ПОЛИМЕРНЫЙ МНОГОСЛОЙНЫЙ ЗАЩИТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, ОБЛАДАЮЩИЙ ОПТИЧЕСКИ ПЕРЕМЕННЫМ ЭФФЕКТОМ
POLYMER MULTILAYER PROTECTIVE ELEMENT WITH OPTICALLY VARIABLE EFFECT

Изобретение относится к полимерным материалам и области защищенной полиграфии и может быть использовано при изготовлении банкнот, ценных бумаг, паспортов, акцизных марок, идентификационных документов различного назначения. В современной защищенной полиграфии широко используются тонкопленочные прозрачные и отражающие элементы, выполненные в виде защитных нитей, окон, ламинирующих пленок и плоских полимерных включений-аппликаций. Такие полимерные элементы позволяют формировать в них различные
трудноподделываемые защитные признаки. Одним из интересных и востребованных направлений является формирование в тонкопленочных полимерных защитных элементах прозрачных, полупрозрачных и отражающих рельефных растровых структур. Такие структуры в сочетании с печатными и тиснеными растровыми изображениями создают оригинальные, трудноимитируемые защитные эффекты. Известны защитные признаки Motion™ фирмы "Crane & Co., Inc." (WO 2007/133613 A2, 22.11.2007), HALS™ фирмы "GRAPAC Japan Co.Inc." (EP 2132340 A1, 07.04.2010), MOVE™ фирмы "Gieseke & Devrient GmbH" (RU 2395842 C2, 27.02.2010).
Во всех указанных защитных признаках в различных вариантах используются технические решения, основанные на совмещении прозрачных растровых структур из сферических микролинз с печатными или оттиснутыми растрами микроизображений. Таким образом, удается получить динамические эффекты движения увеличенных плавающих мнимых изображений вне плоскости защитного элемента или цветоконтрастные эффекты при изменении угла наблюдения.
Наиболее близким к заявляемому изобретению, по мнению авторов, является полимерная микрооптическая пленочная структура, описанная в документе WO 2007/133613 А2, 22.11.2007. Микрооптическая пленочная структура выполнена в виде многослойной полимерной структуры, в которой, как минимум, один слой содержит микрорастровую рельефную структуру в виде сферических микролинз, и второй слой содержит печатный растр микроизображений, расположенных в узлах печатного растра, причем пространственный период печатного растра определяется пространственным периодом микрорастровой рельефной структуры, так, что при рассматривании защитного элемента наблюдаются различные динамические эффекты увеличенных плавающих изображений элементов печатного растра.
К недостаткам известного технического решения можно отнести достаточно большую толщину сферических микролинз и их расположение на наружной поверхности защитного элемента, вследствие чего ухудшается качество визуальных динамических эффектов, и, кроме того, неизбежны повреждения и загрязнения поверхности в процессе эксплуатации защищенного документа.
Задача, решаемая изобретением, - усовершенствование защиты документа за счет получения нового визуального динамического эффекта и улучшения качества визуального динамического эффекта, а также повышение срока службы защищенного документа.
Эти задачи решаются с помощью объектов, представленных в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в соответствующих зависимых пунктах формулы.
По первому варианту предложен защитный элемент, обладающий оптически переменным эффектом, выполненный в виде полимерного многослойного защитного элемента с оптически переменным эффектом, выполненный в виде структуры, в которой, по меньшей мере, один слой содержит микрорастровую рельефную структуру, и второй слой содержит печатный растр микроизображений, расположенных в узлах печатного растра, причем пространственный период печатного растра совпадает с пространственным периодом микрорастровой рельефной структуры, характеризующийся тем, что элементы микрорастровой рельефной структуры выполнены в виде зеркальных фокусирующих элементов -микрозеркал, расположенных внутри элемента в узлах рельефного растра, причем расположение и ориентацию растра микрозеркал выбирают таким образом, чтобы они соответствовали расположению и ориентации растра микроизображений, сформированного на верхней поверхности полимерной пленки так, что при рассматривании защитного элемента наблюдаются увеличенные плавающие изображения элементов печатного растра и увеличенные плавающие изображения теней элементов печатного растра.
