РЕЛЬЕФНЫЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ, СООТВЕТСТВУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА И СПОСОБ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
EMBOSSED SURFACE MICROSTRUCTURES, DEVICES AND METHOD FOR THEIR MAKING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу получения копий рельефных микроструктур поверхности, образующих узор (рисунок). Изобретение относится также к элементам, изготавливаемым как копии в соответствии предложенным в нем способом. Элементы по настоящему изобретению особенно подходят для защиты документов и различных предметов или изделий от подделок и подлога.
Уровень техники
В настоящее время использование оптических устройств для защиты от подделок и подлога, несанкционированных манипуляций и защиты продукции является в целом хорошо разработанным направлением.
Поскольку случаи подделок и мошенничества становятся все более частыми, то существует постоянная потребность в новых средствах борьбы с подделками. Долгое время предпочтительные технологии в этой области были связаны с использованием голограмм. Между тем, этой технологии уже более 30 лет, и потому она хорошо известна и получила широкое распространение. Пленки с голограммами можно найти сейчас почти в каждом магазине подарков и сувениров. Сложившаяся ситуация представляет определенную опасность, поскольку многие люди имеют доступ к технологии изготовления голограмм.
Таким образом, существует настоятельная необходимость в разработке новых технических средств защиты, принцип действия которых не был бы связан с голографическими устройствами. Примерами таких новых устройств являются устройства с переменными (изменяющимися) оптическими свойствами. Такие устройства отличаются тем, что их вид, например, яркость, контрастность или цвет, изменяется при изменении угла наблюдения или освещения. Наиболее известными устройствами с цветовым сдвигом являются холестерические или интерференционные пленки, а также оптические устройства, основанные на пластинках таких пленок. Они обнаруживают ярко выраженный сдвиг цвета при их поворотах и наклонах.
Использование эффектов цветового сдвига за счет интерференции света на тонких оптических пленках имеет давнюю традицию в технике современных тонкопленочных компонентов (см., например, публикацию "Тонкопленочные оптические защитные устройства" в выпуске "Оптические средства защиты документов", под ред. Р.Л.Ван-Ренессе, изд-во "Artechouse", Бостон, 1998 г.). Возможны самые разные композиции многослойных тонкопленочных систем. Спектры отраженного или пропускаемого света сдвигаются в область коротких волн по мере увеличения угла падения. Многослойные тонкопленочные системы, которые чаще всего являются сочетаниями слоев металла и диэлектрических материалов, также могут содержать только диэлектрики. В этом случае необходимо использовать тонкие пленки с разными показателями преломления.
Сегодня на рынке имеются защитные устройства, основанные на тонких интерференционных пленках или на пластинках таких пленок. Примеры таких устройств можно найти в публикации US 5084351.
Еще одно направление представляют рассеивающие устройства. Использование эффектов рассеивания, имеющих изотропный или анизотропный характер, в устройствах с переменными оптическими свойствами может существенно улучшить оптическую привлекательность таких устройств. Использование анизотропного рассеивания света особенно привлекательно для создания устройств, чувствительных к углу наблюдения. На фиг.1.1 и 1.2 иллюстрируется изотропное и анизотропное рассеивание света, соответственно.
Отражение на поверхности с изотропной структурой, такой как газетная бумага или многие поверхности предметов, используемых в домашнем хозяйстве, примерно одинаково по всем азимутальным направлениям. Как можно видеть на фиг.1.1, параллельный пучок 1 света, падающего на рассеивающую поверхность 2, изменяет направление от нее по направлениям 3 с характерным осесимметричным распределением и характерным углом 4 расхождения.
Что же касается анизотропно структурированных поверхностей, то они отражают свет преимущественно в одних направлениях и подавляют его в других направлениях. На фиг.1.2 параллельный пучок 1 света, падающего на анизотропно рассеивающую поверхность 5, изменяет направление, распространяясь от нее в новых направлениях 6 при характерном распределении 7 света, которое зависит от соответствующего азимутального угла 8, 8'.
В контексте настоящего изобретения термин "направление анизотропии" означает локальную ось симметрии в плоскости слоя, например направление вдоль канавок или углублений микроструктуры.
Если поверхность содержит узор или рисунок из анизотропных структур с локально изменяющимся направлением анизотропии как, например, направления 10, 11 на фиг.2, то отдельные участки узора отражают падающий свет в различных направлениях. Тогда узор можно распознать при его наблюдении под углом или с использованием наклонно падающего света.
Известный способ изготовления анизотропных рассеивающих пленок с образующей узор анизотропией описан в международной публикации WO/2001/29148, содержание которой включено в описание путем ссылки. В этом способе используется так называемая технология мономерного рифления (МС - monomer corrugation). Она основывается на фазовом разделении специальных смесей, нанесенных на подложку, которое индуцируется сшиванием, например, при облучении УФ-излучением. Последующее удаление несшитых компонентов приводит к тому, что остается структура со специфической топологией поверхности. Термин "мономерно-рифленый слой" используется в отношении слоев, полученных по этой технологии. Топологии может быть придана анизотропность путем ориентирования нижележащего ориентирующего слоя. За счет использования ориентирующего слоя, образующего узор, можно сформировать узор, образованный топологией поверхности с анизотропным рассеиванием.
В публикации WO 2006/007742 описаны способы получения модифицированных мономерно-рифленых слоев и многослойных структур, которые при определенных углах наблюдения дают пастельные цвета.
В документе WO 07/131375 описаны способы создания рельефных микроструктур поверхности с оптическими эффектами путем изготовления маски (шаблона), содержащей изображение микроструктуры, и последующего копирования изображения на смолу или резист для создания рельефной микроструктуры поверхности с оптическими эффектами. Содержание WO 07/131375 включено в описание путем ссылки. Недостаток способов, описанных в WO 07/131375, заключается в большом числе стадий производственного процесса, что не только увеличивает время изготовления, но и снижает объем выпуска продукции.
Раскрытие изобретения
Одной задачей настоящего изобретения является разработка способов упрощенного получения копий рельефных микроструктур поверхности.
Другой задачей настоящего изобретения является создание матрицы для тиражирования рельефных микроструктур поверхности.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание элементов с рельефными микроструктурами поверхности, которые получают тиражированием с использованием матрицы в соответствии с изобретением.
Предпочтительно, чтобы скопированные рельефные микроструктуры поверхности обладали оптическими эффектами, т.е. чтобы падающий на них свет модулировался характерным образом в зависимости от этих микроструктур. Более предпочтительно, чтобы взаимодействие микроструктур со светом происходило таким образом, чтобы свет дифрагировал (отклонялся), преломлялся или рассеивался.
В изобретении предлагается способ тиражирования образующей узор рельефной микроструктуры поверхности, включающий следующие стадии:
- формирование первого слоя, имеющего образующую узор рельефную микроструктуру поверхности, на втором слое, причем первый слой содержит первый материал, а второй слой содержит второй материал;
- создание матрицы, включающее копирование микроструктуры первого слоя во второй слой на одной стадии травления, причем первый материал первого слоя и второй материал второго слоя, а также условия травления выбирают таким образом, чтобы скорость травления второго слоя  была выше скорости травления первого слоя;
- отличающийся тем, что проводят дополнительную стадию, на которой микроструктуру матрицы вводят в контакт с материалом копии так, чтобы микроструктура матрицы воспроизвелась в материале копии с профилем рельефа поверхности, обратным по сравнению с профилем рельефа поверхности матрицы.
