ゼログラフィー

ゼログラフィーは乾式複写技術である。^[1]もともとは電子写真と呼ばれていたが、当時使用されていたシアンタイプなどの複製技術とは異なり、ゼログラフィーのプロセスでは液体化学物質を使用しないことを強調するために、ギリシャ語の語源 である「乾いた」を意味するξηρός xerosと「書く」を意味する-‍γραφία -‍graphiaからゼログラフィーと改名された。^[2]

ゼログラフィーは、ハンガリーの物理学者パル・セレーニの貢献に大きく基づいて、アメリカの物理学者チェスター・カールソンによって発明されました。カールソンは、1942 年 10 月 6 日に米国特許 2,297,691を申請し、取得しました。

カールソンの革新は、1778年にゲオルク・クリストフ・リヒテンベルクが発明した乾式静電印刷プロセスとは異なり、静電印刷と写真技術を組み合わせたものである。 ^[3]カールソンの当初のプロセスは面倒で、平らな版を使った手作業による処理ステップがいくつか必要だった。

1946 年、カールソンはハロイド写真会社と契約を結び、 これを商品として開発しました。その年までに、カールソンは 12 社以上の企業にアイデアを提案しましたが、どの企業も興味を示しませんでした。ハロイドの社長、 ジョセフ・C・ウィルソンはカールソンの発明の可能性に気づき、ハロイドが実用的な商品を開発するために熱心に取り組めるようにしました。

完全に自動化されたプロセスが開発されるまでに約 18 年かかりましたが、重要なブレークスルーは、平板の代わりにセレンでコーティングされた円筒形のドラムを使用することでした。その結果、1960 年にHaloid/Xerox 社から最初の商用自動コピー機であるXerox 914 が発売されました。

ゼログラフィーは現在、ほとんどのコピー機やレーザープリンター、LED プリンターで使用されています。

最初の商業的使用は、オフセット リソグラフィ プレートを作成するために、コピー カメラと別の処理ユニットを使用してフラット フォトセンサー (可視光の存在を検出する静電コンポーネント) を手作業で処理することでした。今日、この技術は、コピー機、レーザー プリンター、デジタル印刷機で使用されており、印刷業界では、小ロット印刷において従来のオフセット印刷機の多くに徐々に取って代わっています。

フォトセンサーを搭載するシリンダーを使用することで、自動処理が可能になりました。1960 年には自動コピー機が開発され、それ以来何百万台も製造されてきました。同じプロセスがマイクロフォームプリンターやコンピューター出力のレーザー プリンターまたはLED プリンターでも使用されています。ドラムと呼ばれる金属シリンダーが水平軸を中心に回転するように取り付けられています。ドラムは用紙出力の速度で回転します。1 回転でドラム表面は以下に説明する手順を通過します。

エンドツーエンドの寸法は、作成される印刷物の幅に十分な許容差を加えたものです。ゼロックス社が最初に開発したコピー機のドラムは、真空蒸着法でアモルファス セレン（最近ではセラミックまたは有機光伝導体、OPC）の表面コーティングが施されて製造されました。アモルファスセレンは暗闇では静電荷を保持し、光の下ではそのような電荷を逃がします。1970年代に、IBM社は、セレンドラムの代替として有機光伝導体を開発することにより、ゼロックスのセレンドラムの特許を回避しようとしました。元のシステムでは、シリコンまたはセレン（およびその合金）に依存するコピー機は、使用時に正に帯電します（したがって、負に帯電した「トナー」パウダーで動作します）。有機化合物を使用する光伝導体は、印刷で本来の特性を利用するために、前のシステムとは逆に電気化学的に帯電します。^[4]有機光伝導体は、円形ドラムの代わりに柔軟な楕円形または三角形のベルト上に堆積させることができるため、デバイスの構築サイズを大幅に小型化できるため、現在好まれています。

レーザー プリンターのフォト ドラムは、水素ドープ シリコン光充電層、電流漏れを最小限に抑える窒化ホウ素整流 (ダイオード発生) 層、および酸素または窒素ドープ シリコン表面層を備えたドープ シリコンダイオード サンドイッチ構造で作られています。窒化シリコンは、傷がつきにくい素材です。

以下に、複写機のようにシリンダーに適用されるプロセスの手順を説明します。いくつかのバリエーションはテキスト内で説明されています。プロセスの各ステップには設計バリエーションがあります。ゼログラフィープロセスの物理的性質については、ある書籍で詳しく説明されています。^[5]

ステップ1.充電

コロナ放電ユニット（コロトロン）からのコロナ放電によって、ドラムの表面全体に-600ボルトの静電荷が均一に分散されます。出力は制御グリッドまたはスクリーンによって制限されます。この効果は、電荷を印加した接触ローラーを使用しても実現できます。基本的に、コロナ放電は、 光伝導体から1 ⁄ 4～1 ⁄ 2インチ (6.35 ～ 12.7 mm) 離れた非常に細いワイヤによって生成されます。ワイヤに負電荷が加えられ、ワイヤと導体の間の空間がイオン化されるため、電子は反発されて導体に押し出されます。導体は、接地電位に保たれた導電性表面の上に設置されます。^[6]

