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影印機是在1938年就由卡爾遜(C.Carlson)和他合作人科(O.Kornei)是根據半導體的光導電性、物質間的摩擦生電等原理而設計的。對現代人的生活影響深遠。

 

1 影印機 -【摘要】

影印機是根據半導體的光導電性、物質間的摩擦生電等原理而設計的,發明人卡爾遜巧妙地結合這些似乎不相干的原理,居然發展為影響近代文明深遠的新技術。雖然影印機仍在逐年改進,但是基本步驟仍然類似四十年前卡爾遜的設計。

2 影印機 -影印機歷史


影印機對現代人的生活影響深遠,它的操作原理是很有趣的。十幾年前,本刊創刊號即有介紹過,在本文中,我們較為仔細深討影印機的基本原理,但是仍然省略它許多機械設計上的細節。

影印機是在1938年就由卡爾遜(C.Carlson)和他合作人科尼(O.Kornei)發展出來的。數十年來,雖然影印機有多方面的改進,但是現代影印機的幾個基本步驟仍然脫離不了卡爾遜當初的構想。其方法是將影像照光後,投射於光導電體(photoconductor)上而形成一帶電荷的潛像(latent image),再用具相反電荷的色粒(troner),即俗稱碳粉,使其顯影,然後將這些成像的色粒轉移並定影於白紙上。1938年十月二十二日,卡爾遜和助手首次在紐約證實了這個構想是可行。他們以硫作為光導體,塗布在鋅板上,在暗室中以手帕摩擦硫的表面使帶電,將一塊玻璃板用墨水寫上「10-22-38 Astoria」幾個字,置於硫黃板上,放在白熱燈下曝光。這時字跡已在硫黃上形成帶電荷的潛像。然後在硫黃上灑一層一種石松屬植物的花粉,再小心地將不帶電處所不吸附的花粉去除,此時硫黃層上由花粉形成的字型清晰可見,最後將字型轉移到蠟紙上,加熱而完成定影手續(見圖一)。

大部分的公司對這個實驗結果並不重視,直到1946年一個非商業性的研究機構──巴特萊紀念所(Battelle Memorial Institute)開始發展這種乾印技術,隔年該所與Haloid公司(即後來的Xerox全錄公司)訂約研究製造影印機。此後影印技術不斷發展,今日這種乾式的影印技術已廣泛地用於各辦公室及圖書館里。

3 影印機 -光導電體


影印機的主角是光導電體。光導電體在光的照射下,由絕緣體變成導電體。它是一光敏感物,在黑暗中其電阻甚大,不會導電;在照光後分子的自由電子增加,電阻減小,可導電。如硒、砷、碲等無機物及其合金均為光導電體,現代是用硒代替最初卡爾遜所用的硫黃。

在影印機中能接受影像的光導體裝置叫「光承受體」(photoreceptor),一般是在金屬基層(metal substrate)如鋁上塗布一層光導電體如硒,我們就簡稱為硒筒。硒筒之形狀各機形可能不同,一般如平板狀、帶狀或筒狀。光導電體的厚度約數十微米(µm),且需具高的光敏感性(photosensitivity)、安定性及電荷移動性(charge mobility)。早期只用一層光導電體兼具電荷的生成與輸送功能,現在已發展出機能性的多層結構。例如硒上附有氧化硒層,是正電荷的存在層,輸送電荷是在下方的純硒層,最下層的鋁和硒層間又有氧化鋁的夾層,使得電荷儲存和傳遞功能更趨獨立而完善(見圖二)。

4 影印機 -六個基本步驟



影印的基本步驟如下:
一﹑帶電(charge)

當初卡爾遜是以手帕摩擦光導電體硫黃使其帶電,而現代的影印機是在黑暗中以放電管(corotron)造成空氣分子如氮分子的正離子,正離子移動至硒筒表面抓取電子,而使得硒筒表面因失去電子而帶正電荷。在黑暗中硒為絕緣體,故電荷可保存在其表層(見圖四)。
二﹑曝光(expose)

