NESTEMÄISEEN TOONERIIN PERUSTUVAN ELEKTROFOTO- GRAFIAN TEKNIIKKA JA PAINOLAATU

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Puunjalostustekniikan osasto Elina Hakola NESTEMÄISEEN TOONERIIN PERUSTUVAN ELEKTROFOTO- GRAFIAN TEKNIIKKA JA PAINOLAATU Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 25.7.2005. Valvoja Professori Pirkko Oittinen Ohjaaja Diplomi-insinööri Jorma Koskinen

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Puunjalostustekniikan osasto Tekijä Elina Hakola DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ Diplomityön nimi Nestemäiseen tooneriin perustuvan elektrofotografian tekniikka ja painolaatu Tiivistelmä Tässä diplomityössä tutkittiin, minkälainen painolaatu elektrofotografiassa saavutetaan, kun kuivatoonerien sijasta käytetään nestemäistä tooneria. Tarkoituksena oli myös tutkia paperin karheuden, kiillon, opasiteetin ja vaaleuden vaikutusta painolaatuun. Elektrofotografiassa väriaineena käytetään yleisesti kuivatoonereita. Nestetoonerielektrofotografiassa väriaine on puolestaan nestemäistä. Nestetoonerin pieni partikkelikoko ja hyvä hallittavuus mahdollistavat korkean painolaadun. Painatuksessa nestemäinen tooneri tuodaan fotojohteen ja kehitystelan väliseen nippiin, josta se siirtyy sähköisesti kuvakohtiin. Tämä jälkeen fotojohde puhdistetaan ja toonerikerros tiivistetään. Lopuksi tooneri siirretään siirtosylinterille ja sieltä edelleen paperille puristuksen avulla. Painolaatua tutkittiin sekä makro- että mikromittakaavaisesti. Makroskooppisella tasolla painojäljestä määritettiin densiteetti, kontrasti, pisteenleviäminen, kiilto, kiiltokontrasti, väriavaruus sekä kiillon ja densiteetin epätasaisuus. Mikroskooppista analyysia varten näytteistä otettiin poikkileikkeitä ja kuvia rasteripisteistä. Nestetoonerilla saavutettiin korkea painolaatu päällystetyille papereille painettaessa. Päällystämättömillä papereilla painolaatu jäi selvästi huonommaksi. Tämä johtui siitä, että ohut ja tasainen toonerikerros seuraili paperin epätasaisuuksia. Epätasaisilla papereilla toonerikerros oli siten karheampi ja vaaleampi kuin tasaisilla papereilla, jolloin painolaatu oli huonompi. Toonerikerroksen mukautumisen vuoksi paperin sileys ja kiilto paransivat saavutettua painolaatua. Paperin opasiteetti ja vaaleus eivät puolestaan vaikuttaneet painolaatuun. Nestetoonerilla painettaessa rasteripisteet muodostuivat teräviksi ja tasaisiksi eikä taustakohdilla esiintynyt satelliittipisteitä. Myös pisteenleviäminen oli pientä. Nämä olivat seurausta toonerin paremmasta hallittavuudesta, toonerikerroksen siirrosta yhtenäisenä kalvona sekä toonerin välittömästä jähmettymisestä paperilla. Kuivatoonereilla painettaessa paperilla ei ollut juuri vaikutusta saavutettavaan painolaatuun, koska toonerikerros oli paksu ja se peitti paperin epätasaisuudet. Perinteisellä kuivatoonerilla painolaatu huononi, kun paperi oli päällystämätön, mikä johtui kiinnityksen rajuudesta. Muuten painolaatu oli erittäin hyvä paksun, tasaisen ja kiiltävän toonerikerroksen ansiosta. Polymeeritooneria käytettäessä painolaatu oli kaikkein huonoin, mikä aiheutui karheasta toonerikerroksesta. Kuivatoonerien yhteydessä pisteenleviäminen oli suurta ja satelliittipisteitä esiintyi runsaasti toonerin pölyämistaipumuksen takia. Myös rasteripisteet olivat rosoisia. Diplomityön johtopäätös on, että nestetoonerilla saavutetaan erittäin hyvä painolaatu päällystetyille papereille painettaessa. Päällystämättömien paperien tapauksessa painolaatu jää huonommaksi. Koska ohut ja tasainen toonerikerros myötäilee hyvin paperin pinnanmuotoja, myös paperin karheus ja kiilto vaikuttavat suuresti painolaatuun. Kuivatoonereilla painolaatu jää huonommaksi painojäljen epätasaisuuden sekä toonerikerroksen paksuuden vuoksi. Työn valvoja Pirkko Oittinen Professuuri Graafinen tekniikka Työn ohjaaja Jorma Koskinen Koodi AS-75 Sivumäärä Kieli 105 suomi Avainsanat Päiväys elektrofotografia, nestemäinen tooneri, fotojohde, siirtosylinteri, ElectroInk, kantofaasi, satelliit- 25.07.2005 tipiste, rasteripiste, poikkileike. t1

HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Department of Forest Products Technology Author Elina Hakola Title of Thesis Liquid toner electrophotography and its print quality Abstract ABSTRACT OF MASTER S THESIS In this Thesis, the print quality of the liquid-toner electrophotography was compared to that of the dry-toner electrophotography. In addition, the effect of the roughness, gloss, opacity, and brightness of the paper on the print quality was studied. In electrophotography, dry toners are used as colorants. In liquid-toner electrophotography, the colorant is in liquid form. A small particle size and a good controllability of the liquid toner enable a high print quality. In printing the liquid toner is brought to a nip between the photoconductor and the developer roller from which it is electrically moved onto the image areas. After this the photoconductor is cleaned and the toner layer is compacted and moved to a blanket cylinder. Finally the toner is compressed onto the paper. The print quality was studied both in macro- and micro scale by determing the density, contrast, dot gain, gloss, gloss contrast, colour space, and unevenness of density and gloss of the printed samples. In addition, crosssections of the impression were taken and the printed dots were examined with the help of a microscope. A high print quality was achieved when printing on coated papers with liquid toner. When printing on uncoated papers the quality was significantly deteriorated. This was due to the fact that the thin and planar toner layer followed the irregularities of the paper surface. The rougher the paper, the more uneven the toner layer became resulting in a poor printing quality and thus smoothness and gloss of the paper improved the print quality. The opacity and brightness of the paper on the other hand didn t have any effect on the print quality. Furthermore halftone dots became sharper and more even and almost no satellites were observed when using liquid toner. Since the toner is transferred as a cohesive film on paper, the dot gain was also small. Paper had no effect on the print quality in dry-toner electrophotography since the toner layer was thick and it filled the irregularities of paper. The print quality of the traditional dry-toner method was inferior to the liquidtoner technology when using uncoated paper due to a rude fusing. Otherwise the print quality was high because the toner layer was glossy and even. The print quality was the worst when polymer toner was used because of a rough toner layer. In the dry-toner approach the dot gain was large and there were lots of satellites due to fact that it is hard to control the behaviour of the toner during the process. Halftone dots were also quite ragged. The conclusion of this Thesis is that the print quality is excellent when printing on a coated paper with liquid toner. However, the print quality became worse for uncoated papers. Since the thin toner layer follows the irregularities of the paper surface, the paper roughness and gloss have a strong effect on the print quality of the liquidtoner electrophotography. When using dry toners, the print quality was not particularly good because the impression is uneven and the toner layer is thick. Supervisor Pirkko Oittinen Chair Graphic Arts Technology Pages Instructor Jorma Koskinen Chair code AS-75 Language 105 Finnish Keywords Date electrophotography, liquid toner, photoconductor, 25.7.2005 transfer blanket, ElectroInk, carrier, satellite, halftone dot, cross-section t1

ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty Viestintätekniikan laboratoriossa. Diplomityön tilaajana on Oy Keskuslaboratorio Centrallaboratorium Ab. Työni valvojaa, professori Pirkko Oittista, haluan kiittää asiantuntevista ohjeista ja neuvoista työni aikana. Työni ohjaajaa, Jorma Koskista, kiitän lämpimästi asiantuntevista neuvoista ja ohjeista, koepainatusten ja mittausten käytännönjärjestelyistä sekä paneutumisesta työn aikana kohtaamiini ongelmiin. Haluan myös kiittää Stora Enso Oyj:tä sekä EVTEK-ammattikorkeakoulua koepainatusteni mahdollistamisesta. Lopuksi haluan kiittää veljeäni Anttia sekä siskoani Liisaa kaikesta avusta ja ongelmieni kuuntelemisesta työn aikana. Erityiset kiitokset kuuluvat myös vanhemmilleni sekä Jonakselle. Espoossa 25.7.2005 Elina Hakola

1 JOHDANTO... 1 KIRJALLISUUSOSA... 2 2 NESTETOONERIELEKTROFOTOGRAFIA... 2 2.1 TULOSTUSVAIHEET... 2 2.1.1 Tulostusvaiheet yleisesti...2 2.1.2 Kehitystavat... 3 2.1.3 Vanhimmat tekniset ratkaisut... 4 2.1.4 Uusimmat tekniset ratkaisut... 5 2.2 NESTEMÄINEN TOONERI... 6 2.2.1 Toonerin valmistus... 6 2.2.2 Kantofaasi... 6 2.2.3 Toonerihiukkaset... 7 2.2.4 Lisäaineet... 7 2.3 PAINOLAATU... 8 3 KAUPALLISET RATKAISUT... 9 3.1 YLEISTÄ... 9 3.2 TULOSTUSVAIHEET... 9 3.2.1 Kuvannus... 11 3.2.2 Kehitys... 12 3.2.3 Taustakohtien puhdistaminen... 14 3.2.4 Kuvakohtien tiivistäminen... 14 3.2.5 Prosessimuutoksia... 15 3.2.6 Siirtovaiheet... 16 3.2.7 Fotojohteen puhdistus... 19 3.3 TOONERI... 19 3.3.1 Yleistä... 19 3.3.2 ElectroInkin koostumus... 20 3.3.3 ElectroInkin erot verrattuna perinteisiin nestetoonereihin... 21 3.4 PAINOALUSTAT... 21 3.4.1 HP Indigoon sopivat painoalustat... 21 3.4.2 Paperille asetetut vaatimukset... 22 3.5 PAINOKONERATKAISUT... 23 3.5.1 Painokoneet... 23 3.5.2 Painoyksikköratkaisut... 24 3.6 TULOSTUKSEN OHJAUS JA HALLINTA... 25 3.6.1 Densiteetin ja pistekoon säätäminen... 25 3.6.2 Toonerin ominaisuuksien valvonta... 25 4 KAUPALLISEN NESTETOONERIN PAINOLAATU... 27 4.1 PAINOJÄLKI... 27 4.1.1 Painojälkeen vaikuttavia tekijöitä... 27 4.1.2 Toonerikerros paperilla... 29 4.1.3 Toonerin kesto-ominaisuudet... 31 4.2 PAPERIN VAIKUTUS PAINOLAATUUN... 31 4.2.1 Paperin kiilto ja karheus... 32 4.2.2 Paperin opasiteetti ja vaaleus... 34 4.2.3 Päällystäminen... 34 KOKEELLINEN OSA... 36 5 KOKEELLISEN OSAN JOHDANTO... 36 6 MATERIAALIT JA MENETELMÄT... 37 6.1 PAPERILAJIT... 37 6.2 PAINOKONEET... 37 6.2.1 HP Indigo s2000...38

6.2.2 Xerox DocuColor 6060... 39 6.2.3 HP Color Laserjet 5550dtn... 41 6.3 PAPERITEKNISET OMINAISUUDET... 42 6.3.1 Karheus... 42 6.3.2 Kiilto... 42 6.3.3 Opasiteetti ja vaaleus... 43 6.4 PAINOJÄLJEN DENSITOMETRISET MITTAUKSET... 43 6.4.1 Densiteetti... 43 6.4.2 Pisteenleviäminen...44 6.4.3 Kontrasti... 45 6.5 PAINOJÄLJEN KIILTO-OMINAISUUDET... 45 6.5.1 Kiilto... 45 6.5.2 Kiiltokontrasti... 45 6.6 PAINOJÄLJEN VÄRIAVARUUS... 46 6.7 PAINOJÄLJEN EPÄTASAISUUS (MOTTLING)... 46 6.7.1 Densiteetin epätasaisuus... 46 6.7.2 Kiillon epätasaisuus... 47 6.8 PAINOJÄLJEN POIKKILEIKKEET... 47 6.9 RASTERIPISTEANALYYSI... 48 6.10 KOKONAISPAINOLAATU... 48 7 TULOKSET JA TULOSTEN TARKASTELU... 49 7.1 MAKROMITTAKAAVAINEN PAINOLAATU... 49 7.1.1 Densiteetti... 49 7.1.2 Kontrasti... 53 7.1.3 Kiilto ja kiiltokontrasti...56 7.1.4 Väriavaruus... 61 7.1.5 Densiteetin ja kiillon epätasaisuus... 63 7.1.6 Pisteenkasvu... 66 7.2 MIKROMITTAKAAVAINEN PAINOLAATU... 68 7.2.1 Rasteripisteanalyysi...68 7.2.2 Painojäljen poikkileikkeet... 75 7.3 PAPERIN OMINAISUUKSIEN VAIKUTUS PAINOLAATUUN... 81 7.3.1 Karheus ja kiilto... 81 7.3.2 Vaaleus ja opasiteetti... 91 7.4 KOKONAISPAINOLAATU... 92 8 YHTEENVETO... 94 LÄHDELUETTELO... 98

LIITTEET LIITE 1 LIITE 2 LIITE 3 LIITE 4A LIITE 4B LIITE 5 LIITE 6 LIITE 7 LIITE 8A LIITE 8B LIITE 9 LIITE 10 LIITE 11 LIITE12 Painatuksissa käytetty testiliuska Painatuksessa käytettyjen paperien ominaisuudet Painojäljestä mitatut densiteetit ja kontrastit Pisteenleviäminen Painojäljen suhteelliset densiteetit Painojäljen kiilto ja kiiltokontrasti Väriavaruus Väriavaruuden koko ja rasteripisteiden rosoisuus Painojäljen densiteetin epätasaisuus Densiteetin epätasaisuuskäyrät Painojäljen kiillon epätasaisuus Painojäljen poikkileikkeet Rasteripisteistä otetut kuvat Kokonaispainolaatu ja toonerikerroksen paksuus

1 1 JOHDANTO Elektrofotografia on yleisesti käytetty digitaalinen painomenetelmä, jossa jauhemainen väri eli tooneri siirretään paperille sähköisten vuorovaikutuksen avulla valoherkkää materiaalia apuna käyttäen. Tooneri pitää vielä lopuksi kiinnittää paperille lämmön ja/tai paineen avulla kiinnitysyksikössä. Jauhemaisuus rajoittaa toonerin partikkelikokoa ja sitä kautta saavutettavaa painolaatua. Toonerien kehitys on ollut kuitenkin nopeaa, kun painokoneiden resoluutiota ja painolaatua on haluttu parantaa. Alalla on ollut tämän takia pitkään kiinnostusta myös nestemäisten toonereiden käyttöön. Nestemäisyyden ansiosta toonerin partikkelikoko saadaan pienemmäksi, jolloin painolaatu paranee huomattavasti. Nestemäisten toonereiden käyttöä ovat kuitenkin rajoittaneet painoprosessiin liittyvät ongelmat, ja tällä hetkellä markkinoilla onkin vain yksi nestemäiseen tooneriin perustuva elektrofotografiaprosessi, jonka on kehittänyt HP Indigo. Nestetooneri keksittiin tosin jo 1950-luvulla, josta lähtien nestetoonerielektrofotografiaprosesseja on kehitetty. Aluksi nestemäistä tooneria käytettiinkin kopiokoneissa, painokoneissa sekä vedostimissa, mutta ongelmien vuoksi nestetooneria ruvettiin käyttämään lähinnä sublimaatiotulostimissa. Tämä diplomityö on osa KCL:n elektrofotografia-tutkimusprojektia, jonka tarkoituksena on selvittää paperin ja toonerin välisiä vuorovaikutuksia. Projektissa keskitytään tutkimaan kuivatoonereita, mutta tarkoituksena on myös selvittää nestetoonerin aikaan saama painolaatu kuivatoonereiden painolaatuun verrattuna, koska nestetoonerin partikkelikoko on pienempi ja hallittavuus parempi kuin kuivatoonerien yhteydessä. Kirjallisuusosan tavoitteena on selvittää nestemäiseen tooneriin perustuvien elektrofotografiaprosessien rakennetta, nestemäisten toonerien koostumusta sekä nestemäisen toonerin tuottamaa painolaatua. Erityisesti keskitytään HP Indigon kehittämään prosessiin ja nestemäiseen tooneriin ElectroInkiin. Lisäksi halutaan selvittää HP Indigo prosessin tuottaman painolaadun taso sekä paperin ominaisuuksien vaikutusta tähän laatuun. Kokeellisessa osassa tarkoituksena on saada käsitys nestemäisellä toonerilla saavutettavasta painolaadusta kuivatoonereiden tuottamaan painolaatuun verrattuna. Myös paperin ominaisuuksien vaikutusta saavutettavaan painolaatuun analysoidaan. Erityisesti keskitytään makromittakaavaiseen painolaadun analysointiin, sillä työssä on tarkoituksena saada perustietoja nestetoonerilla saavutettavasta painolaadusta. Lisäksi rasteripisteitä tutkitaan mikroskoopin ja toonerikerrosta poikkileikkeiden avulla. Saatujen tulosten perusteella KCL päättää, jatketaanko nestetooneriin liittyvää tutkimusta.

