レーザー プリンタのトナー内部: ワックス、静電気、大量のプラスチック

リー・シモンズ

トナーは、私たちにとって当たり前の日用品の 1 つです。 プリンターの残量が少なくなると、目に見えないところで、気にも留めずに、新しいカートリッジを差し込みます。 さて、そのカートリッジの中に実際には何が入っているのか気になり、1 つを壊して開けました。 悪いアイデア！ (これについては後で詳しく説明します。) しかし、今ではすべてが解決され、答えが戻ってきました。

トナーのほとんどは粉末状のプラスチックであることが判明しました。これがテクノロジー全体の鍵となります。 プラスチックには 2 つの便利な特性があります。静電気を利用して魔法のように動かすことができ、紙の上で溶かして鮮明で汚れのない画像を得ることができます。 インクの代わりに粉末を使用して印刷するこの技術はゼログラフィー (ゼロスはギリシャ語で「乾燥」を意味します) と呼ばれ、印刷でもコピーでも同じように機能します。 実際、ゲイリー・スタークウェザーは 1969 年にゼロックスで、会社のオフィス用コピー機の 1 台を改造して、有名な不正エンジニアリングでレーザー プリンターを発明しました。 （上司がそのアイデアをやめるよう命令したため、彼は秘密裏に仕事をしなければならなかった。）

コピー機には、セレンのような半導体でコーティングされた回転ドラムがあります。 そのコーティングは太陽電池と同じように光を電気に変換します。 明るい光をハードコピー (…または解剖学的構造の一部) からドラムに反射させることで、トナーが付着する静電気でオリジナルの幽霊のような反射が作成されます。 Starkweather は、ドラム上でレーザーを直接スキャンすることで、同じリグを使用してデジタル ファイルを印刷できることに気づきました。 唯一の違いは、静電像の生成方法です。

プラスチックを除けば、1970 年代の初期のプリンターのトナーには、すすや錆しか含まれていませんでした。 後者の酸化鉄は磁性を持ち、画像処理の制御を向上させます。 これは、1994 年に登場したカラー印刷では機能しません。 暗い酸化物は色を茶色に変えたでしょう。 しかし、メーカーは速度と画質を向上させるために他の添加剤や改良を考案しました。 実際の配合は特定のマシン向けにカスタム設計されているため、成分リストは異なる場合があります。 ただし、ほとんどの新しいプリンタの基本的なレシピは次のとおりです。

カラー トナーは 85 ～ 95 パーセントがプラスチックであり、超微粒子に粉砕されます。 粒子が小さいほど、画像の解像度は高くなります。 プラスチックは電気を通さないため、粒子は静電気を帯びる可能性があり、乾燥機にかけられた靴下と同じように、逆の電荷を持つものにはくっつきます。 レーザー プリンタは、その粘着力を利用してトナーをイメージング ドラム上に付着させ、そこから用紙上にトナーを付着させます。 次に、ページは高温の定着ロールを通過し、プラスチックが溶けて紙の繊維に押し込まれます。 さまざまなポリマーが使用できますが、今日ではディスコスーツやソーダボトルに使用されるポリエステルが最もよく選ばれています。 これは、古いスタンバイであるスチレン アクリレートよりも高価ですが、明るい色を実現し、臭いが少なく、融点が低いため、エネルギーを節約し、機械をより速く動作させることができます。 カートリッジは慎重に扱ってください。トナーがこぼれると大変なことになりますし、浮遊微粒子を吸い込むと肺に悪影響を与える可能性があります。 ああ、ズボンを熱湯で洗わないでください。 融点が低いため、綿のドッカーズがポリエステル混紡に変わります。

60 年代初頭の最初の電子写真複写機は、ページ上のトナーを溶かすためにオーブン トースターのような輻射熱を使用していました。 残念なことに、上司のメモが時々炎上することがありました。 (ゼロックスの主力モデルには小さな消火器が付属していました。) フューザー ロールによってその問題は解決されましたが、新たな問題が発生しました。トナーがローラーに付着して次のページを汚してしまうというものでした。 ソリューション？ 潤滑のためにポリプロピレンワックスを添加します。 これはポリエステルのようなポリマーですが、その長い炭素鎖にはぶら下がっている化学物質の数が少ないため、分子は簡単に滑って互いにすり抜けます。

