ЗАЩИТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ В ВИДЕ МНОГОСЛОЙНОГО ПЛЕНОЧНОГО ТЕЛА
PROTECTIVE ELEMENT IN FORM OF MULTILAYER FILM BODY

Изобретение относится к защитному элементу в виде многослойного пленочного тела, которое содержит реплицирующий лаковый и тонкопленочный слои для создания зависимого от угла зрения эффекта цветового смещения посредством интерференции и у которого в граничной поверхности между реплицирующим лаковым и тонкопленочным слоями отформована рельефная структура. Изобретение относится далее к защищенному документу с таким защитным элементом и к способу изготовления такого защитного элемента.
Оптически изменяющиеся защитные элементы часто используются для того, чтобы затруднить и, если возможно, предотвратить копирование и подделку документов или изделий. Так, оптически изменяющиеся защитные элементы часто используют в защищенных документах, банкнотах, кредитных картах, денежных картах и т.п. При этом известно, что оптически изменяющийся элемент снабжают тонкой пленкой, создающей зависимые от угла зрения эффекты цветового смещения посредством интерференции.
Например, в Международной публикации WO 01/03945 А1 описано защищенное изделие, содержащее прозрачную подложку, на одну сторону которой нанесена тонкая пленка, создающая наблюдаемый цветовой сдвиг в зависимости от угла зрения наблюдателя этого эффекта. Тонкая пленка состоит при этом из поглощающего слоя, нанесенного на прозрачную подложку, и диэлектрического слоя, нанесенного на поглощающий слой. Поглощающий слой содержит материал, состоящий из одного из следующих материалов или комбинации этих материалов: хром, никель, палладий, титан, кобальт, железо, вольфрам, молибден, оксид железа или углерод. Диэлектрический слой состоит из одного из следующих материалов или комбинации следующих материалов: оксид кремния, оксид алюминия, фторид магния, фторид алюминия, фторид бария, фторид кальция или фторид лития.
Для повышения степени защиты от копирования на противоположную сторону прозрачной подложки нанесена дифракционная картина. Эта дифракционная картина действует как дифракционная решетка, так что этот двухмерный узор (картина) позволяет вызвать у наблюдателя, например, иллюзию трехмерного изображения посредством двумерной решетки.
Далее предложено тиснение дифракционного узора на той стороне прозрачной подложки, на которую нанесена также тонкая пленка.
Благодаря этим обоим вариантам выполнения оптически изменяющегося защитного элемента достигается то, что в любом месте оптически изменяющегося элемента происходит наложение оптических эффектов, созданных тонкопленочным слоем, и оптических эффектов, созданных дифракционным узором, и, тем самым, возникает, в целом, состоящий из этих обоих эффектов оптический эффект, т.е., например, наложение эффекта цветового сдвига и голограммы.
Далее в Международной публикации WO 02/00445 А1 описан состоящий из совокупности расположенных друг над другом слоев оптически изменяющийся защитный элемент, содержащий тонкую пленку, которая создает уже описанный выше оптический эффект зависимого от угла зрения изменения цвета. Оптически изменяющийся защитный элемент содержит далее реплицирующий слой, в котором вытиснена рельефная структура. Эта рельефная структура создает дополнительный оптический эффект, а именно уже упомянутый эффект дифракции, позволяющий изображать голограммы и т.п. Технологически при этом сначала на реплицирующий слой наносят тонкопленочный слой, а затем тиснят рельефную структуру.
Для устранения связи между созданными тонкой пленкой и рельефной структурой оптическими эффектами предложены два способа: во-первых, предложено нанести матовый слой между рельефной структурой, создающей посредством дифракции голографическое изображение, и тонкой пленкой, создающей изменение цвета. С помощью этого матового слоя экранируют рельефную структуру от тонкопленочной структуры. Вторая возможность состоит в том, чтобы между рельефной структурой, создающей за счет дифракции голографическое изображение, и тонкой пленкой расположить два или более слоев, по существу, прозрачной среды. Эти слои могут включать в себя один или несколько высокопреломляющих слоев и адгезивный слой. С помощью этих слоев повышают отражение и, тем самым, силу света в зоне рельефной структуры, формирующей голографическое изображение, в результате чего голографическое изображение выделяется относительно эффекта цветового сдвига тонкой пленки.
В основе изобретения лежит задача усовершенствования изготовления оптически изменяющегося защитного элемента, содержащего тонкую пленку для создания зависимого от угла зрения эффекта цветового сдвига посредством интерференции, и создания улучшенного оптического защитного элемента с таким тонкопленочным слоем.
Эта задача решается посредством защитного элемента в виде многослойного пленочного тела, которое содержит реплицирующий лаковый и тонкопленочный слои для создания зависимого от угла зрения эффекта цветового сдвига посредством интерференции и у которого в граничной поверхности между реплицирующим лаковым и тонкопленочным слоями на первом участке защитного элемента отформована первая рельефная структура, причем первая рельефная структура предназначена для подавления создания эффекта цветового сдвига тонкопленочным слоем, так что на первом участке защитного элемента, на котором предусмотрена первая рельефная структура, эффект цветового сдвига не возникает, а на втором участке защитного элемента, на котором первая рельефная структура не предусмотрена, возникает созданный тонкопленочным слоем эффект цветового сдвига.
Поставленная задача решается далее посредством способа изготовления защитного элемента в виде многослойного пленочного тела, при котором в реплицирующем лаковом слое многослойного пленочного тела на первом участке защитного элемента отформовывают первую рельефную структуру и на реплицирующий лаковый слой наносят тонкопленочный слой для создания зависимого от угла зрения эффекта цветового сдвига посредством интерференции, причем в качестве первой рельефной структуры на первом участке защитного элемента отформовывают рельефную структуру, которая подавляет создание эффекта цветового сдвига тонкопленочным слоем, так что на первом участке защитного элемента, на котором предусмотрена первая рельефная структура, эффект цветового сдвига не возникает, а на втором участке защитного элемента, на котором первая рельефная структура не предусмотрена, возникает созданный тонкопленочным слоем эффект цветового сдвига. Поставленная задача решается далее посредством способа изготовления защитного элемента в виде многослойного пленочного тела, при котором в реплицирующем лаковом слое многослойного пленочного тела на первом участке защитного элемента отформовывают первую рельефную структуру и на реплицирующий лаковый слой наносят тонкопленочный слой для создания зависимого от угла зрения эффекта цветового сдвига посредством интерференции, причем в качестве первой рельефной структуры на первом участке защитного элемента отформовывают рельефную структуру, которая изменяет созданный тонкопленочным слоем эффект цветового сдвига, так что на первом участке защитного элемента, на котором предусмотрена первая рельефная структура, тонкопленочный слой создает первый эффект цветового сдвига, а на втором участке защитного элемента, на котором первая рельефная структура не предусмотрена, тонкопленочный слой создает второй эффект цветового сдвига, отличающийся от первого эффекта цветового сдвига.