2 KIRJALLISUUSOSA 2 NESTETOONERIELEKTROFOTOGRAFIA 2.1 Tulostusvaiheet Nestemäiseen tooneriin perustuva elektrofotografia perustuu tavalliseen elektrofotografiaan, mutta sekä prosessissa että toonerin koostumuksessa on eroja. Latentin kuvan muodostus tapahtuu tavalliseen tapaan varaamalla ja valottamalla fotojohde, joka on valolle herkällä puolijohdemateriaalilla päällystetty pyörivä rumpu. Tämän jälkeen nestemäinen tooneri siirretään kuvakohdille, ja lopuksi kehitetty kuva siirretään painoalustalle sähköisesti ja/tai puristamalla. Nestemäisen toonerin kiinnitys muistuttaa tavanomaisen painovärin asettumista, sillä värin kiinnitys paperiin tapahtuu poistamalla nestefaasi haihdutuksen tai imeytyksen avulla. /1-4/ Ensimmäiset nestemäiset toonerit keksittiin jo 1950-luvulla, ja niitä käyttäviä prosesseja on kehitetty siitä lähtien. Markkinoilla on kuitenkin tällä hetkellä vain yksi nestemäiseen tooneriin perustuva prosessi, jonka HP Indigo on tuottanut. Tämä prosessi on kuvattu luvussa 3, ja se eroaa selvästi seuraavassa esiteltävistä perusmenetelmistä. Nestemäisen toonerin käytön vähyys johtuu kuivatoonerisysteemien ja kuivatoonerin nopeasta kehittymisestä sekä nestemäisen toonerin käyttöön liittyvistä ongelmista. Ongelmia ovat esimerkiksi haihdutettavan liuottimien aiheuttamat haitat työympäristölle ja joskus myös huono tulostuslaatu. Prosessien kehitys ja tutkimus on kuitenkin suhteellisen vilkasta. Esimerkiksi Toshiba ja Samsung sekä RLA (Research Laboratories of Australia) tutkivat ja kehittelevät nestetooneriin pohjautuvia elektrofotografiaprosesseja. /5-7/ 2.1.1 Tulostusvaiheet yleisesti Nestetoonerilektrofotografiassa kaikki toiminnot on keskitetty fotojohteen ympärille. Aluksi fotojohde varataan tasaisesti sähköpurkauksen eli koronan avulla, jonka jälkeen varaus puretaan kuvatiedon ohjaamana lasersäteen tai LED-valojen avulla joko kuva- tai taustakohdilta. Painettava kuva on tässä vaiheessa näkymättömänä varauskuviona fotojohteen pinnalla. Nestemäinen tooneri siirtyy kehitysvaiheessa fotojohteen kuvakohtiin sähköisen vetovoiman seurauksena, jolloin tooneripartikkelit väkevöityvät kuvakohtiin ja erottuvat siten kantofaasista. Kuvakohdat voivat olla joko fotojohteen varattuja tai valotettuja kohtia riippuen käytettävän toonerin tai fotojohteen varauksesta. Kuvan taustakohdat hylkivät tooneripartikkeleja, joten kuva ei pääse leviämään fotojohteella. /3,6-8/

3 Kehityksen jälkeen ylimääräinen tooneri poistetaan fotojohteelta ja kuvakohdilla oleva tooneri tasoitetaan telan avulla. Tämän jälkeen kuva siirretään paperille sähköisesti. Koronalangat sijoitetaan paperin toiselle puolelle, ja niiden luoma voimakas sähkökenttä vetää vastakkaismerkkisesti varautuneet tooneripartikkelit paperille. Lopuksi kuva kiinnitetään paperiin lämmittämällä. Lämpö haihduttaa tooneripartikkelien päällä olevan kantofaasin ja kiinnittää tooneripartikkelit paperiin pelkän adheesion avulla. Fotojohde puhdistetaan vielä jäännösvarauksesta ja toonerista ennen seuraavan kuvan painamista. Neliväripainatus tapahtuu useimmiten siten, että fotojohteelle luodaan päällekkäin jokaisen osavärin muodostama kuva, minkä jälkeen täysvärikuva siirretään prosessissa eteenpäin. /3,6-8/ Tämän prosessin suurin etu on, että siinä voidaan käyttää tavallista paperia, mikä ei ollut mahdollista ensimmäisissä nestemäiseen tooneriin perustuvissa prosesseissa. Ongelmia aiheuttaa kuitenkin kantofaasin haihduttaminen, mikä saa aikaan vaarallisten kemikaalien pääsyn työympäristöön. Lisäksi paperin karheus vaikuttaa suuresti saavutettavaan painolaatuun ja painatuksen onnistumiseen. Esimerkiksi liian karhea paperi saattaa estää toonerin pääsyn kaikkiin paperin epätasaisuuksiin tai tooneri voi upota liian syvälle paperin pinnanmuotoihin, jolloin painojälki on liian vaalea ja sen densiteetti liian matala. Toisaalta liian sileä paperi saattaa aiheuttaa painojäljen suttuisuutta ja leviämistä toonerin, koska nestemäinen tooneri pääsee leviämään myös sivusuunnassa paperin pinnalla. /7/ 2.1.2 Kehitystavat Kehitystapoja on kolme, jotka kaikki perustuvat varattujen tooneripartikkelien elektroforeesiin fotojohteen pinnalle. Ensimmäinen näistä on esitetty kuvan 1 kohdassa 1. Siinä nestemäinen tooneri sijaitsee kaukalossa, jossa myös fotojohde pyörii osittain tooneriin upotettuna. Paperi tuodaan fotojohdetta pitkin kaukaloon, jossa tooneria siirtyy kuvakohtiin sähköisen vetovoiman välityksellä. Paperi voi toimia sekä painoalustana että fotojohteena, jolloin fotojohtavan rummun tarve poistuu. Huonona puolena on kuitenkin se, että paperi on todella märkä kehityksen jälkeen, jolloin haihdutusta tarvitaan paljon. Muuten prosessi on yksinkertainen, eikä saadussa kuvassa ole juurikaan häiriöitä. /5-7/ Kehitykseen voidaan myös käyttää tyhjiöön perustuvaa menetelmää, joka on esitetty kuvan 1 kohdassa 2. Nestemäistä tooneria kierrätetään nopeasti pumppujen avulla umpinaisessa tilassa, jonka muodostavat paperin pinta ja metalliset urat. Pumppujen nopean kierrätyksen takia toonerihiukkaset erottuvat nestefaasista, ja ne siirtyvät sähköisen vetovoiman ajamana paperille kuvakohtiin. Sähköisen vetovoiman aiheuttaa paperin toisella puolella oleva fotojohde. Tässä menetelmässä painettu pinta on miltei heti kehityksen jälkeen kuiva, mutta kehityksen onnistuminen riippuu suuresti paperin karheudesta. /5/

