DE102015008655A1

DE102015008655A1 - Sicherheitselement mit farbfilterndem Gitter

Info

Publication number: DE102015008655A1
Application number: DE102015008655.3A
Authority: DE
Inventors: Hans Lochbihler
Original assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Priority date: 2015-07-03
Filing date: 2015-07-03
Publication date: 2017-01-05
Also published as: EP3317111A1; CN107743446A; WO2017005346A1; EP3317111B1; CN107743446B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitselement für ein Wertdokument, wobei das Sicherheitselement (1) ein zweidimensional regelmäßiges Muster (6) aus einzelnen zylindrischen Flächenelementen (3) aus hochbrechendem, insbesondere metallischem Material aufweist, die in einer Gitterebene (7) liegen, durch Lücken (4) voneinander beabstandet sind und allseitig in ein Dielektrikum (2, 5) eingebettet sind, wobei das regelmäßige Muster (6) in mindestens zwei Richtungen, die parallel zur Gitterebene verlaufen, eine Periodizität (d) von 100 nm bis 800 nm, bevorzugt von 200 nm bis 500 nm hat, wobei die Lücken (4) zwischen den Flächenelementen (3) in einem Bereich von mindestens 1 μm senkrecht zur Gitterebene (7) ebenfalls nur Dielektrikum (2, 5) aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitselement für ein Wertdokument, wobei das Sicherheitselement ein zweidimensional regelmäßiges Muster aus einzelnen zylindrischen Flächenelementen aus hochbrechendem, insbesondere metallischem Material aufweist, die in einer Gitterebene liegen, durch Lücken voneinander beabstandet sind und allseitig in ein Dielektrikum eingebettet sind, wobei das regelmäßige Muster in mindestens zwei Richtungen, die parallel zur Gitterebene verlaufen, eine Periodizität von 100 nm bis 800 nm, bevorzugt von 200 nm bis 500 nm hat.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Herstellen eines Sicherheitselements für ein Wertdokument, wobei ein zweidimensional regelmäßiges Muster aus einzelnen zylindrischen Flächenelementen aus hochbrechendem, insbesondere metallischem Material ausgebildet wird, die in einer Gitterebene liegen, durch Lücken voneinander beabstandet sind und allseitig in ein Dielektrikum eingebettet sind, wobei das regelmäßige Muster in mindestens zwei Richtungen, die parallel zur Gitterebene verlaufen, eine Periodizität von 100 nm bis 800 nm, bevorzugt von 200 nm bis 500 nm hat, Die Erfindung betrifft auch eine noch nicht umlauffähige Vorstufe zu einem Wertdokument.
Ein solches Sicherheitselement bzw. Verfahren zum Herstellen sowie eine nicht umlauffähige Vorstufe zu einem Wertdokument sind aus der WO 2012/156049 A1 bekannt. Dort finden sich weitere Fundstellen zum Stand der Technik hinsichtlich Subwellenlängengittern. Dieses gattungsgemäße Sicherheitselement hat gute Farbfiltereigenschaften und lässt sich in einem Prägeprozess kostengünstig vervielfältigen. Das Sicherheitselement sieht ein Array aus Flächenelementen, die aufgrund ihrer Größe auch als Nanodisks bezeichnet werden, vor, die über einer Grundfläche mit einem komplementären Lochmuster angeordnet sind. Dieses Lochmuster wird auch als Nanohole-Array bezeichnet. Zur Herstellung wird üblicherweise eine Struktur in ein Dielektrikum geprägt, welches die Nanodisks und Nanoholes umgeben soll. Der Farbeffekt, insbesondere in Transmission, hängt sehr stark vom Abstand zwischen den Nanodisks und den Nanoholes ab. Dieser Abstand ist durch die Höhe der Prägestruktur und damit letztlich durch ein Prägewerkzeug vorgegeben. Beim Prägeprozess kommt es insbesondere durch Verschleiß des Prägewerkzeugs zu Schwankungen bzw. zu einer kontinuierlichen Abnahme der Prägehöhe über die Fertigungsdauer. Dies verursacht Aufwand, insbesondere einen häufigen Prägewerkzeugtausch in der Serienfertigung, um einen konstanten Farbeffekt sicherzustellen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein zweidimensionales, farbfilterndes Gitter anzugeben, das zum einen eine gute Farbfiltereigenschaft aufweist und sich zum anderen durch kostengünstige Vervielfältigungsverfahren herstellen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Sicherheitselement für ein Wertdokument, wobei das Sicherheitselement ein zweidimensional regelmäßiges Muster aus einzelnen zylindrischen Flächenelementen aus hochbrechendem, insbesondere metallischem Material aufweist, die in einer Gitterebene liegen, durch Lücken voneinander beabstandet sind und allseitig in ein Dielektrikum eingebettet sind, wobei das regelmäßige Muster in mindestens zwei Richtungen, die parallel zur Gitterebene verlaufen, eine Periodizität von 100 nm bis 800 nm, bevorzugt von 200 nm bis 500 nm hat, wobei die Lücken zwischen den Flächenelementen in einem Bereich von mindestens 1 μm, optional 5 μm bis 50 μm, senkrecht zur Gitterebene ebenfalls nur Dielektrikum aufweisen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiter gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Sicherheitselements für ein Wertdokument, wobei ein zweidimensional regelmäßiges Muster aus einzelnen zylindrischen Flächenelementen aus hochbrechendem, insbesondere metallischem Material ausgebildet wird, die in einer Gitterebene liegen, durch Lücken voneinander beabstandet sind und allseitig in ein Dielektrikum eingebettet sind, wobei das regelmäßige Muster in mindestens zwei Richtungen, die parallel zur Gitterebene verlaufen, eine Periodizität von 100 nm bis 800 nm, bevorzugt von 200 nm bis 500 nm hat, wobei die Lücken zwischen den Flächenelementen in einem Bereich von mindestens 1 μm, optional 5 μm bis 50 μm, senkrecht zur Gitterebene ebenfalls nur ein Dielektrikum aufweisen, insbesondere senkrecht zur Gitterebene gesehen nicht von hochbrechendem Material überdeckt werden.
