CN102652064A - 具有多层结构的金色薄膜元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及薄层元件(30)，其具有多层结构，用于防伪纸、有价文件等，在入射光中观察时呈现出金色，并且具有至少两个半透明镜层(34、35)和配置在所述至少两个镜层之间的至少一个介电分隔层(36)，使得当测量420nm-490nm范围内的蓝色波长中的非偏振光的透射时，显现出具有70-150nm的半值宽度的共振。

Description

具有多层结构的金色薄膜元件
技术领域
本发明涉及一种薄膜元件，其具有多层结构，用于防伪纸、有价文件等等，在入射光中观察时呈现出金色，并且具有至少两个半透明即部分地透明的镜层和配置在所述至少两个镜层之间的至少一个介电分隔层。本发明还涉及具有这种薄膜元件的透明防伪元件和数据载体。
背景技术
数据载体，例如有价文件或者身份文件，或者其它有价物体，例如品牌物品，常常被提供以防伪元件进行保护，所述防伪元件允许检查数据载体的真实性，并且同时用作防止未授权的复制。一些年来，透明窗口已被证实在聚合物钞票中是有吸引力的防伪元件，近来在纸钞票中也是如此，因为它们允许采用多个防伪特征。
通过防伪元件以基于视角的效果发挥了真实性保护的特殊作用，因为即使以最现代的复印机也不能复制这些效果。这里，防伪元件配备有光学可变元件，其从不同视角，向观察者传达不同的图像印象，例如取决于视角，显示不同的颜色印象或亮度印象和/或不同的图形花纹。
在该背景中，已知的是采用具有多层薄膜元件的防伪元件，其颜色印象对于观察者随着视角发生变化，并且在倾斜薄膜元件时，例如从绿色变化成蓝色，从蓝色变化成绛红色或者从绛红色变化成绿色。在倾斜薄膜元件时发生的这种颜色变化在以下称为颜色偏移(color-shift)效果。
通过在俯视中和在透射光中在其外观之间显示出对比度的透明防伪元件，发挥了在真实性保护中的另一特殊作用。
从DE 10 2005 021 514 A1，已知一种用于有价文件的防伪元件，其具有铸币金属色的涂层。所述铸币金属色的涂层包含具有反射层、介电分隔层和薄金属层的层序列。根据一优选实施例，防伪元件的涂层是金色的，并且金属层基本由金构成。
发明内容
由此出发，本发明的目的是提供一种具有吸人外观和高防伪阻力的经济有效的薄膜元件。
该目的通过独立权利要求的薄膜元件、透明防伪元件和数据载体实现。本发明的改进是从属权利要求的主题。
本发明的薄膜元件可以在不使用金的情况下制造。在本发明的薄膜元件中，金色视觉印象几乎独立于视角。借助于本公开内容，进一步示出了金色薄膜元件如何能够集成在微观结构中。由此，例如金色花纹可以在微透镜放大配置中生成。
本发明的一个方面涉及一种薄膜元件，其具有多层结构，用于防伪纸、有价文件等，在入射光中观察时，呈现出金色，并且具有至少两个半透明镜层和配置在所述至少两个镜层之间的至少一个介电分隔层，使得在测量从420到490nm范围的蓝色波长中的非偏振光的透射时，具有70-150nm的半峰全宽的共振。
所述至少两个半透明镜层并不一定必须由均质的连续的膜形成。它们也可以由群组(clusters)形成，即由具有不连续性的膜形成。对于这种情况也发生Fabry-Perot共振的光学效果，并对于观察者生成金色。
优选地，在测量半峰全宽为70-150nm的处于420-490nm范围的蓝色波长中的非偏振光的透射时显现出的共振是可见光范围中的唯一共振。