Кроме того, зеркальные фокусирующие элементы представляют собой тисненые микробугорки на лаковом слое, на который нанесен отражающий или полупрозрачный отражающий тонкий слой металла, или представляют собой фазовые зонные пластины Френеля, на которые нанесен отражающий или полупрозрачный отражающий тонкий слой металла.
Полимерный многослойный защитный элемент дополнительно содержит прозрачное защитное покрытие поверх микрорастровой рельефной структуры, а методом тиснения выполнены выпуклые сферические микробугорки 3 диаметром 60-100 мкм, которые покрыты методом вакуумного напыления отражающими или полупрозрачными отражающими тонкими металлическими слоями. Металлический слой может быть выполнен из алюминия или серебра.
По второму варианту полимерный многослойный защитный элемент, обладающий оптически переменным эффектом, выполненный в виде многослойной полимерной структуры, в которой как минимум один слой содержит микрорастровую рельефную структуру, и второй слой содержит печатный растр микроизображений, расположенных в узлах печатного растра, причем пространственный период печатного растра определяется пространственным периодом микрорастровой рельефной структуры, характеризуется тем, что элементы микрорастровой рельефной структуры выполнены в виде прозрачных фазовых зонных пластин Френеля, расположенных в узлах рельефного растра, так, что при рассматривании защитного элемента наблюдаются увеличенные плавающие элементы печатного растра. И дополнительно он может содержать прозрачное защитное покрытие поверх микрорастровой рельефной структуры.
Перечень графических изображений.
На фиг.1 изображена схема совмещения растров известного защитного элемента по технологии "Motion™", на фиг.2 изображена схема совмещения растров известного защитного элемента по технологии "MOVE™". На фиг.3 изображена схема совмещения растров заявляемого защитного элемента, выполненного с зеркальными фокусирующими элементами. На фиг.4 изображена схема формирования мнимого увеличенного изображения печатного растра заявляемого защитного элемента по варианту 1. На фиг.5 приведена фотография увеличенных плавающих изображений, полученных на защитном элементе, выполненном по варианту 1. На фиг.6 изображена схема совмещения растров заявляемого защитного элемента, выполненного с прозрачными фазовыми зонными пластинами Френеля. На фиг.7 показано фото микрорастра с прозрачными фазовыми зонными пластинами Френеля. На фиг.8 приведена фотография плавающих увеличенных изображений, полученных с помощью микрорастра, показанного на фиг.7. На фиг.9 изображена схема совмещения растров в заявляемом защитном элементе с отражательными фазовыми зонными пластинами Френеля.
Заявляемый защитный элемент представляет собой многослойную структуру из прозрачных полимерных пленок, преимущественно из ПЭТ, ПП или ПВХ. На верхней поверхности одного из слоев методом печати или тиснения нанесен растр микроизображений. На противоположной поверхности слоя выполнена микрорастровая рельефная структура в виде зеркальных фокусирующих элементов (по первому варианту) или в виде фазовых зонных пластин Френеля (по второму варианту). Такой защитный элемент может содержать также дополнительные слои и покрытия, применяемые для предохранения от внешних воздействий или копирования и с целью повышения характеристик получаемых изображений.
Для сравнения рассмотрим известный защитный элемент по технологии "Motion™" (фиг.1), в котором печатный или тисненый растр микроизображений 1 выполнен на одной стороне прозрачной полимерной пленки 2, а на другой стороне этой пленки выполнен растр из сферических микролинз 3. Известный защитный элемент по технологии "MOVE™" (фиг.2) выполнен аналогично, но печатный растр располагается на полимерном или бумажном носителе 4, а со стороны печатного растра на нем размещается полимерная пленка 2 с микролинзовым растром 3.
Далее для понимания сущности заявленного изобретения приводим примеры исполнения предлагаемых защитных элементов.
