列印效果。例如碳粉轉移效率的提 昇，雖然可以藉由球型化碳粉獲得改善，但碳粉材料本身性質引起的凡得瓦吸引力，無法因此獲得解決。不管是MPT或CPT製程所產生的碳粉顆粒，由於其粒徑皆相當微小，故其表面能量極大，粉 體顆粒間易於團聚成二次粒子。尤其當碳粉添加劑的極性基外露在碳粉表面時，不但易於吸濕，也容易吸附於卡匣元件上造成污染。吸濕會造成碳粉帶靜電量不足， 進而造成碳粉在靜電顯像時無法有效的進行傳輸，因而導致異常成像。所以，在未做表面處理前的碳粉顆粒，往往呈現流動性不佳，易於凝集結塊，造成碳粉無法均 勻分佈於卡匣顯像滾筒上，故無法直接用於列印卡匣中。有必要藉由碳粉表面處理來降低碳粉的表面能量，以減少凡得瓦力作用。此外，為了增加光澤度及低溫定著 能力，碳粉中必需添加低溫定著材料如低分子量樹脂或蠟等，以改善碳粉熔融定著的能力、高光澤度、低耗能及高速列印的需求。但這些低溫定著的材料皆為低機械 強度的物質，當碳粉藉由滾筒及刮刀進行傳輸或清除時，往往不耐卡匣元件的擠壓而易沾黏於刮刀、滾筒或OPC上。因此，若能藉由碳粉表面處理來強化表層的防護，或以機能性表層取代，將能進一步提昇碳粉的顯像性能。為了克服上述的缺點，碳粉表面常見的外處理程序包括：

以無機粉體進行表面改質

傳統碳粉的 表面改質技術，大多採用奈米級無機粉體與碳粉樹脂顆粒混練，藉此得到表面為無機改質層之碳粉。因此，無機粉體的粒徑、外處理成份、以及混合均勻程度等，將 會影響到表面處理的優劣。無機粉體的粒徑會影響到無機粉體對碳粉表面覆蓋率之多寡，以及碳粉的流動性、擦電性及穩定性等。由於，採用的無機粉體皆為次微米 粒徑，故粉體間的凡得瓦吸引力極其顯著，易發生凝集或團聚的現象。因此，這些無機粉體往往需要進行表面鈍化處理。一般使用矽烷或矽氧烷偶合劑(silane or siloxane coupling agent)與無機粉體進行表面反應，利用低表面能之長碳鏈的矽烷基或矽氧烷基改 質無機粉體表面。所以，經過此種無機粉體表面處理的碳粉，其表面能量將顯著降低，達到低凡得瓦力的目的。碳粉表面處理的好壞除了受到無機材料本身的性質影 響外，還受到碳粉表面覆蓋的無機粉體是否均勻分佈的影響。因此，如何提昇無機粉體與碳粉間的混合均勻度，也是用無機粉體進行碳粉表面改質的一重要課題。針 對上述以無機粉體進行碳粉表面處理所面臨的材料及製程的影響，概述如下：

1. 無機粉體粒徑的影響[14-15]

目前市售的無機粉體，其粒徑可概分為小粒徑(約5-20nm)、中粒徑(約20-80nm)、大粒徑(約80-300nm)、以及超大粒徑(約300nm以上)。粒徑越小 的無機粉體，其比表面積越大，對碳粉的覆蓋能力越強，但表面能也越大，易團聚不易分散。此外，粒徑越小的無機粉體，因其比表面積較大，故擦電效率較高，但 對於元件擠壓的忍受力較弱，易崁入碳粉而失去功效。中大粒徑的無機粉體，其比表面積較小，故擦電效率較差，但較不易團聚且分散性也較佳。此外，中大粒徑無 機粉體的截面積較大，故其對元件擠壓的抵抗力顯著提昇，外處理的效能較持久。超大粒徑的無機粉體，由於粒徑太大，無法有效附著於碳粉表面，一般用於抑制碳 粉與元件間或碳粉間團聚或沾黏的間隔 (space)材料。

2. 無機粉體外處理劑的影響[16-17]

