Тема: ОРГАНИЧЕСКИЕ ФОТОРЕЦЕПТОРЫ В ПОЛИГРАФИИ

• Вид работы:
  Курсовая работа (т) по теме: ОРГАНИЧЕСКИЕ ФОТОРЕЦЕПТОРЫ В ПОЛИГРАФИИ
• Предмет:
  Другое
• Когда добавили:
  07.08.2014 16:49:16
• Тип файлов:
  MS WORD
• Проверка на вирусы:
  Проверено - Антивирус Касперского

Другие экслюзивные материалы по теме

• Полный текст:
  Содержание:
  1. Введение
  1.1. Электрофотография - 3
  1.2. Обзор электрографических систем - 5
  2. Обзор фоторецепторов
  2.1. Назначение и физическая основа функционирования - 7
  2.2. Требования к фоторецепторам - 11
  2.3. Основные типы фоторецепторов - 15
  3. Органические фоторецепторы
  3.1. Общая характеристика - 17
  3.2. Органические полупроводники - 20
  3.3. Состав фоторецепторов, технология изготовления и реставрация - 22
  4. Использование органических фоторецепторов
  4.1. Параметры фоторецепторов, применяемых в современной аппаратуре -24
  4.2. Органические фотопроводящие барабаны - 29
  5. Заключение - 32
  6. Литература - 34
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
    1. Введение
   
    1.1. Электрофотография
   
  Электрография занимает важное место в информационных технологиях, в первую очередь в полиграфии. Под электрографией понимаются любые технологии и методы записи и размножения информации, важнейшим элементом которых являются электрические заряды.Наиболее разработанный и широко применяемый раздел электрографии - электрофотография. В ней наряду с электрическими зарядами используется световое (или ионизирующее) излучение. Разрабатываются и выпускаются не только собственно электрофотографические аппараты и машины, но и устройства, в которых электрофотографические узлы сочетаются с другими известными технологиями, например с офсетом.
  Изобретение электрофотографии произвело переворот в технологии печатания документов и деловых бумаг. Достаточно сказать, что электрофотография лежит в основе работы фактически всех лазерных принтеров и копировальных аппаратов. Она была изобретена в Америке в начале 1940-х годов Ч.Карлсоном. В дальнейшем процесс получил коммерческое название ксерография, происходящее от греческих слов xeros(сухой) и graphos(пишу).
  Электрофотография (ЭФ) включает электрофоретические и миграционные процессы с участием заряженных частиц при получении копий. ЭФ-процесс основан на синтезе различных физических явлений, некоторые из них, например, перенос зарядов между контактирующими движущимися поверхностями (трибоэлектричество), до конца еще не поняты и активно изучаются. В 1960-е годы были созданы первые автоматические копировальные ЭФ-аппараты, а в 1990-е годы во всем мире ежедневно производится свыше 10 млрд. ЭФ черно-белых и цветных копий.
  Первое ЭФ-изображение, получено Ч.Карлсоном примитивным способом. Он применил в качестве фотопроводника слой серы, нанесенный на цинковую пластину. Поверхность слоя заряжалась трением о шерстяной платок. При экспонировании оригинала на поверхности слоя формировалось скрытое электростатическое изображение (СЭИ), которое проявлялось порошком и переносилось под давлением на вощеную бумагу. В 1950-е годы процесс был усовершенствован путем введения в него коронного разряда, тонера и носителя, а также селена в качестве фотопроводника. Модернизация всех стадий ЭФ-процесса привела к разработке скоростных ЭФ-аппаратов, позволяющих получать изображения высокого качества.
  ЭФ-изображение состоит примерно из 100 млн. окрашенных полимерных частиц, расположенных на листе бумаги так, чтобы воспроизвести черно-белый или цветной оригинал. В  основе электрофотографии лежит процесс формирования двойного электрического слоя, образуемого поверхностным зарядом и возникающим в объёме фоточувствительных материалов или проводящей подложке экранирующим зарядом с последующей локальной модуляцией мощности слоя (произведения поверхностной плотности заряда на толщину двойного слоя) за счёт фотопроводимости. Сам ЭФ-процесс начинается с формирования распределенного по поверхности фотопроводящей пленки электрического заряда (электростатическое изображение), повторяющего оптическое изображение оригинала. Заряженные окрашенные термопластические частицы, называемые тонером (сухие чернила), избирательно притягиваются к заряженным участкам, тем самым, проявляя их. Сформированное тонером изображение переносится на бумагу и фиксируется в результате размягчения и сцепления тонера с бумагой при нагревании. Процесс может многократно повторяться со скоростями, достигающими 100 копий форматом А4 в минуту.
  Различают: классическую электрофотографию, основанную на применении аналоговой технологии и современную (цифровую) электрофотографию, основанную на применении цифровых технологий  воспроизведения изображения.
  Электрофотографический (ЭГФ) процесс разнообразен, но его основные этапы являются типовыми. ЭФГ- процесс можно представить в виде преобразователя информации, имеющего вход (объект) и соответствующий ему выход (изображение). Световое поле информационного входа  воспринимается преобразователем  (одновременно или по элементам) и , после соответствующих изменений, по цепочке: модулированный световой поток -> распределение зарядов ->  электрическое поле -> тонер, получаем распределение частиц тонера (изображение), т.е. информационный выход.
   
