Бумага стерпит все

Появление Интернета и прочих электронных средств коммуникации часто сравнивают с началом книгопечатания в XV веке. Сходство, действительно, налицо — для обоих событий характерен качественный скачок в области доступности информации. Но подобно тому, как рукописные тексты и живопись не исчезли после изобретения Гутенберга, так и распространение электронных способов представления информации не предвещает скорой кончины «бумажных» технологий. И пока не будет придумано электронного устройства, сравнимого по удобству чтения с печатной продукцией, ничего не изменится — работать с электронными документами очень удобно, но читать «с бумаги» гораздо комфортнее.

Что информационная революция действительно совершила, так это полный переворот в самой технологии получения «бумажных изображений». Еще в школьном возрасте, в 1960-е годы, я не раз ходил на экскурсию в типографию «Литературной газеты», где собственными глазами наблюдал, как работают линотипы — огромные (раза в полтора выше человеческого роста) автоматы, на входе которых — клавиатура пишущей машинки, а на выходе — отливные формы типографских строк из специального безусадочного свинцового сплава (гарта). Деятели современных комиссий по охране окружающей среды, которые даже автоматическую пайку свинцовым припоями запрещают, упали бы обморок, увидев условия и обстановку работы этих цехах. Дом же и в конторе (ныне именуемые более солидно «офисами») оставался выбор лишь между ручкой (карандашом) и машинописью. Понятно, что появление принтеров (в быту) и фотонаборных автоматов (в полиграфии) приняли все, сразу и безоговорочно. 
Если не брать в расчет традиционное рисование, то на сегодня имеется четыре основные технологии получения изображений на плоском носителе: типографская красочная печать, фотографический «серебряный» процесс, электрография и струйная печать. Кроме того, есть еще несколько технологий, менее распространенных и не столь универсальных, из них нас заинтересуют способы печати термосублимационной и термопереносом.
Стоит отметить, до сих пор наивысшее качество полутоновых изображений по-прежнему дает «серебряный» процесс. А вот в «ширпотребовском» секторе печати «фоток» 10x15 разница между минилабами и домашними принтерами давно сошла на нет. По крайней мере, лучшие модели фотопринтеров «делают» рядовые минилабы практически всегда, даже при прямой печати без ручной доводки — если не по дешевизне и долговечности, то, по крайней мере, по качеству и оперативности. Вот с технологий струйной печати мы и начнем.

Истоки

Струйная технология возникла в середине 1980-х в стремлении инженеров избавиться от недостатков двух доминировавших в то время способов печати: матричной и лазерной (электрографической). У лазерной печати в настоящее время есть некоторые шансы снова обойти струйную, но тогда она была просто неприлично дорогой. Что особенно было заметно при сравнении с матричными принтерами.
Матричные принтеры, ставшие просто-напросто конструктивным усовершенствованием пишущих машинок (только специально приспособленных к электронному способу формирования знака), были крайне дешевы в эксплуатации. Картридж у них представлял собой обычную красящую ленту, изобретенную еще в XIX веке, стоимостью несколько центов, которую можно было при желании перевернуть и обработать бензином для продления срока службы. В «родном» для советского компьютерщика немецком принтере Robotron 6329 вместо картриджа даже ухитрялись использовать стандартные катушки от пишущей машинки, бывшие в продаже в любом магазине канцпринадлежностей. К недостаткам матричных принтеров можно отнести очень шумную работу (вой, как на мотоциклетном треке, только на пару октав повыше) и полное отсутствие перспектив в плане повышения разрешения отпечатка. Разрешение лучших образцов 24-игольных матричных принтеров — 300 dpi, чего, как мы увидим в дальнейшем, для такого рода устройств недостаточно даже для передачи оттенков серого на уровне худших газетных оттисков. Есть, правда, у матричных принтеров и достоинства, ведь производят же их до сих пор: во-первых, это скорость, надежность и экономичность, а во-вторых, механизм заправки бумаги (аналогичный пишущей машинке), благодаря которому ее можно очень точно позиционировать. Поэтому-то игольчатые «жужжалки» по-прежнему незаменимы при печати на бланках — например авиа- и железнодорожных билетов, а также там, где необходимы большие объемы печати текстов (например, на предприятиях). Идея, пришедшая, видимо, почти одновременно в головы инженерам компаний Hewlett-Packard и Canon (примерно 1985-й год), заключалась в том, чтобы заменить иголку, ударяющую по бумаге через красящий слой на ленте, каплей жидких чернил. Объем капли следовало рассчитать так, чтобы она не растекалась, а создавала точку определенного диаметра. Реальную «путевку в жизнь» такая технология получила, когда придумали удобный способ формирования дозированной капли — термический.