常見的無機粉體外處理劑包括摩擦帶負電系統的polydimethylsiloxane(PDMS)、hexamethyldisilazane(HMDS)及dimethyldichlorosilane(DDS)等，以及摩擦帶正電系統的aminosilane(AS)等。一般而言，PDMS處理的無機粉體，其表面能量最低，因此採用此種處理的無機粉體所製備的碳粉，其轉移率較高。而採用HMDS處理的無機粉體，其摩擦帶靜電效率最佳。為了平衡不同特性的需求。碳粉表面往往不只添加一種表面處理的無機 粉體。目前，甚至有廠商推出表面經過雙處理劑處理的無機粉體。此外，無機粉體外處理劑的種類對碳粉的流動性並無顯著影響，但無機粉體的粒徑大小對碳粉流動 性則有顯著影響。小粒徑無機粉體對碳粉的覆蓋較易完全，故其流動性顯著優於使用大粒徑之無機粉體。

3. 無機粉體混合製程參數的影響[18]

碳粉與無機 粉體混合的製程設備稱為混合機，其結構有一點像放大的果汁機，不過此設備可是經過精密流體力學分析，以其粉體能被充分攪拌混合均勻。混合機主要的用途有解 碎、分散及混合。所謂的解碎是指，將團聚的碳粉樹脂顆粒，藉由攪拌葉的剪切力及慣性力作用，打開團聚的粉體。所謂的分散是指，將無機粉體與碳粉間充分混 合，使無機粉體均勻分散於碳粉顆粒表面。所謂的混合是指，將均勻分散於碳粉表面的無機粉體崁入碳粉表層，使無機粉體固著碳粉表面。無機粉體混合製程參數包 括混合攪拌速度、攪拌葉形式、混合時間及系統溫度等。混合機攪拌速度越快，相對的剪切力及慣性力越大，因此解碎的效果越顯著。但是高速攪拌時，粉體間劇烈 摩擦易產生高熱，故需額外的溫度控制，否則易導致無機粉體崁入碳粉過深而失效，或是碳粉熔融結塊。混合機攪拌葉的形式，會影響粉體混合流場及解碎能力。使 用高負荷之混合機攪拌葉，有助於提高粉體混合均勻性及解碎效率。一般而言，混合時間越長，無機粉體與碳粉間的混合越均勻。但過長的混合時間，可能導致無機 粉體崁入碳粉過深而失效。此外，混合機的系統溫度，對於無機粉體崁入碳粉的程度有顯著的影響。對於無法提高攪拌速度將無機粉體崁入碳粉之系統，則可藉由提 高溫度來加速無機粉體崁入碳粉。

以有機材料進行表面改質

隨這雷射印表機技術的演進，近年來主流技術逐步朝向低溫定著及高光澤度之圖像輸出。因此，無法避免的需要使 用到一些低機械強度之材料。這些材料無法承受混合機過高的剪切力及慣性力作用，所以將增加使用無機粉體為碳粉表面處理劑的困難。有機材料進行碳粉表面處理 的方法，則為上述的困境提供解決之道。以有機材料進行碳粉表面處理的方法有殼核包覆(core-shell)或微膠囊化(microencapsulation)碳粉等。其目的在於將碳粉的表層以殼層或膠囊形式包覆一層或多層機能性有機材料，以達到表面改質需求。藉由 選擇低表面能的有機材料，可以達到降低碳粉表面能量，以減低碳粉顆粒間的團聚，增加碳粉的流動性。採用低極性高機械強度之有機材料，則可以覆蓋碳粉表面外 露之極性官能基或低機械強度之添加劑，以防止碳粉吸附或沾黏至印表機卡匣元件上，或是減輕碳粉吸濕或結塊的影響。若選用易摩擦帶電之有機材料，則可以促進 碳粉擦電，提昇碳粉的靜電帶電量。傳統MPT無法進行殼核包覆或微膠囊化的製程，故無法有效提昇碳粉性能。目前已量產之殼核包覆或微膠囊化的化學碳粉製造技術包括懸浮聚合法[19]及乳化凝聚法[20]兩種。 