Die Aufgabe wird schließlich ebenfalls gelöst durch eine nicht umlauffähige Vorstufe zu einem Wertdokument, das ein erfindungsgemäßes Sicherheitselement enthält.
Das Gitter sieht hochbrechende Flächenelemente vor, die anders als in der WO 2012/156049 A1 nun nicht mehr über einer hochbrechenden Grundschicht angeordnet sind. Vielmehr bestehen auch die Lücken zwischen den Flächenelementen in einem Bereich von mind. 1 μm (je nach Realisierung bis zu 50 μm oder mehr) aus dielektrischem, nicht-hochbrechendem Material. Der Bereich ist dabei senkrecht zu der Ebene gemessen, in der sich die Flächenelemente befinden, und erstreckt sich beiderseits der Ebene. Für die optische Wirkung des Sicherheitselementes kommt es nicht mehr auf einen präzisen Abstand der hochbrechenden Flächenelemente zu einer hochbrechenden Grundschicht an. Im Ergebnis spielt beim Herstellverfahren eine Prägetiefe keine Rolle mehr, und die eingangs genannte Verschleißproblematik des Prägewerkzeugs ist vermieden.
Die hochbrechende Eigenschaft der Flächenelemente wird durch eine geeignete Materialwahl erreicht. Neben Metall als Material kommen dabei insbesondere Silizium, Zinksulfid oder Titandioxid in Frage. In dieser Beschreibung wird der Begriff „metallisch” als Beispiel für „hochbrechend” aufgefasst, soweit nicht ausdrücklich anderes beschrieben ist.
Für das dielektrische Material, welches z. B. eine Brechzahl von etwa 1,5 aufweist, eignen sich besonders Kunststofffolien, z. B. PET-Folien, als Substrat. Die eigentliche Basisstruktur ist z. B. ebenfalls in Kunststoff, bevorzugt UV-Lack, ausgebildet. Nach der Bedampfung wird schließlich die Struktur mit UV-Lack aufgefüllt und mit einer Deckfolie kaschiert. Somit liegt ein Schichtaufbau vor, bei dem die Ober- und die Unterseite im Wesentlichen dieselbe Brechzahl besitzt.
Ferner ist das hochbrechende Material der Flächenelemente nicht nur auf einfache metallische Schichten beschränkt. Es sind auch Mehrfachschichten, insbesondere Trilayer denkbar. Es ist bekannt, dass mehrfach beschichtete eindimensional periodische Gitter eine starke Farbfilterfilterung durch die Ausbildung von Fabry-Perot-Resonatoren sowohl in Reflexion als auch in Transmission ermöglichen. Bei Trilayer sind folgende Schichten besonders bevorzugt: zwei halbtransparente Metallschichten mit einer dazwischen liegenden dielektrischen Abstandsschicht bzw. zwei hochbrechende Schichten mit einer dazwischen liegenden niedrigbrechenden Schicht. Für die Metallschichten kommen folgende Materialien in Frage: Al, Ag, Pt, Pd, Au, Cu, Cr und Legierungen davon. Als hochbrechende Schichten eignen sich beispielsweise ZnS, ZnO, TiO₂, ZnSe, SiO, Ta₂O₅ oder Silizium. Als niedrigbrechende Schichten bieten sich SiO₂, Al₂O₃ bzw. MgF₂ an.
Die Brechzahl des Dielektrikums, welches die Lücken zwischen den Flächenelementen füllt, kann beispielsweise zwischen 1,4 und 1,6 liegen.
Die Farbeffekte hängen in erster Linie von der Periodizität des Musters ab. Die Farbe kann ferner durch die Geometrie der Nanodisks variiert werden. Dies kann dazu ausgenutzt werden, farbige Symbole bzw. Bilder zu erzeugen. Dazu kann der Flächenfüllfaktor und/oder die Geometrie der Flächenelemente und/oder deren Material lokal variiert werden. Insbesondere ist es möglich, Gruppen mehrerer Flächenelemente mit identischen Abmessungen so zu gestalten, dass ein gewünschter Farbeffekt eintritt. Eine Gruppe bildet dann ein Subpixel. Mehrere Subpixel werden mit unterschiedlichen Farbeigenschaften durch entsprechende geometrische Gestaltung ausgestaltet und dann zu einem Pixel zusammengefasst. Dies erlaubt eine farbige Bilddarstellung. Die unterschiedlichen Farben können dabei durch die entsprechende lokale Variation eines oder mehrerer der Parameter des Gitters variiert werden.