Пример 1
На прозрачной полимерной пленке 2 (фиг.3) на верхней поверхности методом печати или тиснения нанесен растр микроизображений 1 в виде символов с характерным размером, равным полупериоду растровой решетки, например, 30-50 мкм. Элементарные изображения символов, находящиеся в узлах растровой решетки, выполняют тонкими линиями с толщиной штриха 1-10 мкм в виде символов, например в виде букв "ОК", расположенных в узлах растровой решетки. На противоположной поверхности пленки 2 нанесен тонкий прозрачный полимерный (лаковый) слой, в котором методом тиснения выполнены выпуклые сферические микробугорки 3 диаметром 60-100 мкм, которые покрыты методом вакуумного напыления тонкими металлическими слоями 5 с высокими коэффициентами отражения (например, из алюминия или серебра). Так формируется растровая структура микрозеркал. Расположение и ориентацию растра микрозеркал выбирают таким образом, чтобы они соответствовали расположению и ориентации растра микроизображений, сформированного на верхней поверхности полимерной пленки, и приводили к возникновению эффекта увеличенных плавающих изображений (эффекту муарового увеличения) при рассматривании верхней поверхности полимерной пленки в отраженном свете. Размеры и расположение формируемых мнимых увеличенных изображений символов, находящихся в узлах растра микроизображений, определяются радиусом кривизны микрозеркал и удалением их от поверхности, в которой сформирован растр микроизображений, т.е. толщиной полимерной пленки.
На фиг 4 схематически показано формирование мнимого изображения одним из микрозеркал. На верхней поверхности полимерной пленки 2 выполнены микросимволы 6 печатного растра, а на нижней поверхности полимерной пленки нанесен слой лака 7, на котором выполнены микрозеркала с зеркальной поверхностью 5 с радиусом кривизны R и фокусным расстоянием F. Размер мнимого изображения 8 и его расположение относительно поверхности пленки определяются расположением микросимвола относительно фокуса микрозеркала, который находится на расстоянии половины радиуса сферической поверхности
микрозеркала R. Радиус микрозеркал задается при тиснении микробугорков в прозрачном лаковом слое. Легко видеть, что предложенные структуры микрозеркал позволяют получать более тонкие защитные элементы, чем защитные элементы, выполненные по технологии "Motion", где толщина защитного элемента равняется сумме толщин линзы и пленки. В предлагаемом микрозеркальном растре толщина (высота) микролинз может равняться 5-7 мкм. Кроме того, необходимые увеличения мнимого изображения символов достигаются при радиусах кривизны зеркал больших, чем радиусы линз в защитных элементах, выполненных по технологии "Motion", что облегчает технологию формирования микрозеркального растра. Еще одно важное преимущество микрозеркальных растров заключается в том, что их можно формировать и внутри многослойных структур, а не только на поверхности полимерных пленок. В рассматриваемом примере лаковую микрозеркальную поверхность можно защитить прозрачной полимерной пленкой путем ее дублирования (ламинирования) или покрытием дополнительным защитным слоем. Это не отразится на достижении защитного эффекта - мнимое увеличенное изображение будет формироваться точно так же, как и без защитного слоя, что важно для повышения долговечности и надежности защитных элементов.
Пример 2
Микрозеркальный растр может быть нанесен непосредственно на поверхность полимерной пленки с нанесенным на нее растром микросимволов путем нанесения лакового слоя толщиной 5-10 мкм и тиснением в нем микробугорков диаметром 60-100 мкм и высотой 5-7 мкм с радиусом кривизны 50-100 мкм, с последующим напылением на них отражающих металлических слоев (Al, Ag, Cu, Ni, и др.). При этом возможно получение мнимых увеличенных плавающих изображений символов перед плоскостью пленки, а не за ней, как в примере 1. Расположение мнимого изображение также будет определяться радиусом кривизны микрозеркал и толщиной лакового слоя. В этом случае также легко защитить микрозеркальный растровый слой путем дублирования или нанесения защитных слоев. На фиг.5 показаны увеличенные плавающие изображения печатных (оттиснутых) микросимволов "ОК" и теней от этих микросимволов в защитном элементе, выполненном по такой же технологии.