ТЕРМИЧЕСКАЯ СТРУЙНАЯ ПЕЧАТЬ

Рынок термической струйной печати фактически монополизирован Canon и Hewlett-Packard, владеющими большинством патентов на эту технологию; остальные компании лишь лицензируют ее, привнося небольшие изменения. При этом HP предпочитает термин «термический чернильно-струйный» (thermal ink-jet) способ печати, a Canon — «пузырьковый струйный» (bubble-jet). Хотя различия между ними и есть, принципиально они идентичны. В стенку камеры встроен миниатюрный нагревательный элемент, который очень быстро нагревается до высокой температуры (порядка 500°С). Чернила кипают в них образует большой паровой пузырь и резко растет давление — 120 и более атмосфер. Оставшиеся жидкими чернила выталкиваются через сопло со скоростью более 12 м/с в виде, капли объемом порядка 2 пиколитров (для наглядности — это две тысячи миллиардной доли литра). Нагревательный элемент к этому моменту выключают, и пузырь вследствие падения давления схлопывается. Процесс происходит очень быстро, ее, продолжительность нагревательного и пульса не превышает нескольких микро секунд. Подача чернил в форсунку происходит за счет капиллярных сил (что гораздо медленнее), и после заполнен ее новой порцией система вновь готова к работе. Весь цикл занимает око; 100 микросекунд (частота выброса капель — примерно 10 000 раз в секунд)
Единичная, автономно управляем, форсунка входит в состав печатающей головки, расположенной на движущейся поперек листа каретке, — наподобие печатающего узла матричного принтера, современных скоростных устройств, стали применять неподвижные головки — чтобы исключить самый медленный во всем процессе этап поперечного движения каретки. Например, HP с вecны 2006 года выпускает высокопроизводительные фотокиоски, где печатающие головки скомпонованы в блоки по всей ширине листа.
Технологии Canon и HP по-разному «ориентированы» — у Canon термический элемент расположен сбоку, а у HP (а также у Lexmark) — сзади. Возможно, различие обусловлено исходными идеями: согласно корпоративным легендам, инженер Canon уронил паяльник на шприц с краской (естественно, при этом шприц нагрелся сбоку), а исследователи из HP заимствовали принцип электрочайника, у которого подогрев с торца. Так это или нет, но «боковая компоновка» позволяет Canon устанавливать два термических элемента на форсунку что повышает быстродействие и управляемость размером капли, но одновременно усложняет и удорожает конструкцию.
Печатающие головки «термоструйников» могут изготавливаться методом литографии на стандартном оборудовании для производства полупроводниковых микросхем, а следовательно, дешевы в производстве. Более дорогие «пузырьковые» многоразовые головки Canon встроены в принтер. Головки HP проще в изготовлении, и потому традиционно встраивались прямо в картридж (разумеется, с ним же и выбрасывались), что значительно удобнее, ибо гарантирует качество печати при высокой надежности. Однако простота и дешевизна такого решения оказались, очевидно, не столь однозначными, и у многих современных принтеров HP головки встроены в принтер (как у Epson или Canon). Вообще, складывается впечатление, что HP так до конца и не определилась, что выгоднее, и уже много лет экспериментирует — так, сегодняшний флагман «домашних принтеров HP, Photosmart 8753 (форм; A3), использует головки, встроенные в картридж; а его более дешевый аналог формата A4, популярный Photosmart 8253 (ныне уже не выпускающийся) довольно сложную систему печати несменной головкой, устанавливаемой на заводе. Причем получить информацию о том, где какая система печати пользуется, довольно трудно.
Но и замена «встроенных в принтер термических головок все же обходит существенно дешевле, чем пьезоэлектрических от Epson, которые мы рассмотрим ниже