ポリエステルは透明です。 黒く見せるために、メーカーはこの汚れたもの、つまり高純度のすすを混ぜ込みます。 タールまたはクレオソートを燃やして作られるカーボン ブラックは、主にゴム製品を強化するために使用されます。 タイヤが黒いのはそのためです。 これはクラス II の発がん性物質でもありますが、溶けたプラスチックがコピー上で固まると、安全に密閉されます。 化学的に言うと、それは炭素原子のごちゃ混ぜで、その上に共有電子の雲が浮かんでいます。 これらの電子には移動できる余地がたくさんあるため、すべての可視波長の光エネルギーを吸収できます。 その結果、光が網膜に反射しなくなり、脳が「黒い」と呼ぶ不在状態になります。 (よく考えてみると、これらの単語は実際には見えません。単語の周囲の空白からその形を推測していることになります。)

カラー プリンタには、黒の他にイエロー、マゼンタ、シアンのトナー用の個別のカートリッジがあり、これら 4 つを重ねて他の色相を作成できます。 黄色はこのベンゾイミダゾロン化合物に由来します。 すべての有機顔料と同様に、この色素には一重結合と二重結合が交互にあり、電子が自由に光を吸収できるようになりますが、すべてではありません。 ここでは、短波長の紫色の光が閉じ込められ、長波長の黄色が通過し、ページから反射して眼球に当たります。

キナクリドンの化合物は、その正確な構成と配置に応じて、さまざまな強い赤みがかった色合いを生成します。 非常に耐久性が高いため、チェリーレッドのスポーツカーなどの外装塗装に好まれています。 Red 122 (2,9-ジメチルキナクリドン) では、平らな分子がディナープレートのようにきちんとした結晶構造で積み重なっています。 これにより、反射色がスペクトルの青側にシフトし、マゼンタが生成されます。

銅フタロシアニンはシアンを生成します。シアンは、緑と青の中間のやや憂慮すべき色合いです。 手術用ガウンがこの色で作られているのは、深紅の補色であるためです（シアン色の血飛沫は黒く見えます）。 この一般的な顔料は、太陽電池の薄膜半導体としても使用されます。 その電子は長時間重ね合わせた状態で滞留できるため、いつかは量子コンピューターに電力を供給することさえできるかもしれない。

トナー粒子の表面にある微細なガラス ビーズ (SiO2) が、絹のような、ほぼ液体の流れを実現します。 これは、最新のオフィス プリンターの異常な速度でページ全体にトナーを広げるために不可欠です。 固まりやすいポリエステル製トナーでは特に必要です。 楽しいプロジェクト: 摂氏 3,000 度の電気アークでビーチの砂を蒸発させて、独自のヒュームド シリカを作ります。

トナーがカートリッジから出ると、計量ブレードに接触し、静電気が発生します。 科学者はこれを摩擦帯電と呼んでおり、乾燥機の中で靴下がくっついたり、セーターをこすった後に風船が壁にくっついたりするのはこの摩擦帯電です。 文字通り、ある物質から別の物質に電子をこすり落としていることになります（tribo-は摩擦を意味し、diatribeと同じ語源です）。 ここで、トナーに負のバイアスをかけると、トナーがイメージング ドラムにくっつき、追加された鉄、クロム、または亜鉛のビットが電荷を高めて保持するのに役立ちます。 プロのヒント: トナーをこぼしてしまった場合は、掃除機で吸い取らないでください。 特別な装備がなければ、そのすべての撹拌が、たとえカラフルではあっても、激しい粉塵爆発を引き起こす可能性があります。

リー・シモンズ(@actual_self) は『WIRED』の編集者です。

リー・シモンズとケイトリン・ダフィーによるこの物語の短縮版は、『WIRED』誌の 2013 年 3 月号に掲載されました。 Toner Research Services の John Cooper に心より感謝いたします。

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エミリー・マリン

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WIREDスタッフ