Durch die pixelweise Farbmischung von Basisfarben, z. B. RGB-Farben, in Subpixelbereichen können Echtfarbenbilder hergestellt werden. Der Vorteil von solchen Strukturen gegenüber der herkömmlichen Drucktechnik ist, dass hierbei eine sehr feine Strukturierung bis in den Mikrometerbereich vorgenommen werden kann. Diese Feinstrukturierung eignet sich besonders für Anwendungen in Moiré-Vergrößerungsanordnungen, z. B. indem das Gitter so ausgebildet ist, dass es Mikrobilder für Moiré-Vergrößerungsanordnungen bereitstellt. Bei Mikrolinsenanordnungen wirkt sich die große Winkeltoleranz der oben beschriebenen zweidimensional periodischen Gitter sehr vorteilhaft aus, denn die Mikrolinsen haben bei Moiré-Vergrößerungsanordnungen eine kleine Brennweite bei einem relativ großen Öffnungsverhältnis. Daher zeigen die hier beschriebenen Strukturen eine größere Farbsättigung in der Kombination mit Mikrolinsen als bisher bekannte eindimensional periodische Subwellenlängenstrukturen.
Kennzeichnend für das Sicherheitselement ist es, dass gegenüber dem aus WO 2012/0156049 A1 bekannten Ansatz die Grundschicht aus hochbrechendem Material fehlt, da die Lücken zwischen den Flächenelementen (letztere im oben genannten Bereich) von einem dielektrischen Material gebildet werden. Es ist dabei nicht zwingend erforderlich, dass es sich durchgängig um dasselbe Dielektrikum handelt. Wesentlich ist der Brechzahlunterschied zwischen den Flächenelementen und dem dielektrischen Material bzw. den dielektrischen Materialien in den Lücken und in der Umgebung der Flächenelemente. Besonders bevorzugt ist ein Sicherheitselement, dessen Lücken senkrecht zur Grundebene gesehen gar nicht von hochbrechendem Material überdeckt werden.
Das Sicherheitselement kann insbesondere in einem Sicherheitsfaden, Aufreißfaden, Sicherheitsband, Sicherheitsstreifen, Patch oder Etikett integriert sein. Insbesondere kann das Sicherheitselement transparente Bereiche oder Ausnehmungen überspannen.
Das Sicherheitselement kann insbesondere Teil einer noch nicht umlauffähigen Vorstufe zu einem Wertdokument sein, das zusätzlich noch weitere Echtheitsmerkmale aufweisen kann. Unter Wertdokumenten werden einerseits Dokumente verstanden, welche mit dem Sicherheitselement versehen sind. Andererseits können Wertdokumente auch sonstige Dokumente oder Gegenstände sein, die mit dem Sicherheitselement versehen werden, damit die Wertdokumente nicht kopierbare Echtheitsmerkmale aufweisen, um eine Echtheitsüberprüfung zu ermöglichen und unerwünschte Kopien zu verhindern. Chip- oder Sicherheitskarten, wie z. B. Bank- oder Kreditkarten oder Ausweise, sind weitere Beispiele für ein Wertdokument.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielshalber anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Schemadarstellung einer ersten Ausführungsform eines Sicherheitselementes,
2 eine Abwandlung des Sicherheitselementes der 1,
3 eine weitere Abwandlung des Sicherheitselementes der 2,
4–7 Diagramme hinsichtlich der Filtereigenschaften verschiedener Sicherheitselemente,
8–9 Schemadarstellungen zur Ausbildung des Sicherheitselementes zur Bilddarstellung,
10–11 Schemadarstellungen verschiedener Herstellungsstufen des Sicherheitselementes für verschiedene Herstelltechniken, und
12 ein Sicherheitselement mit einem weiteren Sicherheitsmerkmal.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sicherheitselementes 1. Es weist auf einem Träger 2 Flächenelemente 3 auf. Zwischen den Flächenelementen 3 befinden sich Lücken 4. Der Träger 2 ist aus einem dielektrischen Material, die Flächenelemente aus einem hochbrechenden Material, beispielsweise einer metallischen Beschichtung. Die Flächenelemente 3 sind mit einer Deckschicht 5 abgedeckt, so dass sie allseitig von Dielektrikum umgeben sind. Die Anordnung der Flächenelemente 3 mit den dazwischen liegenden Lücken 4 bildet ein Muster 6, so dass insgesamt ein zweidimensionales periodisches Subwellenlängengitter durch die periodische Anordnung von Flächenelementen gebildet ist. Die Flächenelemente 3 bestehen aus einem hochbrechenden Material mit einem Brechungsindex v. Durch die Anordnung sowie die Einbettung in Dielektrikum mit der Brechzahl n (in der Ausführungsform gemäß 1 sind die Brechzahlen des Trägers 2 und der Deckschicht 5 identisch; dies ist nicht zwingend) ergibt sich für einfallende Strahlung E eine Farbwirkung für transmittierte Strahlung T sowie reflektierte Strahlung R. Dies wird nachfolgend noch erläutert, ebenso, dass die Farbwirkung von einem Einfallswinkel Θ zur Oberflächennormalen, hier als optische Achse OA eingetragen, abhängt.