極性は、ポジティブプロセスまたはネガティブプロセスに合わせて選択されます。ポジティブプロセスは、白地に黒のコピーを作成するために使用されます。ネガティブプロセスは、ネガティブオリジナル (主にマイクロフィルム) から白地に黒を作成する場合や、すべてのデジタル印刷およびコピーに使用されます。これは、「ブラックライティング」または「ブラックに書き込む」露出方法によってレーザー光の使用を節約するためです。

ステップ2. 露出

コピーする文書またはマイクロフォームは、プラテン上のフラッシュランプで照らされ、レンズ上を通過するか、移動するライトとレンズでスキャンされ、その画像が移動するドラムの表面に投影され、同期されます。または、移動するドラムまたはベルトの表面を照らすキセノンストロボを使用して、完全な潜像をレンダリングするのに十分な速さで画像を露光することもできます。文書にテキストまたは画像がある場合、ドラムの対応する領域は照明されません。画像がない場合、ドラムは照明され、電荷が消散します。この露光後にドラムに残る電荷は「潜像」であり、元の文書のネガです。^[6]

走査型でも固定型でも、レンズとミラーの組み合わせを使用して、プラテン（走査面）上の元の画像を感光体に投影します。画像を拡大または縮小するには、焦点距離の異なる追加のレンズやズームレンズが使用されます。スキャン速度は要素や縮小に合わせて調整する必要があります。^[4]

ドラムはベルトよりもシンプルであるものの、湾曲したドラム上を転がる部分で徐々に緩衝する必要があるという点でベルトより劣ります。一方、平らなベルトは1回の露出で効率的に直接通過します。^[4]

レーザー プリンターまたは LED プリンターでは、変調された光がドラムの表面に投影され、潜像が作成されます。変調された光はポジティブ画像を作成するためだけに使用されます。そのため、「ブラックライティング」という用語が使用されています。

ステップ3. 開発

大容量コピー機では、ドラムには、トナー粒子と、より大きな鉄の再利用可能なキャリア粒子の混合物がゆっくりと乱流状態で存在します。トナーは粉末で、初期の形態は炭素粉末でしたが、その後ポリマーと溶融混合されました。キャリア粒子にはコーティングが施されており、攪拌中に摩擦電荷 (静電気の一種) が発生し、それがトナー粒子のコーティングを引き付けます。さらに、混合物は磁気ローラーで操作され、ドラムまたはベルトの表面にトナーのブラシを提供します。キャリアと接触することで、各中性トナー粒子は、ドラム上の潜像の電荷と反対の極性の電荷を持ちます。この電荷がトナーを引き付け、ドラム上に可視画像を形成します。転写されるトナーの量を制御するために、現像ローラーにバイアス電圧が印加され、トナーと潜像間の引力を打ち消します。

マイクロフォームネガから印刷する場合のように、ネガ画像が必要な場合、トナーはステップ 1 のコロナと同じ極性を持ちます。静電力線により、トナー粒子は潜像から、ネガから露出された領域である非帯電領域に向かって移動します。

初期のカラー コピー機とプリンターは、カラー フィルターとトナーを使用して、ページ出力ごとに複数のコピー サイクルを使用していました。現代のユニットは、それぞれ独自のコロナ、ドラム、および現像ユニットを備えた 4 つの独立した小型プロセス ユニットへの 1 回のスキャンのみを使用して、同時に動作します。

ステップ4. 転送

用紙はドラムと転写コロナの間を通過します。転写コロナの極性はトナーの電荷と反対です。トナー画像は圧力と静電気の引力の組み合わせによってドラムから用紙に転写されます。多くのカラーおよび高速マシンでは、転写コロナを 1 つ以上の帯電バイアス転写ローラーに置き換えるのが一般的です。これにより、より大きな圧力がかかり、より高品質の画像が生成されます。

ステップ5. 分離またはデタック

紙の電荷は、通常、転写コロナと並行してその直後に生成される第 2 コロナからの AC によって部分的に中和されます。その結果、トナー画像のほとんど (すべてではない) が付いた紙がドラムまたはベルトの表面から分離されます。

ステップ6. 固定または融合

トナー画像は、熱と圧力のメカニズム (ホット ロール フューザー) または放射定着技術 (オーブン フューザー) のいずれかを使用して紙に永久的に固定され、トナー粒子を溶かして印刷する媒体 (通常は紙) に接着します。かつては「オフライン」の蒸気フューザーも利用できました。これは、エーテルなどの揮発性液体をまぶした綿ガーゼで覆われたトレイです。転写された画像が蒸発する液体の蒸気に近づくと、他の方法で発生する可能性のある歪みやトナーの移動がなく、完全に固定されたコピーができました。この方法は、煙が出るため現在は使用されていません。

