信息记录材料及应用.ppt

,信息记录材料及应用,第一章 绪论,第一节 信息的形式及载体,一. 信息的形式,1. 模拟量信息 彩色、密度、图像、图形 2. 数字式信息 0100100001110100101 3. 文字/字母/符号信息 a , b , c,二. 信息的载体,1. 能量信息载体(Energy Information Carrier) 光 波长，强度 音 频率，强度 电 电压，电流，频率，强度，静电荷， 电子束 磁 磁强度 粒子束 强度 力 强度,2. 物性信息载体(Material Property Information Carrier) 光物性 反射，吸收，透过，折射，偏光，发光 性，发色性 音物性 反射，吸收 电物性 导电性，起电性，介电性，电荷接收 性，电子放射性 磁 性 磁化率，透磁性 热物性 导热率，热容量，热融性，软化性，分 解性,界面物性 附着性，润湿，吸附性，粘着性 化学物性 反应性，染色性，稳定性 力学物性 硬度，粘弹性，膨胀性，收缩性， 破坏性 形态物性 凹凸性，孔的有无，平滑度,第二节 信息的记录,一. 信息记录的基本过程,原信息 载体转换 能量吸收 材料内部转换 后处理 记录信息,二. 信息载体的转换,1. 能量 能量 2. 能量 物性 3. 物性 能量 4. 物性 物性,三. 信息记录材料,信息记录、储存、传输和再现的工具。 主体：影像信息 获取：光、热、磁、电 材料：银盐感光材料、非银盐感光材料、 磁记录材料,第三节 信息记录材料的分类,一. 按记录信息的特点分类,1. 非重复性记录技术(Non-rewritable Marking Technology) 只能进行一次信息写入的记录技术，所记录的信息在常规条件下能稳定存在，不随时间和空间的变化而变化。银盐记录技术、光(X射线，电子束，离子束)微刻技术、硬拷贝技术等等都属于这个范畴。,2. 可重复性记录技术(Re-writable Marking Technology) 信息可以多次重复写入和擦除的记录技术，所记录的信息在所记录的信息在常规条件下能稳定存在，不随时间和空间的变化而变化，但在适当外部物理刺激下可以被擦除，记录媒介回到其初始状态。磁记录技术、光致变色技术、可逆热敏记录技术等等都属于这个范畴。,3. 显示技术(Display Technology) 靠特定不间断物理刺激维持的“记录”技术，所“记录”的信息随物理刺激强弱的变化而变化，不存在上述两种系统的时空稳定性。激光显示、荧光屏/液晶/霓虹灯显示等等都属于这个范畴。,二. 按材料内部转换模式分类,1. 光敏记录系统(Photosensitive Systems ) 1-1. 光化学记录系统(Photochemical Systems) (1)银盐照相(Silver Halide Photography) (2)非银盐照相(Non-silver Halide Photography) 1-2. 光物理记录系统(Photophysical Systems) (1)静电照相 (ElectoePhotography/Xerography) (2)光致热敏记录(Photo-induced Thermal Recording),2. 热敏记录系统(Thermal Sensitive Systems) 2-1. 不可逆热敏系统(Non-reversible Thermal Systems) (1)热物质转移(Thermal Transfer Systems) a. 热蜡转移(Thermal Wax Transfer) b. 染料热升华(Day Sublimation Process) (2)热刻蚀系统(Thermal Ablaze System) (3)热致化学反应(Thermal Chemical Process) 2-2. 可逆热敏系统(Reversible Thermal Systems),3. 静电记录系统(Electrostatic Recording Systems ) 3-1. 放电破坏(Electrostatic Destructive Process) 3-2. 电荷沉积(Charge Deposition Process) 3-3. 电解成像(Electrolysis Imaging),4. 喷墨记录系统(Ink Jet System) 5.磁记录系统(Magnetic Recording Systems ) 6. 压敏记录系统(Pressure Sensitive Systems),7. 其它高密记录/存储系统 7-1. 光化学烧空(PHB. Photochemical Hole Burning) 7-2. 光致变色(Photochromism) 7-3. 光磁盘(Photo-magnetic Disk) 7-4. 