Die Form der Flächenelemente 3 kann unterschiedlich ausgebildet sein. 2 zeigt eine Ausgestaltung mit in Draufsicht kreisförmigen Flächenelementen. Im Allgemeinen sind die Flächenelemente 3 zylindrisch (nicht notwendigerweise kreiszylindrisch) und haben eine Breite w₁ sowie eine Tiefe w₂. Die Anordnung der Flächenelemente 3 im Muster 6 ist periodisch. 1 und 2 zeigen eine Periode d. Sie kann in weiteren Ausführungsformen in den beiden Raumrichtungen der Grundebene 7 unterschiedlich sein.
Hinsichtlich der Geometrie der Flächenelemente 3, die Nanodisks bilden, sind auch Zwischenformen zwischen kreis- und quadratförmigen Grundriss möglich. Eine symmetrische Form hat besonders gute Farbfilterung für unpolarisiertes Licht. Für die praktische Umsetzung eignen sich insbesondere Quadrate mit abgerundeten Ecken.
Fällt auf das Sicherheitselement 1 unter dem Winkel Θ Strahlung E ein, zeigt die Reflexion R im Glanzwinkel die nullte Beugungsordnung und zugleich in Transmission eine nullte Beugungsordnung. Der Aufbau der Flächenelemente 3, also der Nanodisks, ist nicht auf homogene, metallische oder halbmetallische Schichten beschränkt. Es sind auch Mehrfachschichten, insbesondere sogenannte Trilayer denkbar, die beispielsweise einen Color-Shift-Effekt zeigen.
Es ist bekannt, dass mehrfach beschichtete, eindimensional periodische Gitter eine starke Farbfilterfilterung durch die Ausbildung von Fabry-Perot-Resonatoren sowohl in Reflexion als auch in Transmission ermöglichen. Bei Trilayer sind folgende Schichten besonders bevorzugt: zwei halbtransparente Metallschichten mit einer dazwischen liegenden dielektrischen Abstandsschicht bzw. zwei hochbrechende Schichten mit einer dazwischen liegenden niedrigbrechenden Schicht. Für die Metallschichten kommen folgende Materialien in Frage: Al, Ag, Pt, Pd, Au, Cu, Cr und Legierungen davon. Als hochbrechende Schichten eignen sich beispielsweise ZnS, ZnO, TiO₂, ZnSe, SiO, Ta₂O₅ oder Silizium. Als niedrigbrechende Schichten bieten sich SiO₂, Al₂O₃ bzw. MgF₂ an.
Die Periodizität d liegt im Subwellenbereich, d. h. im Bereich zwischen 100 nm und 800 nm, bevorzugt zwischen 200 nm und 450 nm oder 600 nm. Die Füllfaktoren u₁/d₁ und u₂/d₂ liegen zwischen 0,2 und 0,8, bevorzugt zwischen 0,3 und 0,7. Um eine polarisationsunabhängige Farbfilterung zu erzielen, werden die Profilparameter für die beiden Raumrichtungen möglichst identisch gewählt, also w₁ = w₂. Dies ist jedoch optional. Ebenso sind im beschriebenen Ausführungsbeispiel die Periodizitätsrichtungen senkrecht zueinander. Auch dies ist optional. Auch räumlich asymmetrische Anordnungen des Profils und der Periodizität sind denkbar. Mit anderen Worten, das Muster 6 muss nicht, wie in 1 dargestellt, ein kartesisches Muster sein.
2 zeigt ein Sicherheitselement 1, dessen Flächenelemente 3 kreiszylindrisch ausgebildet sind. Diese Form eignet sich wie die Bauweise der 1 oder 2 besonders für Farbfilter für unpolarisiertes Licht. Andere im mathematischen Sinne zylindrische Geometrien sind für die Flächenelemente in Ausführungsformen vorgesehen. Z. B. sind Abwandlungen von der Quadrat form der 1 bzw. der Kreisform der 2 vorgesehen, z. B. durch abgerundete Ecken.