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Первый струйный принтер с пьезоэлектрической головкой был разработан Epson в 1993 году, и с тех пор компания продвигает эту технологию практически в одиночку. На самом деле, пьезоэлектрический способ есть просто вариант «лобового» решения проблемы распыления жидких чернил: использовать иголку матричной головки как поршень выталкивающий чернила из камеры. Понятно, управляемый электромагнит поршень — не лучшее решение с точки зрения стоимости, надежности, долговечности и разрешения печати, посему его было предложено заменить пьезокристаллом, способным изгибаться под действием электрического напряжения. Красиво звучит, но очень трудно выполнимо на практике — в реальности величина так называемого обратного пьезоэффекта (деформации кристалла пьезоэлектрика под действием приложенного напряжения) находится на уровне тысячных долей миллиметра на каждый вольт приложенного напряжения. Понадобились годы труда, чтобы разработать не этом принципе форсунку, пригодную для коммерческого использования. Головка и по сей день достаточно дорога, так как ее нельзя получить в стандартном процессе формирования полупроводникового кристалла. Отсюда и все недостатки принтеров Epson, главный из которых — если уж головка засохнет (а это может случиться просто от того, что вы не печатали месяц-полтора), проще купить новый принтер.
Раз пьезоэлектрическая технология сложна, дорога и не очень надежна, то зачем же ее продвигают вообще? Дело в том, что пьезоэлектрической головкой значительно проще управлять — например, тонко дозировать чернила, меняя размер капли. Считается, что лучшее профессиональное качество печати полутоновых изображений (если сравнивать струйные технологии между собой) — именно у Epson. Если же сравнивать на уровне бытовых фотопринтеров, то при одинаковой в среднем стоимости отпечатка (и самого принтера) все не столь уж однозначно — так, дешевые модели струйников Epson посредственно справляются с черно-белыми отпечатками.

ПЕЧАТАЮЩИЕ ГОЛОВКИ И ЧЕРНИЛА

В остальном пьезоэлектрическая и термическая технологии схожи. На практике струйная головка содержит уже не 9 или 24 печатающих элемента, как в матричных принтерах, а при диаметре сопла около 10 микрон их может быть несколько сотен и даже тысяч. Для повышения разрешения печати сопла располагают по вертикали в шахматном порядке, а для увеличения скорости — в несколько рядов. При диаметре форсунки около 10 микрон плотность размещения — порядка 2500 сопел на дюйм; отсюда понятно, как достигаются значения 2400 или 2880 dpi. Разрешение же по вертикали обусловлено точностью механизма подачи бумаги, потому оно зачастую как минимум вдвое ниже горизонтального.
Более высокие разрешения (а в современных принтерах декларируют печать до 4800 или 5760 dpi) обычно достигаются дополнительным прецизионным смещением головки в процессе печати по горизонтали. Но бывают и более тонкие сопла: у печатающей головки профессиональных широкоформатных принтеров Canon ImagePrograf на 1 дюйм длины — 30 720 сопел, а у некоторых современных устройств число сопел — еще больше. Иногда сопла делаются разного диаметра — например, на объем капли в 2 и 5 пиколитров, что позволяет более гибко управлять процессом.
Все чернила для струйной печати делаются на водной основе и делятся на две категории: пигментные и молекулярные. Разница между ними такая же, как между красками и лаками — первые представляют собой взвесь твердых частиц пигмента в водной среде, а вторые «истинный раствор» красителя. Пигментные чернила дороже и более капризны в эксплуатации — например, если они засохли в головке, растворить их можно только специальными жидкостями, и то не всегда. Пигментные чернила обычно не допускают смешивания с другими типами (частицы красителя садятся на дно или слипаются — коагулируют), потому любительская перезаправка картриджей с такими чернилами в большинстве случаев исключается.
Зато пигментные чернила лучше ложатся на бумагу (меньше расплываются), и отпечатки — устойчивее к воздействию света и влаги. Поэтому в более дорогих моделях принтеров всегда используют пигментные чернила (чернила UltraChrome для моделей Epson Stylus Photo R800 или R2400; HP Vivera для PhotoSmart 8753 и профессиональной [ серии HP DesignJet).