光盘(Laser Disk),第四节 信息记录材料的应用领域,印刷、电影、电视、照相、涂料、医疗、工业.,第二章 信息记录材料 的科学基础,第一节 光化学过程的基本原理,一. 光化学反应的基本原理,光化学：研究电子激发态的原子、分子的 结构及其物理化学性质的科学。 光化学反应：物质由于光的作用引起的化 学反应。,Grotthus-Draper定律：只有被分子吸收的 光才可以引起光化 学变化。 Stark-Einstein定律：一个分子在吸收一个 光子后即生成电子激 发态。 特点：电子分布发生变化，即激发态分子,过程： 1. 激发过程：分子吸收光能，电子从基 态向高能级跃迁，成为激 发态。 2. 化学反应：激发态分子向其它分子转 移能量或产生各种活性中 间体而发生化学反应。,光化学一次过程,光化学二次过程,二. 光的特性,1. 光能 光：光是一种物质，由物体内部向外辐射 的能量，以电磁波的形式进行传播。 特点：波粒二象性 能量：E=h=hC/,2. 光吸收定律 Lambert-Beer 定律 log(I0/I)=cl or I=I0 10-cl 只与吸光物质及光的波长有关,三 . 电子的跃迁和激发态,1. 分子轨道 分子轨道：构成分子的原子价壳层的原子 轨道线性组合形成的。,分子轨道类型： 未成键电子轨道：n 成键电子轨道：、 反键电子轨道：*、*,3. 激发态,激发态的衰减 无辐射跃迁：Sn Sn-1 S1 S0 Tn Tn-1 T1 S0 辐射跃迁： S1 S0 （荧光） T1 S0 （磷光） 分子间能量转移：D*AD A * 即： D*(S1)A(S0)D (S0) A *(S1) D*(T1)A(S0)D (S0) A *(T1),第二节 光物理过程的基本原理,光电子 光 转换系统 光电 光热,一. 能带结构,二. 光电子过程,三. 光电过程,四. 光热过程,热致化学反应 光 热 热致物质转移 热致相变化,第三节 信息记录质量的评价参数,信息记录密度/信息容量 记录速度/敏感度 记录可靠性 杂音/信噪比 记录信息的稳定性 记录信息的可识别性 记录系统的操作性 成本/价格性能比 对消耗材料的技术要求 记录系统对环境是否造成污染,第三章 银盐感光材料及应用,第一节 银盐感光材料的发展及演变,1727年 发现AgCl具有感光性 1800年 AgNO3制成成像材料，影像不 固定 AgCl取代AgNO3 1835年 NaCl定影 1839年 海波(Na2S2O3)定影 感光材料的诞生,光敏物质: AgX X Cl、Br、I,1873年 染料引入 全色感光材料 1887年 片基代替玻璃 胶片,1920 彩色感光材料出现 1. 染印法 黑白感光材料分色成像，C、M、Y三色染料染色，叠加得到彩色影像。 2.多层片：1935年Kodak 1936年Agfa 3.一步成像：Polar 4.银漂法：Ciba,第二节 银盐感光材料的基本结构和成像过程,一. 感光材料的基本结构,. 乳剂层,照相过程进行的部位：曝光、显影加工、 影像 厚度：525m,1. AgX晶体,AgX：均匀分散于明胶溶液中 照相性能：大小、形状、分散度 大小：0.52m 印刷胶片：1m,2. 照相明胶,各种氨基酸组成的高分子蛋白质,H2NgelCOOH,照相明胶的结构, 照相明胶的物化性质及作用, 明胶的等电点, 明胶的凝聚作用 明胶溶液中加入某些无机盐或有机物，明胶会凝聚沉降, 明胶的吸水膨胀 明胶的凝固和熔化 明胶的保护作用 明胶的坚膜作用, 明胶中微量活性杂质的作用, 无机硫化物 Na2S2O3：Ag2S、增感 Na2SO3：Ag、增感，灰雾增大 有机硫化物 胱氨酸、半胱氨酸：减感 醛类 生成Ag 核酸及降解产物 抑制AgX颗粒的生长,3. 补加剂 完善感光材料的照相性能与物理机械性能 化学增感剂、光谱增感剂、坚膜剂、稳定剂、防灰雾剂, 照相乳剂制备,1. 配液,AgNO3水溶液 卤化物水溶液 照相明胶水溶液,2. 乳化,将AgNO3水溶液、卤化物水溶液、照相明胶水溶液混合，生成AgX明胶水溶液的过程。,目的：确定乳剂的基本照相性能 AgX颗粒大小、分布,过程：AgX晶核的形成和晶体的初步成长,3. 物理成熟,AgX晶体成长的过程 小颗粒的溶解，大颗粒的长大 颗粒的聚集、再结晶 决定感光乳剂最终的照相性能,4. 水洗,终止物理成熟 除去杂质离子,5. 化学成熟,目的：照相性能达到使用要求 方法：化学增感，在AgX晶体表面发生化 学反应生成感光中心 感光中心：Ag2S、Ag、Au质点,硫增感：Na2S2O3 感光中心： Ag2S 还原增感： Na2SO3 感光中心： Ag 金增感：AuCl3NH4CNS 感光中心： Au,6. 光谱增感,增加感光乳剂的光谱敏感范围 方法：光谱增感剂（菁染料） 吸附于AgX晶体表面 种类：感绿增感染料、感红增感染料、 红外增感染料,增感机理,电子传递机理,能量传递机理,7. 