Je nach Variation der Gitterperiode und des Füllfaktors ergeben sich unterschiedlich gesättigte Farben in Reflexion und Transmission, insbesondere für Füllfaktoren über 0,35 und ganz besonders oberhalb von 0,45. Exemplarische Parameter solcher Strukturen sind in folgender Tabelle 1 zusammengefasst. Die Form der Flächenelemente (Nanodisks) ist im Wesentlichen quaderförmig mit einer einheitlichen Seitenlänge w sowie der Höhe t, in den nachfolgend diskutierten Fällen exemplarisch für t = 80 nm. Tabelle 1: Parameter von Sicherheitselementen 1

Struktur d [nm] w [nm] Füllfaktor

a) 242 162 0,67

b) 261 173 0,7

c) 281 184 0,65

d) 320 219 0,68

e) 362 250 0,69
Alle oben aufgeführten Gitter wurden auf PET-Folien in UV-Lack abgeformt, nur in den Vertiefungen mit einer 80 nm dicken Aluminiumschicht versehen und anschließend mit einer PET-Folie kaschiert. Die Brechzahl der PET-Folie sowie des UV-Lacks beträgt im Sichtbaren etwa 1,56.
4 zeigt die gemessene Transmission (auf der Hochachse) bei senkrechtem Lichteinfall Θ = 0° für das Sicherheitselement von Tabelle 1 für verschiedene Wellenlängen (auf der Querachse in nm). Diese Sicherheitselemente haben unterschiedliche Perioden bei etwa gleich bleibendem Füllfaktor w/d.
Die Transmissionsspektren zeigen ein resonantes Minimum, das für zunehmende Perioden in den langwelligen Bereich verschoben wird. Um den Farbeindruck eines Betrachters wiederzugeben, wurden die Farbeigenschaften dieser Sicherheitselemente im CIE-1931-Farbraum untersucht. Dazu wurden die Transmissionsspektren mit der Emissionskurve einer D65-Normlampe und der Empfindlichkeit des menschlichen Auges gefaltet und daraus die Farbkoordinaten X, Y, Z errechnet. Die D65-Beleuchtung entspricht etwa dem Tageslicht. Die X, Y, Z-Koordinaten wurden anschließend normiert und es ergeben sich schließlich die Farbkoordinaten x und y. Diese Werte können direkt dem menschlichen Empfinden bei der Farbwahrnehmung eines Betrachters zugeordnet werden. 4b zeigt die so errechneten Farbwerte im CIE-1931-Farbraum. Der Weißpunkt ist mit dem Symbol „O” gekennzeichnet. Das Dreieck begrenzt den Farbbereich, der üblicherweise mit Bildschirmen dargestellt werden kann. Im Diagramm sind die x, y-Farbkoordinaten als Trajektorien dargestellt. Es zeigt sich, dass durch die Variation der Periode ein großer Farbbereich realisiert werden kann.
Die Winkelabhängigkeit der Farben in Transmission werden exemplarisch für die Struktur (c) mit der Periode d = 281 nm demonstriert. 5b zeigt drei Transmissionsspektren bei den Einfallswinkeln Θ = 0°, 15° und 30°. Hier ist charakteristisch, dass beim Kippen keine Verschiebung des Minimums auftritt. Die daraus errechneten Farbwerte der 5b x, y demonstrieren, dass der Farbton durch das Kippen kaum verändert wird, nur die Farbsättigung nimmt für zunehmende Winkel ab. Zusätzlich wurde die Helligkeit L* aus den Farbkoordinaten X, Y, Z berechnet, welche etwa der vom Betrachter wahrgenommenen Intensität entspricht. Die Helligkeit L* beträgt hier etwa 25 und ist nahezu konstant für eine Winkeländerung von 0° bis 30°.
Die Reflexion des Sicherheitselementes 1 zeigt 6a in (nicht normierten) Werten als Funktion der Wellenlänge. Hier zeigt sich, dass sich diese Spektren jeweils ein ausgeprägtes resonantes Maximum enthalten, dessen Position etwa der Position der Minima der Transmissionsspektren entspricht. Diese Spektren wurden ebenfalls in die Farbwerte x, y umgerechnet, welche im CIE-1931-Farbdiagramm von 6b dargestellt sind. Durch das dargestellte Sicherheitselement können rote, gelbe und grüne Farbtöne erzeugt werden. Für blaue bzw. violette Farben (nicht dargestellt) muss eine Gitterperiode der Nanodisk-Arrays < 240 nm gewählt werden.
Die Farbkonstanz bei einer Variation zeigt 7a als spektrale Reflexion des Sicherheitselementes (c) der Tabelle 1 für die Winkel Θ = 0°, 15° und 30°. Die daraus errechneten Farbwerte x, y demonstrieren, dass der Farbton in Reflexion kaum durch die Änderung des Einfallswinkels verändert wird. Jedoch wird die Farbsättigung für zunehmende Winkel Θ schwächer.