  Рис.1. Принципиальная схема ЭФГ- процесса:
   
   
  
   
   
   
  1.2. Обзор электрофотографических систем
   
  В процессе получения ЭФ-копии используются электростатические силы на стадии проявления изображения, а также при переносе изображения на бумагу, при очистке фоторецептора и т.д. Создающая изображение система, основанная на движении заряженных частиц тонера и их осаждении на подложку, описывается уравнением
  
  где FF - сила, действующая на частицы тонера;
  Q - заряд на частице тонера;
  F - электрическое поле.
  Формирование собственно изображения в оптических плотностях зависит от пространственной вариации dFF силы FF:
  
  Где ?F и ?Q - пространственные вариации F и Q соответственно.
  Первый член выражения характеризует ксерографический процесс, второй относится к электрофотографическим процессам, базирующимся на электрофоретическом движении заряженных частиц тонера в жидкой диэлектрической среде. В этом случае заряд на частице тонера определяется поглощенным светом, а движение происходит в постоянном электрическом поле.
  В другом варианте электрофотографии, называемом «дипольной ксерографией», незаряженные частицы тонера поляризуются градиентом поля (grad) над поверхностью фотопроводника. Индуцированный дипольный момент p пропорционален электрическому полю F. Сила, действующая на частицы тонера, выражается как:
  
  Изображение формируется за счет :
  
  где ? - поляризуемость частицы тонера.
  Для узких линий значительный полевой градиент существует над изображением. Чтобы создать дипольную силу над изображением большой площади, должна быть произведена модуляция поверхностного заряда. Для этого используются растрирование экспонирующего светового потока или осаждаемого коронного заряда, а также растрированная фотопроводниковая структура фоторецептора.
  В настоящее время есть целый ряд электрофотографических и, в более широком понимании, электрографических систем, включая электрофакс, фототермопластику, ионографию, электрографические печатные формы и др., однако большинство коммерческих электрографических систем основано именно на ксерографии.
   
   
  2. Обзор фоторецепторов
  2.1 Назначения и физическая основа функционирования
   
  Фоторецептор — это основа, на которой реализуется процесс цифровой электрофо­тографии и, прежде всего, осуществляются основные этапы экспонирования и прояв­ления.
  Электрофотографический фоторецептор (ФР) — синоним: носитель информации — это фотополупроводниковое изделие на котором осуществляется формирование электрофотогра-"кого изображения.
  Основные его функции: восприятие наносимых электростатических зарядов и, в соответствии с интенсивностью и распределением падающего излучения, формирование так называемого скрытого электростатического изображения (СЭИ), проявляемого с помощью электрографического проявителя. ЭФГ-ФР состоит из следующих элементов (рис 2):
   
  Рис.2. Компоненты ФР и элементы СЭИ
  электропроводящей основы (подложки), в качестве которой используется металлическая пластина, цилиндр или лента, а также покрытая  электропроводящим слоем диэлектрическая пленка; электрофотографического слоя (ЭФС), который в общем случае может иметь несколько элементарных слоев различного назначения — барьерный, фотополупроводниковый и защитный или генерирующий и транспортный.
  Сопротивление основы не должно превышать р < 0,1 МОм/? Требования к ЭФС весьма противоречивые: необходимо согла­совать достаточно высокую фоточувствительность со способнос­тью стабильного сохранения электростатических зарядов, что свой­ственно диэлектрикам. Для прозрачных ФР важным является высокий коэффициент светопропускания составных элементов.
  Для изготовления ФР используются высокоомные фоточувствительные полупроводники. Осажденные на ЭФС электростатические заряды могут сохранять свою неподвижность в темноте только в случае малой объемной концентрации свободных носителей тока. Это обеспечивается при большой ширине запретной зоны полупроводника, высоком потенциальном барьере у подложки и низкой концентрации заполненных локальных уровней в объеме слоя. При зарядке такого ФР на нем создает­ся определенный потенциал, оптимальный уровень которого называется номинальным потенциалом UH.
  В процессе экспонирования в тонком генерирующем слое CGL происходит создание носителей заряда. Основная часть но­сителей дрейфуют через транспортный слой CTL в направле­нии связанных зарядов и снижают номинальный потенциал до фонового значения  Uф.
  Основным параметром ФР, используемым при сравнении их различных типов, является фоточувствительность.
  Фоточувствительность ФР разделяется на спектральную и -интегральную.
  спектральная фоточувствительность S? определяется в энергетических единицах (м2/Дж) при определенной длине  волны спектра облучения и при условии уменьшения номинального потенциала в два раза. Она обычно представляется в виде кривой S?=f(?)  и определяется как:
   
  S?=1/ H?=1/(L?t) где
   
  H? – энергетическая  экспозиция при определенной длине волны спектра  облучения; L? – облученность при длине волны ?.
   
  Характер этой функции особенно важен при копировании цветных оригиналов (для аналогового варианта).
  При копировании одноцветных оригиналов часто используется параметр интегральной фоточувствительности S? во всей видимой области спектра.
   