БУМАГА

Из принципа струйной печати понятно, что качество отпечатка сильно зависит от бумаги. На обычной чернила расплываются, и вместо точки диаметром в 10 микрон получается пятно неопределенного размера и формы. Потому-то бумага для фотопечати довольно дорога: сделать саму по себе достаточно плотную и белую (с минеральными отбеливателями) бумагу еще и такой, чтобы она спокойно переносила изгиб на 180° с радиусами, соответствующими валкам принтера — задача не из простых. А ведь плотность некоторых сортов фотобумаги бывает до 300 г/м2 (фактически картон), и чем плотнее бумага, тем она дороже.
Но главное даже не в гибкости, а в специальном полимерном покрытии с множеством пор микронного размера, позволяющем капле не растекаться по большой площади, но в то же время пропитывать локальный участок подложки и накрепко с ней схватываться. Покрытие дополнительно обеспечивает еще и влагостойкость. Отсюда легко понять, почему на разных бумагах получаются разные результаты, и для каждой из них следует отдельно подбирать настройки печати и профили.
Фотобумага для принтера имеет одно неприятное, но органически присущее ей свойство: после печати и высыхания чернил поры покрытия остаются открытыми (особенно там, где чернил мало, то есть на светлых местах снимка). Это почти ничему не мешает, кроме одного — такая бумага чрезвычайно чувствительна к воздушным взвесям, и абсорбирует их в огромных количествах. Оставьте принтерный отпечаток висеть в прокуренной комнате, и он пожелтеет уже через пару недель. Наилучший способ — опрыскать отпечаток лаком для волос (заодно улучшив и влагостойкость). Опрыскивать лучше с обеих сторон. Почти ту же операцию делают и некоторые принтеры (например Epson R800/1800/2400), нанося из отдельного картриджа на отпечаток прозрачное покрытие — Gloss Optimizer.