Тонкопленочные слои принципиально отличаются структурой интерференционного слоя (выполнение λ/2- или λ/4-условия), которая создает зависимые от угла зрения цветовые сдвиги. Тонкопленочный слой может быть выполнен при этом в виде отражающего или пропускающего элемента. Тонкопленочный слой может принципиально состоять из единственного слоя с очень высоким показателем преломления (λ/2- или λ/4-слой), трех или более диэлектрических слоев с чередующимися высоким и низким показателями преломления или двух или более чередующихся металлических и диэлектрических слоев. Тонкопленочный слой содержит, например, металлический поглощающий слой (преимущественно 30-65% пропускания), прозрачный разделительный слой в качестве создающего изменение цвета слоя (λ/2- или λ/4-слой), металлический слой в качестве отражающего слоя (отражающий элемент) или оптический прозрачный слой (пропускающий элемент).
Собственно говоря, λ/2- или λ/4-условие исходит при этом из того, что λ обозначает длину волны в тонкой пленке, так что показатель преломления тонкой пленки важен для выполнения этого условия). В случае отражения (λ/4-условие) для вертикально падающего света возникает конструктивная интерференция света на тонкопленочном слое, если толщина тонкопленочного слоя составляет 1/4, 1/3, … длины λ волны света в тонкой пленке, в общем, если
0
При этом λ обозначает длину волны в воздухе, а λ - длину волны в тонкой пленке, имеющей показатель преломления n.
Далее возможно, чтобы показатель преломления тонкой пленки был не постоянным, а более комплексным (например, зависимым от длины волны), а промежуточные слои имели соответствующие свойственные им цвета, которые не изменяются в зависимости от угла зрения и могут накладываться на созданный интерференцией эффект цветового сдвига.
Для света, падающего не перпендикулярно плоскости тонкой пленки, справедливо
При этом θ обозначает угол падения света. При соответствующем выборе толщины тонкой пленки возникает уже упомянутый выше, зависимый от угла зрения эффект цветового сдвига.
В основе изобретения лежит идея, заключающаяся в том, чтобы посредством отформовывания подходящей рельефной структуры в граничном слое между реплицирующим лаковым и тонкопленочным слоями подавить создание эффекта цветового сдвига тонкопленочным слоем в зоне этой рельефной структуры и, тем самым, создать возможность высокорентабельного, экологичного и точного узорчатого структурирования эффекта цветового сдвига в виде картины (узора).
Благодаря изобретению, во-первых, удешевляется изготовление защитных элементов, у которых созданный тонкопленочным слоем эффект цветового сдвига должен быть предусмотрен не на всей поверхности, а только в области узора или в фоновой области. Благодаря изобретению при изготовлении подобных защитных элементов отпадают дорогостоящие и загрязняющие окружающую среду этапы процесса. Так, отпадают, например, необходимые для частичного формирования тонкопленочного слоя процессы печати, травления и удаления.
Далее обнаружено, что благодаря изобретению достигаются очень высокий уровень разрешения и, тем самым, могут быть реализованы области узора с очень тонкими контурами. Способом, согласно изобретению, достигаются уровни разрешения, которые в 1000 раз лучше уровней разрешений, достигаемых другими способами (например, при ширине структурных элементов первой рельефной структуры, лежащей в диапазоне длины волны, а также ниже длины волны видимого света). Таким образом, и в этом отношении достигаются большие преимущества по сравнению с применявшимися до сих пор способами, и благодаря изобретению возможно изготовление защитных элементов с более высокой защитой от копирования и подделки.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения охарактеризованы в прилагаемых пунктах формулы изобретения.
Оказалось, что рельефные структуры, подавляющие создание эффекта цветового сдвига тонкопленочным слоем, отличаются высоким отношением глубина/ширина отдельных структурных элементов рельефной структуры.
Подобные рельефные структуры имеют существенно более эффективную площадь поверхности, чем обычные рельефные структуры, отформованные для создания оптических эффектов в защитных элементах. За счет этого, согласно упрощенной примерной модели, значительно уменьшаются эффективная толщина тонкопленочного слоя и, тем самым, также эффективная толщина создающего изменение цвета разделительного слоя тонкопленочного слоя, так что разделительный слой, будучи обусловлен рельефной структурой, больше не отвечает λ/2- или λ/4-условию. В зоне этой рельефной структуры возникает другой эффект цветового сдвига, или при соответственно сильном уменьшении эффективной толщины разделительного слоя не возникает никакого эффекта цветового сдвига, т.е. не возникает видимого наблюдателем эффекта цветового сдвига. Наблюдатель воспринимает в зоне рельефной структуры другой зависимый от угла зрения эффект цветового сдвига или больше не воспринимает его. Созданный тонкой пленкой эффект цветового сдвига за счет уменьшения эффективной толщины создающего изменение цвета дистанционного слоя подавляется рельефной структурой.
Важным для возникновения этого эффекта является высокое среднее отношение глубина/ширина отдельных структурных элементов рельефной структуры, которое должно быть более 0,5, а также соответственно малое расстояние между структурными элементами, которое должно быть менее 200 мкм, предпочтительно менее 10 мкм (дифракционная рельефная структура). Конкретный выбор отношения глубина/ширина зависит при этом от конкретной рельефной структуры и тонкопленочного слоя, в основном, от толщины создающего изменение цвета разделительного слоя (слоев) и может быть определен экспериментальным или аналитическим путем, как это показано ниже на нескольких примерах.
Исследования показали, что, начиная с отношения глубина/ширина 1, происходит очень сильное уменьшение эффективной толщины слоя, а дифракционные рельефные структуры с отношением глубина/ширина 1-10 особенно хорошо пригодны для того, чтобы в зоне первой рельефной структуры больше не возникал эффект цветового сдвига.
