DE10063665A1 - Fotoleiter - Google Patents

Abstract

Das Hauptmaterial der in Beziehung stehenden Fotoleiter ist Silizium. Wenn Toner auf einen Fotoleiter geblasen wird, treten Flecken aus NO¶x¶ auf, die zum Auftreten einer Verschmierung der Abbildung und einem Zerlaufen der Abbildung führen und die Qualität der Abbildung verschlechtert sich wesentlich. In der vorliegenden Erfindung wird ein Fotoleiter (10) vorgesehen zur Verwendung als bzw. in einem elektro-fotografischen Fotoleiter, der ein leitendes Substrat (1), eine Trägerblockierschicht (2) und eine fotoempfindliche Schicht (3) aufweist, wobei ein Wert für ein polarisiertes Element der Außenoberflächenenergie des Fotoleiters (10) 2[mN/cm] oder kleiner ist. Der Fotoleiter (10) kann daher ohne eine Erwärmung auf 35-45 DEG C verwendet werden, wobei eine Erwärmungsvorrichtung entbehrlich wird und eine Abbildungsverschmierung und Abbildungszerlaufen nicht auftritt. Die vorliegende Erfindung weist ebenso die Definition der Außenoberflächenenergie des Fotoleiters (10) mit einer Oberflächenschutzschicht (4) auf, die hauptsächlich aus Silizium zusammengesetzt ist und zwar auf der fotoempfindlichen Schicht (3).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektro-fotografischen Fo­ toleiter, wobei eine Energie einer Außenoberfläche (die auch als äußerste Oberfläche bezeichnet wird) des Fotoleiters definiert ist, und insbesondere bezieht sie sich auf eine Konfiguration, wobei die Energie der Außenoberflä­ che, beispielsweise einer Oberflächenschutzschicht, derart bestimmt wird, dass dramatisch bessere Abbildungen mit Kopierern bzw. Kopiergeräten er­ reicht werden können, in welchen solche Fotoleiter verwendet werden, wäh­ rend gleichzeitig Energie eingespart wird und die Lebensspanne solcher Fo­ toleiter verlängert wird.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer herkömmlichen Konfiguration eines elektro­ fotografischen Fotoleiters 90, der ein leitendes Substrat 91, das normaler Weise eine Aluminiumzylinder ist, eine Trägerblockierschicht 92, die aus ei­ nem hauptsächlich aus Silizium bestehendem Material hergestellt ist, eine fotosensitive bzw. fotoempfindliche Schicht 93, die ebenso aus einem haupt­ sächlich aus Silizium bestehendem Material hergestellt ist, und einen Ober­ flächenschutzfilm 94 aufweist. In vielen Fällen wird das leitende Substrat 91 als ein Kreiszylinder ausgebildet.

Das leitende Substrat 91 ist ein Basismaterial des Fotoleiters 90, auf wel­ chem die Schichten 92, 93 und 94 gebildet sind. Die Trägerblockierschicht 92 verhindert, dass Träger in das leitende Substrat 92 injiziert werden. Die fotoempfindliche Schicht 93 wirkt hauptsächlich als ein Fotoleiter. Wenn die fotoempfindliche Schicht 93 Licht empfängt, werden Paare aus Elektronen und positiven Löchern ausgelöst oder frei gesetzt, und die Elektronen bewe­ gen sich in Richtung auf die Außenoberfläche des Fotoleiters 90 zu. Der Oberflächenschutzfilm 94 ist vorgesehen, um die fotoempfindliche Schicht 93 widerstandsfähig gegenüber Feuchtigkeit, Abrieb und Oxidation zu machen.