ステップ7. クリーニング

ドラムは、デタック中にすでに部分的に放電されており、光によってさらに放電されます。ステップ 6 で転写されなかった残りのトナーは、吸引力のある回転ブラシ、またはクリーニング ブレードと呼ばれるスクイジーによってドラム表面から除去されます。この「廃棄」トナーは通常、廃棄トナー コンパートメントに送られ、後で廃棄されますが、一部のシステムでは、再利用のために現像ユニットに戻されます。トナー再生と呼ばれるこのプロセスは、はるかに経済的ですが、「トナー汚染」と呼ばれるプロセスによって全体的なトナー効率が低下する可能性があります。トナー汚染では、現像ユニット内に静電特性の悪いトナー/現像剤の濃度レベルが蓄積され、システム内のトナーの全体的な効率が低下します。

一部のシステムでは、別個の現像剤 (キャリア) が廃止されています。これらのシステムはモノコンポーネントと呼ばれ、上記と同様に動作しますが、磁性トナーまたは可融性現像剤を使用します。摩耗した現像剤は、ユーザーがトナーと一緒に交換するため、交換する必要はありません。ゼロックスが中止した研究ラインから KIP が開発した代替現像システムでは、磁性トナーの操作とクリーニング システムが完全に置き換えられ、コンピューター制御のさまざまなバイアスが採用されています。トナーは、ゴム製の現像ローラーに直接接触してドラムに直接印刷されます。ゴム製の現像ローラーはバイアスを反転することで、不要なトナーをすべて取り除き、現像ユニットに戻して再利用します。

ゼログラフィーの発展により、最終的には従来のオフセット印刷機を駆逐する可能性を秘めた新しい技術が生まれました。Xeikon などのフルCMYKカラーで印刷する新しい機械は、ゼログラフィーを使用していますが、従来のインク印刷とほぼ同等の品質を提供します。

ゼログラフィー文書（および密接に関連するレーザー プリンターのプリントアウト）は、使用する紙の品質に応じて、優れたアーカイブ耐久性を実現できます。低品質の紙を使用すると、未処理パルプに残留する酸のために黄ばんで劣化することがあります。最悪の場合、古いコピーは取り扱う際に文字通り小さな粒子に砕け散ることがあります。無酸紙に印刷した高品質のゼログラフィー コピーは、同じ紙にタイプライターで入力または手書きした文書と同じくらい長持ちします。ただし、ゼログラフィー コピーは、PVC製のルーズリーフ バインダーに含まれる可塑剤に直接接触または近接して保管すると、望ましくないトナー転写の影響を受けやすくなります。極端な場合、インク トナーがバインダー カバーに直接付着し、紙のコピーから剥がれて判読できなくなります。

アブ・アイワークスはゼログラフィーを採用し、アニメーターの絵を直接アニメーションセルに印刷することで、アニメーションの工程で手描きのペン入れの段階を省いた。この方法を採用した最初の長編アニメーション映画は『101匹わんちゃん』（1961年）だが、この技術は2年前に公開された『眠れる森の美女』ですでにテストされていた。当初は黒の線しか使えなかったが、1977年に『レスキュー・ドッグス』でグレーの線が導入され、使用され、1980年代には『ニムの秘密』などの長編アニメーションで色付きの線が導入された。^[7]

ゼログラフィーは、国際的に写真家によって直接画像形成写真プロセスとして、またブックアーティストによって一冊の本や複数の本を出版するために、そしてアメリカの版画家でありブックアーティストでもあるルイーズ・オデス・ニーダーランドによって設立された国際コピーアーティスト協会によって制作されたようなポートフォリオの中で共同制作アーティストによって使用されてきた。^[8]美術評論家のロイ・プロクターは、バージニア州リッチモンドの1708ギャラリーでの展覧会「アート・エクス・マキナ」のレジデンス期間中、アーティスト/キュレーターのルイーズ・ニーダーランドについて次のように述べている。「彼女は、新しい技術が大量生産され始めると、アーティストはその創造的な用途を探求するのに十分な好奇心と想像力を持つようになるという生きた証拠です。」^[9]

• オーウェン、デイビッド（2004年）。『数秒でコピー：孤独な発明家と無名の会社がグーテンベルク以来最大のコミュニケーションのブレークスルーをいかにして生み出したか』ニューヨーク：サイモン＆シュスター。ISBN 0-7432-5117-2。
• Schein, LB (1988)。電子写真と現像物理学。Springer 電気物理学シリーズ。第 14 巻。ベルリン: Springer-Verlag。
• アイヒホルン、ケイト（2016年）。『調整マージン：20世紀後半の電子写真、アート、アクティビズム』。ケンブリッジ：MIT出版。ISBN 978-0262033961 

• 「静電気により紙に写真が飛び出る」は、ゼログラフィーの歴史と技術に関する1949年のポピュラーサイエンスの記事です。