Копия с матрицы имеет инверсный или обратный профиль рельефа по сравнению с профилем рельефа поверхности матрицы. Копия с матрицы может использоваться в качестве матрицы (дочерней матрицы) для изготовления других копий. В контексте настоящего изобретения копия копии называется копией более высокого порядка. В контексте настоящего изобретения матрица - это устройство, содержащее рельефную микроструктуру поверхности, которая может использоваться для изготовления копий в процессе тиражирования, причем понятие матрицы включает в себя прямую копию, сформированную во втором слое, и любую ее копию или копию более высокого порядка.
В соответствии с предпочтительным вариантом предлагаемого в изобретении способа копию используют в качестве дочерней матрицы для тиражирования образующей узор рельефной микроструктуры поверхности путем введения дочерней матрицы в контакт с материалом копии так, чтобы микроструктура дочерней матрицы воспроизвелась в материале копии с профилем рельефа поверхности, обратным по сравнению с профилем рельефа поверхности дочерней матрицы.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом предлагаемого в изобретении способа в качестве дочерней матрицы используют копию более высокого порядка.
В контексте настоящего изобретения обратный профиль рельефа поверхности по сравнению с исходным (эталонным) профилем рельефа поверхности означает, что его профиль рельефа по глубине является дополнением исходного профиля рельефа по глубине. Это означает, например, что углубления (впадины) обратного рельефа поверхности соответствуют возвышениям исходного рельефа поверхности, а возвышения обратного рельефа поверхности соответствуют углублениям исходного рельефа поверхности.
Метод копирования рельефной микроструктуры поверхности с первого слоя на второй слой включает одну или несколько стадий сухого или мокрого травления.
На одной из стадий травления толщину первого слоя уменьшают до тех пор, пока не будет удален материал в нижних зонах (углублениях, впадинах) рельефной микроструктуры поверхности и не откроются части нижележащего второго слоя. На следующей стадии травления второй слой вытравливают в тех частях, которые открываются в результате предыдущей стадии травления. Если материалы и условия осуществления способа выбраны надлежащим образом, то травление первого и второго слоев может быть выполнено в рамках одной стадии травления.
Предпочтительно, чтобы первый и второй материалы не были одинаковыми.
Материал копии может быть нанесен на скопированную микроструктуру (матрицу) одним из следующих методов: нанесение покрытия, печать, погружение, напыление, напыление в вакууме, литье, осаждение методом химического восстановления или электролитическое осаждение. Вместо нанесения материала копии на скопированную микроструктуру последнюю можно использовать в качестве штампа для выдавливания (тиснения) рельефной микроструктуры поверхности в материале копии.
Матрица в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает возможность использования известных способов тиражирования для массового изготовления оптических элементов с рельефной микроструктурой поверхности при адекватных затратах. Сегодня двумя распространенными и экономически эффективными технологиями тиражирования являются тиснение с использованием УФ-излучения и горячее тиснение (см., например, публикацию М.Т.Гейла: "Технологии тиражирования дифракционных оптических элементов", "Microelectronic Engineering", том 34, стр.321, 1997).
В процессе тиражирования в поверхности копии формируется рельеф, обратный рельефу матрицы. После завершения процесса тиражирования отделяют от матрицы. Копия может использоваться в качестве оптического элемента по настоящему изобретению или же она сама может использоваться в качестве матрицы (дочерней матрицы) для изготовления копий. Если дочерняя матрица имеет профиль рельефа поверхности, обратный профилю рельефа поверхности первоначальной матрицы (мастер-матрицы), то копия с дочерней матрицы будет иметь тот же профиль рельефа поверхности, что и мастер-матрица.
В изобретении также предлагаются оптические элементы, содержащие образующие узор рельефные микроструктуры поверхности, изготавливаемые как копии предлагаемыми в изобретении способами.
В отличие от способа, раскрытого в публикации WO 07/131375, предлагаемый в изобретении способ исключает стадию изготовления шаблона (маски) для создания матрицы. Соответственно, количество стадий способа уменьшается, а объем выпускаемой продукции увеличивается.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения копию получают электролитическим осаждением.
В настоящем изобретении также предлагается матрица для тиражирования рельефной микроструктуры поверхности, полученной предлагаемыми в изобретении способами.
В контексте настоящего изобретения термины "копия микроструктуры" и "копия" при их употреблении применительно к вышеописанному способу относятся прежде всего к двумерной, поперечной структуре, и не обязательно означает, что исходная и скопированная микроструктуры идеально совпадают. Это означает, например, что расстояния в поперечном направлении между соответствующими выступами (возвышениями) и углублениями (желобками) для исходной и скопированной микроструктуры почти совпадают. В общем же случае глубина скопированной микроструктуры не будет совпадать с глубиной исходной микроструктуры. Это даже является достоинством настоящего изобретения, что глубина получаемой копии микроструктуры может контролироваться и регулироваться путем изменения различных параметров способа. Предпочтительно, чтобы глубина скопированной микроструктуры превышала глубину исходной микроструктуры. Поэтому в предпочтительных вариантах процесс копирования увеличивает профиль микроструктуры по глубине.
В контексте настоящего изобретения термин "образующая узор рельефная микроструктура поверхности" означает, что на поверхности имеется некий узор или рисунок по меньшей мере с двумя участками, различающимися своей микроструктурой. Узор также может состоять из участков, имеющих микроструктуры и не имеющих микроструктур. Например, простой узор может содержать один участок без микроструктуры и другой участок с микроструктурой. В общем случае различие между участками узора может заключаться в любом физическом различии микроструктур, которое приводит к различному взаимодействию микроструктур со светом. Например, могут различаться глубины микроструктур, плотность микроструктур в поперечном направлении, периодичность микроструктур, анизотропия микроструктур, направление оси анизотропии. Также возможно любое сочетание вышеуказанных характеристик участков узора. Например, может быть один участок с изотропной микроструктурой, другой участок с анизотропной микроструктурой, имеющей первую ось анизотропии, еще один участок с анизотропной микроструктурой, имеющей вторую ось анизотропии, и еще один участок без микроструктуры. Микроструктура может быть изотропной или анизотропной. В предпочтительном варианте осуществления изобретения узор имеет по меньшей мере один участок, который содержит анизотропную микроструктуру.
Узор или рисунок, может представлять любой вид информации такой как, например, изображения, буквы, цифры, штрих-коды, картинки, микротекст, графические компоненты, отпечатки пальцев, зашифрованные данные, голографические данные, цифровые данные и любую их комбинацию.
Микроструктура может быть периодической или непериодической. В предпочтительном варианте осуществления изобретения узор содержит по меньшей мере один участок, на котором микроструктура является непериодической.
Полезным параметром для характеристики непериодических или недетерминированных профилей поверхности является автокорреляционная функция и соответствующая длина автокорреляции. Одномерная или двухмерная автокорреляционная функция профиля поверхности может пониматься как мера предсказуемости профиля поверхности для двух точек, пространственно разнесенных в плоскости на расстояние х.
Автокорреляционная функция АС(х) функции Р(х), такой как профиль рельефной микроструктуры поверхности, определяется следующим образом:
<mrow><mi>A</mi><mi>C</mi><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∫</mo><mrow><mi>P</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>'</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>P</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>'</mo><mo>+</mo><mi>x</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>d</mi><mi>x</mi><mo>'</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow>
.
Более подробно об автокорреляционной функции и соответствующих вопросах программирования можно узнать, например, из публикации "Численные методы в Си: техника научных вычислений", Уильям X. Пресс, Саул А. Тьюколски, Уильям Т. Веттерлинг, Брайен П. Фланнери; Кембридж, Нью-Йорк: изд-во "Cambridge University Press", 1992.