  S? = 1/(Lэфt), где
   
  Lэф – эффективная облученность в видимой области спектра
   
  Интегральная фоточувствительность определяется в световых единицах (лк-1·с-1) для всей видимой области спектра. Для цифровой аппаратуры (как одноцветной, так и цветной) существенное значение имеет спектральная фоточувствительность ФР в области излучения лазера.
  Упомянутые параметры для ФР определенного типа во многом зависят от достигнутого потенциала фоточувствительного слоя, который, в свою очередь, зависит от плотности осажденного заряда. Эта функциональная зависимость для органических ФР и его компонентов показана на рис. 3. Из вольто-кулоновой характеристики [11] видно, что линейная зависимость параметров прекращается при достижении определенного уровня
  зарядки, когда уже возникает зона пробоев. Эта зона зависит от толщины фоточувствительного слоя.
   
  
   
  Оптимальным и практически применяемым уровнем номинального потенциала зарядки органического фоторецептора структуры CGL/CTL является потенциал  (600-800). Для варианта отрицательной зарядки это достигается при нанесении поверхностного заряда (0,2 — 0,3) мкКул/см.кв:
  При отсутствии фотогенерированных или термически инжек­тированных зарядов, фоторецептор представляет собой идеальный конденсатор. Потенциал зарядки такого идеального ФР выражается формулой:
   
  
  где q — плотность поверхностного заряда; С — геометрическая емкость ФР; d — толщина ФР; е — диэлект­рическая проницаемость ФР; е0 — электрическая постоянная.
   
  Однако практически в объеме фоторецептора (в условиях сильного внутреннего электростатичес­кого поля) под действием тепловой энергии или туннельного пе­рехода) всегда могут возникнуть электронно-дырочные пары которые вызывают темновой спад потенциала:
   
  
  где Gn, G0 — поверхностная и объем­ная скорость генерации носителей за­ряда соответственно.
   
  Если при темновом спаде носители одного знака подвижны, а другого — захватываются глубокими ловушками, то происхо­дит однополярная разрядка ФР с образованием объемного заря­да противоположной полярности. В этом случае потенциал заряд­ки реального ФР в начальной и завершающей стадиях темновой разрядки, и в зависимости от места расположения передвигаю­щихся свободных зарядов выражается по-разному.
   
  
  Или
  
  г — концентрация захваченных носи­телей заряда; Q = rd.
   
   На­чальная стадия (U'с) заканчивается при времени темновой разряд­ки t = t'd, когда выполнятся условие: Ud = 0,5 Un (UH — номи­нальный потенциал) и наступает завершающая стадия (U2с).
  Заряженный ФР, находящийся в определенной стадии тем­новой разрядки, готов к восприятию световой информации с образованием скрытого электростатического изображения.
   
   
  2.2. Требования к фоторецепторам
   
  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 перечислены ниже:
   
  1) Спектральная чувствительность - характеризует способность фотопроводника реагировать на излучение различных длин волн. Ни один фотопроводник 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 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 фоторецепторе 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 фотопроводник 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 (пользователь вытащил картридж и оставил его на солнце барабаном вверх). Усталость материала приводит к увеличению скорости темновой утечки заряда, а в некоторых случаях, наоборот, к сохранению 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. 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 освещенных 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.
   
  К фотопроводникам (фоторецепторам), используемым в электрофотографии, предъявляются следующие основные требования:
   
  1. Фотопроводниковый слой должен удерживать поверхностный коронный заряд до момента экспонирования и сохранять электростатическое изображение, дублирующее оригинал, в промежутке времени между экспонированием и проявлением. Это требует захвата поверхностного заряда ловушками и введения в некоторых случаях блокирующего контакта между проводящей подложкой и фотопроводником. Дополнительно это означает, что скорость темнового разряда поверхности фотопроводника (фоторецептора) минимальна.
   
  2. Фоторецептор в копировальных аппаратах должен эффективно разряжаться под действием света с длинами волн всего видимого диапазона. В цифровых аппаратах фоторецептор имеет максимальную чувствительность к длине волны излучения полупроводникового лазера (например, 780 нм для GaAlAs-лазера). Кпд ЭФ-устройства определяется эффективностью фотогенерации свободных носителей заряда, который, как правило, меньше 1, но возрастает с увеличением электрического поля.
   
  3. Фотогенерированные носители заряда должны пройти через фоторецептор за время, меньшее интервала между экспонированием и проявлением. Это определяет нижний предел для подвижности носителей заряда при заданной толщине фоторецептора.
   
  4. Потенциал зарядки и остаточный потенциал должны иметь точно воспроизводимые значения при многократном копировании или печатании. Изменение их связано с увеличением скорости темнового разряда и накоплением захваченного заряда соответственно, которые определяются наличием в фоторецепторе примесных молекул. Для стабильной работы фоторецептора концентрация последних не превышает 1013см-3.
   
  5. Для фоторецептора выбирают материалы, обеспечивающие формирование бездефектных, большой площади (от 0,1 до 2 м2) пленок с хорошими физико-механическими характеристиками. Эти материалы 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. Естественно, фоторецепторы должны быть экологически чистыми.
   