Эти рельефные структуры, как уже сказано, могут быть использованы не только для того, чтобы в зоне рельефной структуры больше не возникал созданный тонкопленочным слоем эффект цветового сдвига, но и для того, чтобы в зоне рельефной структуры возникал другой эффект цветового сдвига, нежели тот, который предварительно задан параметрами рельефной структуры (толщина разделительного слоя). Также можно достичь заметного отличия оптического впечатления на первом участке от оптического впечатления на втором участке, на котором рельефная структура не предусмотрена. Так, например, на первом участке проявляется зависимый от угла зрения эффект цветового сдвига с зеленого на синий, а на втором участке - с красного на зеленый.
Этот эффект может быть использован для того, чтобы за счет подходящего структурирования создать некое реальное цветовое изображение, в котором форматное соотношение (отношение глубина/ширина структурных элементов) локально варьируется, так что локально для каждого пикселя реального цветового изображения цвет устанавливается за счет выбора форматного соотношения. Так, например, глубину рельефной структуры при постоянной частоте решетки можно варьировать согласно предусматриваемому для соответствующего пикселя изображения цвету.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения первый или второй участок образует выполненную в виде логотипа, текста или изображения область узора, а соответственно другой из обоих участков - фоновую область, так что область узора четко выделяется за счет разного действия первых и вторых участков. На втором участке в граничной поверхности отформована предпочтительно вторая рельефная структура, так что на втором участке оптический эффект, созданный второй рельефной структурой, накладывается на оптический эффект, созданный тонкопленочным слоем.
Далее возможно, чтобы по первым и вторым участкам простирался, например, тонкий линейный узор, например гильош. Особое преимущество применения настоящего изобретения заключается при этом в том, что этот тонкий линейный узор может быть особенно филигранным и может находиться в приводке со всеми дифракционными защитными элементами. Например, узорная область имеет V-образую форму, причем фоновая область показывает эффект изменения цвета, а V-образная область не показывает такого эффекта изменения цвета. Далее гильош простирается по узорной и фоновой областям. В V-образной узорной области отформована рельефная структура с высоким отношением глубина/ширина. Рельефная структура с низким отношением глубина/ширина, предпочтительно менее 0,2, используется для образования линий гильоша, простирающихся как по узорной, так и по фоновой области.
Вторую рельефную структуру образуют предпочтительно посредством структуры дифракционно-оптического действия, например голограммы или кинеграммы. Можно, однако, использовать в качестве рельефной структуры макроструктуру или матовую структуру, создающую соответствующие, оптически изменяющиеся эффекты.
Благодаря применению изобретения здесь можно участки, на которых тонкопленочный слой создает зависимый от угла зрения эффект цветового сдвига, и участки, на которых преимущественно дифракционная структура создает дополнительный оптически изменяющийся эффект, расположить в приводке друг над другом и за счет этого создать защитный признак, в котором происходит наложение обоих описанных выше оптических эффектов с высокой точностью приводки. Подобный защитный признак очень трудно подделать за счет нанесения частичного тонкопленочного слоя на снабженный дифракционной структурой реплицирующий слой, поскольку рассчитанное на дифракционную структуру с точным соблюдением приводки нанесение или удаление тонкопленочного слоя предъявляет очень высокие технологические требования.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения для наблюдателя можно создать непрерывный переход от участка, на котором наблюдателю виден сильный эффект цветового сдвига, к участку, на котором наблюдателю больше не виден эффект цветового сдвига. Для этого по типу полутонового изображения определяют силу локального эффекта цветового сдвига посредством локального «полутона» (серого тона). Локальный «полутон» определяется при этом локальной частью поверхности первой рельефной структуры. Из-за достигаемых благодаря изобретению высоких разрешений можно создавать «изображения с цветовым сдвигом». Создание подобных «изображений с цветовым сдвигом» посредством частичного нанесения тонкопленочного слоя в противоположность этому очень затруднительно и достигается с очень высокими технологическими затратами.
«Уровень серого» «изображения с цветовым сдвигом» определяют при этом предпочтительно посредством соотношения первых растровых участков, на которых отформована первая рельефная структура, и вторых растровых участков, на которых первая рельефная структура не отформована. Размер отдельных растровых участков составляет при этом менее 300 мкм, предпочтительно около 50 мкм.
При этом можно выполнить тонкопленочный слой в виде пропускающего или отражающего тонкопленочного слоя и из совокупности диэлектрических слоев, совокупности диэлектрических и металлических слоев или жемчужно-глянцевого слоя. Далее можно расположить между реплицирующим лаковым и тонкопленочным слоями частичный отражающий слой и создать за счет этого участки, на которых виден, например, только отражающий дифракционно-оптический эффект. Также можно нанести на прозрачный на всей поверхности тонкопленочный слой частичный отражающий слой, создав, таким образом, защитный элемент с пропускающими и отражающими участками. Благодаря этим вариантам или комбинации этих вариантов можно, базируясь на основной идее изобретения, реализовать комплексные и оптически привлекательные защитные элементы.
В качестве рельефной структуры, предназначенной для подавления создания эффекта цветового сдвига тонкопленочным слоем, используют преимущественно дифракционную структуру с высоким отношением глубина/ширина отдельных элементов рельефной структуры. При этом оказалось, что хорошие результаты достигаются прежде всего при отношении глубина/ширина 0,75-5. Возможны также отношения глубина/ширина с коэффициентом 10.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения для рельефной структуры, предназначенной для подавления создания эффекта цветового сдвига тонкопленочным слоем, используют рельефную структуру, у которой глубина изменяется как в направлении х, так и в направлении y, среднее расстояние между соседними возвышенными участками рельефной структуры меньше средней глубины, и соседние возвышенные участки рельефной структуры удалены друг от друга менее чем на 200 мкм и, тем самым, лежат ниже разрешающей способности человеческого глаза. Подобные структуры могут представлять собой также структуры со стохастическим поверхностным профилем, отвечающие названным условиям. Подобные структуры могут быть особенно хорошо реализованы способом УФ-реплицирования.