Для непериодических или недетерминированных профилей поверхности автокорреляционная функция быстро затухает с увеличением х. С другой стороны, для детерминированных профилей поверхности, например для дифракционной решетки, автокорреляционная функция не затухает. Однако в случае дифракционной решетки автокорреляционная функция модулируется периодической функцией. Для почти регулярной дифракционной решетки огибающая ее автокорреляционной функции также затухает с увеличением х.
С помощью одномерной автокорреляционной функции может быть определено единое характеристическое число, длина L автокорреляции. Это длина, для которой огибающая автокорреляционной функции затухает до определенного порогового значения. Было найдено, что для целей настоящего изобретения подходит пороговое значение, равное 10% от АС(х=0).
В предпочтительном варианте осуществления изобретения узор содержит по меньшей мере один участок с рельефной микроструктурой поверхности, которая по меньшей мере в одном направлении имеет усредненную одномерную автокорреляционную функцию АС(х) с огибающей, которая затухает до уровня 10% от значения АС для х=0 в пределах некоторой длины автокорреляции, которая меньше трехкратного среднего расстояния в поперечном направлении между соседними переходами между возвышениями и углублениями. Для анизотропных модуляций поверхности это направление перпендикулярно оси анизотропии.
Более предпочтительны рельефные микроструктуры поверхности, для которых длина автокорреляции меньше двукратного среднего расстояния в поперечном направлении между соседними переходами между возвышениями и углублениями. Еще более предпочтительными являются рельефные микроструктуры поверхности, для которых длина автокорреляции меньше одного среднего расстояния в поперечном направлении между соседними переходами между возвышениями и углублениями.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения длина L автокорреляции превышает одну сотую величины среднего расстояния в поперечном направлении между соседними переходами между возвышениями и углублениями.
Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения узор содержит участки анизотропных микроструктур с разными направлениями осей анизотропии. Поскольку свет отражается или подавляется в определенном направлении в зависимости от ориентации в конкретном месте, то в оптическом элементе, изготовленном как копия в соответствии с настоящим изобретением, можно будет видеть изображение из светлых и темных пикселей, т.е. элементов изображения. Кроме того, такие элементы обнаруживают четко выраженный переход от позитивного изображения к негативному изображению при их повороте или наклоне. Такие элементы с образующей узор поверхностью могут изготавливаться с черно-белых изображений, но и с полутоновых изображений (изображений в оттенках серого) и могут создаваться, например, следующим образом. В случае полутонового изображения его сначала растрируют, т.е. изображение разбивается на темные и светлые зоны с определенным разрешением в пикселях для приведения полутонового изображения к черно-белому изображению. Затем темные зоны черно-белых изображений ставятся в соответствие анизотропно рассеивающим зонам, имеющим первое направление ориентации, а светлые зоны ставятся в соответствие анизотропно рассеивающим зонам, имеющим другое направление ориентации, например перпендикулярное первому направлению. Элемент с такой схемой расположения пикселей будет выглядеть как позитивное изображение при его рассматривании под первым углом наблюдения и как негативное изображение при повороте элемента, например, на 90°.
В другом варианте полутоновое изображение может быть оцифровано по нескольким полутонам с назначением каждому полутону определенного значения градации серого, и каждому такому значению может присваиваться определенное направление ориентации. Вместо использования оцифрованных значений градаций серого непрерывно изменяющиеся оттенки серого могут быть преобразованы в непрерывно изменяющиеся направления ориентации.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения узор содержит участки с модуляцией поверхности, состоящей из переходов от углублений к возвышениям и от возвышений к углублениям, причем в (первом) поперечном направлении участка поверхности на каждых 20 мкм имеется (в среднем) по меньшей мере один переход от возвышения к углублению или наоборот, и предпочтительно дополнительно во втором поперечном направлении участка поверхности, которое перпендикулярно первому направлению, на каждых 200 мкм имеется в среднем по меньшей мере один переход от возвышения к углублению или наоборот.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения узор содержит участки, для которых в первом поперечном направлении среднее поперечное расстояние между соседними переходами от возвышения к углублению или наоборот находится в диапазоне от 0,5 до 10 мкм. Предпочтительно это среднее поперечное расстояние находится в диапазоне от 0,5 до 5 мкм. Во втором поперечном направлении, которое перпендикулярно первому поперечному направлению, среднее расстояние между переходами от возвышения к углублению предпочтительно меньше 100 мкм и более предпочтительно меньше 50 мкм.
Для описания анизотропных рельефных структур поверхности в контексте настоящего изобретения используется термин "характеристическое отношение или удлинение рельефа поверхности" (ХОРП), который определяется как среднее отношение длины к ширине элементов анизотропного рельефа поверхности. ХОРП в значительной степени определяет характер рассеивания света по различным азимутальным направлениям на рельефной микроструктуре поверхности. Для ХОРП=1, что соответствует рельефным структурам поверхности, средние размеры которых одинаковы по меньшей мере по двум поперечным направлениям, характеристики рассеивания для падающего света почти не зависят от азимута падающего света. Поэтому интенсивность света, отраженного рельефными микроструктурами поверхности с ХОРП=1, почти не изменяется при повороте элемента, содержащего такую рельефную микроструктуру поверхности, вокруг оси, перпендикулярной поверхности элемента.
Для анизотропных рельефных структур, т.е. ХОРП>1, интенсивность отраженного света зависит от азимута падающего света. Для зрительного восприятия отличий для разных азимутальных углов падения света ХОРП должен превышать 1,1. Для повышения видимого контраста изображений, полученных на рельефных структурах поверхности с различными осями анизотропии, предпочтительными являются значения ХОРП, превышающие 2. Более предпочтительными являются значения ХОРП, превышающие 5.
Для очень больших значений ХОРП диапазон азимутальных углов, в котором рассеивается значительная часть света, становится меньше, в результате чего становится труднее воспринимать свет, отраженный от изображения, выполненного на рельефных структурах поверхности. Поэтому в предпочтительном варианте имеется по меньшей мере один участок, для которого ХОРП меньше 50, и более предпочтительно ХОРП меньше 20.
В контексте настоящего изобретения термин "коэффициент заполнения рельефа" определяется как отношение суммарной площади возвышений к общей площади всех возвышений и углублений. В предпочтительных вариантах имеется по меньшей мере один участок, для которого коэффициент заполнения рельефа поверхности находится в диапазоне от 0,05 до 0,95, более предпочтительно - от 0,2 до 0,8 и еще более предпочтительно - от 0,3 до 0,7.
Если для копирования рельефной микроструктуры поверхности с первого слоя на второй слой используется двухстадийный процесс травления, в котором на первой стадии осуществляется травление только первого слоя, а вторая стадия травления касается только второго слоя, то процесс копирования будет представлять собой вид оцифровки профиля глубины первого слоя. Это связано с тем, что травление второго слоя происходит только в тех частях, которые открылись при удалении материала первого слоя. Поскольку скорость травления второго слоя одинакова на всех его частях, то глубина структуры, копируемой во второй слой, будет одинаковой почти по всей его поверхности. В результате формируется микроструктура, имеющая в основном два типа плато, плато возвышений и плато углублений. Могут быть и другие плато, если формируемые микроструктуры имеют разные глубины на разных участках.