Die oben beschriebene geometrieabhängige Farbgebung kann benutzt werden, um farbige Symbole bzw. Bilder zu erzeugen. 8a und b zeigen drei Bereiche mit unterschiedlicher Geometrie (d_R, w_R), (d_G, w_G) und (d_B, w_B) des Musters 6, welche in den Farben Rot, Grün und Blau erscheinen. Diese unterschiedlichen Farben können durch die entsprechende Variation eines oder mehrerer Profilparameter hervorgerufen werden. Die drei Bereiche 11, 12, 13 entsprechen RGB-Subpixeln und bilden zusammen ein Pixel 14. In jedem Bereich 11, 12, 13 sorgt die jeweilige Geometrie dafür, dass die entsprechenden Farben Rot, Grün bzw. Blau bewirkt werden. Gleichzeitig kann durch die Geometriewahl der Anteil der Farbe des jeweiligen RGB-Subpixels im Pixel 14 eingestellt werden. Somit kann dem Pixel 14 eine gewünschte Farbe verliehen werden. Durch die im Pixel 16 bewirkte Farbmischung der Grundfarben durch die Bereiche 11, 12, 13 der RGB-Subpixel werden somit Echtfarbenbilder möglich. Der Vorteil einer solchen Struktur gegenüber einer herkömmlichen Drucktechnik ist, dass eine sehr feine Strukturierung bis in den Mikrometerbereich möglich ist, was insbesondere mit Vergrößerungsanordnungen vorteilhaft ist. Das Sicherheitselement 8a, b gemäß 12 erlaubt Mikrobilder, bei denen sich das Muster lateral ändert, um einen farblichen bzw. einen Intensitätskontrast im Mikrobild zu erzielen. Die hier beschriebene Struktur eignet sich dafür bevorzugt, da ihre optischen Eigenschaften sehr winkeltolerant sind, d. h. ihre Farbe ändert sich kaum bei einer Variation des Einfallswinkels. Diese Eigenschaft ist bei einer Kombination mit Mikrolinsenarrays vorteilhaft, da das von einem Betrachter wahrgenommene Licht aus unterschiedlichen Lichtpfaden, welche verschiedene Einfallswinkel haben, stammt.
Die Intensität in den einzelnen Farbpixel kann über die Flächenverhältnisse der Nanodisk-Arrays zu umgebenden, unstrukturierten Bereichen eingestellt werden. Die unstrukturierten Bereiche sind entweder komplett metallisiert oder vollkommen transparent und erscheinen farbneutral. Diese laterale Anordnung eines mit einem Nanodisk-Array gefüllten Bereichs in der Umgebung eines unstrukturierten Bereiches kann auch zur Ausgestaltung eines Motivs vor einem farbneutralen Hintergrund dienen.
9 zeigt nebeneinander verschiedene Muster 6 der Nanodisks, welche orthogonal oder hexagonal angeordnet sind. Dabei können die einzelnen Nanodisks unterschiedliche Geometrien wie Quadrate, Rechtecke, Kreise, Ellipsen oder Dreiecke besitzen. Durch eine solche laterale Variation der Anordnung kann auch eine Variation in der Farbe erzeugt werden. Neben der hexagonalen Anordnung sind auch weitere Anordnungen wie oktagonale Anordnungen möglich, wie in 9 veranschaulicht.
Das Sicherheitselement 1 kann mit anderen Prägestrukturen wie Hologrammen, Mikrospiegelanordnungen und bekannten Subwellenlängenstrukturen zur Herstellung von Sicherheitsmerkmalen kombiniert werden. Dies erhöht einerseits die Fälschungssicherheit solcher Merkmale. Außerdem können Sichermerkmale durch die farbliche Attraktivität der hier beschriebenen Nanodisk-Arrays optisch aufgewertet werden. Die hier beschriebenen Nanodisk-Arrays eignen sich besonders für Durchsichtselemente, da sie Farben in Reflexion und in Transmission zeigen. Eine zusätzliche Fälschungssicherheit dieser Struktur bietet die erste Beugungsordnung, welche für Gitterperioden von etwa > 330 nm unter schrägem Einfallswinkel beobachtbar ist.
Das Sicherheitselement 1 kann dadurch hergestellt werden, dass ein Dielektrikum mit zweidimensional periodisch angeordneten Vertiefungen gemäß dem Muster 6 senkrecht mit hochbrechendem Material, z. B. einem der genannten Metalle bzw. Metallliegerungen bedampft wird. Dann entsteht eine Beschichtung mit Löchern an der oberen Ebene. Zudem sind die Böden der periodisch angeordneten Vertiefungen hochbrechend überzogen und bilden das Nanodisk-Array, d. h. das Muster 6 der Flächenelemente 3. Die oben liegende metallische Lochstruktur kann dann durch bekannte Verfahren entfernt werden, so dass das Muster 6 der Flächenelemente 3 in den Vertiefungen verbleibt. Ein derart behandelter Träger kann anschließend in ein Dielektrikum eingebettet oder mit einer Deckfolie kaschiert werden. Bevorzugt wird hierzu ein Fotopolymer verwendet, das möglichst denselben Brechungsindex, idealerweise sogar denselben Brechungsindex wie das Trägermaterial besitzt, in welches die Vertiefungen geprägt wurden.