成色剂（彩色感光材料）, 支持体,种类: 片基 胶片 高分子薄膜，醋酸片基、涤纶片基 纸基 相纸 玻璃 照相干版, 辅助层,完善感光材料的物理化学性能 底层、防卷曲层、防静电层、防光晕 层、保护层； 滤色层、隔层（彩色感光材料）,1. 底层 粘接乳剂层和支持体 片基 明胶、高分子树脂 纸基 黑白：钡底，BaSO4+明胶 彩色：涂塑，TiO2+聚乙烯 玻璃 蛋白、明胶,2. 防卷曲层 保持感光材料的平整度,3. 防静电层 防止静电荷的积累 材料：电解质,4. 防光晕层 防止光晕的产生,组成：吸光物质、明胶 吸光物质：胶态银、碳黑、防光晕染料 染料颜色选择：乳剂对什么光敏感，染 料对该色光吸收。,5. 保护层 保护乳剂层 组成：明胶 彩色：紫外吸收剂,彩色感光材料 6. 滤色层 吸收蓝光 7. 隔层 防止显影剂氧化产物窜层,二. 成像过程,1. 黑白感光材料,曝光,显影,定影,除去未曝光的AgX,曝光,显影,2. 彩色感光材料,定影,除去未曝光的AgX,漂白,除去生成的Ag影像,得到染料影像,曝光,显影,感蓝层,感绿层,感红层,原稿,漂白,定影,影像,彩色影像色调失真的校正,造成有害吸收,马斯克成色剂技术（带色成色剂）,结果：使有害吸收成为恒定值,DIR成色剂（显影抑制成色剂）,D,lgH,MDye,YDye,MDye吸收蓝光产生的黄密度,总的黄密度,结果：消除有害吸收,印片校正,减色法原理：照片偏什么颜色，则光路中 加该色滤色片，或减去该色 光补色滤色片。 滤色片：Y、M、C,第三节 潜影形成理论,一. AgX晶体的结构和性质,1. AgX晶体的结构 点阵结构：质子按照一定规律排列,AgCl、AgBr、AgI组成立方体的混合晶体,2. AgX晶体的不完整性 物理上的不完整性 化学上的不纯洁性 物理上的不完整性 点阵结构的缺陷 点阵结构的位错, 点阵结构的缺陷 AgX晶体中的离子在点阵位置发生迁移，出现在不该存在的位置。,佛伦克尔缺陷,肖特基缺陷,Ag+i,空点阵,点阵结构的位错 AgX晶体中的某些离子偏离点阵位置，造成晶体外形畸变。,棱位错,螺旋位错：晶面滑移,结果：AgX晶体点阵结构中电荷不平衡,化学上的不纯洁性 点阵结构中掺入杂质,结果：AgX晶体点阵结构中电荷不平衡,AgX晶体点阵结构中电荷不平衡，形成晶体内部的薄弱环节，即感光中心,二. 潜影理论,1. 潜影的本质 感光材料曝光后形成肉眼看不到的潜伏影像 组成：数个Ag组成的微斑 位置：感光中心,2. 潜影的形成,潜影的形成,h,3. 潜影理论,Gurney-Mott理论 光分解反应：AgX颗粒的几个点 显影： AgX颗粒的几个点开始,. 两个实体 感光中心：Ag2S、Ag、Au 空隙银离子： Ag+i,B. 两个阶段 电子阶段：AgX Ag+ X e 离子阶段：AgX表面的Ag2S为电子深阱 Ag2S + e Ag2S -,h,C. 在陷阱中e与Ag+i结合还原出Ag Ag2S - + Ag+i Ag2SAg Ag2SAgn(显影中心),缺陷： Ag2S分布 Ag2S的化学反应 正空穴的去向,Mitchell理论,第四节 感光材料的照相性能,一. 照相性能,感光材料本身所固有的，直接决定和影响影像质量的因素。,1. 最大密度（DMax） 感光材料 曝光 显影加工 影像 表示方法：透光率、阻光率、光学密度,透光率(T) T = 透射光通量(F)/入射光通量(F0) 阻光率(O) O = 1/T = F0 /F 光学密度(D) D = lgO = lg1/T,特性曲线,趾部(AB):曝光不足 直线(BC):曝光正确 肩部(CE):曝光过度 反转部(EF):特殊现象 E点： DMax A点： D0,2. 反差系数（） 反差：被摄体或影像中最亮部分与最暗部 分的差别程度 反差系数() = 影像反差/被摄体反差 = (D2D1)/(lgH2 lgH1),反差：被摄体、影 像的性质 反差系数：材料的 性质,3. 宽容度（L） 正确记录被摄体反差范围的能力 L = lgH2 lgH1 印刷片：直线部分的密度大于3.0，则终 点选为D=3.0点,4. 感光度（S） 感光材料对光的敏感程度 S = K/H 负片：S = 0.8/HD0+0.1 S = 1 + 10lg0.8/ HD0+0.1 印刷片：S = 1/ HD0+1.0,5. 灰雾度（D0） 感光材料未经曝光，直接显影加工所得到的影像密度。 6. 感色性 感光材料对不同波长光的敏感特性 色盲片：400500nm 正色片： 400600nm 全色片： 400700nm,常见激光光源： Ar： 488nm F-YAG： 532nm He-Ne： 632nm LED： 780nm LD： 830nm YAG： 1064nm 紫激光： 390410nm,二. AgX颗粒与照相性能的关系,1. 颗粒越大感光度越高,2. 颗粒越均匀反差系数越高,三. 