Предпочтительно в качестве подобных рельефных структур используют, однако, рельефные структуры, являющиеся периодической функцией координат х и y, у которых глубина периодически изменяется как в направлении х, так и в направлении y, а длина периода в направлениях х и y меньше или равна глубине. В одном предпочтительном варианте выполнения подобная рельефная структура состоит из составленной из двух расположенных, в основном, под прямым углом друг к другу базовых решеток крестообразной решетки, у которой длина периода базовых решеток меньше или равна глубине первой рельефной структуры.
Особенно хорошие результаты достигаются у описанных выше рельефных структур тогда, когда среднее расстояние между соседними возвышенными участками или, по меньшей мере, одна из длин периодов короче граничной длины волны видимого света.
Далее оказалось, что особенно хорошие результаты достигаются тогда, когда тонкопленочный слой наносят на реплицирующий лаковый слой посредством катодного распыления или термонапыления после отформовывания описанных выше рельефных структур. Тонкопленочный слой наносят на первом и втором участках одинаково и, тем самым, с одинаковой номинальной поверхностной плотностью.
Защитный элемент, согласно изобретению, используют преимущественно для защиты банкнот, кредитных карт, денежных карт, документов или изделий. Защитный элемент реализуют при этом предпочтительно многослойным пленочным телом, которое образует переводную пленку, в частности пленку горячего тиснения, или ламинирующую пленку.
Ниже изобретение поясняется на нескольких примерах его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображают:
- фиг.1: схематично защитный элемент, согласно изобретению;
- фиг.2: схематично защищенный документ с защитным элементом, согласно изобретению;
- фиг.3: графическое изображение функции ε = f(h, d);
- фиг.4: схематичный вид в разрезе рельефной структуры с высоким отношением глубина/ширина;
- фиг.5а-5d: схематичные виды в разрезе рельефных структур с разными отношениями глубина/ширина;
- фиг.6: графическое изображение зависимости степени отражения тонкопленочного слоя в одном варианте выполнения от длины волны падающего света и эффективной толщины;
- фиг.7: графическое изображение зависимости степени отражения тонкопленочного слоя из фиг.6 от длины волны и угла падения OR-поляризованного света;
- фиг.8а-8с: виды сверху защитного элемента, согласно изобретению;
- фиг.9: схематично рельефную структуру для использования в защитном элементе, согласно изобретению;
- фиг.10: схематично защитный элемент, согласно изобретению, для другого варианта осуществления изобретения;
- фиг.11а, 11b: схематично рельефные структуры, используемые в защитном элементе из фиг.10.
На фиг.1 изображен защитный элемент 11 в виде многослойного пленочного тела, содержащего несущий слой 10, отделяемый слой 20, защитный лаковый слой 21, реплицирующий лаковый слой 22, тонкопленочный слой 23 и адгезивный слой 24.
Защитный элемент 11 представляет собой пленку для тиснения, в частности пленку для горячего тиснения. Можно также выполнить защитный элемент 11 в виде ламинирующей или самоклеящейся пленки.
Несущий слой 10 состоит, например, из ПЭТ- (полиэтилентерефталат) или ПОПП-пленки толщиной 10-50 мкм, преимущественно 19-23 мкм. На несущий слой затем посредством растрированного валика для глубокой печати наносят отделяемый 20 и защитный лаковый 21 слои. Отделяемый 20 и защитный лаковый 21 слои имеют толщину преимущественно 0,2-1,2 мкм. От этих слоев можно также отказаться.
Затем наносят реплицирующий лаковый слой 22.
Реплицирующий лаковый слой 22 состоит преимущественно из радиационно-сшиваемого реплицирующего лака. Предпочтительно для отформовывания рельефных структур 25, 26 в реплицирующем лаковом слое 22 применяют метод УФ-реплицирования. В качестве реплицирующего лака используют при этом УФ-отверждаемый лак. Выполнение рельефных структур 25, 26 в УФ-сшиваемом реплицирующем лаковом слое осуществляют при этом, например, посредством УФ-облучения при отформовывании рельефной структуры в еще мягком или жидком лаковом слое или посредством частичного облучения и отверждения УФ-сшиваемого лакового слоя. Вместо УФ-сшиваемого лака можно использовать также другой радиационно-сшиваемый лак.
Далее возможно также, чтобы реплицирующий лаковый слой 22 состоял из прозрачного термопластичного полимерного материала. В реплицирующем лаковом слое 22 затем посредством инструмента для тиснения тиснят несколько рельефных структур, например 25 и 26.
Толщина, которую следует выбрать для реплицирующего лакового слоя 22, определяется выбранной для рельефных структур 25, 26 глубиной профиля. Должно быть гарантировано, чтобы реплицирующий лаковый слой 22 обладал достаточной толщиной для обеспечения отформовывания рельефных структур 25, 26. Преимущественно реплицирующий лаковый слой 22 имеет толщину 0,3-1,2 мкм.
2
Реплицирующий лаковый слой 22 наносят на защитный лаковый слой 21 перед сушкой, например, посредством растрированного валика для глубокой печати на всей поверхности с наносимой массой 2,2 г/м. В качестве реплицирующего слоя выбирают лак следующего состава:
<b>Компонент</b>
<b>Массовая доля</b>
Высокомолекулярная РММА-смола
2000
Не содержащий масла силикон-алкид
300
Неионный смачивающий агент
50
Низковязкая нитроцеллюлоза
12000
Толуол
2000
Диацетоновый спирт
2500
Затем реплицирующий лаковый слой 22 сушат в сушильном канале при температуре 100-120°С.
После этого в реплицирующем лаковом слое 22, например посредством состоящей из никеля матрицы, примерно при 130°С тиснят рельефные структуры 25, 26. Для тиснения рельефных структур 25, 26 матрицу преимущественно электрически нагревают. Перед подъемом матрицы от реплицирующего лакового слоя 22 после тиснения матрица может быть снова охлаждена. После тиснения рельефных структур 25, 26 реплицирующий лак реплицирующего лакового слоя 22 отверждается посредством сшивания или иным образом.
Далее можно также выполнить рельефные структуры 25, 26 в реплицирующем лаковом слое 22 абляционным методом.
Рельефные структуры 25, 26 представляют собой при этом рельефные структуры, которые подавляют создание эффекта цветового сдвига тонкопленочным слоем 23.