Die 10a und 10b zeigen zwei verschiedene Stufen während dieses Herstellverfahrens. 10a zeigt den Träger 15, in den die Vertiefungen 16 in der Anordnung gemäß dem Muster 6 eingebracht wurden, beispielsweise durch einen Prägeprozess in ein prägbares Medium des Trägers 15, beispielsweise einen Prägelack, der Bestandteil des Trägers 15 ist. Anschließend wurde die Beschichtung 17 aufgebracht, die in 10a schraffiert eingetragen ist. 10b zeigt den darauffolgenden Zustand nach dem Entfernen der Beschichtung 17 an der Oberseite 18 des Trägers 15, d. h. an allen Abschnitten außer den Vertiefungen 16. Die hochbrechende Beschichtung, beispielsweise Metallisierung, verbleibt damit ausschließlich in den Vertiefungen 16 und bildet die Flächenelemente 3. Die Oberseite 18 ist hingegen nun ohne Beschichtung 17.
Das Original für die Herstellung eines Prägewerkzeugs, das im Prägeprozess gemäß 10a und 10b verwendet wird, kann beispielsweise photolithographisch hergestellt werden. Dies kann mit Hilfe einer e-Beam Anlage, Focused Ion Beam oder durch Interferenzlithographie erfolgen. Die in Photolack geschriebene Struktur wird anschließend entwickelt und dabei der Photolack bereichsweise entfernt. Die entstandene Struktur wir dann bevorzugt in einen Quarzwafer geätzt, so dass möglichst senkrechte Flanken des Profils ausgebildet werden. Die Quarzmaske kann nun z. B. in Ormocer umkopiert oder durch galvanische Abformungen repliziert werden. Es ist ebenso eine direkte Abformung des photolithographisch hergestellten Originals in Ormocer bzw. in Nickel in einem galvanischen Verfahren denkbar. Zur Herstellung eines Prägezylinders muss die Originalstruktur vielfach auf einer Ebene aneinandergefügt und schließlich galvanisch abgeformt werden. Diese Galvanikabformung kann dann auf einen Zylinder aufgespannt und als Prägezylinder verwendet werden. Ausgehend von einem solchen Prägemaster kann die Struktur nun in UV-Lack auf Folie, z. B. PET-Folie, repliziert werden. Die so strukturierten Folien werden dann unter Hochvakuum mit der gewünschten Beschichtung gerichtet bedampft. So dass sich die Kombination eines Nanodisk-Arrays und eines Nanohole-Arrays ausbildet (siehe 10a), von der die Beschichtung 17 mit den Nanohole-Arrays wieder entfernt wird.
Das Erzeugen der Subwellengitterstruktur der Flächenelemente 3 gemäß dem Muster 6 ist auch mit einem Transferverfahren möglich. Dazu wird ein Zwischenträger 19 so geprägt, dass er Erhöhungen 20 hat, die gemäß dem Muster 6 angeordnet sind. Der Prägeprozess entspricht im Wesentlichen dem, wie er anhand der 10a und 10b beschrieben wurde, jedoch ist das Prägewerkzeug für diese Herstellungstechnik negativ zu dem der 10a und 10b ausgebildet. Der derart geprägte Zwischenträger 19 wird dann mit der Beschichtung 17 versehen, so dass im Ergebnis auch auf den Erhöhungen 20 eine Beschichtung verbleibt. Diese Beschichtung wird dann mit einem Metalltransferverfahren, wie es beispielsweise aus der DE 10 2012 018 774 A1 oder DE 10 2013 005 839 A1 bekannt ist, auf den Träger 15 übertragen, gegebenenfalls durch Verwendung einer Zwischenübertragung auf einen weiteren temporären Träger. Der derart mit dem Muster 6 der Flächenelemente 3 versehene Träger 15 wird dann mit einem Dielektrikum in Form der Deckschicht 5 beschichtet oder kaschiert.
Ein weiteres Herstellverfahren (nicht in den Figuren gezeigt) sieht direkt eine Strukturierung einer Metallschicht 17 auf dem noch ebenen Träger 5 vor, beispielsweise durch einen photolithographischen Ätzprozess oder Ablation mit Laserbestrahlung.
Das erfindungsgemäße Sicherheitselement kann mit weiteren Sicherheitselementen kombiniert werden. Ein Beispiel hierfür zeigt die 12, die einen Bereich II vorsieht, in dem das erfindungsgemäße Sicherheitselement 1 ausgebildet ist sowie einen Bereich II mit einem weiteren Sicherheitselement 21, das beispielsweise der Bauweise gemäß WO 2012/156049 A1 entspricht. Dies kann beispielsweise besonders einfach dadurch gefertigt werden, dass im Bereich II die Beschichtung 17 beim Herstellverfahren gemäß 10a, 10b nicht entfernt wird. Die Bereiche I und II bzw. die Sicherheitselemente 21 und 1 zeigen dann unterschiedliche Farben bei ansonsten gleicher Geometrie des Musters 6. Insbesondere erscheinen die Vorder- und Rückseite des Bereichs I unterschiedlich in Reflexion, während die Reflexion der Vorder- und Rückseite des Bereichs II identisch ist.
Selbstverständlich ist in vorstehender Beschreibung der Begriff „über” bzw. „unter” lediglich exemplarisch und auf die Darstellung in den Zeichnungen bezogen zu verstehen. Natürlich kann der Aufbau auch dahingehend invertiert werden.
