影印机

卡尔逊发明的设备

影印机是根据半导体的光导电性、物质间的摩擦生电等原理而设计的，发明人卡尔逊巧妙地结合这些似乎不相干的原理，居然发展为影响近代文明深远的新技术。虽然影印机仍在逐年改进，但是基本步骤仍然类似四十年前卡尔逊的设计。

影印机历史

影印机对现代人的生活影响深远，它的操作原理是很有趣的。在本文中，我们较为仔细深讨影印机的基本原理，但是仍然省略它许多机械设计上的细节。

影印机是在1938年就由卡尔逊（C.Carlson）和他合作人科尼（O.Kornei）发展出来的。数十年来，虽然影印机有多方面的改进，但是现代影印机的几个基本步骤仍然脱离不了卡尔逊当初的构想。其方法是将影像照光後，投射于光导电体（photoconductor）上而形成一带电荷的潜像（latent image），再用具相反电荷的色粒（troner），即俗称碳粉，使其显影，然後将这些成像的色粒转移并定影于白纸上。1938年十月二十二日，卡尔逊和助手首次在纽约证实了这个构想是可行。他们以硫作为光导体，涂布在锌板上，在暗室中以手帕摩擦硫的表面使带电，将一块玻璃板用墨水写上「10-22-38 Astoria」几个字，置于硫黄板上，放在白热灯下曝光。这时字迹已在硫黄上形成带电荷的潜像。然後在硫黄上洒一层一种石松属植物的花粉，再小心地将不带电处所不吸附的花粉去除，此时硫黄层上由花粉形成的字型清晰可见，最后将字型转移到蜡纸上，加热而完成定影手续（见图一）。

大部分的公司对这个实验结果并不重视，直到1946年一个非商业性的研究机构──巴特莱纪念所（Battelle Memorial Institute）开始发展这种干印技术，隔年该所与Haloid公司（即后来的Xerox全录公司）订约研究制造影印机。此后影印技术不断发展，今日这种乾式的影印技术已广泛地用于各办公室及图书馆里。

影印机光导电体

影印机的主角是光导电体。光导电体在光的照射下，由绝缘体变成导电体。它是一光敏感物，在黑暗中其电阻甚大，不会导电；在照光後分子的自由电子增加，电阻减小，可导电。如硒、砷、碲等无机物及其合金均为光导电体，现代是用硒代替最初卡尔逊所用的硫黄。

在影印机中能接受影像的光导体装置叫「光承受体」（photoreceptor），一般是在金属基层（metal substrate）如铝上涂布一层光导电体如硒，我们就简称为硒筒。硒筒之形状各机形可能不同，一般如平板状、带状或筒状。光导电体的厚度约数十微米（µm），且需具高的光敏感性（photosensitivity）、安定性及电荷移动性（charge mobility）。早期只用一层光导电体兼具电荷的生成与输送功能，现在已发展出机能性的多层结构。例如硒上附有氧化硒层，是正电荷的存在层，输送电荷是在下方的纯硒层，最下层的铝和硒层间又有氧化铝的夹层，使得电荷储存和传递功能更趋独立而完善（见图二）。

影印机带电

（charge）

当初卡尔逊是以手帕摩擦光导电体硫黄使其带电，而现代的影印机是在黑暗中以放电管（corotron）造成空气分子如氮分子的正离子，正离子移动至硒筒表面抓取电子，而使得硒筒表面因失去电子而带正电荷。在黑暗中硒为绝缘体，故电荷可保存在其表层（见图四）。