4 Kolmannessa kehitystavassa fotojohde pyörii osittain nestemäiseen tooneriin upotettuna. Kuvan 1 kohdan 3 mukaisesti painettava kuva muodostuu sähköisen vetovoiman välityksellä fotojohteen pinnalle, josta kuva siirretään joko suoraan painoalustalle tai siirtosylinterille. Tämä tapa mahdollistaa suuren tuotantonopeuden sekä sakeamman toonerin käytön, mutta toonerikerros täytyy edelleen myös kuivata erillisessä kuivausasemassa. /5/ 1 2 3 Kuva 1. Nestemäisen toonerin kehitystavat /5/. 2.1.3 Vanhimmat tekniset ratkaisut Vanhimmat nestemäisen toonerin käyttöön perustuvat elektrofotografiaprosessit ovat itsestään kiinnittäviä. Tämä tarkoittaa sitä, että prosessissa käytetään ZnO:lla dispersiopäällystettyä paperia, joka toimii sekä fotojohteena että painoalustana. Paperi varataan aluksi koronalangoissa tapahtuvan sähköpurkauksen avulla, ja latentti kuva muodostetaan valottamalla kuvakohdat. Nestemäinen tooneri siirretään paperille toonerikaukalossa upottamalla paperi tooneriin. Tämän jälkeen ylimääräinen tooneri poistetaan paperilta telojen avulla. Lopuksi kuva kiinnitetään paperiin haihduttamalla nestefaasi kuuman ilman avulla, minkä jälkeen voidaan painaa seuraava osaväri. /7/ Prosessissa pystytään toistamaan korkearesoluutiokuvia, mutta täyspeitteiset pinnat ovat suhteellisen huonolaatuisia värimuutosten takia. Värimuutoksia syntyy, koska kiinnitetty toonerikerros ei ole sähköisesti neutraali. Tällöin tooneria pääsee helposti leviämään vääriin paikkoihin. Lisäksi paperin toimiminen fotojohteena estää tavallisen paperin käytön. /7/

5 2.1.4 Uusimmat tekniset ratkaisut Uusimpia teknisiä ratkaisuja nestemäistä tooneria käyttävässä elektrofotografiassa ovat toonerin epäsuora siirto, toonerin suuri konsentraatio, toonerikerroksen puristus fotojohteella sekä puristuksen avulla tapahtuva siirto. Myös kuivausvaiheen paikka voi vaihdella. /6,8,9/ Epäsuorassa siirrossa toonerikerros siirretään siirtosylinterin välityksellä fotojohteelta painoalustalle. Tämä mahdollistaa mitä erilaisimpien painoalustojen käytön. Lisäksi siirtosylinteriä käyttävissä systeemeissä siirto paperille tapahtuu puristamalla eikä sähköisesti: paperin toiselle puolelle ei siis tarvitse synnyttää sähköpurkausta. Toonerit, joiden pitoisuus on suurempi kuin perinteisissä nestetoonereissa, antavat painojäljelle korkean resoluution ja kontrastin, koska tooneripartikkeleja on tällöin helpompi hallita. Lisäksi kantofaasin haihdutustarve on vähäisempää, jolloin esimerkiksi työympäristön terveys- ja hajuongelmat vähenevät. Fotojohteella olevaa toonerikerrosta voidaan myös tiivistää puristustelan avulla, jolloin muodostuu yhtenäinen, suhteellisen kuiva toonerikerros fotojohteen pinnalle. Tämä kerros voidaan siirtää monenlaisille painoalustoille ongelmitta. /6,8,9/ Kaikkein uusimmissa sovelluksissa toonerikerros kuivataan jo ennen siirtovaihetta, jolloin painoalusta ei pääse lainkaan kastumaan. Kastuminen saattaa aiheuttaa erilaisia vikoja painojälkeen, paperiin ja paperin kulkuun prosessissa. Esimerkiksi kostea paperi käyristyy helposti, mikä aiheuttaa ongelmia ajettavuuteen. Kuvassa 2 on esitetty nestemäistä tooneria käyttävä nykyaikainen elektrofotografiaprosessi, joka käyttää epäsuoraa siirtoa, kuivausta ennen siirtoa, toonerikerroksen puristamista ja puristuksen avulla tapahtuvaa siirtoa. /6,8,9/ Kuva 2. Nykyaikainen nestemäistä tooneria käyttävä elektrofotografia-prosessi /8/.

6 2.2 Nestemäinen tooneri Nestemäinen tooneri koostuu erittäin pienistä sähköisesti varatuista toonerihiukkasista, jotka on dispergoitu nestemäiseen eristävään kantofaasiin. Toonerin hiukkaskoko on 0,1-2 µm, mikä mahdollistaa korkean resoluution. Tooneripartikkelien pinnassa on myös varauksensäätöaineita, jotka antavat tooneripartikkeleille oikeanlaisen varauksen. Suurimmat ongelmat nestemäisen toonerin yhteydessä ovat kantofaasin haihdutuksen aiheuttamat ympäristöongelmat sekä tooneridispersion epästabiilisuus pienten partikkelien muodostaessa isompia kasaumia eli aggregaatteja. /7,10,11/ 2.2.1 Toonerin valmistus Nestetoonerin tooneripartikkelit valmistetaan joko jauhatuksen tai hiukkassynteesin avulla. Jauhatuksessa kantofaasiin dispergoidut tooneripartikkelit jauhetaan halutunkokoisiksi, ja synteesissä hiukkaskokoa puolestaan kasvatetaan monomeerien polymerisoitumisreaktioiden kautta. Tämän jälkeen partikkelit värjätään pigmentin tai muun väriaineen avulla, ja toonerin konsentraatio säädetään noin 25 %:in, mikä on toimitussakeus. Varastosakeudessa tooneri sisältää kantofaasia 79 %, hartsia 12 %, pigmenttiä 8 % ja lisäaineita 1 %. Ennen käyttöä tooneridispersio laimennetaan kantofaasilla 2-5 % sakeuteen, mikä helpottaa toonerin virtausta prosessissa. Lisäksi pientä sakeutta käytetään, koska tooneripartikkelien väliset vuorovaikutukset halutaan minimoida aggregoitumisen estämiseksi, mutta samalla prosessissa kulkevan nesteen määrä lisääntyy huomattavasti. Kantofaasin määrän kasvu lisää haihdutuksen tarvetta. /3,5-7,10/ RLA (Research Laboratories of Australia) on kehittänyt nestemäisiä toonereita, joiden viskositeetti ja kuiva-ainepitoisuus ovat suuria /6/. Kuiva-ainepitoisuus on 10-40 %, jolloin pigmenttipitoisuus on saatu jopa 3-8 kertaa suuremmaksi kuin tavallisissa nestetoonereissa. Kantofaasin määrää on näin saatu vähennettyä, mikä pienentää nesteen siirtymistä paperille. Tämä tooneri mahdollistaa korkean resoluution ja kontrastin sekä epäsuoran siirron. Muita etuja ovat pienempi toonerinkulutus sekä pienemmät ajokustannukset, toonerin suuremman väripitoisuuden ansiosta. Suurimmat haasteet liittyvät dispersion stabiilisuuteen, toonerin riittävään varaukseen sekä pieneen hiukkaskokoon. Esimerkiksi korkeammassa konsentraatiossa partikkelit ovat lähempänä toisiaan, jolloin ne muodostavat helpommin aggregaatteja. /6/ 2.2.2 Kantofaasi Kantofaasina nestemäisissä toonereissa käytetään useimmiten alifaattisia hiilivetyjä, joiden haihtuvuus on optimaalinen ja joiden viskositeetti on pieni. Pieni viskositeetti saa aikaan tooneripartikkelien hallitun ja nopean liikkeen kehityksen aikana. Kiinnittyminen puolestaan onnistuu, kun toonerin haihtumisnopeus on sopiva. Liian nopea haihtuminen aiheuttaisi lisäpäästöjä ympäristöön, kun taas liian hidas haihtuminen estäisi kantofaasin