   
  2.3. Основные типы фоторецепторов
   
  В зависимости от выбранного варианта ЭФГ- процесса и от типа аппаратуры, ФР подразделяются на две группы: однократного и многократного применения.
  Группу ФР однократного применения составляют ЭФГ- бумаги и органические прозрачные пленки. Для изготовления ЭФГ- бумаг используются дисперсные системы ZnO, наносимые на бумагу. Образуется гетерогенная система, состоящая из мел­кодисперсных частиц полупроводника, диспергированных в ди­электрическом связующем веществе. Аналогичным методом на­носятся и органические полупроводники. Этот тип ФР полу­чил название органических электрофотографических пленок. Они используются в микрографии.
  ФР многократного применения — это наиболее распрост­раненный тип. Они изготавливаются на базе аморфных халькогенидов, аморфного кремния или непрозрачных органических фотополупроводников. Исторически этот тип ФР был основой классического ЭФГ-процесса, известного под названием ксеро­графии. В самых первых копировальных аппаратах (1950) использовались селеновые пластины. По мере автоматизации ко­пировального процесса и появления ротационных аппаратов, форма и состав ФР значитель­но изменились. В  настоящее время это покрытые высокочувствительным слоем металлические цилиндры, а также гибкие пленки, которые в аппаратуре закрепляются на цилиндрической   поверхности или представляют собой бес­конечную ленту
  Фоторецепторы из аморфного селена а-Se), состоящие из a – пленок толщиной 20-100 мкм, вакуумно осажденных на алюминиевые цилиндры при повышенной температуре, - первые промышленные фоторецепторы, используются и сейчас. Аморфный а-Se отвечает многим из перечисленных выше требований, однако чувствителен только в синей области спектра, имеет плохие физико-механические характеристики и токсичен. Кроме того, а-Se кристаллизуется при относительно низкой температуре (~60°С), при этом сильно возрастает темновая электропроводность и исчезает фотопроводимость. Добавление теллура или мышьяка расширяет область спектральной чувствительности на весь видимый и ближний инфракрасный (ИК) диапазон.
  Сравнительно недавно в качестве материала для фоторецепторов применяется аморфный гидрированный кремний а-Si:H, который чувствителен в видимом диапазоне и имеет достаточную чувствительность при 780 нм - длине волны генерации GaAlAs-лазеров.
  Технология изготовления слоев на базе аморфного халькогенида — вакуумное напыление. При получении многослойных структур сначала наносится тонкий генерирующий подслой, а потом — полупрозрачный транспортный слой. Слои аморфного кремния  не   столь   распространены, так как технология их изготовления осаждением в тлею­щем разряде сложна и малопроизводительна. Существен­ным преимуществом таких слоев является их высокая механическая прочность, что дает возможность увеличить тиражестойкость ФР до нескольких миллионов копии
  В современных ЭФ-аппаратах и машинах доминирующее положение занимают разнообразные органические фотопроводники. 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. Типичными органическими фоточувствительными материалами являют фталоцианины или азокрасители.
   
   
  
   
  Рис.4. Структура основных типов ФР (а) и их распространенность в ЭФГ аппаратуре (б)
  +/- - полярность зарядки ФР
  1 – ФР на базе CdS
  2 – a-Si
  3 – Se/Te
  4 -  органические фото полупроводники
  5 – неорганические фотоматериалы
  Al – алюминиевая основа
  CGL – генерирующий слой
  CTL – транспортный слой
  D - диэлектрик
  OPC -  органический ф/п
   
   
  3. Органические фоторецепторы
   
  3.1. Общая характеристика.
   
  Органические фоторецепторы (ОФР) являются одним из важнейших элементов электрофотографического узла копировально-множительной аппаратуры (КМА), лазерных принтеров (ЛП) и светодиодных принтеров (СДП). Начиная с конца 70-х годов, проводилась разработка электрофотографических фоторецепторов, сперва пленочных (для микрофильмирования, голографии, СОМ-систем,~E), с начала 80-х -пленок и органических барабанов для копировальных аппаратов, а также для появившихся в стране лазерных принтеров и полиграфических устройств как отечественных, так и импортных.
   
  Большинство органических материалов обладает хорошими фотогенерационными или электронно-транспортными свойствами. Поэтому в настоящее время в основном производятся двухслойные органические фоторецепторы, в которых функции фотогенерации и транспорта носителей заряда распределены между различными слоями. Толстый транспортный слой (ТС или CTL) наносится на более тонкий генерационный слой (ГС или  CGL) органического пигмента или красителя. 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: перилены, скварилиевые красители, тиапириллиевые красители, азосоединения, безметальный фталоцианин, фталоцианин ванадила. Эффективность фотогенерации свободных носителей заряда определяется конкуренцией процессов геминальной (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 введенной примеси) должны иметь низкий потенциал ионизации. Для слоев CTL типичными являются полимерные матрицы из класса поликарбонатов, содержащие дырочно-транспортные молекулы, например третичные амины с нитрогеном и множеством бензоловых колец.
   
  Процесс транспорта дырок инициируется переходом электрона от нейтральной транспортной молекулы в ТС к фотовозбужденной дырке в ГС. Собственно процесс транспорта дырок в ТС заключается в стимулированных электрическим полем последовательных актах переноса электрона от нейтральной транспортной молекулы к ее катион-радикалу. При этом потенциал ионизации определяет скорость переноса. Наиболее подходящие дырочные транспортные центры - молекулы пиразолинов, гидразонов, производные ароматических трифениламинов (ароматических молекул), содержащие атомы азота. Величина потенциалов ионизации таких молекул ~7-8 эВ.
   
  Для эффективного транспорта электронов решающее значение имеет высокое положительное сродство с электроном молекул допанта. Транспорт электронов происходит посредством переноса электрона с молекулы анион-радикала на соседнюю нейтральную молекулу. Подходящие для электронного транспорта производные ароматические молекулы, включающие кислород, например, нитрофлуореноны. Полимерным связующим обычно выступает поликарбонат, обладающий отличными стабильными во времени диэлектрическими, оптическими и физико-механическими свойствами.
   