感光测定,定量测量感光材料的照相性能,步骤： A.在感光仪中对感光材料曝光 B.对感光材料进行冲洗加工 C.用密度计测量影像的各级密度 D.绘制特性曲线 E.计算感光材料的照相性能, 基本概念,1. 光度学基础 光源 能够自行发光的物体 点光源：光源尺寸与辐射距离比，可忽略 不计，且向周围均匀辐射。 表示方法：光谱成份 色温,黑体：在任何温度下将所辐射的光全部吸收 色温：光源发出的连续光谱，其能量分布与 绝对黑体在可见光区域具有相同形状 的能量分布，则黑体的温度即为光源 的色温。, 光通量（F） 可见光在单位时间内发出的光能 由能量光谱函数P()和视见函数()决定 单位：流明lm 光通量：可见光的光能 辐射通量：光源发出的总能量, 发光强度（I） 点光源在某一方向单位立体角内发出的光通量 I = dF/d 单位：坎德拉cd 立体角：任意形状的封闭锥面所包含的空间 单位立体角：以锥顶为球心，r为半径的球， 若圆锥在球面上截取的面积为r2， 则圆锥体的顶角为单位立体角。,S球 = 4r2 = 4 点光源：F = 4I, 照度（E） 物体表面被照明的程度 E = dF/dS 单位：勒克司Lux 照度第一定律： E = F/S = 4I/ 4r2 = I/ r2,照度第二定律： E = dF/dS d= dS / r2 = dSnCOS dF = Id= I dSnCOS E = dF/ dSn = (I/ r2) COS, 亮度 光源表面发出的光通量 单位：cd/cm2 亮度：光源 照度：被照物体,2. 曝光量与互易率 曝光量 H = Et = It/ r2 单位：Luxs, 互易率,互易率等密度曲线, 曝光与感光仪 感光仪：给予感光材料一系列有规律变 化曝光量的精密仪器 结构：,1. 光源 稳定、均匀、连续光谱 2. 快门 精确控制曝光时间 3. 色温镜 转换光源色温，满足材料需要 日光型：5500K 灯光型：3200K,4. 滤色镜 改变光源强度及光谱成份 三原色：选择性吸收 中性灰：非选择性吸收 D = 0.3，光强减弱一半,5. 标准梯尺 给予感光材料一系列有规律变化的照度,连续,梯级,常用：梯级 21级：0.15、 0.30、0.45、3.15 30级：0.10、 0.20、0.30、3.00 反映曝光量的范围,21级标准梯尺 相邻两极透光率的变化 D = lg(1/T) DnDn-1 = lg(1/Tn) lg(1/Tn-1) = lg(Tn-1/ Tn) = 0.15 Tn-1/ Tn = 1.413 Tn-1/ Tn+1 = 1.995,样片上照度变化 T = F/F0 Tn-1/ Tn = Fn-1/ Fn E = F/S En-1/ En = Fn-1/ Fn = Tn-1/ Tn = 1.413 En-1/ En+1 = 1.995,曝光量的变化 Hn-1/ Hn = En-1/ En = 1.413 Hn-1/ Hn+1 = En-1/ En+1 = 1.995 H = Et 考虑光路中所有对光吸收的因素，最 终得到达到待测样片的照度及曝光量。,第四节 感光材料的冲洗加工,冲洗加工过程: 显影：将曝光的AgX还原成Ag影像 停显：终止显影 漂白(彩色)：出去Ag影像 定影：除去未曝光的AgX 水洗：除去定影液 干燥：,一. 显影,. 显影原理 1. 显影原理 制备 曝光 显影加工 感光中心 显影中心 影像 本质：氧化还原反应 Ag +(h) + DRed Ag + DOx,2. 显影机理 双电层结构, 电极理论,曝光AgX,未曝光AgX,DRed,显影中心处，双电层薄弱，显影剂易于突破，将电子传递给AgX AgX/Ag Ag/DRed Ag+被还原为Ag，银微斑扩大，自动催化， 加速显影，直至整个AgX颗粒还原为Ag。 增幅率：10910, 显影方法 物理显影： Ag+来源于显影液 化学显影： Ag+来源于AgX晶体 1. 物理显影 本质：氧化还原 组成：显影剂、可溶性银盐 特点：颗粒细腻、层次丰富； 显影液稳定性差、难于控制,2. 化学显影 本质：氧化还原 潜影不断扩大，直至整个AgX颗 粒全部被还原为Ag, 显影液的组成 组成：显影剂、保护剂、促进剂、抑制剂 1. 显影剂 黑白： 米吐尔 对苯二酚 菲尼酮,A. 米吐尔,特点：强显影能力、诱导期短、反差低、 D0小、Br-抑制作用小、T影响小 保存性好,半醌,醌,B. 对苯二酚,特点：强显影能力、诱导期长、反差高、 D0大、Br-抑制作用大、T影响大 保存性差,半醌,醌,C. 菲尼酮,特点：显影速度快、诱导期适中、反差取 决于与对苯二酚的比例、D0大、Br- 抑制作用小、保存性好,显影体系： MQ体系、PQ体系,显影剂超加和性： 二种显影剂混合使用表现出显影性能比单独使用更为优秀的性能。 A. 速度超加和性：显影诱导期不同 B. 密度超加和性：显影剂再生,彩色,显影过程： A. 氧化还原,B. 