Структуры, обладающие этим действием, имеют высокое отношение глубина/ширина отдельных структурных элементов рельефной структуры и, тем самым, во много крат более высокую эффективную поверхность, чем обычные рельефные структуры, отформованные для создания оптических эффектов в защитных элементах.
За счет этого, согласно упрощенной примерной модели, значительно уменьшаются эффективная толщина тонкопленочного слоя и, тем самым, также эффективная толщина создающего изменение цвета разделительного слоя тонкопленочного слоя, так что возникает другой эффект цветового сдвига - или при соответственно сильном уменьшении эффективной толщины дистанционного слоя - больше не возникает никакого эффекта цветового сдвига, поскольку разделительный слой, будучи обусловлен рельефной структурой, больше не отвечает λ/2- или λ/4-условию. Это значит, что наблюдатель воспринимает в зоне рельефной структуры другой эффект цветового сдвига или больше не воспринимает никакого зависимого от угла зрения эффекта цветового сдвига. Созданный тонкой пленкой эффект цветового сдвига подавляется рельефной структурой на основе уменьшения эффективной локальной толщины создающего изменение цвета разделительного слоя.
Существенным для возникновения этого эффекта является высокое среднее отношение глубина/ширина отдельных структурных элементов рельефной структуры, которое должно быть более 0,5, а также соответственно небольшое расстояние между структурными элементами, которое должно быть менее 200 мкм, предпочтительно менее 10 мкм (дифракционная рельефная структура). Конкретный выбор отношения глубина/ширина зависит при этом от конкретной рельефной структуры и тонкопленочного слоя, в основном, от толщины создающего изменение цвета разделительного слоя (слоев) и может быть определен экспериментальным или аналитическим путем, как это показывают следующие примеры.
Для надежного подавления создания эффекта цветового сдвига тонкопленочным слоем предпочтительно, что рельефные структуры 25, 26 представляют собой не простую решетку, у которой глубина рельефной структуры периодически изменяется в одном направлении, а глубина рельефной структуры варьируется в двух направлениях, например в направлении двух разных векторов, определяющих граничные поверхности между реплицирующим лаковым 22 и тонкопленочным 23 слоями. Также за счет этого возникающая эффективная поверхность рельефных структур 25, 26 значительно увеличивается по сравнению с обычными, используемыми для создания оптических эффектов рельефными структурами.
Далее оказалось, что также линейные решетки позволяют достичь значительного увеличения эффективной поверхности рельефных структур и, тем самым, хороших результатов. Эффективная поверхность S на участке R, структурная глубина которого определяется функцией z = f (x, y), может быть описана следующим уравнением:
Крестообразная решетка с периодом d и глубиной h профиля может быть описана, например, следующей функцией:
Если периоды x и y идентичны, то из этого возникают следующие производные:
Эффективная поверхность определяется, таким образом, следующим уравнением:
Это уравнение нельзя решить простым аналитическим путем. В результате числового решения этого уравнения было, однако, неожиданно обнаружено, что коэффициент ε, который указывает, каким образом эффективная поверхность изменяется в зависимости от отношения глубина/ширина, значительно повышается, если отношение глубина/ширина h/d > 1.
За счет рельефной структуры на толщину t по отношению к номинальной толщине
0
t (толщина на «плоских» участках) отношение ε толщины или его обратное значение, коэффициент 1/ε уменьшения толщины, оказывает влияние следующим образом:
В таблице 1 как для отношения ε толщины, так и для коэффициента 1/ε уменьшения толщины крестообразной решетки приведены числовые значения отношения глубина/ширина 0<h/d≤5.
0
0
0
Например, если h=2d, это означает, что глубина профиля равна двум периодам решетки, и эффективная поверхность увеличивается на коэффициент ε=3,5. Эффективная толщина t уменьшается на коэффициент уменьшения толщины 1/ε=1/3,5 до 28% от номинальной толщины t. В случае рельефной структуры с отношением глубина/ширина, равным 2, эффективная толщина тонкопленочного слоя составляет t/ε=03 t, другими словами толщина тонкопленочного слоя является только третьей частью толщины тонкопленочного слоя на плоском участке.
<b>Отношение глубина/ширина (h/d)</b>
<b>Коэффициент толщины (ε)</b>
<b>Коэффициент уменьшения толщины (1/ε)</b>
0
1,00
1,00
0,5
1,36
0,74
1,0
2,02
0,50
1,5
2,75
0,36
2,0
3,52
0,28
2,5
4,30
0,23
3,0
5,09
0,20
3,5
5,88
0,17
4,0
6,68
0,15
4,5
7,47
0,13
5,0
8,28
0,12
На фиг.3 в графическом виде изображены числовые значения из таблицы 1 и зависимость отношения ε толщины от отношения глубина/ширина h/d.
0
На фиг.4 в схематичном разрезе изображен слой 230 с участками 310, 320 с разными рельефными структурами, снабженными тонкопленочным слоем 230s. Тонкопленочный слой имеет на плоских участках 320, выполненных с гладкой поверхностью, номинальную толщину t, а на участке 310, выполненном с высоким отношением глубина/ширина, - меньшую толщину t.
0
На фиг.5а-5d схематично изображено влияние отношения глубина/ширина на эффективную локальную толщину t. Рельефная структура слоя 230 имеет при переменной глубине h постоянную ширину d=350нм. Тонкопленочный слой 230s выполнен с номинальной толщиной t=40 нм.
0
На фиг.5а слой 230 выполнен гладким. Тонкопленочный слой 230s имеет поэтому максимальную толщину, а именно номинальную толщину t=40 нм.
0
На фиг.5b изображен слой 230 с рельефной структурой, глубина h которой составляет 100 нм. Отношение глубина/ширина h/d=0,29. Речь при этом идет о рельефной структуре с низким отношением глубина/ширина. Образованная на боковых сторонах рельефной структуры толщина тонкопленочного слоя 230d лишь незначительно меньше номинальной толщины t.
0
На фиг.5с изображен слой 230 с рельефной структурой, глубина h которой составляет 400 нм, т.е. она в четыре раза больше глубины рельефной структуры изображенной на фиг.5b. Отношение глубина/ширина h/d=1,14. Образованная на боковых сторонах рельефной структуры толщина тонкопленочного слоя 230d существенно меньше номинальной толщины t.