  Говоря о классификации ФР, следует отметить, что существует два вида фоторецепторов: ленточные и цилиндрические. Первые обычно используются в аппаратах с очень высокой скоростью, поскольку позволяют обеспечивать более высокую скорость экспонирования.
   
  3.2. Органические полупроводники
   
  ФР всех типов — это многослойные системы фотополупроводников, нанесенных на электропроводящую основу.
  Органические полупроводники , твёрдые органические вещества, которые имеют (или приобретают под влиянием внешних воздействий) электронную или дырочную проводимости. Они  характеризуются наличием в молекулах системы сопряжения. Носители тока в органических полупроводниках образуются в результате возбуждения p-электронов, делокализованных по системе сопряжённых связей. Энергия активации, необходимая для образования носителей тока в органических полупроводниках, снижается по мере увеличения числа сопряжений в молекуле и в полимерах может быть порядка тепловой энергии.
  К данному типу полупроводников относятся органические красители (например, метиленовый голубой, фталоцианины), ароматические соединения (нафталин, антрацен, виолантрен и др.), полимеры с сопряжёнными связями, некоторые природные пигменты (хлорофилл, b-каротин и др.), молекулярные комплексы с переносом заряда, а также ион-радикальные соли.  Органические полупроводники существуют в виде монокристаллов, поликристаллических или аморфных порошков и плёнок. Величины удельного сопротивления r при комнатной температуре у  них лежат в диапазоне от 1018 ом?см (нафталин, антрацен) до 10-2ом?см (ион-радикальные соли). Наиболее проводящими являются ион-радикальные соли, на основе анион-радикала тетрацианхинодиметана. Они обнаруживают электропроводность металлического характера. У органических полупроводников  с низкой электропроводностью наблюдается явление фотопроводимости.
   
  Органические фотополупроводники обладают особенностями, которые определяются молекулярным характером их структуры и слабым межмолекулярным взаимодействием:
  1) поглощение света вызывает возбуждение молекул, которое может мигрировать по кристаллу в виде экситонов;
  2) образование носителей тока под действием света связано с распадом экситонов на поверхности кристалла, дефектах его структуры, примесях, при взаимодействии экситонов друг с другом, а также с автоионизацией высоковозбуждённых молекул;
  3) зоны проводимости узки (~0,1 эв), подвижность носителей тока, как правило, мала (~1 см2/в?сек);
  4) наряду с зонным механизмом электропроводности осуществляется прыжковый механизм. В кристаллах ион-радикальных солей межмолекулярное взаимодействие сильно анизотропно, что приводит к высокой анизотропии оптических и электрических свойств и позволяет рассматривать этот класс П. о. как квазиодномерные системы.
   
  Органические фотополупроводники  успешно заменяют халькогенидные слои многократного применения. В этом случае, поскольку нет требования прозрачности, можно значительно увеличить концентрацию сенсибилизаторов и поднять фоточувствительность (по сравнению с прозрачными пленками). Используются слои гомогенной структуры, а также создаются многослойные системы. Широко распространены двойные слои типа CTL/CGL, где функции генерирующего слоя CGL выполняет тонкий слои селена (0,1 - 0,5 мкм). Полимерный слой CTL   имеет толщину ОТ 10 ДО 40 МКМ.
   
  Органические полупроводники находят применение в качестве светочувствительных материалов (например, для процессов записи информации), в микроэлектронике, для изготовления различного рода датчиков. Исследование этих полупроводников важно для понимания процессов преобразования и переноса энергии в сложных физико-химических системах и в особенности в биологических тканях. С органическими фотополупроводниками, в частности с ион-радикальными солями, связана перспектива создания сверхпроводников с высокой критической температурой.
   
  3.3. Состав фоторецепторов, технология их изготовления и реставрация.
   
  Как отмечалось ранее, в основном, в качестве фоторецептора используют либо селен и его соединения, либо органические соединения.
  Органический фоторецептор двухслойный. Первый слой - слой, в котором осуществляется перенос заряда, под ним - слой в котором генерируется заряд. За ним идет тонкий слой оксидной пленки, который предотвращает утекание заряда в подложку. Подложка - последний алюминиевый слой.
  Селеновый фоторецептор состоит из "ловушечного слоя", представляющего собой естественную оксидную пленку. Этот слой уменьшает скорость темновой утечки заряда. За ним идет фотопроводящий слой, алюминиевая оксидная пленка и подложка.
  В 2-х слойных органических фоторецепторах БАС обычно состоит из ФГС - из дисперсии светочувствительного пигмента в полимерных связующих, ТС - из твердого раствора органического фотопроводника ОФП в полимерном связующем, ЗС – из композиционной полимерной пленки или вакуумно осажденного покрытия.
  В качестве полимерных связующих для ФГС используются обычно полиацетали, а для ТС - поликарбонаты (РС-А, РС-Z) или полиметилметакрилаты.
  Как ОФП используются ароматические гидразоны (например, DEH), полиариламины (например, TPD), замещенные полиарилбутадиены, стильбены и другие классы соединений
  В качестве светочувствительных пигментов используются специально подготовленные фталоцианины в нужной кристаллической модификации (например, фталоцианин титанила  или безметальный фталоцианин) - в основном для лазерных принтеров, или бизасопигменты (например, пигмент 54, пигмент БОЗ, периленовый пигмент ПП) - в основном для копировально-множительных аппаратов
   
  В отличие от изготовления слоев на базе аморфного халькогенида, где используется вакуумное напыление, для органических ФР используется технология полива органических материалов на цилиндр или на гибкую полимерную основу. Равномерность наносимого слоя из раствора при свободном поливе во многом зависит от конструкции поливной кассеты и ее герметизации.
  Используются  различные технологические узлы полива с купающимся или набрасываемым валиком, поливные кюветы Клирмана или Шакирова, поливная кювета с «воздушным ножом» и др.
  Для получения более толстых слоев (10 мкм и более) используются фильерные кюветы — льющие или мажущие. Для увеличения быстродействия процесса применяется способ эк­струзии (полив под давлением).
   