偶合反应,Dye,2. 保护剂（Na2SO3） 防止显影剂被迅速氧化，提高稳定性。,A. 防止显影剂迅速氧化,B. 防止画面污染,腐植酸,C. 微粒显影,3. 促进剂（Na2CO3） 加速显影,4. 抑制剂（KBr） 抑制灰雾形成,二. 定影,1. 原理 除去未曝光的AgX 条件：与AgX中的Ag+形成稳定的化合 物，溶于水。 对于形成的Ag不溶解。,2. 定影液的组成 定影剂、保护剂、坚膜剂、酸 定影剂（Na2S2O3）,坚膜剂 加强乳剂机械强度，提高熔点。 化合物：明矾、铬矾 酸（HAc） 中和显影液中的碱； 保持介质的pH值，利于坚膜。,保护剂（Na2SO3） 防止定影剂分解,三. 反转冲洗加工,正正型,曝光,黑白显影,感蓝层,感绿层,感红层,原稿,2. 彩色感光材料,二次曝光,彩色显影,漂白,定影,影像,第四章 非银盐光化学记录 材料与应用材料,第一节 非银盐感光材料的发展,1826年 沥青具有光固化特性，成像； 1832年 重铬酸盐具有光敏特性； 1839年 用于照相； 1850年 与明胶制成凹版； 其后，铁盐、铜盐等无机成像体系用于工程图纸；,有机及高分子材料材料的发展，出现有机及高分子感光材料。 18501860 重氮化合物具有光敏性； 1884年 重氮影像； 1890年 重氮感光材料专利； 不久，重氮相纸商品化。 1921年 自由基成像体系； 1958年 自由基成像感光材料；,1942年 印刷线路板发明，重铬酸盐作为 光致抗蚀剂； 二战后，电子工业发展，推动感光高分子的发展。 1959年 聚乙烯醇肉桂酸酯，用于印刷线 路板及凸版； 1938年 静电照相； 1960 微泡成像。,第二节 非银盐感光材料的分类,一. 根据图象性质 1. 影像型非银盐感光材料 通过密度的深浅反映影像层次 2. 浮雕型非银盐感光材料 通过物体凹凸不平反映影像层次 阳图：影像密度(高度)与被记录体一致 阴图：影像密度(高度)与被记录体相反,二. 根据成像机理 1. 光化学型 感光物质见光发生化学变化 无机盐成像体系 利用无机盐见光发生化学变化形成影像的材料。 铁盐、铜盐、重铬酸盐, 光分解成像体系 利用重氮化合物见光分解形成影像的材料 氯化重氮盐、苯重氮磺酸盐、叠氮化合物 光致变色成像体系 利用某些无机或有机化合物受光辐射而发生颜色变化成像的材料。 无机物：碱土化合物 有机物：丙稀酰胺基偶氮苯及乙烯基单体, 有机成色及漂白成像体系 利用见光生成有色化合物或原有色化合物颜色消失成像的材料。 有机卤化物与芳香族胺成色反应 亚甲基蓝被还原剂还原成无色化合物 单菁被氧化剂氧化成无色化合物, 光交联成像体系 利用带有感光基团的高分子化合物相互光致交联成浮雕影像的材料。 聚乙烯醇肉桂酸酯 光降解成像体系 利用高分子经光照后主链断裂，使其溶解性变化进行成像的材料。 聚甲基乙烯基酮、聚砜, 光聚合成像体系 利用单体吸收光后形成自由基引发聚合形成影像的材料。 丙稀酸类 2. 光物理型感光材料 感光材料见光发生物理变化 电子成像体系：利用物质见光由绝缘体 变为导体进行成像。,三. 根据感光物质的种类,非银盐无机感光材料 感光物质：无机物 无机物产生光化学变化 感光无机物与高分子化合物发生光化学反应 无机物产生光物理变化,2. 非银盐有机感光材料 感光物质：有机物 感光性有机物与高分子发生光化学反应 有机化合物发生光致变色反应 有机化合物发生光物理变化,3. 非银盐高分子感光材料 感光物质：高分子化合物 带有感光基团的高分子化合物 光聚合型高分子物质 光降解高分子物质,第三节 非银盐感光材料的成像特性,一. 非银盐感光材料的成像特性曲线,通常采用感光材料受辐射光量的变化，引起材料不同物理量的变化来表示。 光敏物质：多样性 表示方法：多样性,感光性高分子材料特性曲线,二. 非银盐感光材料的感光度,感光度,成像体系多，成像机理不同，表示各不相同，没有统一标准。 浮雕型：灰梯尺法、剩余膜产率法 电阻法、量子感度法、绝对曝光量法,灰梯尺法,对标准样品材料和待测样品材料用标准梯尺进行曝光，找出影像存在与否的分界处，读取分界处有膜的级数， 例：标准试样为第j级 待测试样为第k级 则：RjRkR,S0K Rj /HjKR/ Hj SK Rk /HkKR/ Hk 则S0 / S Hk/Hj10 Dj Dk, 剩余膜产率法 曝光前后单位面积感光膜的质量比。 W/W0,t,2. 分光感度 感光材料的光谱敏感特性。 确定材料对光源的适应性、反应机理。,第四节 重铬酸盐成像体系感光材料,光敏物质：重铬酸盐,一. 成像原理,利用重铬酸盐在光的作用下与某些具有被氧化性的基团发生氧化还原反应,Cr6+具有很强的络合性，与胶体中含有孤对电子的N、O形成配位共价键，使胶体线性分子变为立体分子。,两个过程：氧化还原过程 交联固化过程,二. 感光液组成,组成：重铬酸盐 水溶性有机胶体 1. 