В контексте настоящего изобретения плато определяется как участок внутри микроструктуры, на котором высота структуры изменяется или колеблется менее чем на 20% от средней глубины структуры.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения возвышения (выступы) рельефной микроструктуры поверхности, скопированные во второй слой, образуют верхние плато, которые лежат практически на одном, верхнем уровне, а углубления (желобки) рельефной микроструктуры поверхности, скопированные во второй слой, образуют нижние плато, которые лежат травление на одном, нижнем уровне, так что глубина модуляции рельефа практически одинакова по площади поверхности. То, что верхний и нижний уровни высоты практически одинаковы означает, что изменение (колебание) высот верхнего и нижнего плато меньше 20%, предпочтительно меньше 10%, и более предпочтительно меньше 5% средней глубины рельефной микроструктуры поверхности.
В изобретении предлагается также оптический элемент, имеющий образующую узор рельефную микроструктуру, полученную как копия с помощью матрицы.
Предпочтительно, чтобы предлагаемые в изобретении оптические элементы были по меньшей мере частично отражающими. Поэтому предлагаемые в изобретении оптические элементы предпочтительно содержат отражающие или частично отражающие слои, в которых используются такие материалы как золото, серебро, медь, алюминий, хром или пигменты. Отражающие или частично отражающие слои могут быть также расположены таким образом, чтобы покрывать только часть оптического элемента. Это может быть достигнуто, например, структурированным осаждением слоя или локальным снятием слоя металла.
2
Отражение также может быть получено на переходе к материалу с другим показателем преломления. Поэтому в предпочтительном варианте осуществления изобретения поверхность микроструктуры предлагаемого в изобретении оптического элемента покрывают диэлектрическим материалом. Примерами материалов с высоким показателем преломления являются ZnS, ZnSe, ITO или TiO. Для этой цели также подходят композиционные материалы, содержащие наночастицы материалов с высоким показателем преломления. Покрытие также может быть поглощающим для определенных цветов для изменения цвета внешнего вида устройства.
Рельефные микроструктуры поверхности предлагаемого в изобретении оптического элемента, особенно при их применении для защиты от подделки, могут запечатываться для защиты элемента от механических воздействий, загрязнений, а также для предотвращения возможности несанкционированного и противозаконного изготовления копий с таких элементов. Поэтому предлагаемые в изобретении оптические элементы предпочтительно содержат слой диэлектрика, покрывающий микроструктуру. Подходящими защитными и пассивирующими пленками являются прозрачные диэлектрические материалы, которые при необходимости могут быть окрашены.
Благодаря наличию образующей узор рельефной микроструктуры поверхности, предлагаемые в изобретении оптические элементы пропускают и/или отражают свет по-разному в зависимости от характера микроструктуры в соответствующем месте. Поэтому узор, образуемый микроструктурой(-ами), может рассматриваться как рисунок или схема разных интенсивностей пропускания и/или отражения света при освещении микроструктуры. В зависимости от типов микроструктуры будет иметь место сильная зависимость их зрительно воспринимаемого внешнего вида от угла падения света и/или от угла наблюдения.
В зависимости от глубины микроструктур могут генерироваться интерференционные цвета. Может быть получен широкий диапазон цветов, например, при увеличении глубины модуляции будут видны следующие цвета: желтый, оранжевый, розовый, фиолетовый, голубой и зеленый. Для структур с большей глубиной могут появляться цвета более высоких порядков. Обычно имеется четко выраженная зависимость интерференционных цветов от угла наблюдения и/или от угла падения света. Цвета могут быть видны под определенными углами, в то время как для других углов они могут изменяться или исчезать. Поэтому узор выглядит как цветной рисунок, цвета которого зависят от угла наблюдения и/или от угла падения света.
Предлагаемые в изобретении оптические элементы могут включать и другие защитные признаки. Некоторые из них могут уже присутствовать в матрице, используемой для изготовления оптических элементов. Такими признаками являются, например, голограммы или кинеграммы. Другие защитные признаки, которые могут быть средствами первого, второго или третьего уровня защиты, могут быть добавлены на дополнительной стадии и/или в дополнительном слое. Эти дополнительные признаки могут быть видны постоянно без создания определенного оптического эффекта. Предпочтительно, чтобы дополнительно добавленный (защитный) признак обладал зависимостью от угла наблюдения, например, признак в виде голограммы или кинеграммы, или же в виде холестерических или интерференционных слоев. В более предпочтительном варианте осуществления изобретения добавляют защитный признак второго уровня, который невозможно обнаружить без использования специального инструмента наблюдения. Такие признаки могут быть введены, например, с помощью флуоресцентных материалов или материалов с двойным лучепреломлением. Особенно предпочтительными являются слои с двойным лучепреломлением, которые содержат участки разного сдвига по фазе или разной ориентации оптической оси. Защитный признак, хранящийся в таком слое с двойным лучепреломлением, можно увидеть только в поляризованном свете, например с помощью поляризационной пластинки.
Оптические элементы, изготовленные в соответствии с настоящим изобретением, могут использоваться в различных приложениях, связанных с пространственной модуляцией интенсивности света. Предпочтительно предлагаемые в изобретении оптические элементы используются в качестве защитных элементов в защитных устройствах. В частности, такие защитные устройства наносят на ценные документы или предметы, такие как документы, паспорта, водительские удостоверения, акции, облигации, купоны, чеки, кредитные карточки, свидетельства, билеты и т.п. или включают в их материал, для защиты от подделки и подлога. Защитные устройства также могут быть нанесены или введены в устройства защиты продукции или фирменной марки или в средства упаковки, такие как упаковочная бумага, упаковочные коробки, конверты и т.п. В предпочтительном случае защитное устройство может иметь, например, вид ярлыка, защитной полосы, этикетки, волокна, нити, слоистой структуры или накладки и т.д.
Для характеристики выраженных плато рельефа поверхности может быть полезной функция качества (оценочная функция), основанная на гистограмме высот. Возможная функция М качества имеет следующий вид:
<mrow><mi>M</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>d</mi><mrow><msqrt><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
1
2
В функции М качества используется соотношение ширины пиков и глубины модуляции рельефа. Диапазон отклонений возвышений и углублений от уровней их плато должен лежать в некоторой заданной части глубины модуляции рельефа. Δx и Δх - значения ширины двух пиков гистограммы, измеренные на уровне 1/е от полной высоты пиков, где е - основание натурального логарифма (е≈2,72), a d - расстояние между двумя пиками (соответствует среднему расстоянию по высоте между разными плато или глубине модуляции рельефа).
Рельефные микроструктуры поверхности, используемые в предлагаемом в изобретении способе, предпочтительно имеют значение функции М качества больше 2. Более предпочтительно, чтобы значение М было больше 3,5.
Краткое описание чертежей
На чертежах показано:
на фиг.1.1 - иллюстрация отражения света на поверхности с изотропной структурой;
на фиг.1.2 - иллюстрация, аналогичная фиг.1.2, однако на ней изображается распределение отраженного света после отражения на поверхности с анизотропно рассеивающей структурой;
на фиг.2 - схематический вид пикселей с различными направлениями анизотропии;
на фиг.3 - вид исходного слоя, содержащего рельефную микроструктуру поверхности, который расположен на слое второго материала, толщина которого достаточна для того, чтобы его можно было использовать в качестве подложки;
на фиг.4 - вид исходного слоя, содержащего рельефную микроструктуру поверхности, который расположен на слое второго материала, являющимся тонким слоем на подложке;
на фиг.5.1-5.5 - процесс копирования рельефной микроструктуры поверхности с первого слоя во второй слой;
на фиг.5.6 - процесс металлизации скопированной рельефной микроструктуры поверхности;
на фиг.6 - иллюстрации стадий процесса формирования зон с различными глубинами микроструктуры на копии рельефной микроструктуры поверхности;
на фиг.7 - тиражирование матрицы с использованием процесса электролитического осаждения или гальванопластики (гальваническое выращивание никелевой пленки);
на фиг.8 - процесс разделения матрицы и никелевого листа, причем на фиг.8.1 приведен вид после завершения процесса гальванического покрытия, и на фиг.8.2 иллюстрируется разделение матрицы и никелевого листа;
на фиг.9 - процессы гальванопластики и соединения для изготовления никелевого листа или фольги;
на фиг.10 - тиражирование и массовое производство элемента в окончательном виде, причем на фиг.10.1 иллюстрируется процесс горячего тиснения, и на фиг.10.2 иллюстрируется процесс литья и/или тиснения с использованием УФ-излучения.
