Thin film-based optically variable security devices: From passive to active

RÉSUMÉ: La contrefaçon coûte des milliards de dollars à l'économie mondiale chaque année. Mis à part ces pertes financières, la contrefaçon constitue également une grande menace pour la sécurité du public, entre autre à travers l'existence de faux passeports (terrorisme), de produits pharmaceutiques d'origines incertaines (risques pour la santé) et même de pièces d'avion contrefaites (fiabilité). Les dispositifs de sécurité optiques jouent ainsi un rôle crucial dans la lutte contre la contrefaçon. Les dispositifs optiques tels que ceux basés sur l'interférence de la lumière, introduits dans les années 1980, ont depuis longtemps démontré leur efficacité ; efficacité qui est le résultat de la facilité avec laquelle peut être observé leur changement de couleur angulaire ainsi que le coût relativement élevé de l'´equipement nécessaire à leur production. Malheureusement, de nos jours, en raison de l'apparition de produits de consommation iridescents, tel le papier d'emballage à base de polymères coextrudés, les dispositifs basés sur l'interférence devront être mis à jour. Le but de la présente thèse est donc de démontrer que, grâce à l'utilisation du métaméerisme et de matériaux électrochromiques, de nouveaux types de dispositifs de sécurité actifs présentant des caractéristiques intéressantes peuvent être créés ; en effet, la plupart des dispositifs actuels sont de nature passive. Il est également important d'ajouter que, bien que ces dispositifs soient plus complexes à fabriquer et donc difficiles à contrefaire, ceux-ci restent simples à authentifier. Je d´emontre tout d'abord, que l'ajout du métamérisme dans la conception de filtres interférentiels permet de générer des dispositifs possédant de nouvelles fonctionnalités. Plusieurs structures diff´erentes, qui peuvent être utilisées soit en transmission ou en réflexion, sont ainsi conçues, fabriquées, et évaluées. La première structure qui est présentée est basée sur la combinaison de deux filtres interférentiels métamériques. Possédant des spectres de transmission très différents, ces deux filtres possèdent également différents parcours colorimétriques en fonction de l'angle d'observation, ce qui, par conséquent, rend possible la création d'un effet d'image cachée. En dépit de leurs propriétés intéressantes, ces dispositifs métamériques sont révélés comme étant très sensibles aux changements d'illuminants et d'observateurs; i.e. que le pairage de couleur est perdu dans la plupart des conditions d'observation. Ces problèmes sont résolus par l'implémentation d'une structure plus simple bas´ee sur la juxtaposition d'un filtre interférentiel et d'un matériau coloré non-iridescent. Dans ce cas particulier, en concevant un filtre reproduisant fidèlement le spectre du matériau non-iridescent, la sensibilité du dispositif aux changements de sources de lumière et d'observateurs est minimisée. Puisque seulement le filtre interférentiel change de couleur en fonction de l'angle d'observation, un effet d'image cachée est encore une fois possible. La présence d'un effet d'image cachée ainsi ABSTRACT: Counterfeiting costs the world economy billions of dollars every year. Aside from financial losses, counterfeiting also poses a great threat to the public's safety, for example through the existence of counterfeit passports (terrorism), pharmaceutical products (health hazards) and even airplane parts (safety issues). Optical security devices (OSDs) have therefore played a critical role in the fight against counterfeiting. OSDs, such as those based on interference introduced in the 1980s, have clearly proven their efficiency; this high efficiency being the result of the facility with which the color shift can be observed as a function of the observation angle as well as the relatively high cost of the production equipment. On the other hand, nowadays, due to the appearance of iridescent consumer products such as coextruded polymer “wrapping paper”, interference-based devices will need to be “upgraded”. It is the aim of the present thesis to show that through the use of metamerism and electrochromic materials, new types of active security devices with interesting features can be created; indeed, most present-day devices are passive in nature. It is also important to add, that although these devices are more complex to fabricate and therefore difficult to counterfeit, they do remain simple to authenticate for the man on the street. I first demonstrate that the addition of metamerism in the design of interference filters can result in innovative features. Different structures which can be used in transmission and/or in reflection are designed, fabricated, and evaluated. The first structures which are presented here are based on a combination of two different metameric interference filters. Possessing widely different transmission spectra, these filters also offer different angular color shifts and, as a result, offer an opportunity of creating hidden image effects. Despite their interesting properties, such metameric devices are shown to be highly illuminant and observer sensitive; that is the color match is lost under most observation conditions. These issues are solved by a simpler structure based on the juxtaposition of an interference filter and a non-iridescent colored material. In this case, by closely matching the transmission or reflection spectra of both elements, the sensitivity of the device to changes in light sources and observers is minimized. Since only the interference filter will change color as a function of the observation angle, a hidden image effect is yet again possible. The presence of the hidden image, as well as of the non-iridescent material, which serves as a color reference, facilitates the user's authentication process as well as automated detection by using a laser at a specific angle. Throughout this study, I present the design approach, analyze the filters' sensitivity to deposition errors, and evaluate the performance of prototype devices prepared by dual ion beam sputtering.

Topic: Photonic and Optical Devices
Subfield: Electrical and Electronic Engineering
Field: Engineering
Domain: Physical Sciences