ЛАЗЕРНЫЕ ПРИНТЕРЫ

Электрографический (ксерографический) процесс был изобретен в 1938 году американским инженером Честертоном Карлсоном. В 1947 году это изобретение было продано Haloid Company, которая в 1950 году произвела на свет первый копировальный аппарат, а с 1961 году стала назваться Xerox Corporation. Первый лазерный принтер был создан в начале 70-х годов прошлого века инженерами знаменитой лаборатории Xerox PARC3, а с 1975 года IBM начала их промышленное производство. Эти принтеры были безумно дорогими", медленными и капризными, так что широкое распространение лазерной печати началось с 1984 года, когда компанией Hewlett-Packard был выпущен первый «народный» принтер серии LaserJet. 
Принцип электрографической печати основан на зависимости электрического сопротивления полупроводников от освещенности. Пластина (ныне это — круглый барабан) с нанесенным полупроводниковым светочувствительным слоем (традиционно на основе селена, но используют и другие материалы, например органические полупроводники) равномерно заряжается положительным статическим напряжением (порядка 1000 В и более). В темноте полупроводник представляет собой отличный изолятор, потому заряд сохраняется достаточно долгое время — как на пластмассовой расческе, потертой о синтетический мех. Затем луч ИК-лазера (или другого источника с высокой интенсивностью свечения, например светодиодного), модулированный изображением оригинала, сформированным сканирующей системой, обегает поверхность полупроводника. Когда свет попадает на полупроводник, сопротивление последнего резко падает, и положительные заряды через металлическую подложку уходят «в землю».
Таким образом, на поверхности полупроводника оказывается невидимый пока рисунок оригинала, образованный распределением электрического потенциала. Чтобы сделать его видимыми перенести на бумагу, на небольшого расстоянии от светочувствительной поверхности проворачивают магнитный валик с тонером (красящим порошком), так же заряженным положительно. Электростатические силы притяжения преодолевают магнитные силы, удерживающие тонер на барабане, и он прилипает к фоте чувствительному барабану там, где заряды «стекли» — как наэлектризованные бумажки притягиваются к стеклянной палочке. Осталось прокатить по такой поверхности лист бумаги (тонер перенесется на нее), а затем пропустить его через печку, где частицы тонера плавятся, намертво «схватываясь» с бумагой. 
Из этого краткого описания понятие, что лазерный принтер устроен довольно сложно (отсюда относительная дороговизна аппаратов в сравнении со струйными) и состоит из механизма подачи бумаги; блока сканирующей оптики, картриджа, в котором находится отсек с тонером и светочувствительный барабан полупроводниковым покрытием, и печка. Для развертки лазерного луча используют вращающееся зеркало. В отличие от лазерных, у светодиодных принтеров, разработанных фирмой OKI в 1981 году, вместо лазера со всей оптической системой — линейка свете диодов. Они не нуждаются во вращающемся зеркале и линзах и печатают заметно быстрее. Зато светодиодная технология не позволяет управлять размером светового пятна (как это происходи в термических струнниках по сравнена с пьезоэлектрическими), и поэтому может возникать «полосатость» изображения из-за разброса в параметрах с диодов. Однако сейчас недостатки и достоинства светодиодных принтер сравнении с лазерными нет смысла отбирать, поскольку на практике обе анологии вполне качественны и надежны Существует еще и экзотическая ЖК технология, когда источником света является мощная галогенная лампа, а мотором — матрица жидких кристалле Значительную часть своей истории лазерные принтеры служили синон черно-белой печати. В цветных лазерных принтерах, которые начинают появляться на наших столах, либо приходится наносить порошок четыре раза (количеству основных цветов в модели CMYK), либо иметь четыре полных комплекта формирующих изображение элементов, с промежуточным нанесением изображения на так называемый «ремень переноса» (transfer belt). Последний вариант придумала фирма OKI специально для собственных светодиодных принтеров, но в современных лазерных/светодиодных принтерах остался более простой вариант — также четыре комплекта «фотобарабан-тонер», но с единой системой засветки, поэтому изображение сразу наносится на бумагу, что устраняет ошибки, связанные с необходимостью прецизионного выравнивания оптических систем для разных цветов.

ТОНЕР И СТОИМОСТЬ ПЕЧАТИ

Структура тонера для лазерной печати довольно сложная. Это не только краситель и полимер, обладающий свойствами воска, но и магнитные частицы, и куча присадок, играющих свою роль на различных этапах процесса. Ранее все компоненты просто мололи и смешивали, но сейчас тонер получают методом химического выращивания. Частицы полимерной матрицы, воска и красителя благодаря химическому процессу, называемому эмульсионной агрегацией (emulsion aggregation), формируют более крупные сферические агрегаты контролируемого размера (4-6 мкм). Любопытно, что объем собственно красителя может занимать менее 1% от общего объема тонера. Если ограничиться черно-белой печатью, то использование лазерного принтера оказывается в разы дешевле чем струйного, и не требует специальной бумаги, если только не считать, что некачественная бумага снижает срок службы принтера. А тать на чем лось в печке хоть на алюминиевой фольге лазерного. Картридж лазерного принтера дороже, чем струйного, но рассчитан на тысячи листов напечатанного текста, в то время как струйный – всего лишь на сотни.
В случае цветной печати разница не столь велика - цены отпечатка, по меньшей мере, с план выходя лазерной печати проблем с водостойкостью, ибо тонер делается на основе войска отталкивающими свойствами. На обычной офисной бумаге качество печати лазерного или светодиодного принтера с современными тонерами трудно отличить от типографского. Но все это касается печати документов, бражениями фотографического качества пока дело обстоит несколько хуже.

Автор Юрий Ревич

(продолжение следует)