  Технологии реставрации и изготовления ФР во многом схожи, причем реставрация является  подчас единственным средством, продлевающим жизнь дорогостоящего оборудования.
  Выбор способа реставрации в каждом конкретном случае зависит от характера и степени износа фоторецептора и экономической целесообразности. Например, "полная" реставрация фоторецепторов (замена всех слоев) экономически целесообразна только для редких и дорогих типов фоторецепторов. В то же время хорошо отработанная "частичная" реставрация (замена или наращивание верхнего неокрашенного слоя) фоторецепторов практически в любом случае технически и экономически целесообразна и устойчиво дает хорошие результаты, особенно для не очень изношенных фоторецепторов.
  Технология реставрации органических фоторецепторов а общем виде: сперва путем наращивания изношенного верхнего (зарядно-транспортного) слоя, затем - путем его полной замены, и впоследствии – путем полной замены всех слоев фоторецепторов (фотогенерационного, барьерно-адгезионного, грунтовочного), включая (при необходимости) полировку и подготовку поверхности алюминиевой основы. Выше перечисленные слои наносятся последовательно на алюминиевую заготовку методом вытягивания из растворов (т.н. "dipping" метод).
  Реставрированные таким способом фоторецепторы (барабаны) практически не отличаются по своим характеристикам от оригинальных фоторецепторов, за исключением, в ряде случаев, их цвета.
  Исследование процессов, проходящих в слоях фоторецепторов, при их механическом (абразивном), радиационном (световом - засветка источниками освещения, УФ и видимым светом короны), химическом (воздействие озона, образующегося при коронном разряде) и их комбинаций, позволило разработать составы покрытий, устойчивые к воздействию этих факторов, и существенно продлить жизнь как реставрированным, так и вновь изготовленным фоторецепторам.
   
  4. Использование органических фоторецепторов
   
  4.1. Параметры фоторецепторов, применяемых в современной аппаратуре
   
  В современных (2000-х годов) цветных цифровых аппаратах используются практически только непрозрачные орга­нические ФР. Их энергетическая чувствительность охватывает ИК-область спектра и постоянно повышается. Состояние по созданию таких ФР показано на рис. 5. Видно, что группа органических ФР различных типов (Y — Ti OPC, Azlenium OPC, М.Р.М. OPC, Canon LBP) по своей энергетической чувствительнос­ти в широкой ИК-области находится на уровне чувствительности Sе/Те в видимой области спектра и приближается к чувствитель­ности инфракрасных аэрографических пленок. Чувствительность органических ФР достигает (100—1000) м2/Дж, при этом экспозиция полуспада потенциала не превышает (10-3—10-2) Дж/м2. По другим литературным источникам чувствительность органичес­ких ФР фирмы «Canon» оценивается в 1000 Всм2/мкДж, при дли­не волны спектра облучения 700 нм, или в 400 Всм2/мкДж — для спек­тральной области излучения диодных лазеров с X — 770—800 нм. При пересчете на принятую у нас систему определения энергетической чувствительности это составляет около 100 м2/Дж.
  
   
  Так как спектр светочувствительности различных типов фоторецепторов различен, то  одинаковые величины интегральной светочувствительности совсем не означают равенство величин зональных или спектральных светочувствительностей.
  Чувствительность электрофотоматериалов лежит в спектральном диапазоне от рентгеновской области до ближней инфракрасной области. Изменение длинноволновой границы чувствительности в этом диапазоне достигается методами сенсибилизации внутреннего фотоэффекта  вфотополупроводнике.
  Так слои на основе фталоцианинов поглощают свет в основном в красной и ближней ИК-области и их светочувствительность к свету лампы накаливания S1/2 сравнительно велика (S1/2 = 4,4 - 6,5), однако чувствительность таких слоев к свету люминисцентных ламп (обычно используемых в современных КМА), излучающих в диапазоне 450-600 нм, меньше, чем у слоев на основе бизасопигментов (S1/2 = 0,6 - 1,0).
   