Es wird eine zylindrisches Substrat aus Aluminium vorgesehen, wenn der Fotoleiter 90 als elektro-fotografischer Fotoleiter in einem Kopierer verwendet wird. Die Oberfläche des Fotoleiters 90 wird auf ungefähr 100000 Volt/cm durch eine Korona- bzw. Glimmentladung oder dergleichen aufgela­ den. Die Oberfläche des Fotoleiters 90 wird dann gegenüber Licht ausge­ setzt, das den zu kopierenden Buchstaben oder Bildern entspricht (die Ober­ flächenladung verschwindet nur an den Teilen bzw. Stellen außer den zu ko­ pierenden Buchstaben und Bildern bzw. die diesen nicht entsprechen). Wenn Toner auf den Fotoleiter 90 aufgebracht wird, bleibt dieser Toner nur an je­ nen Flächen hafte, an denen die Oberflächenladung verbleibt. Der Toner wird dann auf ein Papier übertragen und auf diesem fixiert, um so eine Kopie vorzusehen. Dann wird die Oberflächenladung vom Fotoleiter 90 entfernt, die Oberfläche des Fotoleiters wird gereinigt und sie kann wieder wiederholt auf­ geladen und belichtet werden für die Nutzung während anderer Kopierzyklen. Dieser Prozess ist in der Industrie für Kopiergeräte gut bekannt.

Silizium wird als Hauptmaterial für die Trägerblockierschicht 92 und für die fotoempfindliche Schicht 93 in der voran gegangenen Beschreibung angege­ ben. Jedoch können auch andere Materialien, wie beispielsweise hauptsäch­ lich aus amorphen Silizium oder einer Selenlegierung bestehende amorphe Materialien oder so genannte optische Fotoleiter (OPC: optical photo con­ ductors), die hauptsächlich aus organischem Material bestehen, verwendet werden, wie im Stand der Technik bekannt ist.

Wenn Silizium als Hauptmaterial in einem elektro-fotografischen Fotoleiter 90 von der beschriebenen Konfiguration verwendet wird, hat der Fotoleiter 90 ein lange Lebensdauer, weil eine Oberfläche des Fotoleiters 90 eine hohe Härte besitzt, die in einer Widerstandsfähigkeit gegenüber Abschälen, Ab­ nutzung und Abrieb resultiert. Jedoch tritt eine Beschichtung bzw. Filmbil­ dung mit NO_x auf, wenn der Toner auf den Fotoleiter 90 geblasen wird, und ferner wenn der Fotoleiter 90 durch die Glimmentladung aufgeladen wird ("Filmbildung" ist ein Phänomen, bei dem ein Oxidfilm auf einer Metallober­ fläche erzeugt wird). Die Filmbildung ist der hauptsächliche Grund dafür, dass der Widerstand der Außenoberfläche des Fotoleiters 90 abnimmt. Oberflächenladung leckt in eine seitliche Richtung (d. h. entlang der Oberfläche) und bewirkt eine Verminderung der Auflösung. Und wenn das Lecken der Oberflächenladung fortdauert, kann bei der Herstellung einer Abbildung ein Verschmieren oder Zerlaufen der Abbildung auftreten und die Qualität der Abbildung kann sich dramatisch verschlechtern.

Die Verschlechterung der Qualität der Abbildung wird durch die Verminde­ rung der Fähigkeit des Fotoleiter 90s sich auf zu laden hervor gerufen. Die Fähigkeit zur Aufladung ist selbst eine wesentliche bzw. hauptsächliche Cha­ rakteristik eines Fotoleiters. Allgemein gesagt, wenn eine Aufladung auf 100 000 Volt/cm an der Fotoleiteroberfläche durchgeführt wird, ist ein Dunkelwi­ derstand von 10¹⁴ bis 10¹⁵ Ωcm erforderlich. Jedoch bewirkt der Oxidfilm ei­ nen Abfall dieses Dunkelwiderstandes, was eine Verschlechterung der Qua­ lität der Abbildung hervor ruft.

Als Gegenmaßnahme zur Vermeidung der Bildung eines NO_x-Films im Falle der Zusammensetzung des Fotoleiters 90 hauptsächlich aus Silizium wird der Fotoleiter 90 bei seiner Verwendung auf eine Temperatur von 35-45 Grad erwärmt. Jedoch erhöht die Hinzufügung einer Vorrichtung für das Vorsehen der Erwärmung die Kosten der den Fotoleiter 90 beinhaltenden bildformen­ den Einrichtung, wie beispielsweise eines Kopierers. Der Leistungsverbrauch wird ebenso erhöht, um eine solche Erwärmung vorzusehen, und im Kopierer ist Raum für die Installation einer solchen Erwärmungseinrichtung erforder­ lich.