На фиг.5d изображен слой 230 с рельефной структурой, глубина h которой составляет 800 нм. Отношение глубина/ширина h/d=2,3. Образованная на боковых сторонах рельефной структуры толщина тонкопленочного слоя 230d еще раз уменьшена по сравнению с толщиной изображенной на фиг.5с рельефной структуры.
На фиг.6 в графическом виде изображена вычисленная с помощью компьютерной программы „Gsolver“ зависимость отражательной способности тонкопленочного слоя от длины λ волны падающего света и эффективной толщины t.
2
2
2
0
0
Тонкопленочный слой выполнен в виде системы с SiO-слоем толщиной 275 нм, расположенным между двумя TiO-слоями толщиной 70 нм каждый. SiO-слой образует при этом ответственный за изменение цвета разделительный слой, который отвечает λ/2- или λ/4-условию для создания эффекта интерференции. Номинальная толщина t тонкопленочного слоя составляет, следовательно, t=(70+275+70)нм=415 нм. Тонкопленочный слой расположен на полимерной подложке, имеющей показатель преломления 1,5 и граничит с воздухом.
Полимерная подложка имеет рельефные структуры, вызывающие разную эффективную толщину t тонкопленочного слоя. Как видно на фиг.6, отраженные цвета соответственно более смещены к цвету синий, чем тоньше тонкопленочный слой.
Как видно дальше на фиг.6, тонкопленочный слой представляется большей частью прозрачным, если эффективная толщина t<100 нм.
0
Это соответствует тонкой пленке с эффектом цветового сдвига на нижнем конце спектра видимого света (красный) с коэффициентом уменьшения толщины 1/ε=t/t=100 нм/415 нм=0,24. За счет сравнения с таблицей 1 и фиг.3 из этого следует, что отношение глубина/ширина h/d должно быть >2,4, чтобы получить коэффициент уменьшения толщины ε=4,15.
Далее видно, что отношение глубина/ширина для образования прозрачности может быть меньше по сравнению с красным светом, если речь идет о зеленом или синем свете. Кроме того, результат зависит также от угла зрения. Отношение глубина/ширина h/d должно составлять >0,5 для эффекта цветового сдвига на верхнем конце спектра видимого света. Поскольку, как уже сказано, сильное уменьшение эффективной толщины тонкой пленки возникает начиная с отношения глубина/ширина h/d ≥1, следует выбирать, как правило, отношение глубина/ширина ≥1, чтобы надежно подавить эффект изменения цвета в зоне рельефной структуры.
На фиг.7 в графическом виде изображена вычисленная с помощью компьютерной программы „Gsolver“ зависимость степени R отражения от длины волны и угла падения OR-поляризованного света. В основу был положен описанный с помощью фиг.6 тонкопленочный слой. На фиг.7 видно, что с увеличением угла падения света цветовой сдвиг степени отражения возникает в направлении синего. Следует исходить из того, также здесь при отношении глубина/ширина h/d >2,4 тонкопленочный слой - или уже при меньшем отношении глубина/ширина (см. выше) - представляется прозрачным.
Линейная решетка с периодом d и глубиной h профиля может быть описана следующим уравнением:
Из этого возникают следующие производные:
Эффективная поверхность определяется, таким образом, следующим уравнением:
Е(α) представляет при этом полный эллиптический интеграл второго порядка.
Также здесь числовые решения этого уравнения неожиданно показали, что коэффициент ε значительно повышается, если отношение глубина/ширина h/d >1. Неожиданным образом здесь далее оказалось, что повышение коэффициента ε у линейной решетки больше, чем у рассмотренной выше крестообразной решетки с тем же отношением глубина/ширина.
Например, при отношении глубина/ширина h=2d коэффициент ε = 4,2 больше значения для рассматриваемой выше крестообразной решетки.
В отношении выбора отношения глубина/ширина для подавления эффекта цветового сдвига справедливы приведенные выше рассуждения.
2
2
Описанный эффект прозрачности тонкопленочного слоя на участках с высоким отношением глубина/ширина не ограничен описанным выше выполнением тонкопленочного слоя. Во втором варианте выполнения тонкопленочного слоя он может представлять собой тонкопленочный слой, состоящий из TiO-слоя (разделительный слой) толщиной 275 нм и расположенный между двумя полимерными слоями, имеющими, например, показатель преломления 1,5. В третьем варианте выполнения речь может идти о трех слоях, расположенных между двумя полимерными слоями, а именно о Cr-слое толщиной 8 нм, MgF-слое толщиной 215 нм и Al-слое толщиной 50 нм.
Преимущественно предусмотрено, что рельефные структуры представляют собой рельефные структуры, период которых, т.е. расстояние между двумя возвышенными участками выбрано d<λ или еще предпочтительнее d<λ/2, причем λ обозначает преимущественно длину волны возникающего при вертикальном рассмотрении цветового эффекта. Таким образом, можно гарантировать, что в зоне рельефной структуры не возникнет дифракционных эффектов, влияющих на представляющееся наблюдателю изображение. Диапазон видимого света лежит между 450 и 670 нм. Для длины волны λ = 555 нм, к которой человеческий глаз наиболее восприимчив, значение d должно быть поэтому <555 нм. Исследования показали, что мешающие дифракционные эффекты могут быть в значительной степени предотвращены, если d<450 нм, предпочтительно лежит в диапазоне 300-350 нм.
На фиг.9 схематично изображен фрагмент используемой рельефной структуры 25, предназначенной для подавления создания эффекта цветового сдвига тонкопленочным слоем 23.
Как показано на фиг.9, рельефная структура 25 представляет собой периодическую функцию f(x,y), причем две стрелки 257, 258 на фиг.4 представляют соответствующие оси координат. Функция f(x,y) варьирует глубину рельефной структуры 25 периодически, например синусообразно, как в направлении x, так и в направлении y. В результате возникает изображенный на фиг.4 рельефный профиль с множеством возвышенных участков, например возвышений 254, 255, 256, удаленных друг от друга соответственно на длину периода функции f(x,y), например в направлении x на длину 253 периода, а в направлении y - на длину 252 периода. Длины 252, 253 периодов выбраны при этом так, что они меньше или равны глубине рельефной структуры 25, а именно меньше глубины 251 структуры.
Изображенная на фиг.9 рельефная структура 25 имеет, например, длины 252, 253 периодов 330 нм и глубину структуры более 500 нм.