7 poistumisen toonerikerroksesta. Kantofaasin on myös oltava sähköisesti neutraali ja kemiallisesti inertti aine: johtavuus aiheuttaisi latentin kuvan varauksen purkautumisen ja kemialliset reaktiot johtaisivat prosessin laitteiden vaurioitumiseen. /6,7,11/ Yleisimmin kantofaasina käytetään ISOPAR-hiilivetyjä, jotka ovat haaroittuneita ja joiden hiiliketjun pituus on 10-15 hiiliyksikköä. Nämä hiilivedyt ovat suhteellisen ympäristöystävällisiä, ja lisäksi niiden kiehumispisteitä, ketjunpituuksia ja haihtumisnopeuksia on helppo säädellä valmistuksen aikana. Muita käytettyjä kantofaaseja ovat alifaattiset ja aromaattiset hiilivedyt, freonit sekä siloksaanit. Näiden aineiden käyttöä rajoittaa kuitenkin niiden myrkyllisyys. /6,7,11/ Uusissa sovelluksissa on käytetty ympäristöystävällisempiä nesteitä, joilla on korkea kiehumispiste. Nämä aineet ovat hajuttomia, haihtumattomia sekä yhteensopivia muiden toonerin aineiden kanssa. Ympäristöystävällisiä ratkaisuja ovat esimerkiksi perfluoridihiilivedyt tai polyeetterit. Lisäksi tutkimuksia on tehty veden, silikoniöljyn ja estereiden parissa. /6,11/ 2.2.3 Toonerihiukkaset Tooneripartikkelit ovat erilaisia lämpömuovautuvia hartseja, joihin pigmentit tai väriaineet on kiinnitetty. Hartsin tehtävänä on dispergoida pigmentit tasaisesti kantofaasiin, antaa syntyneelle dispersiolle stabiilisuutta sekä auttaa värikerroksen kiinnittymisessä painoalustaan. Useimmiten hartsit valmistetaan juuri tiettyä prosessia varten. /7,12,13/ Nestemäisissä toonereissa käyttökelpoisia hartseja ovat useat homopolymeerit, kuten polyeteeni, polypropeeni, polystyreeni, polyesteri, polyakrylaatti tai polymetakrylaatti. Usein hartsina käytetään Elvax-tuotenimellä kulkevaa eteenivinyyliasetaattia. Toonerille väriä antavat partikkelit voivat olla joko orgaanisia tai epäorgaanisia aineita. Orgaanisia aineita ovat esimerkiksi pigmentit sekä muut väriaineet, epäorgaanisista aineista esimerkkejä ovat hiilimusta ja metallit. /7,12,13/ 2.2.4 Lisäaineet Varauksen säätöaineet antavat tooneripartikkeleille halutunlaisen varauksen, jotta sähköisesti tapahtuva kehitys ja siirto onnistuisivat. Varaus voi olla positiivinen tai negatiivinen. Yleisesti varauksen säätöaineina käytetään esimerkiksi pinta-aktiivisia aineita ja metallisuoloja. Varauksen säätöaineet ovat herkkiä erilaisille epäpuhtauksille, jotka saattavat esimerkiksi kehittyä toonerin sijasta tai estää toonerin varautumisen. Tällöin kuvanlaatu huononee. /6,7/ Muita lisäaineita nestemäisessä toonerissa ovat säilöntäaineet, dispersion stabilointiaineet ja dispersion ominaisuuksia säilyttävät aineet. Lisäaineita käytetään vain pieniä määriä. /6,7/

8 2.3 Painolaatu Nestemäisyys mahdollistaa pienen hiukkaskoon käytön nestemäisissä toonereissa, jolloin resoluutiosta tulee suuri. Pieni partikkelikoko on mahdollinen, koska tooneripartikkelit dispergoidaan nesteeseen, mikä poistaa partikkelien pölyämistaipumuksen prosessissa. Myös lasersäteen halkaisija vaikuttaa saavutettavaan resoluutioon. Lasersäteen halkaisija on yleisimmin noin 17 µm ja säteiden välinen etäisyys noin 10 µm. Tällöin saadaan erittäin pieniä pisteitä, jotka sijaitsevat lähellä toisiaan. Maksimiresoluutio tällä hetkellä on noin 2400-2540 dpi(dots per inch), mutta periaatteessa partikkelikoolle ja sitä kautta resoluutiolle ei ole rajoituksia. Lisäksi nestemäisyys, pieni konsentraatio ja pienet partikkelit mahdollistavat laajan väriavaruuden, terävän painojäljen, korkean kiillon, jatkuvat sävyt sekä kirkkaammat värit. Pieni partikkelikoko vähentää myös pisteenkasvua ja rasteripisteiden rosoisuutta. /1,2,6-8,14/ Pienet partikkelit muodostavat paperin pinnalle ohuen värikerroksen, joka seurailee paperin pinnanmuotoja. Tällöin paperin kiillon kasvaessa myös painojäljen kiilto kasvaa, koska toonerikerros muodostuu tasaisemmaksi. Nestemäisen toonerin käyttö vaatii paperilta kuitenkin sileyttä, koska karheus laskee densiteettiä, huonontaa terävyyttä ja lisää mikroaukkojen määrää. Toonerikerroksen paksuuden kasvaessa myös densiteettitaso kasvaa, joten on tärkeää, että kerroksen paksuutta voidaan säätää. /5,6,15,16/ Suurimmat viat painatuslaadussa ovat densiteetin pienuus, toonerin leviäminen ja mikroaukot. Mikroaukot ovat kuvakohtia, joihin tooneria ei ole siirtynyt. Ne aiheutuvat paperin ja kantofaasin välisistä vuorovaikutuksista, joita voidaan pienentää käyttämällä epäsuoraa siirtoa ja kuivausta ennen siirtoa. Toonerikerros jää tällöin suhteellisen karheaksi, koska se ei ole kunnolla kiinnittynyt. Tämä johtaa optisen densiteetin pienenemiseen, sillä mitä karheampi pinta sitä enemmän valo siroaa siitä. /5,15/

9 3 KAUPALLISET RATKAISUT 3.1 Yleistä HP Indigon valmistamat painokoneet ovat tällä hetkellä lähes ainoita kaupallisia elektrofotografiapainokoneita, joissa väriaineena käytetään nestemäistä tooneria. Tämä prosessi on kuvattu tarkemmin tässä luvussa, koska se eroaa selvästi luvussa 2 esitetyistä perusmenetelmistä. Koska muita kaupallisia ratkaisuja ei juuri ole, koepainatuksetkin suoritettiin HP Indigon painokoneilla. HP Indigon valmistamat painokoneet perustuvat elektrofotografiaan. Erona perinteiseen elektrofotografiaan on nestemäisen toonerin käyttö sekä kuvan siirto offset-sylinterin välityksellä fotojohteelta paperille. Tämän lisäksi HP Indigon painokoneissa on vain yksi painoyksikkö, jonka kautta kaikki osavärit tulostetaan. Yksi painoyksikkö mahdollistaa hyvän kohdistuksen, koska paperi pysyy paikallaan eri osavärien painamisen ajan. Kaksipuolista painatusta varten kone voidaan varustaa erillisellä kääntöyksiköllä. Yhden painoyksikön huono puoli on hitaampi tuotantonopeus. Tuotantonopeus HP Indigon arkkikoneissa on 2000 4000 A3/h, kun se esimerkiksi perinteisissä arkkioffset-koneissa on tyypillisesti noin 15000 arkkia/h. HP Indigon painokoneissa sivutieto uusitaan jokaisella pyörähdyksellä fotojohteelle, jolloin jokainen painettava sivu voi olla erilainen. Tämä mahdollistaa personoitujen painotuotteiden valmistuksen. /3,17-19/ Nestemäisessä toonerissa partikkelikoko on pienempi kuin kuivatoonereissa. Tämän ansiosta HP Indigon prosessissa resoluutio voi olla hyvinkin korkea: normaali resoluutio on 812 dpi, mutta se voidaan saada jopa 2400 dpi:n tasolle HP:n kehittämän HDI(High Definition Imaging)-ohjelman avulla. Kuivatoonerien yhteydessä maksimiresoluutio on 1600 dpi, tosin yleisesti resoluutio on jätetty 600 dpi:hin. Epäsuoran siirron ansiosta on mahdollista painaa laadukkaita kuvia, prosessi on nopea ja lisäksi voidaan painaa monelle erilaiselle painoalustalle. Erona perinteiseen offset-menetelmään on se, ettei värikerros halkea siirrossa vaan kerros siirtyy kokonaisuudessaan kalvomaisena kerroksena paperin pinnalle. /3,18,19,20/ 3.2 Tulostusvaiheet Kuvassa 3 on esitetty periaatekuva HP Indigon nestetoonerielektrofotografiaan perustuvasta prosessista. Prosessi voidaan jakaa yhdeksään vaiheeseen, jotka ovat fotojohteen varaaminen (1), latentin kuvan muodostaminen valotuksen avulla (2), toonerin kehitys fotojohteen kuvakohtiin (3), kuvan taustakohtien puhdistus toonerista (4), kuvakohtien tiivistäminen (5), kuvan siirto siirtosylinterille (6), fotojohteen puhdistus (7), siirtosylinterillä olevan toonerikerroksen lämmitys (8) ja toonerikerroksen siirto painoalustalle (9)