Zur Lösung der zuvor erwähnten Probleme des Standes der Technik sieht die vorliegende Erfindung einen Fotoleiter vor, der auf einem leitenden Substrat gebildet eine Trägerblockierschicht und eine fotoempfindliche Schicht aufweist, und zwar gekennzeichnet dadurch, dass die Trägerbloc­ kierschicht und die fotoempfindliche Schicht aus einem amorphen Film gebil­ det sind, und dass die Oberflächenenergie der Außenoberfläche des Foto­ leiters 20 [mN/cm] oder kleiner sein kann, wobei ein Wert eines polarisierten Elements bzw. Anteils der Oberflächenenergie der Außenoberfläche des Fotoleiters 2 [mN/cm] oder kleiner ist, und weiter dadurch, dass eine Oberflächenschutzschicht ebenso auf der fotoempfindlichen Schicht gebildet sein kann.

Demgemäß wird gemäß der Erfindung ein Fotoleiter nach Anspruch 1 vorge­ sehen, und bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind insbesonde­ re in den abhängigen Ansprüchen offenbart.

Fig. 1 ist eine Querschnittansicht, die eine Konfiguration eines elektro­ fotografischen Fotoleiters der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 2 ist eine Querschnittansicht, die in Beziehung stehende, be­ kannte Beispiele zeigt.

Als nächstes wird eine detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung basierend auf einem in Fig. 1 gezeigtem Ausführungsbeispiel dargelegt. Fig. 1 zeigt einen elektro-fotografischen Fotoleiter 10 der vorliegenden Er­ findung. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein leitendes Substrat 1 aus ei­ nem Aluminiumzylinder gebildet. Wie beim in Beziehung stehendem Beispiel ist eine Trägerblockierschicht 2 auf dem leitenden Substrat 1 gebildet, wobei eine fotoempfindliche bzw. fotosensitive Schicht 3 auf der Trägerblockier­ schicht 2 gebildet ist, wobei beide durch amorphe Filme 5 aufgebaut sind, und wobei ferner eine Oberflächenschutzschicht 4 auf dem amorphen Film 5 vorgesehen ist.

Um eine beispielhafte Konfiguration für diesen Fotoleiter zu geben, ist das leitende Substrat 1 aus einem Zylinder aus Aluminium gefertigt, und zwar spezifiziert als JIS3003, wobei seine Oberfläche poliert ist. Die Trägerbloc­ kierschicht 2 ist durch Anhaftung bzw. Aufbringung von SiH₄, H₂ und B₂H₆ auf das Al-Substrat gefertigt und die fotoempfindliche Schicht 3 ist durch Aufbringung von SiH₄, H₂ und B₂H₆ auf die Trägerblockierschicht 2 gefertigt. N₂ kann der fotoempfindlichen Schicht 3 hinzu gefügt werden. Die Oberflä­ chenschutzschicht 4 ist aus SiH₄ und N₂ gefertigt. Der Wert der Oberfläche­ nenergie kann klein sein, wenn Fluor der Oberflächenschutzschicht 4 zugefügt wird oder wenn die Oberflächenschutzschicht 4 mit Teflon beschichtet ist.

Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich vom Beispiel aus dem Stand der Technik in dem Punkt, dass die Oberflächenenergie der Außenoberflä­ che des Fotoleiters 10 bestimmt ist, oder dahingehend, dass die Oberfläche­ nenergie der Oberflächenschutzschicht 4 auf der Außenseite bestimmt ist. "Die Außenoberfläche", "die äußerste Oberfläche" oder "die Außenseite" be­ zeichnet eine Oberfläche oder eine Seite, die derart angeordnet ist, dass sie der Belichtung am nächsten ausgesetzt ist. Speziell wird die Oberfläche­ nenergie γ auf die folgende Weise bestimmt:

γ = γp + γd

γ ≦ 20 [mN/cm]

γp ≦ 2 [mN/cm]

γ: Energie der Außenoberfläche (der Oberflächenschutzschicht) des Fotoleiters
γp: Polarisiertes Element bzw. polarisierter Anteil in der Außenoberfläche­ nenergie (der Oberflächenschutzschichtenergie) des Fotoleiters, d. h. der Beitrag der Oberflächenspannung aufgrund von polarisierten Kräften
γd: Nicht-polarisiertes Element in der Außenoberflächenenergie (der Oberflächenschutzschichtenergie) des Fotoleiters

Eine Beschreibung der Energie der Außenoberfläche (der Oberflächen­ schutzschicht) des Fotoleiters 10 wird nun dargelegt. Normaler Weise, wenn die Außenoberfläche um Acm² ausgedehnt wird und dabei eine Energie W verbraucht wird, wird die verbrauchte Energie W über die Acm² der Oberflä­ che gespeichert. Ein Wert berechnet aus dieser gespeicherten Energie pro Einheit des Oberflächengebiets wird dann als Außenoberflächenenergie be­ zeichnet, d. h. die Außenoberflächenenergie = W/A und ihre Einheit ist [mN/cm]. Eine Oberflächenausdehnung, bei der eine Oberfläche, die einmal ausgedehnt wurde, zurück geführt werden kann in ihren ursprünglichen Zu­ stand, wird als reversible Oberflächendehnung bzw. -ausdehnung bezeichnet. Die zu diesem Zeitpunkt erforderliche Energie wird als W genommen. Diese Energie W wird im ausgedehnten Oberflächengebiet Acm² gespeichert und ihr Wert berechnet pro Einheit des Oberflächengebiets wird als freie Oberflächenenergie bezeichnet.

Freie Oberflächenenergie = W/A.

Die sich auf den Prozess der reversiblen Änderung beziehende Energie ist eine freie Energie und W ist daher die freie Energie, die erforderlich ist, wenn eine Oberfläche reversibel um Acm² ausgedehnt werde soll. Die Ein­ heit dieser Energie ist Nm (dyne m), die Einheit des Oberflächengebiets bzw. der Oberfläche ist m² und die Einheit der freien Oberflächenenergie ist dem­ gemäß Nm^-1 (dyne m^-1), was gleich zu der Einheit für die Kraft ist. Demge­ mäß wird oft die Terminologie "Oberflächenspannung" an Stelle der freien Oberflächenenergie verwendet.

Im Inneren einer Substanz wechselwirken Moleküle und Atome mit den sie umgebenden Molekülen und Atomen in einem Zustand eines gegenseitigen Gleichgewichts, und es kann daher angenommen werden, dass keine Kraft zwischen den Molekülen und Atomen und den sie umgebenden Molekülen und Atomen wirkt. Andererseits haben an der Außenoberfläche die Moleküle und Atome eine Kraft, die sie ins Innere der Substanz zieht, weil die Dichte der Moleküle und Atome an der Außenoberfläche extrem klein ist. Es liegt demgemäß eine Kraft vor, die als Tendenz wirkt, einen Übergang bzw. eine Verschiebung der Moleküle und Atome an der Außenoberfläche ins Innere der Substanz zu bewerkstelligen. Diese Art von Kraft tritt zutage als die Ten­ denz in Richtung auf das kleinste Oberflächengebiet bzw. den kleinsten Oberflächeninhalt basierend auf einem gegebenem Volumen. Oberflächen­ spannung kann auch diese Art von Kraft sein.

Diese Oberflächenspannung aufgrund von intermolekularen Kräften an der Oberfläche weist eine nicht-polarisierte Kraft, wie beispielsweise eine Dis­ persionskraft (nicht-polarisierte Van-Der-Waals-Kraft) und polarisierte Kräfte, wie beispielsweise Dipolkräfte, azidische Kräfte, Wasserstoffbindungskräfte und komplementär wirkende basische Kräfte auf. Sie kann als unterteilt be­ trachtet werden in ein d-Element bestehend aus der intermolekularen Kraft (Dispersionskraft) und ein p-Element der polarisierten Kraft. Die Oberflä­ chenspannung γ kann demgemäß betrachtet werden als:

γ = γ^d + γ^p

Hier ist γ^d das Dispersionselement und γ^p ist das polarisierte Kraftelement der Oberflächenspannung.