Подробное описание изобретения
Первый материал с рельефной микроструктурой поверхности обычно помещен в виде тонкого слоя на втором материале. Этот вариант иллюстрируется на фиг.3, на которой первый материал, содержащий рельефную микроструктуру поверхности, указан как слой 21, а второй материал указан как слой 22. Слой 22 может представлять собой подложку, как показано на фиг.3, или же сам может быть нанесен в качестве слоя на подложку 23, как показано на фиг.4. Вышеприведенное указание слоев относится к функции слоев в соответствии с изобретением. Вместе с тем, каждый из указанных слоев, в свою очередь, может содержать несколько слоев, например, для улучшения сцепления, и/или каждый материал может быть композиционным материалом, например, для модификации свойств материала или для содействия формированию рельефной микроструктуры поверхности. В частности, слой 21 может содержать ориентирующий слой для задания направлений ориентации для анизотропных рельефных микроструктур поверхности и/или слой, усиливающий сцепление.
Рельефная микроструктура поверхности копируется с первого материала на второй материал с помощью одной или нескольких стадий процесса сухого или мокрого травления. Глубина микроструктуры может регулироваться различными параметрами процесса и характеристиками материалов. Предпочтительным вариантом сухого травления является плазменное травление. Для плазменного травления предпочтительными газами являются кислород, аргон, хлор, треххлористый бор и фторуглероды.
В принципе, для подложки 23 может использоваться любой материал, такой как стекло, пластмасса, металл, керамика, кремний, плавленый кварц. При выборе материала подложки необходимо учитывать конкретные условия процесса травления, такие, например, как использование определенных растворителей, тепловой режим и т.п., поскольку условия процесса могут изменять некоторые свойства материала подложки. Подложка может иметь специальное покрытие для повышения стойкости к действию критических параметров процесса, в частности, повышения стойкости к действию растворителей.
Для слоя 22 может использоваться любой материал, такой как стекло, пластмасса, металл, керамика, кремний, плавленый кварц и им подобные материалы. Если слой 22 должен использоваться в качестве тонкого слоя на подложке 23, то в этом случае могут использоваться только такие материалы, которые могут наноситься тонким слоем. В этом случае предпочтительным материалом для слоя 22 является металл. Предпочтительными металлами являются алюминий, серебро, хром и медь. Вместе с тем, материал слоя 22 должен выбираться с учетом конкретных условий процесса, в частности, касающихся скорости травления на его отдельных стадиях. В предпочтительном варианте толщина слоя 22 превышает 60 нм. В более предпочтительном варианте толщина слоя 22 превышает 90 нм.
Слой 21 обычно состоит из материалов, которые можно наносить в виде покрытия или напылять. В предпочтительном варианте слой 21 содержит полимеризуемый и/или сшиваемый материал.
Предпочтительно скорость травления по меньшей мере на одной из стадий травления различается для первого материала (слой 21) и второго материала (слой 22). Скорость травления зависит от различных характеристик, таких как характер материалов, используемых в слоях 21 и 22, от типа травления (сухое или мокрое), от типа травильного раствора и от температуры, в случае использования мокрого травления, а также от типа газа и от энергии, используемой в случае сухого травления.
Известны различные способы формирования рельефных микроструктур поверхности на слое 21, такие как самоорганизация сополимера или выпотевание, локальное удаление материала с поверхности с помощью лазерного луча, нанесение насечек ("царапин") на поверхности слоя 21 наконечником атомно-силового микроскопа для формирования канавок, электролитическое травление металла или полупроводников, таких как алюминий или кремний, запись электронным лучом, формирование мономерно-рифленого слоя, тиснение с использованием матрицы рельефа поверхности в качестве штампа для тиснения, локальная полимеризация или сшивание на поверхности слоя, содержащего предполимеры, с последующим удалением предполимеров с участков поверхности, на которых не происходил процесс полимеризации или сшивания.
Для формирования рельефных микроструктур поверхности можно также комбинировать несколько из вышеуказанных способов. Это особенно подходит для формирования узора или рисунка, определяемого различными для разных его мест свойствами микроструктур, такими как глубина и поперечная геометрия. Также можно создавать узор или рисунок из анизотропных микроструктур. Например, первая анизотропная рельефная микроструктура с первой осью анизотропии может формироваться тиснением. Затем на отдельных участках может формироваться вторая микроструктура, например, с другой осью анизотропии или с другим периодом с использованием наконечника атомно-силового микроскопа для создания узора, определяемого различными для разных его мест свойствами микроструктур.
Микроструктура может быть изотропной или анизотропной. Кроме того, на одних участках микроструктура может быть изотропной, а на других участках - анизотропной. Микроструктура может быть периодической или непериодической или же может содержать как периодические, так и непериодические участки. Также микроструктура может представлять собой наложение структур с разным периодом.
В предпочтительном способе формирования рельефной микроструктуры поверхности используется разделение фаз и сшивание смеси сшиваемых и несшиваемых материалов (технология мономерного рифления). Микроструктуру поверхности получают путем приготовления смеси по меньшей мере двух материалов, из которых по меньшей мере один материал является сшиваемым, а по меньшей мере один другой материал является несшиваемым, нанесения этой смеси на подложку, сшивания по меньшей мере значительной части сшиваемого материала и удаления по меньшей мере значительной части несшиваемого материала. Для микроструктур, которые должны быть анизотропными, сшиваемый материал может поддерживаться в процессе сшивания в ориентированном состоянии, например, с помощью нижележащего ориентирующего слоя или ориентирующей поверхности подложки. В этом случае слой 21 содержит по меньшей мере два подслоя.
В предпочтительном варианте осуществления способа получение слоя 21 включает нанесение тонкой фотоориентирующей пленки, формирование определенной схемы ориентирования путем воздействия на отдельные участки поверхности фотоориентирующей пленки линейно поляризованным УФ-излучением с разными направлениями поляризации, нанесение смеси сшиваемого и несшиваемого жидкокристаллических материалов поверх фотоориентирующей пленки, сшивание смеси жидкокристаллических материалов и удаление несшиваемого материала, например, с использованием подходящего растворителя. Еще более предпочтительным является способ, дополнительно включающий нанесение слоя, усиливающего сцепление, перед нанесением покрытия из тонкой фотоориентирующей пленки.
Сшивание смеси жидкокристаллических материалов предпочтительно осуществляют путем экспонирования фотохимически активным светом. При этом происходит разделение фаз и сшивание жидкокристаллического предполимера. Основные принципы изготовления тонких пленок с микрорифлением и их оптические свойства описываются, например, в международной публикации WO-A-2001/29148.