10 /18,21/. Vaiheet on kuvattu tarkemmin kappaleissa 3.1.1-3.1.7. Kuvassa 4 on esitetty HP Indigon uusimpien ja nopeimpien painokoneiden yleinen rakenne. Kuva 3. HP Indigon painokoneen käyttämän prosessin vaiheet /18/. Kuva 4. HP Indigon uusien ja nopeiden painokoneiden yleinen rakenne, jossa jokaiselle osavärille on oma kehitysyksikkönsä /21/.

11 3.2.1 Kuvannus Aluksi orgaanisella fotojohtavalla materiaalilla päällystetty rumpu varataan tasaisesti skorotronien avulla. Skorotroni koostuu ohuista metallilangoista, joihin synnytetään suuri, 3000-8000 V:n suuruinen jännite. Tällöin lankojen ympärille muodostuu voimakas sähkökenttä, joka ionisoi lankoja ympäröivän ilman. Näin syntyneet varatut hiukkaset pakotetaan tämän jälkeen paineen avulla fotojohteen pinnalle. HP Indigon painokoneissa varaaminen tapahtuu kolmivaiheisella skorotronilla, joka koostuu yhteensä kuudesta skorotronilangasta (kuva 4). Metallilankojen ja fotojohteen välissä sijaitsee vielä ohjaushila, jonka tehtävänä on parantaa fotojohteen varauksen tasaisuutta ja säätää fotojohteen varautuneisuutta. Varatut hiukkaset liikkuvat fotojohteelle ohjaushilan läpi, kunnes fotojohteen potentiaali on yhtä suuri kuin hilan potentiaali. Tämän jälkeen fotojohteen varaus ei enää muutu. /18,22,23/ Fotojohtava päällyste PIP (Photo Imaging Plate) muodostuu neljästä kerroksesta. Rumpua vasten on kangaskerros, jonka päällä ovat Mylar-kalvosta tehty tukikerros, sähköä johtava kerros sekä varsinainen fotojohtava kerros. Tämä orgaaninen fotojohde on kaksikerroksinen, ja se koostuu varauksen luonti- ja siirtokerroksesta. Fotojohteelle muodostuva potentiaali on aina negatiivinen - HP Indigon tapauksessa se on noin -800 (-1000) V. /3,24,25/ Tasaisen varaamisen jälkeen muodostetaan latentti kuva fotojohteen pinnalle purkamalla varaus kuvakohdista. Purkaminen tapahtuu valottamalla fotojohteen pinta kuvakohdista pintaa pyyhkivien lasersäteiden avulla. Tuleva valo absorboituu fotojohteen varausten luontikerrokseen ja synnyttää positiivisia varauksenkuljettajia. Nämä liikkuvat varauksen siirtokerroksesta kohti fotojohteen pintaa ja saavat aikaan fotojohteen pinnan negatiivisen varauksen purkautumisen valotetuilta kohdilta. Valotuksen jälkeen kuvakohtien potentiaali on purkautunut noin -60 (-180) V:iin. Valotus muuttaa siten digitaalisen kuvatiedon näkymättömäksi varauskuvioksi fotojohteen pinnalle. /3,26-28/ Kuva 5. HP Indigon laser-valotussysteemi /29/.

12 Kuvassa 5 on esitetty HP Indigon käyttämä valotussysteemi, jossa valonlähteenä toimivat laserdiodit ja jonka tärkeimmät komponentit ovat monikulmainen peili, kokoojalinssi sekä anamorfinen pyyhkäisyoptiikka (F-θ-linssi) ja kääntöpeili. Laser-diodeja on yleensä 12 kappaletta. Valotuksessa lasersäteet kootaan ensin kokoojalinssillä, jonka jälkeen säteet poikkeutetaan pyörivästä ja monikulmaisesta peilistä. Tämän jälkeen F-θlinssi ohjaa säteet oikeisiin paikkoihin kääntöpeilille, joka lopulta heijastaa säteet fotojohteelle kuvakohtiin. /26,29/ Valotuksessa käytetään lasersäteitä, koska ne mahdollistavat pienikokoisemmat tulostuspisteet kuin LED-valoja käytettäessä. 12-säteisen laserin resoluutio voi olla jopa 2400 x 812 dpi. Indigon E-Print 1000:ssa käytetään infrapuna-lasereita, joiden säteen halkaisija on noin 48 µm ja säteiden välinen etäisyys noin 0,03 mm /19/. Laservalotuksen etuihin kuuluu myös suuri prosessinopeus, noin 1,2 m/s. Prosessinopeuteen vaikuttaa kuusikulmaisen pyörivän peilin nopeus, joka yleensä on yli 500 kierrosta sekunnissa. /26,29,30/ Painolaatu riippuu painettavien pisteiden kohdistuksen onnistumisesta fotojohteella. Pisteiden paikka säädetään kahden anturin ja kooderin avulla. Toinen antureista havaitsee lasersäteen osumakohdan rummulla ja toinen puolestaan mittaa liikkuvan peilin kulmapaikkaa. Tiedot lähetetään kooderille, jossa lasketaan peilin kulmapaikan ja säteen osumakohdan välinen virhe, jonka perusteella lähetetään korjaussignaali peilin moottorille. Muita painolaatuun vaikuttavia tekijöitä ovat peilin materiaali, koko, muoto ja kiinnitysmekanismi, lasersäteen teho, säteiden lukumäärä ja aallonpituus sekä säteiden yhtenäisyys ja vuorovaikutukset toisten säteiden kanssa. /26,29,30/ 3.2.2 Kehitys Valotuksen jälkeen nestemäinen tooneri ElectroInk tuodaan fotojohteen kuvakohdille kehitysyksikössä. Kehitysyksikkö koostuu syöttölaitteesta ja kehityssylinteristä. Kehityssylinteri on valmistettu pehmeästä polyuretaanista, ja se sijaitsee noin 40-150 µm päässä fotojohteen pinnasta. Kehityssylinterin pyörimisnopeus on noin 100 m/min, mikä on mahdollista toonerin pienen partikkelikoon ja nestemäisyyden ansiosta. Kehityssylinteri ja fotojohde pyörivät samansuuntaisesti, jolloin niiden välissä olevassa nipissä suhteellinen nopeus on nolla. Tooneri saadaan tällä tavoin lisättyä tasaisena ja yhdenmukaisena kalvona fotojohteelle koko nipin leveydeltä. Fotojohteen ja kehitystelan välinen etäisyys ja pyörimisnopeudet säätävät toonerikerroksen paksuutta ja kantofaasin määrää fotojohteella. Kehityksen jälkeen fotojohteen kuvakohdilla on ElectroInk-kerros ja taustakohdilla ohut kantofaasikerros. Toonerimäärä kuvakohdilla on noin 15 mg/cm 2. /18,19,24,27,30,31/