Es wurden Experimente durchgeführt, indem Proben eines Fotoleiters (der Oberflächenschutzschicht) mit einer unterschiedlichen Außenoberfläche­ nenergie hergestellt wurden. Diese Proben wurden durch Bildung der Trä­ gerblockierschichten 2 und der fotoempfindlichen Schichten 3 bestehend aus den amorphen Filmen 5 auf den leitenden Substraten 1 unter gleichen Be­ dingungen hergestellt, und dann durch Bilden der Oberflächenschutzschicht 4 unter unterschiedlichen Filmbildungsbedingungen.

Ein Druckdauertest wurde dann durchgeführt, wobei die Proben in einem Ko­ pierer installiert wurden und für 24 Stunden bei einer Temperatur von 40°C bei einer relativen Feuchtigkeit von 90% belassen wurden, wobei danach der Fotoleiter für 12 Stunden ohne Erwärmung betrieben wurde, während mit ei­ ner Rate von 50000 Blätter pro Tag gedruckt wurde. Die Ergebnisse dieses Vorgehens sind wie folgt.

Im zuvor erwähnten Experiment wurden beide die Werte für γ und für γ_p ver­ ändert und kleine Werte für γ_p hatten einen besonders grundlegenden Ein­ fluss. Wie aus den Ergebnissen des Experiments ersichtlich ist, können gute Resultate erhalten werden, wenn γ_p gleich 1,0 [mN/cm] oder weniger ist. Dies geht klar hervor aus den experimentellen Ergebnissen für E und F.

Es können sogar noch bessere Ergebnisse erreicht werden, indem der Wert für γ auf 20 [mN/cm] oder kleiner gemacht wird, während der Wert für γ_p bei 2 [mN/cm] oder kleiner ist. Mit Blick auf die experimentellen Ergebnisse für F gab es keine Probleme sogar bei 1000000 Blättern.

Der Wert für die Außenoberflächenenergie kann beispielsweise durch Zuga­ be von Fluor oder durch Vorsehen einer Teflonbeschichtung eingestellt wer­ den. Die Außenoberflächenenergie wird klein gemacht bzw. gehalten durch Zugabe einer großen Menge an Fluor oder durch Beschichten mit einer gro­ ßen Menge an Teflon.

Die zuvor gezeigten experimentellen Ergebnisse in Betracht ziehend, kann ein gutes Ergebnis erreicht werden, indem die Außenoberflächenenergie der Oberflächenschutzschicht klein gehalten bzw. gemacht wird. Insbesondere hat das polarisierte Element in der Außenoberflächenenergie einen wesentli­ chen Einfluss. Das polarisierte Element ist die intermolekulare Ziehkraft, die durch die Wasserstoffbindungskraft zutage tritt. Der Grund, warum es besser ist, dass die Außenoberflächenenergie klein sein soll, ist wie folgt: Eine in­ termolekulare Kraft ist eine relative Kraft unter bzw. zwischen den Molekülen und Atomen. Wenn die intermolekulare Kraft für die Tonermoleküle größer ist als für die Moleküle der Außenoberfläche des Fotoleiters, dann zeigen diese Tonermoleküle eine Ziehkraft in Richtung auf sich selbst aufgrund der Mole­ kularkräfte. Demgemäß, wenn die Oberflächenenergie der Außenoberfläche deutlich kleiner ist, tritt kein Verschmieren der Abbildung auf. Die vorliegende Erfindung definiert die Außenoberflächenenergie des Fotoleiters, und die Außenoberflächenenergie des Fotoleiters kann ähnlich definiert werden, wenn keine Oberflächenschutzschicht vorliegt.