當初卡爾遜是利用光透過有字跡的玻璃板把潛像呈現在硫黃上,而現代是利用光照射待印文件時,空白部分反光,而有字跡部分吸光,經透鏡及反射鏡將這些反射光投射在硒筒上。此時硒層被光照射的地方成了導體,使得照光而產生的電子中和了儲存在表層(氧化硒層)的正電荷。電子來自表層下方,也使得下方留下正電荷的電子洞(electron hole)。這也就是說原來表層正電荷向下層移動,這種移動是一個連鎖步驟,直到正電荷移到硒筒下層的金屬基層(見圖五)。當正電荷移動至金屬基層的界面時,接地的基層可以提供電子,然後藉放電(discharge)使基層變成中性,不帶電荷。上述的電子傳遞過程,只是硒筒受光照射處的局部變化;而未受到光缐照射的部分,因為仍為絕緣體,所以表層仍然帶正電荷。一個有趣而重要的現象是,硒筒表層的電荷並不右左移動而破壞潛像。當光源被移去後,我們可在硒筒上得到和原來影像對應的潛像。原像里黑色的部分在潛像上對應的是帶正電荷的區域,而白色區域則不帶電。
三﹑顯像(development)

當初卡爾遜是利用花粉吸附到帶正電荷的潛像上而顯影。一般之顯像劑包括微小的色粒及較大的載體(carrier beads);色粒是由熱塑性樹脂含黑色碳粉末所構成,直徑約10微米。載體之成分為鋼、玻璃或亞鐵鹽(ferrite),直徑約100~500微米(見圖六)。我們知道貓皮和玻璃棒摩擦,會使貓皮帶正電而玻璃棒帶負電。同樣地,顯影劑的設計是當載體和色粒混合攪拌時,由於摩擦生電使得載體帶正電,色粒帶負電,兩者相吸;同時,後者準備移動到帶正電荷的潛像上。一般常用的顯影法有瀑式(cascading)及磁刷式(magnetic brush)兩種。瀑式法是將顯影劑以吊筒撒過硒筒表面,當載體磙下時,它所攜帶的色粒可被帶正電荷的潛像吸引而留在硒筒上。磁刷式法則利用磁性磙筒上吸有磁性的載體,而載體吸有色粒,結果載體和色粒在磙筒表面成鏈狀或鬚狀分佈,其作用如同軟刷。當磙筒刷過硒筒表面時,色粒使轉移到硒筒上帶電部分而顯像(見圖七)。
四﹑轉印(transfer)

轉印之作用是將硒上色粒所形成的影像再轉移至紙上,當然需減小硒筒(帶正電)對色粒(帶負電)之吸力。這時利用放電器使紙帶正電,以便自硒筒上奪取色粒。將色粒所形成影像轉印紙上後,色粒和紙間只有靜電吸力。此時若用手指摩擦會輕易去除影像,所以需要下一步的定影,使其間產生穩定結合。當初卡爾遜的定影是將花粉在硫黃表層所成影像轉印到蠟紙上時,藉蠟和花粉穩定附著力。
五﹑定影(fix)

色粒是由含黑色粉末的熱塑性樹脂所構成,定影是利用加熱方式將樹脂由固態變成熔融態,使其流入紙的纖維中,再凝固成固態後成永久鍵結。定影的方法有熱融合(oven fusing)、輻射融合(radiant fusing)、加熱加壓融合(heat and pressure roll fusing)及以三氯乙烯(trichloroethylene)蒸氣溶解樹脂的蒸氣融合法(vapor fusing),也可將熱融合及輻射融合合併使用。
六﹑清除(clean)

5 影印機 -清除包括三步驟:



(一)減小硒筒對殘餘色粒的吸引力。

(二)以機械方法除去殘餘色粒。

(三)照光使帶正電荷的潛像部分也產生放電現象。以上即完成了影印過程,清除後的硒筒可再接受新的表面電荷,重複此循環。

6 影印機 -結    語


本文目的是提供讀者對影印機原理的概念,省略了許多機械設計上的細節。整個過程巧妙之處在於如何製造電荷,控制電荷之移向,以達到色粒印上紙張的最後目標。讓我們在本文最後簡短地追蹤電荷的移動,以加深我們的印象。電荷的誕生是靠放電器在硒筒表層產生正電荷(帶電步驟),然後利用硒的光導性,使得原先均勻的正電荷分佈,只留下含潛像的局部正電荷(曝光步驟)。這時利用色粒和載體的摩擦生電,再將含負電荷的色粒移往潛像處(顯影步驟)。再接下去以含正電荷的白紙從硒筒上奪取色粒(轉印步驟)。其中一個有趣的插曲是硒筒上的成像是影印原物的鏡像,而轉印到紙張上後,才是和原物相同之正像。



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