При этом возможно также выполнение формы профиля, длин 252, 253 периодов и глубины 251 отличающимся от фиг.9. Существенным является то, что, по меньшей мере, одна из длин 252, 253 периодов меньше или равна глубине 251 и что длины 252, 253 периодов удалены друг от друга менее чем на 200 мкм (граница разрешения человеческого глаза). Особенно хорошие результаты достигаются тогда, когда, по меньшей мере, одна из длин 252, 253 периодов меньше граничной длины волны видимого света.
Далее возможно также подавление создания эффекта цветового сдвига тонкопленочным слоем посредством рельефных структур, имеющих комплексный поверхностный профиль с возвышенными участками и углублениями разной высоты. Подобные поверхностные профили могут представлять собой при этом стохастические поверхностные профили. У подобных поверхностных профилей подавление эффекта цветового сдвига достигается, как правило, тогда, когда среднее расстояние между соседними возвышенными участками рельефной структуры меньше средней глубины профиля рельефной структуры, а соседние возвышенные участки рельефной структуры удалены друг от друга менее чем на 200 мкм. Если созданный тонкопленочным слоем эффект цветового сдвига лежит в области зеленого или синего, то подавление эффекта, как уже сказано выше для периодических структур, достигается, как правило, посредством среднего отношения глубина/ширина более 0,5. Предпочтительно среднее расстояние между соседними возвышенными участками выбирают менее 30 мкм, так что рельефная структура представляет собой специальную дифракционную рельефную структуру.
Далее предпочтительно использовать комбинированные структуры, такие как комбинированная структура из микро- и макроструктур, у которых грубая и глубокая первая структура накладывается на тонкую и высокочастотную вторую структуру. Примером подобных комбинированных структур является грубая асимметричная структура с тонкой синусоидальной решеткой или грубая треугольная структура с тонкой синусоидальной решеткой. Оказалось, что посредством подобной комбинированной структуры могут быть легче выполнены описанные выше требования к достижению хорошего подавления эффекта цветового сдвига.
Тонкопленочный слой 23 принципиально отличается структурой интерференционного слоя, которая создает зависимые от угла зрения цветовые сдвиги. Тонкопленочный слой 23 может быть выполнен при этом в виде отражающего или пропускающего элемента. Более подробные сведения об используемых для тонкопленочного слоя 23 тонкопленочных многослойных системах приведены, например, в гл. 13 книги J.A. Dobrowolski „Optical document security“, R.L. van Renesse, ed., Artech House, London. Для структуры тонкопленочного слоя 23 имеются следующие принципиальные возможности.
Тонкопленочный слой содержит, например, поглощающий слой (преимущественно с пропусканием 30-65%), прозрачный разделительный слой в качестве создающего изменение цвета слоя (λ/2- или λ/4-слой), металлический слой в качестве отражающего слоя (отражающий элемент) или оптический разделительный слой (пропускающий элемент). При этом возможно также, чтобы адгезивный слой 24 действовал в качестве оптического разделительного слоя, если его показатель преломления заметно отличается от показателя преломления разделительного слоя. Если тонкопленочный слой 23 действует в качестве отражающего элемента, то толщину дистанционного слоя следует выбирать так, чтобы было выполнено λ/4-условие. Если тонкопленочный слой 23 действует в качестве пропускающего слоя, то разделительный слой должен отвечать λ/2-условию.
2
Подобный тонкопленочный слой образован, например, тонкопленочной многослойной системой, выполненной из одного или совокупности диэлектрических и металлических слоев. Например, тонкопленочный слой 23 состоит из Cr-слоя толщиной 8 нм, MgF-слоя толщиной 215 нм и Al-слоя толщиной 50 нм.
2
2
2
Далее возможно также выполнение тонкопленочного слоя 23 из последовательности высоко- и низкопреломляющих слоев. Подобный тонкопленочный слой состоит, например, из нескольких последовательных диэлектрических слоев с разными показателями преломления. Например, тонкопленочный слой 23 состоит из TiO-слоя толщиной 70 нм, SiO-слоя толщиной 275 нм в качестве создающего изменение цвета разделительного слоя и TiO-слоя толщиной 70 нм. Подобный тонкопленочный слой состоит из последовательности трех-девяти таких слоев (нечетное число) или двух-десяти таких слоев (четное число). Чем больше число слоев, тем резче можно настроить длину волны для изменения цвета.
2
Далее возможно также, чтобы тонкопленочный слой 23 состоял из единственного слоя оксида металла с высоким показателем преломления, например из TiO-слоя толщиной 275 нм. Подобные тонкопленочные слои относят также к жемчужно-глянцевым слоям. В этом случае толщина тонкопленочного слоя должна отвечать λ/4- или λ/2-условию (в зависимости от того, идет ли речь об отражающем или пропускающем элементе).
Предпочтительно слои тонкопленочного слоя 23 наносят на всю поверхность реплицирующего лакового слоя 22 посредством катодного распыления. В зависимости от того, представляет ли собой тонкопленочный слой 23 отражающий или пропускающий элемент, тонкопленочный слой 23 содержит при этом отражающий слой, выполненный преимущественно из тонкого металлического слоя, например Al, Ag, Cr, Ni, Cu, Au или комбинации этих металлов.
Затем на тонкопленочный слой 23 наносят адгезивный слой 24. Адгезивный слой 24 представляет собой преимущественно слой термически активируемого клея. В зависимости от использования защитного элемента 11 можно также отказаться от адгезивного слоя 24.
Рельефные структуры 25, 26 отформованы при этом на участках 31, 33 защитного элемента 11. Участки 31, 33 окружены участками 32, на которых в реплицирующем лаковом слое 22 рельефные структуры не отформованы, так что на этих участках реплицирующий лаковый слой 22 имеет в значительной степени плоскую поверхность.
В зависимости от того, отформованы ли участки 31, 33 в виде узорных или фоновых областей для находящегося на переднем плане узора, при рассмотрении возникают изображенные в качестве примера на фиг.8а-8с эффекты.