  В связи с этим подбор фоторецепторов (технология изготовления) для каждого типа аппарата индивидуален и определяется как спектром излучения и интенсивностью его источника освещения (длины волны лазера), так и конкретными условиями работы фоторецептора (условия и способ зарядки, время между окончанием зарядки и началом проявления и т.п.). Некоторые из этих данных приведены в таблице 1:
   
  Таблица 1
  Тип фоторе- цептора
  Фирма- изготовитель
  Темновой спад потенциала, % за 5 сек.
  Светочув- стительнотсть, S1/2, лк-1 * с-1
  Остаточный потенциал
  Canon NP-1215
  Canon Fuji Integral Catun
  0 5 0 4
  0,36 - 0,40 0,42 0,58 0,63
  10 5 0 5
  Canon HC-2
  Canon НИФТИ
  0 0
  0,60 0,6 - 0,8
  0 10
  Canon HC-310
  Canon НИФТИ
  0 3
  0,83 0,8 - 0,9
  0 10
  Sharp Z-20
  Sharp НИФТИ
  0 0
  1,0 0,8
  0 10
  H.P.II
  * НИФТИ
  9 12
  1,0 1,5
  0 15
  H.P.II P
  *
  10
  1,2
  10
  H.P.3 Si
  *
  3
  1,2
  15
  H.P.4
  Fuji Integral
  3 2
  5,7 4,3
  15 20
  H.P.4000
   
  5
  5,3
  20
  H.P.4L
  * НИФТИ
  4 10
  5,2 5,8
  45 15
  H.P.4V
  *
  1
  1,2
  5
  H.P.5L/6L
  * НИФТИ
  6 10
  5 15
  5 15
  H.P.5P
  *
  4
  20
  20
  H.P.5 Si
  * НИФТИ
  0 10
  5 15
  5 15
   
   
   Чувствительность органических прозрачных пленок, пред­назначенных для получения цветных микроформ (кривые 9 — 11, рис 5), более низкая. Зона максимальной чувствительности может быть сдвинута в ту или другую сторону в зависимости от применяемого в аппаратуре источника излучения.
  Спектральная чувствительность ФР, работающих в режиме принтера, приведена на рис.6. За своеобразный критерий чувствительности принята величина фоторазрядки (спад 1 потенциала ACT) от начального уровня рабочего потенциала минус 700 В при величине экспозиции равной 0,1 мкДж/см2. На рисун-ке приведена кривая чувствительности для двух типов ФР раз- работки фирмы «Осе»: типа ОРС(1), предназначенного для работы в зоне излучения лазерных диодов (665 и 780 нм) и типа ОРС(2) — в красной области применительно к излучению Не — Ne лазера (633 нм). Видно, что чувствительность обоих типов ФР в ИК-области спектра превышает аналогичную характери-стику ФР типа a —Si, As2Se3 и SeTe.
   
  
   
   
  Обобщенные параметры  органических ФР, используе­мых в аппаратуре цифровой печати, приведены в табл.2. Па­раметры соответствуют режиму лазерной записи в ИК- области спектра. Они собраны из различных источников информации и являются ориентировочными.
  Таблица 2
  Обобщенные параметры органических фоторецепторов
   
   
  
   
   
  Развитие фоторецепторов происходит одновременно с развитием современной аппаратуры цифровой печати. В основном увеличивается их фоточувствительность и тиражестойкость
   
  4.2. Органические фотопроводящие барабаны
   
  Физические характеристики органических фотопроводящих барабанов.
   
  В сегодняшних японских копировальных аппаратах чаще всего применяются органические фотопроводящие барабаны, получающие отрицательный заряд. Их конструкция обычно включает (от самого внутреннего слоя к самому внешнему) алюминиевую подкладку, прослойку, или "блокирующий" слой (UCL), слой генерации заряда (CGL) и слой переноса заряда (CTL).
  Алюминиевая подкладка способствует фотопроводимости на физическом и электрическом уровнях, но не играет активной роли в электрофотографическом процессе. Ее основное назначение - придавать структурную и механическую жесткость, а также служить проводником для заземления.
  Прослойка (UCL) между подкладкой и фотопроводящими слоями обеспечивает сцепление слоев и предотвращает "утечку" заряда, которая может повредить качеству копирования. Как и алюминиевая подкладка, прослойка не играет активной роли в процессе электрофотографии, но служит проводником для заземления. Прослойка (UCL) обычно делается из окиси алюминия, анодированного алюминия и различных резистивных полимеров.
  Слой генерации заряда (CGL) очень тонкий, обычно толщиной от 0,1 до 1,0 микрона. (Для сравнения, средний диаметр человеческого волоса - 50 микрон). Его цвет, который обычно определяет цвет самого барабана, зависит от конкретных содержащихся в нем материалов. Светочувствительность зарядогенерирующего слоя имеет важнейшее значение для работы барабана и может служить ограничивающим фактором для скорости копирования, при которой органический фотопроводящий барабан может эффективно функционировать.
  Слой переноса заряда (CTL) -- это самый внешний слой барабана, толщиной обычно от 20 до 30 микронов. Он практически прозрачный, и пропускает свет к слою генерации заряда. Подобно тому, как слой CGL прежде всего определяет светочувствительность барабана, слой CTL прежде всего определяет скорость получения и переноса заряда. Наружная поверхность слоя CTL вступает в контакт с тонером, девелопером, бумагой, ракелями (или щетками), озоном и другими потенциально абразивными или загрязняющими компонентами. Поэтому характеристики устойчивости слоя CTL к износу, такие, например, как прочность на истирание, являются критическими факторами долговечности фотопроводящего барабана.
   