影印机曝光

（expose）

当初卡尔逊是利用光透过有字迹的玻璃板把潜像呈现在硫黄上，而现代是利用光照射待印文件时，空白部分反光，而有字迹部分吸光，经透镜及反射镜将这些反射光投射在硒筒上。此时硒层被光照射的地方成了导体，使得照光而产生的电子中和了储存在表层（氧化硒层）的正电荷。电子来自表层下方，也使得下方留下正电荷的电子洞（electron hole）。这也就是说原来表层正电荷向下层移动，这种移动是一个连锁步骤，直到正电荷移到硒筒下层的金属基层（见图五）。当正电荷移动至金属基层的界面时，接地的基层可以提供电子，然後藉放电（discharge）使基层变成中性，不带电荷。上述的电子传递过程，只是硒筒受光照射处的局部变化；而未受到光线照射的部分，因为仍为绝缘体，所以表层仍然带正电荷。一个有趣而重要的现象是，硒筒表层的电荷并不右左移动而破坏潜像。当光源被移去後，我们可在硒筒上得到和原来影像对应的潜像。原像里黑色的部分在潜像上对应的是带正电荷的区域，而白色区域则不带电。

影印机显像

（development）

当初卡尔逊是利用花粉吸附到带正电荷的潜像上而显影。一般之显像剂包括微小的色粒及较大的载体（carrier beads）；色粒是由热塑性树脂含黑色碳粉末所构成，直径约10微米。载体之成分为钢、玻璃或亚铁盐（ferrite），直径约100～500微米（见图六）。我们知道猫皮和玻璃棒摩擦，会使猫皮带正电而玻璃棒带负电。同样地，显影剂的设计是当载体和色粒混合搅拌时，由于摩擦生电使得载体带正电，色粒带负电，两者相吸；同时，後者准备移动到带正电荷的潜像上。一般常用的显影法有瀑式（cascading）及磁刷式（magnetic brush）两种。瀑式法是将显影剂以吊筒撒过硒筒表面，当载体磙下时，它所携带的色粒可被带正电荷的潜像吸引而留在硒筒上。磁刷式法则利用磁性磙筒上吸有磁性的载体，而载体吸有色粒，结果载体和色粒在磙筒表面成链状或须状分布，其作用如同软刷。当磙筒刷过硒筒表面时，色粒使转移到硒筒上带电部分而显像（见图七）。

影印机转印

（transfer）

转印之作用是将硒上色粒所形成的影像再转移至纸上，当然需减小硒筒（带正电）对色粒（带负电）之吸力。这时利用放电器使纸带正电，以便自硒筒上夺取色粒。将色粒所形成影像转印纸上後，色粒和纸间只有静电吸力。此时若用手指摩擦会轻易去除影像，所以需要下一步的定影，使其间产生稳定结合。当初卡尔逊的定影是将花粉在硫黄表层所成影像转印到蜡纸上时，藉蜡和花粉稳定附著力。

影印机定影

（fix）

色粒是由含黑色粉末的热塑性树脂所构成，定影是利用加热方式将树脂由固态变成熔融态，使其流入纸的纤维中，再凝固成固态後成永久键结。定影的方法有热融合（oven fusing）、辐射融合（radiant fusing）、加热加压融合（heat and pressure roll fusing）及以三氯乙烯（trichloroethylene）蒸气溶解树脂的蒸气融合法（vapor fusing），也可将热融合及辐射融合合并使用。

影印机清除

（clean）

清除包括三步骤：

（一）减小硒筒对残馀色粒的吸引力。

（二）以机械方法除去残馀色粒。

（三）照光使带正电荷的潜像部分也产生放电现象。以上即完成了影印过程，清除後的硒筒可再接受新的表面电荷，重复此循环。

结语

本文目的是提供读者对影印机原理的概念，省略了许多机械设计上的细节。整个过程巧妙之处在於如何制造电荷，控制电荷之移向，以达到色粒印上纸张的最後目标。让我们在本文最後简短地追踪电荷的移动，以加深我们的印象。电荷的诞生是靠放电器在硒筒表层产生正电荷（带电步骤），然後利用硒的光导性，使得原先均匀的正电荷分布，只留下含潜像的局部正电荷（曝光步骤）。这时利用色粒和载体的摩擦生电，再将含负电荷的色粒移往潜像处（显影步骤）。再接下去以含正电荷的白纸从硒筒上夺取色粒（转印步骤）。其中一个有趣的插曲是硒筒上的成像是影印原物的镜像，而转印到纸张上後，才是和原物相同之正像。

全国各地天气预报查询

上海市

云南省

云南省

云南省

云南省

云南省