述两个镜层例如由银或者银合金形成，其中厚度为h且折射率为ν的所述介电分隔层满足关系120nm<h*ν<170nm。该介电层优选由均质介质例如SiO2构成。然而，它也可以由非均质介质构成，例如在其中嵌入有纳米颗粒(其例如由胶乳制成)的SiO2。在该情况下，ν的特征在于有效的或者平均的折射率。分隔层的材料优选为SiO2。进一步优选地，在介电分隔层内引入由铜形成的半透明层。
所述两个镜层也可以由银或者银合金形成，其中厚度为h且折射率为ν的所述介电分隔层满足关系340nm<h*ν<400nm。这里，介电分隔层优选由SiO2形成。然而，它也可以由非均质介质构成，例如在其中嵌入有纳米颗粒(其由胶乳制成)的SiO2。进一步优选地，在介电分隔层内引入由铜形成的半透明层。
所述两个镜层也可以由银或者银合金形成，其中厚度为h且折射率为ν的所述介电分隔层满足关系120nm<h*ν<190nm。这里，介电分隔层优选由SiO2形成。然而，它也可以由非均质介质构成，例如在其中嵌入有纳米颗粒(其例如由胶乳制成)的SiO2。
所述两个镜层也可以由ZnS或者TiO2形成，其中厚度为h且折射率为ν的所述介电分隔层满足关系100nm<h*ν<170nm，并且ν小于镜层的折射率。这里，介电分隔层优选由SiO2形成。然而，它也可以由非均质介质构成，例如在其中嵌入有纳米颗粒(其例如由胶乳制成)的SiO2。
所述两个镜层也可以由例如硅或者锗等半金属形成。在硅的情况下，这些层优选分别具有10nm-35nm的厚度。这里，介电分隔层优选由SiO2形成。然而，它也可以由非均质介质构成，例如在其中嵌入有纳米颗粒(其例如由胶乳制成)的SiO2。
本发明的薄膜元件在透射光中有利地呈现出蓝色，并且几乎没有颜色偏移效果。
本发明的薄膜元件优选呈图案、文字或者代码(coding)的形式。
本发明的薄膜元件优选与浮凸结构组合。特别优选的是，所述薄膜元件应用于衍射性浮凸结构、微光学浮凸结构或者子拉姆达(sublambda)结构。
本发明的再一方面涉及一种透明防伪元件，其用于防伪纸、有价文件等，具有载体和施加在载体上的薄膜元件，其中所述薄膜元件是上述薄膜元件。
本发明的再一方面涉及具有上述薄膜元件的数据载体，其中所述薄膜元件配置在数据载体的透明窗口区域或者通孔之中或者上方。
所述数据载体优选是有价文件，例如钞票，特别是纸质钞票、聚合物钞票、箔复合钞票或者身份证。
本发明基于以下发现，即，在具有两个半透明镜层和配置于其间的介电分隔层的Fabry-Perot共振体中，在入射光中观察时以及在透射光中观察时，都能够获得强烈的颜色饱和度，当多层结构构造成使得在测量420-490nm范围的蓝色波长中的非偏振光的透射时，发现70-150nm的半峰全宽的共振。“420-490nm范围的蓝色波长内的70-150nm的半峰全宽的共振”这一表述意味着共振的最大值处于420-490nm范围的蓝色波长内。
在入射光中和在透射光中观察时的薄膜元件的共振性质以及颜色可以通过选择分隔层即分隔层的厚度和折射率以及选择半透明镜层来确定。
本发明的薄膜元件在入射光中观察时具有金色。在透射光中观察时，出现几乎没有颜色偏移效果的蓝色色调。
本发明的薄膜元件优选构造成使得在测量可见光范围中的非偏振光的透射时，只发现具有70-150nm的半峰全宽的唯一一个共振。
进一步优选地，本发明的薄膜元件优选构造成使得在测量可见光范围中的非偏振光的透射时，只发现具有90-120nm的半峰全宽的唯一一个共振。在入射光中观察时以及在透射光中观察时，颜色饱和度特别强烈。
在本发明的一个有利变型中，所述两个镜层由银或者银合金形成，而厚度为h且折射率为ν的所述介电分隔层满足关系120nm<h*ν<170nm。在本发明的一个替代有利变型中，所述两个镜层由银或者银合金形成，而厚度为h且折射率为ν的所述介电分隔层满足关系340nm<h*ν<400nm。进一步优选的是，两个半透明镜层由银(Ag)或者由银合金形成，而介电分隔层由SiO2形成。特别优选的是，两个半透明镜层由银(Ag)或者银合金形成，介电分隔层由SiO2形成，并且在介电分隔层内引入有由铜形成的半透明层。