В соответствии с изобретением метод копирования рельефной микроструктуры поверхности включает стадию, на которой толщину слоя 21, содержащего рельефную микроструктуру поверхности, уменьшают с помощью сухого травления, пока материал слоя 21 в нижних зонах 26 рифленой поверхности не будет удален, в результате чего открываются части 27 нижележащего слоя 22. Это соответствует стадиям, иллюстрируемым на фиг.5.2 и 5.3. Предпочтительно выбирать материалы слоев 21 и 22 и условия травления таким образом, чтобы скорость травления в слое 21 на этой стадии была по меньшей мере в два раза выше скорости травления слоя 22. В более предпочтительном варианте условия травления таковы, что слой 22 на этой стадии практически не вытравливается. В результате слой 22 будет частично покрыт только материалом микроструктуры исходного слоя 21 в верхних зонах 21b.
На следующей стадии осуществляют травление слоя 22 через открытые участки 27 слоя 21 с использованием сухого или мокрого травления. С помощью этого процесса в слое 22 протравливаются углубления или канавки 24, соответствующие нижним зонам микроструктуры пленки 21. На участках, соответствующих верхним зонам микроструктуры пленки 21, материал 22b остается, как показано на фиг.5.4. Таким образом, описанный способ обеспечивает копирование микроструктуры слоя 21 в слой 22. В предпочтительных вариантах материалы слоев 21 и 22 и условия травления выбирают таким образом, чтобы скорость травления в слое 22 была по меньшей мере в два раза выше скорости травления слоя 21. В более предпочтительном варианте условия травления таковы, что материал слоя 21 на этой стадии практически не вытравливался. В том случае, когда слой 22 представляет собой тонкую пленку на подложке 23, время травления может быть выбрано таким образом, чтобы был вытравлен весь металл на открытых участках. В этом случае по всей поверхности достигается четко заданная и идентичная глубина микроструктуры в слое 22.
В соответствии с изобретением вместо нескольких стадий травления может использоваться одна стадия травления, на которой осуществляется одновременное травление материалов слоев 21 и 22. В этом случае материалы слоев 21 и 22 и условия травления предпочтительно выбирают таким образом, чтобы скорость травления в слое 22 была выше скорости травления слоя 21. Более предпочтительно, скорость травления в слое 22 превышает скорость травления в слое 21 более чем в два раза. Еще более предпочтительно, скорость травления в слое 22 превышает скорость травления в слое 21 более чем в пять раз. При таком одностадийном процессе травление слоя 22 уже начинается на участках, которые соответствуют нижним зонам 26 (углубления, канавки, желобки) микроструктуры слоя 21, в то время как травление слоя 21 продолжается. Хотя при таком способе может потребоваться более точное регулирование параметров процесса, однако количество стадий уменьшается, и общее время обработки также может быть сокращено.
Глубина микроструктуры, протравленной в слое 22, зависит от времени травления и его скорости в слое 22. Соответственно, глубина микроструктуры может регулироваться изменением времени травления. Предпочтительно глубина скопированной микроструктуры превышает 60 нм и более предпочтительно она превышает 90 нм.
Предпочтительно глубина скопированной микроструктуры составляет менее 1 мкм и более предпочтительно она составляет менее 700 нм.
В соответствии с изобретением образующая узор рельефная микроструктура поверхности содержит участки разной глубины. В результате при рассматривании оптического элемента, в котором используется такая микроструктура, видны различные цвета или различные серые тона в разных местах элемента, которые к тому же изменяются при изменении угла наблюдения. В предпочтительном варианте осуществления изобретения скопированная микроструктура имеет разную глубину в разных местах. Существуют разные методы формирования участков разной глубины скопированной микроструктуры. Эти методы основываются на локальном блокировании или задержке травления слоя 22.
В первом варианте средняя толщина нижней части 26 слоя 21, которая соответствует среднему расстоянию между верхней поверхностью слоя 22 и углублениями 26 в слое 21, на разных участках будет разной. На фиг.6.1 показана микроструктура в слое 21, которая содержит три участка а, b, с с разными расстояниями от дна углублений 26а, 26b, 26с микроструктуры до верхней поверхности слоя 22. Дно углублений 26а находится на наименьшем расстоянии от слоя 22, а дно углублений 26 с находится на наибольшем расстоянии от слоя 22. Тогда первой стадией травления слоя 21, которая обеспечивает уменьшение толщины слоя 21, управляют таким образом, чтобы только на участке а вытравливался весь материал углублений 26а рельефной микроструктуры поверхности, так что открываются соответствующие части 27а нижележащего второго слоя 22 (фиг.6.2). На следующей стадии травления материал слоя 22 будет вытравливаться только на этих частях 27а (фиг.6.3).
Для копирования в слой 22 участка b микроструктуры стадии травления повторяют, т.е. осуществляется дальнейшее травление слоя 21 для уменьшения его толщины, пока не будет вытравлен весь материал углублений 26b рельефной микроструктуры поверхности, в результате чего открываются части 27b нижележащего второго слоя 22 (фиг.6.4). Затем осуществляют следующее травление слоя 22, в результате которого начинается травление частей 27b участка b и продолжается травление на участке а (фиг.6.5).
В третьем раунде травления полностью вытравливается материал в углублениях 26с, так что на следующей стадии травления слоя 22 в нем может вытравливаться микроструктура участка с (фиг.6.6). При травлении участка с продолжается травление участков а и b. И, наконец, могут быть удалены остающиеся части слоя 21.
Микроструктура, полученная в слое 22 (фиг.6.7), имеет три участка а, b, с, на которых скопированная микроструктура имеет разную глубину. Глубина микроструктуры в канавках 27а, 27b, 27с не обязательно должна находиться в линейной зависимости от глубин углублений 26а, 26b, 26с, поскольку глубина канавок в слое 22 зависит от условий травления, в особенности от времени травления на отдельных стадиях способа.
При рассматривании микроструктур, подобных микроструктуре, показанной на фиг.6.7, видны разные цвета или разные оттенки серого, причем при изменении угла наблюдения они изменяются в разной степени на разных участках.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения вышеописанный многостадийный процесс травления заменяется одной стадией травления путем выбора материалов слоев 21 и 22, а также условий травления таким образом, чтобы можно было вытравить оба материала за один процесс, например, на одной стадии мокрого травления. Предпочтительно скорость травления материала в слое 22 более высокая. Более предпочтительно скорость травления в слое 22 превышает скорость травления в слое 21 более чем в два раза. В начале процесса травления микроструктуры, как это показано на фиг.6.1, материал на дне углублений 26а, 26b и 26с должен быть сначала удален, прежде чем начнется травление материала в слое 22. Затем осуществляется непрерывное травление, обеспечивающее результаты, показанные на фиг.6.1-6.7. Задержка травления слоя 22 линейно зависит от значений толщины слоя 21 под углублениями 26а, 26b и 26с при условии, что скорость травления постоянна во времени. Поэтому различие значений глубины на участках а, b, с регулируется разными уровнями углублений 26а, 26b, 26с.
Прямоугольная форма элементов микроструктуры слоя 21, показанной на фиг.6, выбрана всего лишь для упрощения изложения и не накладывает никаких ограничений на форму элементов микроструктуры. Форма микроструктуры в слое 21 зависит от способа, использованного для ее формирования, и может иметь любой профиль. В слое 22 также может формироваться любое количество участков с разной глубиной микроструктуры. Три участка, показанные на фиг.6, являются всего лишь примером.