1.          懸浮聚合法
此技術是由日商Nippon Zeon及Canon所開發，懸浮聚合法所製造的碳粉於1993年即已應用於單色雷射印表機，而彩色碳粉的運用則是在1998年才開始。Canon與HP的彩色雷射印表機是首先採用懸浮聚合法所生產的碳粉的廠商。懸浮聚合法的困難處在於如何同時精準的控制碳粉粒徑與聚合程度[21-22]。 懸浮聚合法為了得到殼核形式的機能結構，必需挑選特殊的碳粉材料方能實現。首先，該材料必需能溶於單體中。隨這懸浮聚合反應的發生，單體濃度下降將導致核 心材料析出，形成殼核結構。由於，若核心材料是以固體微粒方式析出，所得之碳粉結構將不是殼核形式。因此，需選擇核心材料在析出時仍為液態，才有利於形成 殼核結構的碳粉。以Canon採用之球型化學碳粉為例，其核心材料採用熔點略低於聚合溫度的蠟，以確保蠟在析出時仍為液態[23]，其結構及外觀如圖11。

圖11、懸浮聚合法所製造的CPT結構[4]及外觀。

 2. 乳化凝聚法

乳化凝聚法製造碳粉的方法是由Xerox公司率先運用，陸續有Nippon Carbide(Fuji Xerox購併)、Fuji Xerox、Konica-Minolta等大廠加入此技術之研發與生產[12]。乳化凝聚法所用的樹脂乳液，是預先以乳化聚合法完全聚合反應，故無單體殘留之問題。同時，在凝聚與合併的製程中，可靈活地調適其溫度與酸鹼值以控制最終產物的粒徑大小。故乳化凝聚法製備的碳粉粒徑分佈優於懸浮聚合法，其體積平均粒徑對數量平均粒徑之比值(或稱為粒徑分佈係數)，可控制在1.2左 右。乳化凝聚法的困難點在凝聚的製程中，顏料與蠟等添加物必須先分散於以水為主的溶媒中，然後再與樹脂的乳化液混合，以進行凝聚合併程序。因此，藉由選擇 適當的分散劑，可以調控上述分散液混合時的穩定性。例如選擇不同離子性分散劑，引發分散劑間電荷吸引而促使微粒凝聚；或是調整pH值，使分散劑的穩定性下降，而導致微粒凝聚。所以，控制分散劑的濃度或種類、調整溶液的pH值，或是改變系統溫度等，可以影響凝聚過程中所產生的固體粒徑大小與其生成速率。而這些分散劑的選擇與製程條件的控制，即是乳化凝聚法製造碳粉的技術核心，也是各家大廠所積極尋求專利佈局的竅門所在。

乳化凝聚法製備微膠囊結構之碳粉的方法，與懸浮聚合法顯著不同。乳化凝聚法採用二次凝聚的方法，將第一次凝聚所得之碳粉顆粒視為核心，藉由添加額外的樹脂乳液進行第二次凝聚形成殼層，其結構及外觀如圖12。近年來乳化凝聚法為了克服上述材料限制，改採用溶劑液化之樹脂乳液。藉由溶劑將樹脂液化成油相，再與含有乳化劑之水相混合形成樹脂乳液。由於，不需進行聚合反應，因此不會有材料的限制，一般樹脂只要能溶於系統溶劑皆適用[24-25]。

圖12、乳化凝聚法所製造的CPT結構[4]及外觀。

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表面處理技術在雷射印表機彩色碳粉上的應用 --- PART 2 彩色碳粉的製造程序

彩色碳粉的製造程序 (本文發表於 2009/04 化工技術 Vol.193)