На фиг.8а изображены область 51 узора, выполненная в виде дерева, на фоновой области 52. Фоновая область 52 покрыта рельефной структурой 25, так что в фоновой области 52 подавляется создание эффекта цветового сдвига тонкопленочным слоем 23. В узорной области 51 рельефная структура не отформована, так что в этой области виден созданный тонкопленочным слоем 23 эффект цветового сдвига. Таким образом, возникает изображение дерева, цвет которого в зависимости от угла зрения изменяется, например, с красного на зеленый на фоне, не показывающем никаких эффектов цветового сдвига.
На фиг.8b изображена область 53 узора в виде дерева на фоновой области 54, причем рельефная структура 25 отформована в области 53 узора, а в фоновой области 54 рельефная структура не отформована. Таким образом, у наблюдателя возникает впечатление (просвечивающего) дерева, фон которого изменяет свой цвет в зависимости от направления угла зрения.
На фиг.8с изображен портрет Клары Шуман 55 на фоновой области 56. Также здесь рельефная структура 25 расположена в образующей портрет Клары Шуман области узора, так что ее портрет возникает из контраста изменяющей цвет фоновой области 56 и прозрачных контуров узорной области.
На фиг.2 изображено предпочтительное применение изображенной на фиг.1 пленки для тиснения.
На фиг.2 изображен переводной слой 2 переводной пленки, нанесенной на документ 4, подлежащий защите. Переводной слой 2 образует при этом защитный элемент 12, выполненный из защитного лакового слоя 21, реплицирующего лакового слоя 22, тонкопленочного слоя 23 и адгезивного слоя 24. В реплицирующем лаковом слое 22 на участках 31, 33 отформованы рельефные структуры 25, 26. На окружающих их участках 32 в граничном слое между реплицирующим лаковым 22 и тонкопленочным 23 слоями не отформовано никакой рельефной структуры, так что здесь граничный слой в значительной степени плоский. В отношении выполнения слоев 21, 22, 23, 24 и рельефных структур 25, 26 следует сослаться на рассуждения к фиг.1 и 9.
На документ 4, представляющий собой, например, удостоверение, для персонификации наносят индивидуальную надпечатку 41, например методом термоперевода. Затем переводной слой 2 наносят на документ 4 таким образом, что защитный элемент 12 перекрывает индивидуальную надпечатку 41. Тонкопленочный слой 23 выполнен в этом примере в качестве пропускающего элемента, так что наблюдатель различает через тонкопленочный слой 23 индивидуальную надпечатку 41, которая на участках 32 накладывается на созданный тонкопленочным слоем 23 зависимый от угла зрения эффект цветового сдвига.
На фиг.10 изображен другой вариант выполнения защитного элемента 13.
Защитный элемент 13 представляет собой переводную пленку, образованную многослойным пленочным телом с несущим слоем 10, отделяемым слоем 20, защитным лаковым слоем 21, реплицирующим лаковым слоем 22, тонкопленочным слоем 23 и адгезивным слоем 24. Слои 10-24 выполнены в соответствии с такими же слоями на фиг.1. В граничной поверхности между реплицирующим лаковым 22 и тонкопленочным 23 слоями на участках 35, 37 отформована рельефная структура, выполненная в соответствии с рельефными структурами 25, 26 на фиг.1 и 9. На участках 28, 29 защитного элемента 13 в граничных поверхностях отформованы рельефные структуры 28, 29. На участках 34, 39 защитного элемента 13 в граничной поверхности рельефные структуры не отформованы, так что на этих участках граничная поверхность в значительной степени плоская.
Рельефные структуры 28, 29 представляют собой рельефные структуры, создающие оптический эффект, накладывающийся на созданный тонкопленочным слоем 23 оптический эффект.
Так, рельефная структура 28 представляет собой, например, дифракционно-оптическую структуру, например голограмму, выполненную методом dot-matrix, кинеграмму или обычную дифракционную решетку.
Рельефная структура 29 представляет собой, например, макроструктуру, например структуру с предельным значением расстояния более 30 мкм. Далее рельефная структура 29 может представлять собой также микролинзовую структуру или матовую структуру, например анизотропную матовую структуру с направленным характером рассеяния.
Рельефные структуры 28, 29 выбраны при этом преимущественно так, что расстояние между их возвышенными частями больше глубины рельефных структур. Благодаря этому в значительной степени предотвращается ослабление созданного тонкопленочным слоем 23 дифракционно-оптического эффекта за счет наложения рельефных структур 28, 29.
На фиг.11а в качестве примера изображен фрагмент рельефных структур 29, а на фиг.11b - рельефных структур 28.
При этом следует указать на то, что фиг.1, 2, 9, 10, 11а, 11b являются схематичными изображениями, у которых размеры и соотношение размеров не соответствуют фактическим условиям.
За счет выполнения защитного элемента на фиг.10 достигается то, что на участке 36 наблюдатель может различить наложение созданных тонкопленочным слоем 23 и рельефной структурой 28 оптических эффектов. На окружающих участок 36 участках 35, 37 созданный тонкопленочным слоем 23 оптический эффект подавляется рельефной структурой 27, так что на этом участке наблюдатель не может различить оптически изменяющийся защитный признак. При соответствующем выполнении созданного рельефной структурой 28 защитного признака уже небольшие отклонения накладывающихся защитных признаков четко различимы, так что можно сразу же обнаружить подделку посредством других технологий, не обеспечивающих эту высокую степень точности приводки.
На участках 34, 39 для наблюдателя возникает далее созданный тонкопленочным слоем 23, зависимый от угла зрения эффект цветового сдвига. На участке 39 наблюдатель различает оптический эффект, возникающий из наложения созданного тонкопленочным слоем 23, зависимого от угла зрения эффекта цветового сдвига и созданного рельефной структурой 29 оптического эффекта. Таким образом, у наблюдателя на участках 34, 35, 36, 37, 38, 39 возникает соответственно другое впечатление.
Далее можно также расположить между реплицирующим лаковым 22 и тонкопленочным 23 слоями частично отформованный металлический слой. Этот частичный металлический слой используют для создания участков, на которых созданный рельефными структурами 28, 29 оптический эффект должен различаться отдельно отделенным от созданного тонкопленочным слоем 23 оптического эффекта. Частичный металлический слой закрывает, например, части участка 36 и/или участка 38. Далее можно также предусмотреть частичный металлический слой на участках (подучастках) 34, 39 и, тем самым, предусмотреть частичные отражающие поверхности в качестве дополнительных защитных признаков защитного элемента 13.