Существуют разные способы формирования микроструктуры с различными уровнями высоты углублений, как это показано на фиг.6.1. Разные уровни высот могут быть подготовлены до формирования микроструктуры, например, начиная со слоя, имеющего постоянную высоту. Тогда необходимая схема изменения толщины по поверхности может быть получена путем локального нанесения тонких слоев такого же или другого материала, например, с использованием печати или вакуумного напыления, или же путем локального удаления материала с верхней поверхности слоя, например, с использованием сухого или мокрого травления, или же с помощью лазерного выжигания. Также можно непосредственно наносить слой 21 с разной толщиной на разных участках поверхности. После обеспечения разных уровней высот на верхней поверхности слоя формируется микроструктура. Различные уровни высот углублений могут быть также обеспечены после формирования микроструктуры, например, путем локального нанесения тонких слоев того же или другого материала, например, с использованием печати или вакуумного осаждения, или же путем разного уменьшения толщины слоя 21 на разных участках, например, с использованием сухого травления. Различные уровни высоты углублений могут быть также обеспечены путем формирования микроструктур с локальными изменениями толщины в слое постоянной толщины. Метод изменения толщины микроструктуры зависит от метода формирования микроструктуры. Например, путем тиснения микроструктуры, уже содержащей разные высоты структуры, путем процарапывания наконечником атомно-силового микроскопа с применением разных усилий в разных местах слоя, путем лазерного выжигания с использованием разных уровней энергии в разных местах слоя или же, в случае мономерного рифления, путем применения разных уровней или интенсивностей света в разных местах слоя для управления разделением фаз и, соответственно, глубиной микроструктуры.
В другом варианте для обеспечения различия глубин канавок в слое 22 процесс начинается с микроструктуры в слое 21, имеющем одинаковые уровни углублений, как показано на фиг.5.2, причем после первой стадии травления материал под углублениями удаляют, как показано на фиг.5.3. Путем локального нанесения тонких слоев подходящего материала может быть получена конфигурация, подобная показанной на фиг.6.2, которая может быть затем обработана в соответствии с технологией, описанной выше со ссылкой на фиг.6.
Вместо локального нанесения тонких слоев, которые позволяют получить форму микроструктуры и обеспечить конфигурацию, аналогичную показанной на фиг.6.2, на определенные участки протравленного слоя 21 может быть нанесен материал, отличный от материала слоя 21, даже в виде более толстого слой, который заполняет канавки микроструктуры и не воспроизводит ее форму, чтобы защитить от травления на некоторых участках открывшиеся части 27 слоя 22. Материал для защиты некоторых участков должен выбираться таким образом, чтобы его можно было выборочно удалить, например, растворителем, без удаления материала слоя 21. Тогда травление микроструктуры в слое 22 осуществляют только на тех участках, которые не покрыты защитным материалом. После удаления защитного материала полностью или только на некоторых участках травление слоя 22 может быть продолжено, в результате чего дополнительные участки микроструктуры слоя 21 будут копироваться в слой 22 с одновременным увеличением глубины микроструктуры на участке, который был скопированы на первой стадии травления. Вышеописанная процедура может быть повторена несколько раз для получения нескольких разных участков с разной глубиной микроструктуры в слое 22.
В другом варианте для формирования канавок разной глубины на верхнюю поверхность слоя 22 перед нанесением слоя 21 наносятся по определенной схеме тонкие слои подходящего материала с использованием, например, стандартной технологии печати, такой как струйная печать, или вакуумного осаждения материала. Получаемая структура соответствует структуре, показанной на фиг.6.1, на которой участки b и с менее нижних частей слоя 21 содержат дополнительный(-ые) слой(-и) в качестве подслоя(-ев). Тогда эти дополнительные стадии обработки осуществляются за теми, что описаны выше со ссылкой на фиг.6.
После стадии обработки, на которой осуществляется травление микроструктуры в слое 22, остающиеся части слоя 21 могут быть удалены с помощью подходящих растворителей, или растворов, или других средств, таких как плазменная чистка или им подобные (фиг.5.5).
Микроструктура в слое 22, скопированная со слоя 21, может использоваться в качестве матрицы для изготовления копии и также называется мастер-матрицей.
В соответствии с изобретением копии с матрицы изготавливают путем введения микроструктуры матрицы в контакт с другим материалом (материалом копии) таким образом, чтобы в результате этого контакта с материалом копии рельефная микроструктура поверхности матрицы воспроизвелась в материале копии с обратным профилем рельефа поверхности.
В качестве материалов копии могут использоваться полимеры, сшиваемые мономеры и металлы, такие как, например, никель, хром, алюминий и т.п.
Материал копии может наноситься на микроструктуру с использованием таких методов, как методы нанесения покрытий, печати, погружения, напылени, напыления в вакууме, литья, осаждения методом химического восстановления или электролитического осаждения. Если материал копии наносится способом электролитического осаждения, то может потребоваться сначала нанести на микроструктуру тонкую пленку металла, такого как серебро, хром, золото, медь, алюминий и т.п., чтобы обеспечить хорошую электропроводность (фиг.5.6). Вместо нанесения материала копии на матрицу последнюю можно использовать в качестве штампа для тиснения рельефной микроструктуры поверхности в материале копии с использованием известных методов. В качестве материалов копии могут использоваться полимеры, сшиваемые мономеры и металлы, такие как, например, никель, хром, алюминий и т.п.
После завершения процесса тиражирования отделяют от матрицы. Копия может использоваться в качестве оптического элемента или же сама может использоваться в качестве матрицы (дочерней матрицы) для изготовления копий. Если копия с мастер-матрицы имеет профиль рельефа поверхности, обратный по отношению к профилю рельефа поверхности мастер-матрицы, то копия с копии будет иметь тот же профиль рельефа поверхности, что и мастер-матрица.
В зависимости от типа процесса тиражирования и от его условий глубина воспроизведенной в копии микроструктуры может быть меньше, чем глубина микроструктуры матрицы, с которой эта копия получена. Предпочтительно глубина воспроизведенной в копии микроструктуры составляет более 70% от глубины соответствующей части микроструктуры матрицы, более предпочтительно - более 80% и еще более предпочтительно - более 90%.
В предпочтительном варианте предлагаемого в изобретении способа копии с мастер-матрицы формируют электролитическим осаждением (гальванически). В качестве материала копии обычно используется никель. Полученная копия называется никелевым листом. Мастер-матрица, а также дочерние матрицы могут использоваться для изготовления копий многократно. Копии с копий можно получать аналогично получению копий с мастер-матрицы.
Обычно для массового производства копий, которые будут использоваться, например, в качестве оптических элементов, используется оборудование с катушками для разматывания и наматывания материала. Через оборудование пропускается, например, движущаяся полиэфирная пленка или другой аналогичный материал с акриловым покрытием. Под действием высокой температуры и высокого давления лист-матрица выдавливает в пленке рельефную микроструктуру поверхности (фиг.10.1). Затем пленка с тиснением снова наматывается на катушку.
В другом варианте вместо тиснения может использоваться литье с использованием УФ-излучения. Такой способ особенно подходит для изготовления глубоких микроструктур и/или очень стабильных устройств с переменными оптическими свойствами (фиг.10). В зависимости от требований к готовому изделию могут использоваться различные типы подложек: металлизированные, полуметаллизированные или прозрачные, с функцией теплопередачи или без таковой.
Для некоторых применений после тиснения или литья с использованием УФ-излучения может наноситься слой металла. В этом случае слой металла может быть нанесен на микроструктуру с использованием вакуумного напыления. На пленку при необходимости может быть нанесено другое, лаковое покрытие, например, для получения поверхности, которую можно запечатать печатной краской.
Пример 1
На фиг.5 иллюстрируется процесс копирования рельефной микроструктуры поверхности в слой металла в соответствии с изобретением.