Der betriebsmäßige Vorteil der Erfindung wird nun beschrieben. Bei der vor­ liegenden Erfindung, wie sie zuvor beschrieben wurde, wird ein elektro­ fotografischer Fotoleiter vorgesehen, bei dem ein Fotoleiter 10 eine Träger­ blockierschicht 2 und eine fotoempfindliche Schicht 3 aufweist, wobei die Trägerblockierschicht 2 und die fotoempfindliche Schicht 3 aus amorphen Filmen 5 aufgebaut sind, und wobei ein Wert für ein polarisiertes Element der Außenoberflächenenergie des Fotoleiters 10 2 [mN/cm] oder kleiner ist. Eine Oberflächenschutzschicht 4 wird ebenso auf der fotoempfindlichen Schicht 3 vorgesehen. In diesem Fall ist die Oberflächenschutzschicht die Außenoberfläche des Fotoleiters 10. Bei der Konfiguration gemäß der vorlie­ genden Erfindung ist es nicht länger nötig, den Fotoleiter 10 unter Wärme­ bedingungen von 35-45°C zu verwenden, und eine Ausstattung zur Erwär­ mung ist demgemäß nicht erforderlich. Leistung kann ebenso eingespart werden, weil eine Erwärmung nicht weiter notwendig ist. Und Kosten können noch weiter reduziert werden, weil eine Anzahl von Prozessen, die beim Vor­ sehen der Installation der Erwärmungsausstattung involviert sind, nicht län­ ger erforderlich sind. Ferner ist irgend eine spezielle Ausstattung bzw. Ein­ richtung oder dergleichen nicht erforderlich, um solche vorbestimmten Werte für die Oberflächenenergie zu erhalten und sie können einfach durch Zugabe einer Menge an Fluor zu einer Schutzschicht erreicht werden, die die fo­ toempfindliche Schicht abdeckt, oder durch Zufügung einer vorgeschriebe­ nen Menge an Teflon für eine Beschichtung.

Dem Fachmann ist klar, dass verschiedene Veränderungen und Modifikatio­ nen hier vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang davon abzuweichen. Demgemäß ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung die Modifikationen und Variationen der Erfindung abdeckt, vorausgesetzt, sie fallen innerhalb des Umfangs der angefügten Ansprüche und ihrer Äquiva­ lente.

Bezugszeichenliste

Fig.

1

10

Elektro-fotografischer Fotoleiter

5

Amorpher Film

4

Oberflächenschutzschicht

3

Fotoempfindliche Schicht

2

Trägerblockierschicht

1

Leitendes Substrat

Fig.

2

90

Elektro-fotografischer Fotoleiter

94

Oberflächenschutzschicht

93

Fotoempfindliche Schicht

92

Trägerblockierschicht

91

Leitendes Substrat

Claims (5)

1. Ein Fotoleiter (10) mit einer Trägerblockierschicht (2) und einer fo­ toempfindlichen Schicht (3) gebildet in dieser Reihenfolge auf einem leiten­ den Substrat (1), wobei die Trägerblockierschicht (2) und die fotoempfindli­ che Schicht (3) aus einem amorphen Film (5) gebildet sind, und wobei ein Wert des Anteils der polarisierten Kräfte der Oberflächenenergie der Außen­ oberfläche des Fotoleiters (10) 2 [mN/cm] oder kleiner ist.

2. Fotoleiter nach Anspruch 1, wobei die Oberflächenenergie der Außen­ oberfläche des Fotoleiters (10) 20 [mN/cm] oder kleiner ist.

3. Fotoleiter nach Anspruch 1 und 2, wobei eine Oberflächenschutz­ schicht (4) auf der fotoempfindlichen Schicht (3) gebildet ist, und wobei die Oberflächenschutzschicht (4) als die besagte Außenoberfläche genommen wird.

4. Fotoleiter nach Anspruch 3, wobei das Hauptelement der Oberflächen­ schutzschicht (4) Silizium ist.

5. Fotoleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wert für die Außenoberflächenenergie eingestellt wird durch Zugabe von Fluor oder durch Vorsehen einer Teflonbeschichtung.