13 Nestemäinen tooneri tuodaan värisäiliöstä syöttölaitteelle, joka ruiskuttaa negatiivisesti varatun toonerin kehitystelan ja fotojohteen väliseen nippiin kuten kuvassa 6 on esitetty. Tooneri ruiskutetaan yleensä fotojohteen pinnalle. Jokaiselle osavärille on oma ruiskunsa, mutta systeemissä on vain yksi kehitystela. Tooneri siirtyy fotojohteen kuvakohdille sähköisen vetovoiman ansiosta, kun taas kuvan taustakohtien kohdalla tooneri siirtyy kehitystelalle, josta se poistetaan kaavinten avulla ja kierrätetään takaisin värisäiliöihin. Jokaiselle osavärille on oma kaavin ja säiliö, jotta eriväriset tooneriparikkelit eivät menisi sekaisin. Lisäksi systeemissä on yksi ylimääräinen kaavin, joka poistaa kehitystelalta jokaisen osavärin yhteydessä vielä kehitystelalla olevan toonerin. Tämä kaavittu tooneri sisältää hyvin vähän tooneripartikkeleita. Tooneri otetaan kuitenkin talteen ja viedään erottimen läpi, jolloin saadaan puhdasta kantofaasia uudelleenkäyttöä varten. /18,20,24,27,31/ Kuva 6. HP Indigon kehitysyksikkö, jossa on tooneriruisku ja kehitystela. Jokaiselle CMYKosavärille ja kahdelle lisävärille on oma keräyssäiliönsä. Lisäksi systeemissä on yksi ylimääräinen keräyssäiliö kantofaasin kunnollista talteenottoa varten. Kehitystela on varattu sähköiseen potentiaaliin, jonka suuruus on noin -400 (-500) V. Potentiaali on siten fotojohteen kuvakohtien potentiaalin ja taustakohtien potentiaalin välissä. Tällöin negatiiviset tooneripartikkelit siirtyvät fotojohteelle kohti positiivisempia kuvakohtia. Kuvan taustakohtien kohdalla tooneripartikkelit siirtyvät puolestaan kohti positiivisempaa kehitystelaa. Kehitystä on havainnollistettu kuvassa 7. Taustakohdille tooneria ei siirry eikä se leviä fotojohteella, koska taustakohtien kehitystelaa ja kuvakohtia negatiivisempi potentiaali hylkii tooneripartikkeleita. Tämä hylkiminen aiheuttaa myös sen, että tooneripartikkelit punoutuvat toisiinsa mekaanisesti muodostaen yhtenäisen kerroksen. Negatiivisesti varautuneet partikkelit kulkevat siis aina kohti positiivisempaa potentiaalia. Tiiviin ja sähköisesti koossapysyvän kerroksen ansiosta latenttikuva tulee näkyväksi fotojohteella. Myös kehitystelalle syntyy toonerikerros, joka otetaan talteen ja kierrätetään. /20,24,27,31-33/

14 Kuva 7. Toonerikerroksen syntyminen sähköisen vetovoiman ansiosta sekä fotojohteen kuvakohtiin että kehitystelalle. 3.2.3 Taustakohtien puhdistaminen Kehityksen jälkeen ylimääräinen kantofaasi poistetaan kuvan taustakohdilta. Lisäksi taustakohdilta poistetaan sinne siirtyneet tooneripartikkelit ja kuvakohdilta siihen heikosti kiinnittyneet tooneripartikkelit. Poistaminen tapahtuu kahden pienen sähköisesti varatun telan avulla, jotka pyörivät fotojohteeseen nähden vastakkaiseen suuntaan ja sijaitsevat noin 40 150 µm päässä fotojohteesta. /18,19,20,34/ Telat on varattu noin -250 V:n potentiaaliin, jolloin tooneripartikkelit siirtyvät kuvan taustakohdilta sähköisen vetovoiman takia kohti teloja. Samalla myös kuvakohdille huonosti kiinnittyneet uloimmat tooneripartikkelit hakeutuvat telojen suuntaan, koska kuvakohdat eivät pysty pitämään niitä läheisyydessään. Tämä johtuu siitä, että kuvakohtien potentiaali ei pääse vaikuttamaan niin voimakkaasti näihin uloimpiin partikkeleihin muiden hiukkasten varjostuksen vuoksi. /18,19,20,34/ Huonosti kiinnittyneiden tooneripartikkeleiden poisto saa aikaan sen, että tulostettu kuva toistuu terävänä ja tasaisena, koska irralliset partikkelit eivät pääse liikkumaan taustakohdille esimerkiksi ilmavirran takia. Telat aiheuttavat pyöriessään myös hydrodynaamisia voimia, jotka saavat aikaan kantofaasin poistumista fotojohteelta. Kantofaasi ja tooneripartikkelit kerätään useimmiten talteen ja viedään yhdessä erottimeen, jossa kantofaasi puhdistetaan tooneripartikkeleista uudelleenkäyttöä varten. /18,19,20,34/ 3.2.4 Kuvakohtien tiivistäminen Taustakohtien puhdistuksen jälkeen seuraa toonerikerroksen puristaminen. Puristaminen tehdään sähköisesti varatulla puristustelalla, ja sen tärkein tehtävä on tiivistää toonerikerros kuva-alueilla sekä poistaa kantofaasi miltei kokonaan. Puristustela on yleensä kimmoisa polyuretaanipäällysteinen alumiinirumpu, joka on varattu erittäin korkeaan potentiaaliin: -1300 (-1600) V. Korkea potentiaali tarvitaan siksi, ettei tooneri leviäisi puristuksessa tausta-alueille ja että toonerikerrosta saataisiin vielä tiivistettyä. /18,20,24,25,27,34,35/

15 Puristustela painetaan mekaanisesti fotojohteen pintaa vasten, jolloin kantofaasi poistuu taustakohdilta kokonaan ja suurimmaksi osaksi kuvakohdilta. Lisäksi puristus saa aikaan värikerroksen tiivistymisen. Puristustelan varaus on samanmerkkinen kuin toonerin, joten puristustela hylkii tooneripartikkeleita. Repulsion vuoksi tooneripartikkelit liikkuvat kohti fotojohteen pintaa tiivistäen samalla kuvaa. Tätä on havainnollistettu kuvassa 8. Tiivistymisen ansiosta fotojohteelle muodostuu koossapysyvä ja kalvomainen toonerikerros. Kantofaasi jää tällöin tooneripartikkelien päälle, josta se on helppo poistaa mekaanisesti. Kantofaasista poistetaan tässä vaiheessa noin puolet, ja se kierrätetään uudelleenkäyttöä varten. Puristusvaiheen jälkeen värikerroksen kuivaainepitoisuus on noin 20-30 %. /18,20,24,25,27,34,35/ Kuva 8. Puristustelan sähköisen potentiaalin aiheuttama toonerikerroksen tiivistyminen. Kehityksen, puhdistamisen ja puristamisen jälkeen kuva voidaan siirtää prosessissa eteenpäin, koska fotojohteen valottamattomat kohdat ovat puhtaita tooneripartikkeleista ja kuva on terävä sekä luja. /18/ 3.2.5 Prosessimuutoksia Uusimmissa ja nopeimmissa HP Indigon painokoneissa jokaiselle osavärille on oma kehitysyksikkönsä. Kehitysyksikön periaatekuva on esitetty kuvassa 9. Kuvassa 4 on havainnollistettu kehitysyksikköjen asemaa ja kokoa prosessiin nähden. Tässä sovelluksessa tooneri tuodaan fotojohteelle kehitystelaa pitkin. Kehitysyksikkö koostuu kehitystelan lisäksi puristustelasta, puhdistusteloista ja applikaattorista. Kehitystela ja fotojohde pyörivät vastakkaisiin suuntiin. /18,20,24,27,31,36/ Tooneri tuodaan applikaattorista kehitystelan pintaan tasaiseksi kerrokseksi. Tämän jälkeen puristustela tiivistää toonerikerroksen sähköisesti sekä poistaa ylimääräisen kantofaasin. Toonerikerros siirretään sen jälkeen sähköisesti fotojohteen kuvakohdille. Fotojohteelle siirtyvän värikerroksen kuiva-ainepitoisuus on 15-35 % ja paksuus 5-30 µm. Kehitystelalle jää kuvan taustakohtiin tooneria, joka poistetaan ja kierrätetään puhdistusyksikössä. Tooneria otetaan talteen myös puristustelalta. Suuri etu on, ettei tässä sovelluksessa tarvita erillistä puristusyksikköä ennen siirtovaihetta. /18,20,24,27,31,34,36/