Стеклянную или пластмассовую подложку 23 покрывают слоем 22 металла (алюминий) толщиной 100 нм с использованием стандартного способа покрытия, такого, например, как напыление или вакуумное напыление (металлизация напылением).
На слое металла 22 формируют слой 21 с рельефной микроструктурой поверхности (фиг.5.2) по вышеупомянутой технологии мономерного рифления, которая описывается в документа WO A-01/29148 и в которой используется фотоориентирующий слой, последовательно подвергаемый на разных участках действию УФ-излучения с различными направлениями поляризации с использованием хромовых фотошаблонов, в результате чего обеспечивается определенная схема ориентирования.
Затем осуществляют плазменное травление слоя 21, пока не откроется (проявится) часть нижележащего алюминиевого слоя в местах нижних зон 26 микроструктуры (фиг.5.3). Эта обработка может быть выполнена с использованием стандартной кислородной или аргоновой плазмы в зависимости от природы материала слоя 21. В результате толщина слоя 21 уменьшается, а алюминиевый слой 22 частично покрыт материалом микроструктуры исходного слоя 21 только в верхних зонах 21b.
На следующей стадии частично проявившийся алюминиевый слой 22 подвергают мокрому травлению с использованием соответствующего травильного раствора (фиг.5.4). С помощью этого процесса в алюминиевом слое 22 протравливаются микроструктурированные отверстия или канавки 24, соответствующие нижним зонам 26 микроструктуры слоя 21. На участках, соответствующих верхним зонам слоя 21 микроструктуры, остается алюминий 22b. Таким образом, микроструктура слоя 21 скопирована в алюминиевый слой 22. Затем эта микроструктура используется в качестве исходного материала для дальнейшей обработки. Глубина микроструктуры в слое 22 может контролироваться, например, путем изменения времени травления в сочетании с температурой травильного раствора. Время травления может задаваться таким образом, чтобы на участках проявления удалялся весь металл. В этом случае по всей поверхности достигается четко заданная и идентичная глубина микроструктуры в слое 22.
При необходимости остающийся материал верхних зон 21b может быть полностью удален (фиг.5.5) с использованием плазменного травления, описанного выше.
На следующей стадии полученный микроструктурированный слой алюминия подвергается дальнейшей обработке, заключающейся в напылении тонкого слоя 25 серебра на микроструктуру 22b (фиг.5.6) для обеспечения хорошей электропроводности. Типичная толщина этого слоя составляет около 80 нм или выше.
Затем полученную проводящую матрицу устанавливают в рамку и погружают в ванну вместе с источником никеля (фиг.7). Металлический слой 25 подсоединяют к источнику постоянного тока, в результате чего происходит электролитическое осаждение никеля на микроструктуре. Для получения необходимой толщины слоя никеля регулируют силу тока и продолжительность процесса. Продолжительность процесса может составлять от десятков минут до нескольких часов, в зависимости от необходимой толщины слоя никеля (см., например, справочник "Введение в гальванопластику", Бернард Гайда, 2008, ISBN 978-3-87480-242-0). Затем рамку с микроструктурой на подложке с никелевым покрытием извлекают из ванны и промывают деионизированной водой.
Металлическую матрицу в виде листа из тонкого никелевого покрытия, снимают с матрицы (фиг.8). Этот никелевый лист имеет негатив исходной рельефной микроструктуры поверхности.
Эксперименты показали, что благодаря легкости разделения никелевого листа и исходной матрицы, одна и та же матрица может быть использована для изготовления нескольких никелевых листов.
Используя одни и те же процессы, можно получать несколько металлических листов. Те листы, что изготовлены с металлического листа в виде мастер-матрицы, известны как "бабушки". "Матрица-бабушка" содержит позитивные изображения оригинальной микроструктуры. В это время на одном листе-матрице можно получать рядами различные копии оригинального изображения (фиг.9) и использовать их печатания нескольких копий за один цикл тиснения (рекомбинация). Последующие поколения листов-матриц известны под разными названиями, такими как "матери", "дочери" и "штамповочные листы". Эти поколения листов чередуются в плане смены негативных и позитивных представлений оригинала. Штамповочные листы (или производственные листы) используются собственно в производстве конечной продукции, и эти штампы являются негативными представлениями исходной микроструктуры.
Пример 2
В противоположность Примеру 1 слой 21, содержащий рельефную микроструктуру поверхности, формируют на металлической подложке, как это показано на фиг.3. Параметры формирования и травления слоя 21 те же, что и в Примере 1. Однако в отличие от Примера 1 процесс травления слоя 22 не прекращается автоматически, потому что подложка 22 гораздо толще, чем слой 22 в Примере 1. В зависимости от используемой подложки могут использоваться несколько средств травления, либо мокрое травление с использованием подходящих растворов, либо сухое травление с использованием подходящих газов. Например, кремний очищают и травят, используя известные стандартные способы. Для удаления оксида (естественный оксидный слой или слой оксидного покрытия) может использоваться раствор на основе плавиковой кислоты (необязательная стадия) с последующим интенсивным промыванием деионизированной водой.
На следующей стадии осуществляют анизотропное или изотропное травление для получения необходимой глубины микроструктуры, например, с использованием в качестве травильного раствора гидроксида калия. Глубина микроструктуры в слое 22 может контролироваться путем изменения времени травления в сочетании с изменением температуры травильного раствора.
После завершения копирования рельефной микроструктуры поверхности со слоя 21 на слой подложки 22 с необходимой глубиной используются такие же дальнейшие стадии, как и в Примере 1.
Пример 3
Слой 21, содержащий рельефную микроструктуру поверхности, был нанесен на кремниевую пластину, которая была предварительно покрыта тонким слоем производного кремневодорода в качестве средства, усиливающего адгезию. Травление слоя 21 осуществляли с использованием сухого травления в кислородной плазме при потоке кислорода 250 мл/мин и мощности 160 Вт в течение 7 минут. Перед травлением слоя 22 удалили слой оксида на подложке 22 с помощью буферного раствора на основе плавиковой кислоты с последующим интенсивным промыванием деионизированной водой. На следующей стадии для получения микроструктуры в подложке 22 осуществляли ее травление с использованием травильного раствора гидроксида калия в воде (40%) при температуре 50°С в течение 3,5 минут. Глубина полученной микроструктуры в слое 22, измеренная с использованием атомно-силового микроскопа, составила 500 нм. При рассматривании кремниевой пластины (слой 22) на участке скопированной микроструктуры она выглядела зеленой, а при рассматривании под другим углом - желтой.
Наконец, удаляли остающийся материал в верхних зонах 21b (фиг.5.5) с использованием кислородной плазмы при расходе кислорода 250 мл/мин и мощности 160 Вт в течение 8 минут.
Пример 4
Полученный микроструктурированный слой по Примеру 3 копировали на полимерную пленку. На поверхность микроструктуры, полученной в Примере 3, наносили с использованием центрифугирования смеси мультиакрилатных соединений. Затем осуществляли сшивание слоя материала с акрилатным покрытием при комнатной температуре с использованием УФ-излучения (зона А длин волн). Затем полученную полимерную пленку сняли с кремниевой пластины. При рассматривании пленки тот ее участок, который находился в контакте с микроструктурой кремниевой пластины, выглядел зеленым под первым углом, и желтым при наблюдении под другим углом. Таким образом, микроструктура кремниевой пластины была воспроизведена в полимерной пленке. Глубина микроструктуры, измеренная с помощью атомно-силового микроскопа, составила 500 нм.