Пример 3
Во втором варианте заявляемого изобретения элементы микрорастровой рельефной структуры выполнены в виде прозрачных фазовых зонных пластин Френеля. Такие структуры могут быть выполнены в виде более тонких пленок, чем рельефные структуры, выполненные по технологиям "Motion™", "MoveTM" и "HALS".
На Фиг.6 показан защитный элемент, содержащий растровую структуру из плоских фазовых зонных пластин Френеля 9, сформированных на поверхности прозрачной полимерной пленки 2 методом тиснения в предварительно нанесенном на нее полимерном лаковом слое толщиной 3-5 мкм, с глубиной микрорельефа 1-0,5 мкм. Известно, что такие рельефные зонные фазовые элементы подобны микролинзам с фокусным расстоянием, определяемым радиусами и глубиной тиснения микроэлементов.
На фиг.7 приведена фотография сформированного микрорельефа в виде плоских фазовых зонных пластин Френеля. В узлах микрорастра расположены концентрические кольцеобразные тисненые структуры. Диаметры колец рассчитаны по формуле:
, где
F - эквивалентное фокусное расстояние зонного фазового элемента;
m - нечетные числа 1, 3, 5, 7…;
λ - длина волны света, в котором производится наблюдение (в нашем случае выбиралось среднее значение λ=0.5 мкм);
m
R - внешний радиус m кольца.
Разница в толщине полимерного слоя (лака) в соседних кольцах должна обеспечивать отличие в оптических путях проходящего через них света на величину λ (разницу в набеге фазы величиной в π), что в нашем случае, при показателе преломления лака n~1,6, давало глубину тиснения 0,8-0,9 мкм.
1
3
5
7
Проведенные оценки показывают, что для получения эквивалентного фокусного расстояния F в 20 мкм необходимые радиусы колец равны: R=3,16 мкм, R=5,48 мкм, R=7,07 мкм, R=8.36 мкм.
Для фокусного расстояния в 100 мкм:
1
3
5
7
R=7.07 мкм, R=12,25 мкм, R=15,81 мкм, R=20,37 мкм.
Для фокусного расстояния в 1000 мкм (1 мм):
1
3
5
7
R=22,33 мкм, R=38,73 мкм, R=50,00 мкм, R=59,16 мкм.
Таким образом, для получения эффекта увеличенных плавающих символов в защитных нитях толщиной 20 мкм аналогично технологии «Motion» потребуется проведение прецизионного тиснения по лаковым слоям с разрешением по толщине линий, более высоким чем 1 мкм, и глубине тиснения, лучшим чем 0,1 мкм. Тиснение таких структур требует применения специального современного оборудования и технологий для проведения нанопринтинга в тонкослойных полимерных материалах.
В случае эквивалентного фокусного расстояния в 1000 мкм требования к оборудованию и технологии получения растров зонно-фазовых элементов значительно ниже. Такие структуры могут быть применены для создания защитных эффектов муарового увеличения в пластиковых картах, где толщины полимерных слоев могут достигать 100 и 1000 мкм. На фиг.6 приведена фотография именно такой растровой микроструктуры с фокусным расстоянием ≈1200 мкм. Линейные размеры колец Френеля 40, 60 и 70 мкм, глубина тиснения составляла 0.5-0,7 мкм.
На фиг.8 приведена фотография полученных с помощью этой растровой структуры увеличенных плавающих изображений в виде точек размером 1-2 мм (в зависимости от ориентации микрорастров). Размер точек в печатном микрорастре составлял 80 мкм.
Пример 4
Растр фазовых зонных пластин Френеля может быть выполнен также и в виде отражательных микроэлементов 10 (на Фиг.9), причем он также может быть размещен не только на поверхности полимерной структуры, но и внутри нее, что часто оказывается необходимым по соображениям защиты от копирования, повышения долговечности и защищенности от внешних воздействий. Такие структуры могут быть изготовлены по технологиям изготовления защитных элементов, описанных в примере 3, дополненных операциями по запылению рельефной структуры отражающими пленками, например, путем их металлизации.