重铬酸盐 水溶性重铬酸盐： (NH4)2Cr2O7 K2Cr2O7 ,2. 有机胶体 特点：具有被氧化性 水溶性 连续、柔软、不吸湿、不发粘、高透光性、溶解性(溶剂),种类： 天然：明胶、鱼胶 阿拉伯树胶、虫胶 合成：PVA、PVA+乙酸乙烯酯,三. 感光特性,1. 分光感度,：210nm， 350nm、 440nm,2. 感光度 重铬酸盐的影响 种类 (NH4)2Cr2O7 (NH4)2CrO4 K2Cr2O7 Na2Cr2O7 浓度,胶体的影响 PVAgel鱼胶树胶蛋白 pH值影响 pH5.6 Smax,3. 暗反应,Cr3+与胶体交联固化，形成影像，即灰雾 结果：S 、 、D0,第四节 非银盐有机感光材料,一. 重氮体系感光材料,. 重氮化合物的光分解反应 单纯的光分解反应 不伴有重氮基团分解的光致立体异构化反应 伴有价键重排的光分解反应,1. 单纯的光分解反应,反应环境极性:极性溶剂中，生成离子 非极性溶剂中，生成自由基。,2. 光致立体异构化反应,3.伴有价键重排的光分解反应,在光作用下，重氮化合物除了发生重氮基分解，还伴随有其他部分价键重排的光化学反应。,（1）邻重氮醌,对重氮醌,（二） 重氮系列感光材料,浮雕型重氮感光材料 染料影象型重氮感光材料 微泡影象型重氮感光材料,1. 浮雕型重氮感光材料,原理：利用重氮化合物的光化产物与反应物的溶解性不同，成像，即用适当的溶液溶解某一部分感光涂层，就得到浮雕影象。,构成：感光涂层（重氮盐+水溶性高分子；邻重氮醌类+碱溶高分子）,1.1 重氮盐与水溶性高分子单纯光分解型重氮盐,缺点：热不稳定，保存性差,改进方法：加入多聚甲醛，或生成复盐或者硫酸盐,1.2 邻重氮醌类与碱溶性高分子保存性好,未见光部分，偶合以后，水溶性降低，保留下来（使用适当的碱）,感光液组成：重氮化合物，树脂，溶剂,显影液组成： 弱碱液，硅酸钠、磷酸钠、碳酸钠、 有机胺/有机溶剂，表面活性剂,应用：PS版，印刷平板,2 染料影象型材料,2.1 成像原理 利用未发生光分解的重氮盐与偶合试剂在碱性条件下生成偶氮染料。,h v,+ N2,+,+ OH,_,双电子亲电历程,2.2 材料及性能要求,1 生成的偶氮染料耐酸、水、光；2 偶合速度适当； 3 染料影象密度高，色调好；4 偶合剂和重氮盐的 光分解产物无色，保存性好,重氮化合物：对苯二胺及其衍生物,偶合试剂：芳香族酚类化合物,2.3 提高影象材料稳定性方法,（1）选择稳定性高的原材料重氮盐和偶合剂,（2）偶合剂放到显影液：感光液中只有重氮盐， 单组分材料-半湿法加工 感光液中有重氮盐和偶 合试剂，双组分材料-干 法加工,其他：使用抗氧化剂；例如硫脲，防止偶合剂和 偶氮染料氧化，出现背景色或者染料褪色 降低感光涂层的pH值,2.4 显影方法与机理,（1）干法显影 用蒸汽熏或者加热显影的方式：氨气/胺(铵) 盐。 适用于双组分材料。,（2）湿法/半湿法显影 含有偶合剂的显影液。 适用于单组分材料。,2.3 阴图染料影象的形成,（1） 自动偶合法,控制曝光量，使同一区域只有部分重氮盐分解，并与剩余重氮盐偶合。,（2）重氮磺酸盐法,机理：利用重氮盐光致异构化反应，控制两个 竞争反应实现,材料构成 涂层含重氮磺酸盐和偶合剂,实现影象条件： 反应（2）（1），否则染 料浓度很低 措施： 碱性环境 醛吃掉SO3Na，减少ArN2+消耗,3 微泡影象型重氮感光材料,微泡影像：利用微小气泡对光的散射作用引起密度变化 而形成的影象，称为微泡影像。气泡直径 0.5-2m。,成像过程：,ArN2X,+ -,h,ArCl + N2,加热,放置,全面曝光,放置,全面曝光,加热,阴图,阳图,内应力潜影,材料组成：光敏重氮盐、热塑性树脂,热塑性树脂概念：在不同温度，物理性能发生变化。高温塑性，低温刚性，以玻璃化温度为界。热状态下受到外力作用，分子晶型发生变化，再结晶或者重新取向，可以通过模塑加工重新定型，降温以后保持模具形态。,树脂特性：气密性、透气性,影像性质：,二 叠氮系列感光材料,以芳香族叠氮化合物作为感光物质的感光 材料，称为叠氮感光材料。 ArN3 ArN3 ArN + ArN,h,N2,：,(1)氮烯的偶合反应 2ArN. ArN=NAr 2ArN: ArN=NAr,高浓度,(3) 夺（烃）氢反应三线态,OH、NH,(4)加成反应单、三线态,重排,利用芳香族叠氮化合物光化产物的插入、夺加成与键合等，可以实现高分子固化，从而形成阴图浮雕影像,材料构成：双叠氮化合物+ 能与氮烯键合的高分子材料,树脂分类：水溶性、有机溶剂型、碱溶性,四 感光性高分子材料,结构： 高分子材料+光敏性基团,分类,聚合物分子量,某些基团变化极性大的基团降低极性，水溶性,分子量增加交联，分子量 溶解性,分子量降低降解，主链断裂，溶解性,（一） 光交联型高分子感光材料,在光的作用下，能够发生分子链之间的交联反应而使分子量加大的高分子化合物称为光交联型感光高分子材料。