16 Kuva 9. Kehitysyksikkö uusimmissa HP Indigon painokoneissa /30/. 3.2.6 Siirtovaiheet Fotojohde pyörähtää kosketuksiin sähköisesti varatun siirtosylinterin eli offset-sylinterin kanssa siirtovaiheessa. Siirtosylinteri on sisäisesti halogeenilampun avulla lämmitetty, ohutseinäinen metallirumpu, joka on päällystetty kumimaisella huovalla. Huopa on monikerroksinen materiaali, jonka rakenne on esitetty kuvassa 10. /18,27/ Kuva 10. Siirtosylinterin huovan kerrosmainen rakenne. Irrotuskerros on ohut, noin 8 µm:n paksuinen silikonikerros, jonka tehtävänä on helpottaa toonerikerroksen irtoamista huovalta ja siirtymistä kokonaisuudessaan painoalustalle. Mukautuva kerros on tehty pehmeästä polyuretaanista, jonka tehtävänä on saada huopa mukautumaan hyvin painoalustaa vasten. Tällä tavoin luodaan tasainen kosketuspinta siirtosylinterin ja painoalustan välille, mikä saa aikaan tasaisen painojäljen. Mukautuvan kerroksen paksuus on noin 100 µm, ja sen alla olevan johtavan kerroksen paksuus on noin 2-3 µm. Johtava kerros on valmistettu akryylikumista ja hiilimustasta. Hiilimusta antaa kerrokselle sopivan johtavuuden. /27,37/ Huovan runko on puolestaan noin 700 µm paksu, ja se koostuu huovan pintakerroksesta, puristuvasta kerroksesta sekä kangaskerroksesta. Kangaskerros, jonka paksuus on noin 200 µm, on valmistettu kudotusta NOMEX-materiaalista. Tämän päällä oleva 400 µm paksu puristuva kerros on puolestaan tehty kyllästetystä nitriittikumista ja hiilimustasta. Tässä kerroksessa hiilimustan tehtävä on parantaa huovan lämmönjohtavuutta.

17 Huovan pintakerros koostuu samasta materiaalista kuin puristuva kerros, mutta pintakerroksessa kumissa ei ole huokosia, ja kerrospaksuus on pienempi - noin 100 µm. Kangaskerroksen alapuolella on vielä liimakerros, joka mahdollistaa huovan kiinnityksen metallirumpuun. /27,37/ Toonerin siirto fotojohteelta siirtosylinterille tapahtuu tässäkin tapauksessa sähköisesti. Kumipintainen siirtosylinteri on varattu -400-0 V:n potentiaaliin, ja koska puristustelan vaikutuksesta taustakohtien potentiaali on noin -1220 V ja kuvakohtien noin -960 V, negatiivisesti varautuneet toonerihiukkaset pyrkivät siirtymään kohti siirtosylinterin positiivisempaa potentiaalia. Siirtotehokkuus tässä vaiheessa on noin 98 99 %. Suuri potentiaaliero fotojohteen ja siirtosylinterin välillä voi kuitenkin aiheuttaa jännitteen purkautumista, mikä voi vaurioittaa fotojohteen pintaa ja aiheuttaa siirtosylinterin pintaominaisuuksien muuttumista. Potentiaalieron pienentämiseksi koko fotojohteen pinta valotetaan ennen siirtoa LED-matriisin avulla. /19,24,33,34/ Halogeenilamppu kuumentaa siirtosylinterin noin 88 100 C:een, jolloin myös fotojohteelta siirtynyt ElectroInk-kerros lämpenee. Lämpötilan noustessa tooneripartikkelit osittain sulavat ja sekoittuvat toisiinsa, ja lisäksi ne solvatoituvat kantofaasin kanssa. Tällöin tooneripartikkelien polymeeri ja kantofaasi muodostavat keskenään komplekseja yhdisteitä polymeerin sulamispistettä ja kantofaasin kiehumispistettä matalammassa lämpötilassa. Lämmityksen ansiosta siirtosylinterin pinnalle kuvakohtiin muodostuu tahmea mutta yhtenäinen ja tasainen toonerikalvo, joka voidaan tämän jälkeen siirtää painoalustalle yhtenäisenä. /4,18,19,30/ Siirtosylinterin pyörähtäessä ElectroInk-kalvo tulee kosketuksiin painoalustan kanssa siirtosylinterin ja vastasylinterin muodostamassa nipissä. Tooneri siirtyy tällöin painoalustalle puristuksen ja lämmön vaikutuksesta. Kun lämmin toonerikalvo koskettaa kylmempää painoalustaa, se jähmettyy heti, kiinnittyy tiukasti painoalustaan ja siirtyy yhtenäisenä ilman, että toonerikerros halkeaa painoalustan pinnalla. Tämä on mahdollista, koska painoalustan lämpötila on matalampi kuin toonerin solvaatiolämpötila, minkä seurauksena toonerin viskositeetti ja koheesio kasvavat. Lisäksi toonerin adheesio painoalustaan on suurempi kuin siirtosylinterille. /18,20,30,37/ Paperille siirretty kuva on heti kuiva, joten erillistä kiinnitysvaihetta ei tarvita. Väri ei siten pääse tarttumaan uudestaan siirtosylinterin pintaan tai pinottaessa toisiin arkkeihin. Tällöin painetun pinnan set-off ja päällepainatus eivät aiheuta samanlaisia ongelmia kuin perinteisessä offset-painatuksessa. Siirtosylinterin lämpötila ei ole myöskään liian korkea, jotta se vahingoittaisi paperia. Kuvassa 11 on esitetty toonerikerroksen käyttäytyminen siirron aikana. /18,20,30/

18 Kuva 11. Toonerikerroksen rakenne siirron aikana. Toonerikerros kiinnittyy painoalustaan pelkän adheesion avulla eikä tooneria absorboidu ollenkaan paperin sisään kuten perinteisessä offset-painatuksessa tapahtuu puristuksen ja värin kulkeutumisen vuoksi. Tätä ilmiötä on havainnollistettu kuvassa 12. Lisäksi toonerikalvon yhtenäisyys saa aikaan sen, ettei tooneri pääse leviämään sivusuunnassa paperin pinnalla puristuksesta huolimatta. Toonerikalvon mukana kulkee vielä hieman kantofaasia, jonka määrä on kuitenkin niin vähäinen, että sen voi antaa huoletta absorboitua paperiin ilman, että paperi kastuisi. Perinteisissä nestemäisissä toonereissa siirretyn toonerikerroksen kantofaasipitoisuus on sitä vastoin niin suuri, että tarvitaan erillinen kuivausvaihe, jotta paperi ei turpoaisi kantofaasin imeytymisen vuoksi. Tämä aiheuttaisi ajettavuus- ja painettavuusongelmia. /19,20,30,37,38/ Kuva 12. ElectroInk-kerroksen ja perinteisen offset-painomusteen asettuminen paperilla. Koska toonerikerros irtoaa kokonaisuudessaan huovalta ilman värikerroksen halkeamista ja koska toonerikerros on heti kuiva, siirtosylinteri säilyy puhtaana ja on välittömästi valmiina seuraavaa painettavaa kuvaa varten. HP Indigon painokoneissa voidaankin siksi käyttää vain yhtä painoyksikköä. Arkkipainokoneissa osavärit painetaan peräkkäin paperille. Tämä tarkoittaa sitä, että paperi pidetään vastasylinterillä jokaisen osavärin painamisen ajan eli yhteensä 4-7 kierroksen ajan riippuen käytettyjen osavärien lukumäärästä. HP Indigon rainapainokoneissa ja pakkauspainotuotteisiin soveltuvissa painokoneissa puolestaan ensiksi siirretään huopasylinterille kaikkien osavärien kuvat päällekkäin ja vasta sitten kuva kokonaisuudessaan paperille. Huopasylinteri pyörii siis 4-7 kierrosta ennen kuin kuva siirtyy paperille. Täten paperi pysyy nipissä vain yhden siirtosylinterin pyörähdyksen ajan. /18,30/