Waxes are employed in toner to improve its anti-offset characteristic at low or high temperature and fixability at a low temperature. On the other hand, the addition of waxes can lead to adverse effects also, such as blocking, intensification of anti-developing performance when exposed to high temperature within a copier, and reduced performance due to bleeding of the wax during storage for a long term. Thus, employment of wax in toner particles for printing has a room for improvement in view of energy-saving and high quality printing. Addition of monodisperse wax micro particles can enhance the toner performance by precise control of composition, which enables finer printing.
This study aims the production of spherical micron sized and sub micron wax beads in a microfluidic system. T-junction microfluidic device was fabricated using standard photolithography techniques for wax droplet formation above the melting temperature of wax. Wax melt droplets were then solidified to make solid wax beads. The size of the particles could be tuned by controlling the flow conditions and temperature of the microfluidic device and sub-micron sized wax particles could be obtained.
마이크로 혹은 나노 수준의 미세 조절을 통해 유체를 제어하는 미세유체역학(마이크로플루이딕스)은 빠르게 성장하고 있는 분야이다. 미세유체역학 기술은 실험실에서 수행되는 일상적인 실험 조작을 적은 부피의 반응물을 사용하여 배치 실험에 비해 매우 짧은 시간에 수행할 수 있도록 한다. 액적 기반의 미세유체 장치는 빠른 반응 시간을 가져 매우 유용하다. 이를 이용하면 적은 부피의 유체를 쉽게 다룰 수 있고 유체의 흐름을 감지하고 조절할 수 있으며 미세 수준의 패턴을 형성하게 하는 것도 가능하다.
토너에 마이크로미터 혹은 서브마이크로미터 크기의 왁스 입자를 추가하면 더 나은 인쇄 품질과 함께 에너지 절감 효율을 가져온다. 고 순도의 왁스 에스터는 뚜렷한 녹는점, 높은 열 안정성, 그리고 뛰어난 색 품질 등 탁월한 특성을 갖고 있다. 이런 뛰어난 특성들 때문에 고 순도의 왁스 에스터는 토너에 첨가되는 왁스 입자로 사용되어 왔다.
본 연구에서는 T형 분기를 갖는 미세유체 장치에서 마이크로 또는 서브마이크로 크기의 구형 왁스 입자를 생성하는 실험을 수행하였다. 왁스의 녹는점 이상에서 왁스 액적을 형성하기 위한 미세유체 장치는 표준 포토리소그래피 기술을 이용해 제작되었다. 생성된 액체 상태의 왁스는 곧 굳어져 고체 왁스 입자를 얻을 수 있다. 낮은 온도, 분리상(disperse phase) 유속에 대한 유효 연속상(continuous phase) 유속, 분리상의 최적 농도, 효과적인 채널 깊이, 그리고 낮은 냉각 흐름 유속은 T형 분기를 갖는 미세유체 장치에서의 서브마이크로 왁스 입자 형성에 도움이 된다. 얻어진 입자들은 분산성이 뛰어나고 구형이며 좁은 크기 분포를 가졌다. 특정한 한계 연속상 유속 이상, 그리고 한계 분리상 유속 이하에서는 시스템에서 왁스 입자를 만들어내지 못했다. 평균 입자 크기의 감소는 계면 장력이나 두 유체의 점도와는 큰 연관이 없음을 밝혔다.
이 공정은 저온 조건에서 촉진된다. 왁스 입자의 녹는점 근처의 낮은 온도에서는 분산성이 뛰어나고 구형의 좁은 크기 분포를 갖는 왁스 입자들을 얻을 수 있었는데 이는 이 온도에서 왁스 입자의 응결이 효율적으로 이뤄지기 때문이라고 설명할 수 있다. 반면 높은 온도에서는 응결이 효율적이지 않아 입자들의 응집이 발생했고 이로 인해 최종 생성물의 크기가 증가하였다. 분리상의 초적 농도는 주사기 펌프를 통해 마이크로채널로 유입되는 왁스의 흐름을 균일하게 유지할 수 있게 하고 입자 생성을 제대로 이뤄질 수 있도록 한다. 매우 느린 냉각 흐름의 유속은 왁스 입자 생성을 촉진하였으며 50 마이크로미터 깊이의 마이크로채널에서 가장 좋은 결과를 얻었다.
왁스 입자를 생산하는 보편적인 기술을 이용하면 미세유체 방법을 이용할 때보다 입자 크기 분포가 다양해진다. 분리상에 대한 초음파처리는 최종 왁스 입자 생산을 약간 개선하였으며 생산량을 소폭 증가시켰다.
