影印機:根據半導體的光導電性而設計的機器-中文百科頻道

曆史

影印機對現代人的生活影響深遠，它的操作原理是很有趣的。在本文中，較為仔細深讨影印機的基本原理，但是仍然省略它許多機械設計上的細節。

影印機是在1938年就由卡爾遜（C.Carlson）和他合作人科尼（O.Kornei）發展出來的。數十年來，雖然影印機有多方面的改進，但是現代影印機的幾個基本步驟仍然脫離不了卡爾遜當初的構想。其方法是将影像照光後，投射于光導電體（photoconductor）上而形成一帶電荷的潛像（latent image），再用具相反電荷的色粒（troner），即俗稱碳粉，使其顯影，然後将這些成像的色粒轉移并定影于白紙上。

1938年十月二十二日，卡爾遜和助手首次在紐約證實了這個構想是可行。他們以硫作為光導體，塗布在鋅闆上，在暗室中以手帕摩擦硫的表面使帶電，将一塊玻璃闆用墨水寫上「10-22-38 Astoria」幾個字，置于硫黃闆上，放在白熱燈下曝光。這時字迹已在硫黃上形成帶電荷的潛像。然後在硫黃上灑一層一種石松屬植物的花粉，再小心地将不帶電處所不吸附的花粉去除，此時硫黃層上由花粉形成的字型清晰可見，最後将字型轉移到蠟紙上，加熱而完成定影手續。

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

光導電體

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

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

帶電

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

曝光

當初卡爾遜是利用光透過有字迹的玻璃闆把潛像呈現在硫黃上，而現代是利用光照射待印文件時，空白部分反光，而有字迹部分吸光，經透鏡及反射鏡将這些反射光投射在硒筒上。此時硒層被光照射的地方成了導體，使得照光而産生的電子中和了儲存在表層（氧化硒層）的正電荷。

電子來自表層下方，也使得下方留下正電荷的電子洞（electron hole）。這也就是說原來表層正電荷向下層移動，這種移動是一個連鎖步驟，直到正電荷移到硒筒下層的金屬基層。當正電荷移動至金屬基層的界面時，接地的基層可以提供電子，然後借放電（discharge）使基層變成中性，不帶電荷。

上述的電子傳遞過程，隻是硒筒受光照射處的局部變化；而未受到光線照射的部分，因為仍為絕緣體，所以表層仍然帶正電荷。一個有趣而重要的現象是，硒筒表層的電荷并不右左移動而破壞潛像。當光源被移去後，可在硒筒上得到和原來影像對應的潛像。原像裡黑色的部分在潛像上對應的是帶正電荷的區域，而白色區域則不帶電。

顯像

當初卡爾遜是利用花粉吸附到帶正電荷的潛像上而顯影。一般之顯像劑包括微小的色粒及較大的載體（carrier beads）；色粒是由熱塑性樹脂含黑色碳粉末所構成，直徑約10微米。載體之成分為鋼、玻璃或亞鐵鹽（ferrite），直徑約100～500微米。知道貓皮和玻璃棒摩擦，會使貓皮帶正電而玻璃棒帶負電。同樣地，顯影劑的設計是當載體和色粒混合攪拌時，由于摩擦生電使得載體帶正電，色粒帶負電，兩者相吸；同時，後者準備移動到帶正電荷的潛像上。

一般常用的顯影法有瀑式（cascading）及磁刷式（magnetic brush）兩種。瀑式法是将顯影劑以吊筒撒過硒筒表面，當載體磙下時，它所攜帶的色粒可被帶正電荷的潛像吸引而留在硒筒上。磁刷式法則利用磁性磙筒上吸有磁性的載體，而載體吸有色粒，結果載體和色粒在磙筒表面成鍊狀或須狀分布，其作用如同軟刷。當磙筒刷過硒筒表面時，色粒使轉移到硒筒上帶電部分而顯像。

轉印

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

定影

色粒是由含黑色粉末的熱塑性樹脂所構成，定影是利用加熱方式将樹脂由固态變成熔融态，使其流入紙的纖維中，再凝固成固态後成永久鍵結。定影的方法有熱融合（oven fusing）、輻射融合（radiant fusing）、加熱加壓融合（heat and pressure roll fusing）及以三氯乙烯（trichloroethylene）蒸氣溶解樹脂的蒸氣融合法（vapor fusing），也可将熱融合及輻射融合合并使用。