,感光基团：不饱和基团,聚合物（线性） 交联（立体网状）,hv,聚乙烯醇肉桂酸酯,（二） 光降解型感光高分子材料,聚合物光降解：聚合物在光作用下，主链断裂，分子量 降低。,无规降解：不规则断裂，生成自由基，变成组成和结构各 异的小分子 解聚：聚合物全部分解成组成和结构相同的小分子。,典型的光降解型感光高分子,聚甲基乙烯基酮、聚乙烯基苯基酮,感光基团,羰基类,聚砜类,（三 ）重氮、叠氮基高分子感光材料,以重氮、叠氮基为感光基团的感光高分子,重氮、叠氮基在高分子链上，更容易见光分解，生成的活性中间体进一步反应使得产物与原来溶解性有明显变化，以此成像。,五 光聚合型感光材料,某些烯类化合物，光聚合以后，生成长链化合物，溶解性、粘度、黏附力、光散射性发生变化，由此成像。,聚合物：线形单体只有一个光聚合 官能团 体形单体有两个以上官能 团,（一）烯类单体的光聚合反应,反应历程：链引发，链增长，链终止,光直接引发自由基加成聚合反应,活性单体特征：,H2C=CX1X2,X是带有键的吸电子基团,链引发：M M,h,链增长：M + M M2 ,M2 + M M3 ,Mn-1 + M Mn ,链终止,Mn ,+,HMm ,Mm ,HR,Mm -,Mn,Mm,+,HMn,HMn + R,光敏引发剂引发的聚合反应,引发剂吸收光，成为活性中间体，再引发单体成为自由基，发生聚合反应,I I* R 1 + R2 R + M RM,hv,光敏引发剂：加速反应，降低光能要求。,多官能团烯类单体的光聚合反应,含有两个或两个以上具有聚合活性的不饱和双键的烯类单体，称为双官能团烯类单体。 聚合物：网状,影响光聚合反应的主要因素 引发剂的结构和用量-链引发 单体浓度 阻聚剂 氧气,（二）光聚合感光材料的组成,光聚合单体、成膜剂、引发剂,光聚合单体 ：烯类化合物 单官能团小分子 含有多官能团取代基的烯类,成膜剂：预聚物 环氧树脂；不饱和树脂；聚氨酯；聚乙烯醇等,光引发剂：低能产生自由基,第五章 静电照相,第一节 静电照相技术的基础,一. 静电照相发展历程,目的:提供一个能复制所有办公室文件的简 单的，便宜的复印设备。 1937年 准备时期(Carlson) (1)利用光导性选择性地对带电表面进行 放电, 生成静电潜影, (2)利用带电色粉处理静电潜影, 实现显影。,1938年 Carlson Process的提出(Carlson) 1939年 申请专利(Carlson) 1942年 专利获批准 19441946年 得到支持和资助 (1)Batlelle Memorial Institute (2)Haloid公司 (3)美国军队,1948年 Carlson Process的公开 由Batlelle和Haloid在美国光学年会上发表并作了演示, Xerography”一词的诞生。 1959年 第一台复印机的诞生 由Haloid公司(后来的Xerox公司)推出(Model-914) 914英寸幅面, 7cpm。,1960 开发研究的黎明 主要参加公司: Xerox, Eastman Kodak, IBM 和RCA等等 197080 成熟期 (1)光导体的多样化: Se, CdS, ZnO, a-Si, OPC (2)高速化, 彩色化 (3)数字化 1990 全面发展及应用,二. 成像原理 光 转换系统 电 其它信息载体 (1)光导电 (2)光电子,光电过程,光电子过程, = (n- + n+)E ：导电率 n： 载流子密度 ： 移动度 E ：电场强度,三. 典型的静电照相过程,1. 静电潜影型(Carlson Process),2. 持续导电型,3.持续内部分极型,4. 静电潜影转移型,5. 光电泳法,6. 粒子移动法,光导粒子,热塑性树脂,高压,7. 热显影法,8. Berchtold Process,光子 光导体 光电流 光电流 + 染料前驱体(电敏记录纸) 染料 无色 有色,9. Smoke Printer,高压电源,透明电极,光导体,纸,网状电极,雾状油墨,喷头,投影仪,10. General Dynamicss Process,原稿,透明电极,光导体,分散在绝缘介质中的粉末,半导体,金属芯,11. Photoconductive Thermography,电源,光子 光导体 光电流 热 热 + 染料前驱体(热敏记录纸) 染料 无色 有色,四. 应用领域,1. 复印机 (1)模拟式/数字式, (2)黑白/彩色 竞争对手：无,2. 激光印字机,竞争对手：喷墨打印机,3. 数字式印刷机,竞争对手：喷墨打印数字式印刷机,4. 数字式彩色打样,DTP,印版,印刷,数字式彩色打样机,彩色样张,竞争对手：染料热升华、热蜡转移、喷墨打印,5. 直接制版,第二节 静电照相的成像过程,一. 成像过程,1. 成像过程,2. 