  Хотя это описание подходит к большинству применяемых сегодня органических фотопроводящих барабанов, существуют и другие типы OPC-барабанов. Например, в некоторых копирах производства Mita применяются органические фотопроводящие барабаны положительного заряда с комбинированным слоем генерации и переноса заряда (такие барабаны называются "монослойными"). Поскольку этот единый слой определяет все электрические и физические характеристики покрытия, включая получение заряда, фоточувствительность и устойчивость к износу, его изготовление требует высокой точности. Фотопроводящие барабаны положительного заряда обычно имеют более короткий срок службы, чем "стандартные" OPC-барабаны, потому что мягкие материалы в их монослое, обычно содержащиеся в зарядогенерирующем слое, снижают устойчивость монослоя к истиранию.
   
  Преимущества технологии OPC.
   
  Существует немало серьезных причин относительно быстрого, широкомасштабного перехода офисной техники на OPC-барабаны.
  Во-первых, усовершенствование материалов покрытий и развитие технологии позволили изготовлять более светочувствительные, более долговечные органические фотопроводящие барабаны, годные для различных видов оборудования, включая сверхбыстрые копировальные машины (75 и более копий в минуту). Органические фотопроводящие барабаны, применяемые в большинстве новых японских копиров, дают такое качество копий и такую долговечность, которые прежде получались только с барабанами на основе As2Se3.
  Возросшее внимание к охране окружающей среды также является важным фактором перехода отрасли на органические фотопроводящие барабаны. Нарастающее значение охраны среды в глобальном масштабе привело к вводу ограничений на выбрасывание на свалки фоторецепторов на селеновой основе (As2Se3 и SeTe) и на основе сульфида кадмия (CdS).
   
  Органические фотопроводящие барабаны не классифицируются как вредные для окружающей среды и являются самой удобной на сегодняшний день альтернативой (однако использованные OPC-барабаны следует не выбрасывать на свалку, а сдавать на пункт приема вторсырья).
  Другой причиной предпочтения технологии OPC японскими изготовителями является то, что производство органических фотопроводящих барабанов, как правило, гораздо дешевле, чем трудоемкий, менее эффективный процесс изготовления фоторецепторов на селеновой основе.
  Наиболее широко распространенный метод изготовления ОPC-барабанов - погружение в жидкий полимер. Это непрерывный производственный процесс, в то время как процесс осаждения паров, применяемый при изготовлении барабанов на селеновой основе и из аморфного кремния (a-Si) для образования разных слоев покрытия, требует по очереди ставить партии барабанов в вакуумные камеры. Это основное различие в процессе изготовления играет существенную роль в том, что себестоимость OPC-барабанов относительно низка.
  Благодаря вышеописанным существенным преимуществам, а также использованию органических фотопроводников в лазерных принтерах и другой цифровой технике (включая цифровые копировальные машины), широкое распространение технологии OPC будет скорее всего продолжаться. Следовательно, исследования и разработки в области органических фотопроводников будут оставаться приоритетным направлением в развитии технологии офисного оборудования.
   
  5. Заключение
   
  Среди совокупности характеристик электрофотографии  некоторые (или их сочетания) часто принципиально недостижимы для других фотографических процессов (обработка в реальном масштабе времени, т. е. одновременно с протеканием весьма кратковременных процессов; возможность длительного хранения СИ, иногда даже на свету; возможность многократной перезаписи информации; экономические показатели), что обеспечило электрофотографии широкое применение в малотиражном оперативном размножении текстовых и графических материалов — репрографии.
  Электрофотографию используют как метод регистрации и исследований во многих областях науки и техники, например в рентгенографии, голографии, спектроскопии, физике полупроводников.
  Такой успех во многом обусловлен применением фоторецепторов нового поколения – созданных на основе органических фотоматериалов, ведь фоторецептор – это основа, на которой реализуются основные этапы электрофотографии (экспонирование и проявление).
  Преобладавший в 70 —80-х годах тип ФР на базе Se/Те, с 1989 г. был вытеснен слоями органического фотополупроводника. В 1999 на рынке фоторецепторов органические материалы уже занимали более 96% с прогнозом дальнейшего увеличения.
  Основнымиоблачтями, в которых используются органические ФР являются: репрография, копировально-множительная техника, лазерные и светодиодные принтеры и другие устройства, использующие эффект фотопроводимости
  Исследование процессов, проходящих в слоях фоторецепторов, при их механическом(абразивном), радиационном (световом - засветка источниками освещения, УФ и видимым светом короны), химическом (воздействие озона, образующегося при коронном разряде) и их комбинаций, позволило разработать составы покрытий, устойчивые к воздействию этих факторов и тем самым обусловить дальнейшее совершенствование техники.
  6. Литература
   
  1. Харин О., Сувейздис Э. Электрофотография. Учебное пособие. М: МГУП, 2006
  2. Ванников А.В., Уарова Р.М. Электрография. Учебное пособие. М.: МГУП,  2000
  3. Шафферт Р., Электрофотография, пер. с англ., М., 1968;
  4. Гренишин С. Г., Электрофотографический процесс, М., 1970;
  5. Богуславский Л. И., Ванников А. В., Органические полупроводники и биополимеры, М., 1968; (http://bse.chemport.ru/poluprovodniki_organicheskie.shtml )
  6. Сайт о копировальной технике. По материалам Catun Corp, 2006 (http://www.startcopy.ru/likbez/opc.htm)
  7. Сайт Росинформресурс. Технология производства и реставрации органических электрофотографических фоторецепторов для копировально-множительной аппаратуры и лазерных принтеров (ОРС барабанов). Рубрика ГРНТИ, (http://bases.rosinf.ru/intellect/)
  
Скачать курсовую работу