1  傳統粉碎式碳粉

傳統機械粉碎碳粉(Mechanical Pulverized Toner, MPT)，由於粒徑大小及外觀控制困難，其外觀如圖8所示。因此，要達到小粒徑及窄分佈之需求，則需要提昇設備粉碎效率及增加分級精度方能達到。如此一來，勢必導致MPT所需之設備成本增加、操作時程變長、良率變低。此外，MPT製程很難達到外貌均一的要求，以及使用低溫定著及高光澤度之碳粉配方。由於，低溫定著及高光澤度之碳粉配方，主要是由蠟或樹脂本身熱融性質所決定。而目前，MPT所用的樹脂主要是苯乙烯-壓克力共聚物，其低溫定著及光澤度差。故需要額外添加大量的蠟來提昇其低溫定著及光澤度等特性[10]。但是，苯乙烯-壓克力共聚物對蠟的相容不佳，無法大量添加，導致以MPT製程所製造的彩色碳粉無法有效提昇其低溫定著及光澤度。

圖8、粉碎式碳粉SEM外觀。

傳統的碳粉製造程序包括：1. 以擠出機(Extruder)將樹脂熔融，並與顏料、樹脂及機能性內添加劑等混合均勻，其中機能性內添加劑包括強化帶電的電荷控制劑、促進光澤度的蠟、以及抑制定著沾黏的離型劑等；2. 將混合後之固體以氣流粉碎機(Jet Pulverizer)粉碎成特定形狀及大小的微小顆粒；3. 利用篩選機(Classifier)將過大或過小之顆粒去除；4. 再以混合機（Mixer）混合外添加劑進行碳粉表面改質，以提昇其擦電及流動性。

2   新型化學式碳粉

CPT是採用化學聚合製程所製造的碳粉，其與MPT最大差別在於碳粉顆粒形成的方式不同。形成碳粉顆粒的方法中，MPT是將已聚合好的樹脂以機械力將其粉碎成顆粒；而CPT是從液態油相單體以兩相懸浮或乳化聚合的方法合成樹脂，同時形成碳粉顆粒。目前，市面上主流的CPT化學聚合技術有懸浮聚合法(suspension polymerization method)及乳化凝聚法(emulsion/aggregation method, EA)。懸浮聚合法製程，是將乙烯基單體(vinyl monomer)與色料等添加劑混合形成有機油相，再以高剪切之均質設備將有機相懸浮分散於含分散劑之水溶液相中，並加入起始劑引發單體聚合形成球狀樹脂顆粒，如圖9。值得注意的是，用於此法的樹脂種類僅限於可進行乙烯基懸浮聚合之樹脂，且有聚合反應時間長、易受添加劑干擾以及有聚合單體殘留需長時間去除等缺點[11]。而乳化凝聚法的製造程序為，先製備樹脂乳液及其他添加劑之分散液，然後使樹脂乳液與其他添加劑之分散液進行凝聚合併，以得到所需粒徑大小的樹脂顆粒，如圖10。其中乳液製備程序，是將有機油相乙烯基單體與含乳化劑之水溶液相混合，並以乳化均質機直接乳化分散，再將起始劑加入引發聚合形成樹脂乳液，此法的缺點與懸浮聚合法類似。值得一提的是，EA法所形成的碳粉是由許多小顆粒所凝聚而成，故其外觀並非球形，而近似馬鈴薯狀[12]。

圖9、懸浮聚合法製程示意圖。

  

圖10、乳化凝聚法製備微膠囊結構之碳粉示意圖。

 

CPT製程技術的主要訴求有兩點：1.易於調控粒徑、粒徑分佈及外觀；2. 高光澤度及低溫定著佳。故能符合目前市場對於高解析、高光澤、低成本之全彩圖像輸出的需求。由於CPT製程技術，主要是利用油/水兩相分散及凝聚來製備碳粉顆粒。因此，利用兩相界面參數的調控，可以精準控制油滴分散於水相中的形狀、粒徑及其分佈。所以，化學碳粉製程技術相較於MPT製程，將更容易於製備小粒徑、窄分佈及近似球狀的碳粉。常見的CPT調控參數包括油/水兩相的攪拌速度、分散劑的濃度、系統溫度、樹脂黏度、油/水界面的張力及黏度等[13]。此外，藉由特殊的製程操作及適當的材料選擇，可以在碳粉外表進行機能化處理。詳細的碳粉表面處理程序，將在下一節討論。

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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。

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