特性曲线,Vs：(表面)饱和电压 t1/2：半衰曝光时间 半衰曝光量H1/2=I0t1/2 (I0：光强) 感光度S=1/H1/2 Vr：残余电位,3. 特点,光导成像原理(光物理) 干式成像过程(Xerography/Electrophotography) 高成像速度( 0.4秒) 成像介质可以重复使用,高感光度 增幅效应：能量增幅 + 可视化增幅 107 最低成像曝光量：1J/cm2量级 可实现明室操作 分辨力由色粉的粒径所决定 干式：78m( 600dpi) 湿式：1m( 4800dpi),3. 检测系统,二. 充电,V大于临界电压，空气产生电离 H3+O、O3-，沉积于光导体表面 表面电压：正比于沉积Q数量 当沉积Q = 泄漏Q，则VS=Constant（Max）,三. 暗衰减,四. 光衰减,1. 曝光模式 平面曝光,狭缝曝光,点光源扫描,线阵列LED,聚焦镜,阵列发光二极管,激光扫描,激光器,调制器,多棱镜,2. 光衰减的基本过程,载流子产生效率,电场 电场 光子 + 光导体 空穴电子 空穴 + 电子 静电潜影 库仑作用力,a.光子有效的被吸收, 生成载流子对 与光导体的基本物性有关 b.载流子对的有效分离, 生成自由载流子 电场强度越高, 越有利于载流子对的分离 c.防止自由载流子的再结合: 电子 + 空穴 热能 电场强度越高, 再结合的概率就越小,载流子高速有效移动,a.要求载流子有尽可能高的移动度() 与光导体的基本物性有关 b.要求载流子有尽可能高的移动速度和 寿命 低陷阱密度 高电场强度 (移动速度 = 移动度电场强度),能量陷阱与捕获/再结合中心: (1)能量陷阱(Energy Trap) 能量低于载流子传输状态能量的状态, 对应于半导体中导带下面,在禁带中的离散能级。能量浅的(与热能KT相对应)不构成对载流子的永久性捕获, 能量深的将构成对载流子的永久性捕获, 即, 捕获/再结合中心。,能量,导带,禁带,价带,a.降低移动度 无能量陷阱时:移动(移动度:Mobility) 有能量陷阱时:漂移(漂移移动度:Drift Mobility) b.对载流子的捕获 深能陷阱载流子捕获/再结合中心 自由载流子 捕获载流子 再结合 (可移动载流子) (非移动载流子) 捕获中心 相反符号载流子,载流子捕获/再结合中心(Recombination Center) 能量远远低于热能量级的深能陷阱，将构成对载流子的永久性捕获, 降低载流子寿命()。一般自由载流子的直接复合概率远远低于通过捕获中心再结合的载流子复合效率。,载流子寿命 空穴寿命(P): P = (VPPpt)-1 V: 捕获/再结合中心的热运动速度 : 捕获中心的截面积 电子寿命(e) : (e) = (Veent)-1 pt: 空穴捕获/再结合中心浓度 nt: 电子捕获/再结合中心浓度,五. 显影,1. 显影的基本思路,色粉,库仑力,利用带相反符号电荷的色粉与静电潜影之间的库仑作用力使色粉附着在静电潜影上, 实现静电潜影的可视化,2. 电荷填充原理,自由表面显影 表面电场的非均匀分布导致极强的显影边缘效应，适合线条显影, 但不适合大面积和连续调图像显影。,显影电极,光导体,表面电场分布,显影结果,表面显影电极显影 表面电极的作用使表面电场均匀分布, 适合于大面积图像显影，具有良好的阶调再现特性,3. 显影设备及材料,干式磁刷显影,显影剂组成 双组份 带电色粉 + 磁性载体 单组份 磁性带电色粉,显影机理,光导体,静电潜影,带电潜影与光导体之间库仑力作用,雾状色粉,色粉平均尺寸：8m,载体平均尺寸：数百m,磁性显影辊,载体与磁性显影辊之间作用力,a.色粉吸附(物理吸附)在(磁性)载体表面被搬运到 光导体表面, 实现色粉的高速搬运； 自由色粉 + 吸附色粉 b.色粉在静电潜影形成的电场力作用下摆脱与载体间的物理吸附力的束缚飞向静电潜影(高速)，附着在光导体表面实现显影； 显影过程可以在0.1秒量级完成 c.色粉尺寸决定了最终的分辨力: 假设最小线宽(像素)至少由5个色粉构成, 则其限度大小为8m5 = 40m, 即, 分辨力 = 635 dpi,湿式显影,光导体,显影电极,显影液,滚筒电极显影,平面电极显影,显影液的组成: 带电色粉 + 绝缘分散介质 特点: (1)色粉分散容易, 不易聚集; (2)色粉尺寸小, 一般在1m左右; (3)高分辨率, 为干式色粉显影的810 倍，即 48006000dpi (4)需要适当的溶剂回收装置；,4.不同显影方式的分辨率,静电照相的分辨力主要取决于显影色粉的物理尺寸, 一般有: 分辨率（dpi） (干法)瀑布式显影 254381 (干法)磁刷显影 6001000 (干法)雾状显影 35565000 (湿法)液体显影 635025400,六. 转移,1. 转移的基本模式,静电转移: a.放电转移 b.偏压转移 机械转移: a.粘连转移 b.压力转移 其中，放电转移被认