Bezugszeichenliste

1, 21: Sicherheitselement
2: Träger
3: Flächenelement
4: Lücke
5: Deckschicht
6: Muster
7: Grundebene
8, 9, 10: Schicht
11, 12, 13: Bereich
14: Pixel
15: Träger
16: Vertiefung
17: Beschichtung
18: Oberseite
19: Zwischenträger
20: Erhöhungen
I, II: Bereich
t: Beschichtungsdicke
w₁: Breite
w₂: Tiefe
d: Periode
E: einfallende Strahlung
R: reflektierte Strahlung
T: transmittierte Strahlung
OA: optische Achse
Θ: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/156049 A1 [0003, 0008, 0050]
WO 2012/0156049 A1 [0015]
DE 102012018774 A1 [0048]
DE 102013005839 A1 [0048]

Claims

Sicherheitselement für ein Wertdokument, wobei das Sicherheitselement (1) ein zweidimensional regelmäßiges Muster (6) aus einzelnen zylindrischen Flächenelementen (3) aus hochbrechendem, insbesondere metallischem Material aufweist, die in einer Gitterebene (7) liegen, durch Lücken (4) voneinander beabstandet sind und allseitig in ein Dielektrikum (2, 5) eingebettet sind, wobei das regelmäßige Muster (6) in mindestens zwei Richtungen, die parallel zur Gitterebene verlaufen, eine Periodizität (d) von 100 nm bis 800 nm, bevorzugt von 200 nm bis 500 nm hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Lücken (4) zwischen den Flächenelementen (3) in einem Bereich von mindestens 1 μm senkrecht zur Gitterebene (7) ebenfalls nur Dielektrikum (2, 5) aufweisen.
Sicherheitselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lücken (4) zwischen den Flächenelementen (3), senkrecht zur Gitterebene (7) gesehen nicht von hochbrechendem Material überdeckt sind.
Sicherheitselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenelemente (9) ein Material umfassen, das enthält: Al, Ag, Cu, Cr, Si, Zn, Ti, Pt, Pd, Ta und eine Legierung daraus.
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (2, 5) eine Brechzahl zwischen 1,4 und 1,6 hat.
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das regelmäßige Muster (6) der Flächenelemente (3) einen Flächenfüllfaktor von 0,15 bis 0,85, bevorzugt von 0,35 bis 0,8 hat.
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen farbiger Bildinformation mindestens einer der folgenden Parameter des Musters (6) lokal variiert: Flächenfüllfaktor, die Periode (d), Abmessungen der Flächenelemente (3) und das hochbrechende Material der Flächenelemente (3).
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenelemente (3) einen Mehrschichtaufbau (8, 9, 10) haben, insbesondere als Color-Shift-Schichtsystem.
Noch nicht umlauffähige Vorstufe zu einem Wertdokument mit einem Sicherheitselement (1) nach einem der obigen Ansprüche.
Vorstufe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitselement (1) transparente Bereiche oder Ausnehmungen überspannt.
Verfahren zum Herstellen eines Sicherheitselements (1) für ein Wertdokument, wobei ein zweidimensional regelmäßiges Muster (6) aus einzelnen zylindrischen Flächenelementen (3) aus hochbrechendem, insbesondere metallischem Material ausgebildet wird, die in einer Gitterebene (3) liegen, durch Lücken (4) voneinander beabstandet sind und allseitig in ein Dielektrikum (2, 5) eingebettet sind, wobei das regelmäßige Muster (6) in mindestens zwei Richtungen, die parallel zur Gitterebene (7) verlaufen, eine Periodizität (d) von 100 nm bis 800 nm, bevorzugt von 200 nm bis 500 nm hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Lücken (4) zwischen den Flächenelementen (3) in einem Bereich von mindestens 1 um senkrecht zur Gitterebene (7) ebenfalls nur ein Dielektrikum (2, 5) aufweisen, insbesondere senkrecht zur Gitterebene (7) gesehen nicht von hochbrechendem Material überdeckt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sicherheitselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem das Dielektrikum aufweisenden Träger (R) Vertiefungen (16) ausgebildet, insbesondere geprägt, werden, die gemäß dem regelmäßiger Muster (6) angeordnet sind und die Geometrie der Flächenelemente (35) haben, dass der Träger (R) mit dem hochbrechenden Material der Flächenelemente (3) beschichtet wird, dass die Beschichtung (17) außerhalb der Vertiefungen (16) wieder abgetragen wird und dass dann der Träger (R) und die Flächenelemente (3) mit einer das Dielektrikum aufweisenden Deckschicht überdeckt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Zwischenträger (19) Erhöhungen (20) ausgebildet werden, die gemäß dem regelmäßiger Muster (6) angeordnet sind und in Draufsicht die Geometrie der Flächenelemente (3) haben, dass der Zwischenträger (9) mit dem hochbrechenden Material der Flächenelemente (3) beschichtet wird, dass erhabene Teile der Beschichtung (17) in einem Kontakttransferschritt auf einen das Dielektrikum aufweisenden Träger (R) übertragen werden und dass der Träger (R) und die Flächenelemente (3) mit einer das Dielektrikum aufweisenden Deckschicht überdeckt werden.