在本发明的另一有利变型中，所述两个半透明镜层由铝(Al)或者铝合金形成，而厚度为h且折射率为ν的所述介电分隔层满足关系120nm<h*ν<190nm。介电分隔层优选由SiO2形成。
在本发明的另一有利变型中，所述两个镜层由高折射介电材料形成，特别是ZnS或者TiO2，并且厚度为h而折射率为ν的介电分隔层满足关系100nm<h*ν<170nm，其中ν小于镜层的折射率。特别优选的是，所述两个半透明镜层由硫化锌(ZnS)或者二氧化钛(TiO2)形成，所述介电分隔层由SiO2形成。
在本发明的另一有利变型中，所述两个镜层由半金属形成，特别是硅或者锗。在硅的情况下，镜层的厚度优选分别达到10nm-35nm。特别优选的是，所述两个半透明镜层由硅形成，而所述介电分隔层由SiO2形成。
本发明的薄膜元件的多层结构优选具有对称性三层构造，即第一半透明镜层、介电分隔层和第二半透明镜层，所述第二半透明镜层由与第一镜层相同的材料构成，并且具有与第一镜层相同的层厚或者几乎相同的层厚。
根据本发明的在入射光中观察时呈现出金色的薄膜元件有利地具有从以下层序列中选择的对称性三层构造：
5-15nm Al/85-125nm SiO2/5-15nm Al；
15-25nm Ag/80-105nm SiO2/15-25nm Ag；
65-75nm ZnS/70-100nm SiO2/65-75nm ZnS。
此外，根据本发明的在入射光中观察时呈现出金色的薄膜元件有利地具有从以下两个层序列中选择的对称性三层构造：
10-35nm硅/140-180nm SiO2/10-35nm硅；
10-35nm硅/90-130nm SiO2/10-35nm硅。
后一个三层式构造即使对于扁平入射角(例如>60°)也几乎不显示色调的变化。
通过具有不同层厚的介电分隔层的薄膜元件对色度的检查显示了颜色空间被周期性地穿过。因此，本发明的薄膜元件不只是有利地具有15-25nm Ag/80-105nm SiO2/15-25nm Ag层序列的对称三层式构造，而且还有利地具有从以下层序列中选择的对称性三层构造：
15-25nm Ag/220-260nm SiO2/15-25nm Ag；
15-25nm Ag/420-460nm SiO2/15-25nm Ag。
然而，具有15-25nm Ag/80-105nm SiO2/15-25nm Ag层序列的三层式构造的薄膜元件是优选的，因为该变型是特别颜色精确的。
本发明的薄膜元件可以特别具有从以下层序列中选择的对称性三层构造：
10nm Al/120nm SiO2/10nm Al；
20nm Ag/90nm SiO2/20nm Ag；
70nm ZnS/80nm SiO2/70nm ZnS；
20nm Ag/240nm SiO2/20nm Ag；
20nm Ag/440nm SiO2/20nm Ag。
此外，本发明的薄膜元件可以特别具有从以下两种层序列中选择的对称性三层构造：
15nm硅/160nm SiO2/15nm硅；
15nm硅/110nm SiO2/15nm硅。
后一个三层式构造对于扁平入射角(例如>60°)也几乎不显示色调的变化。
本发明的薄膜元件的多层结构优选具有对称性五层构造，即第一镜层、介电分隔层和第二镜层，所述第二镜层由与第一镜层相同的材料构成并且具有与第一镜层相同的层厚或者几乎相同的层厚，其中在介电分隔层内嵌入有由铜(Cu)形成的层。通过在介电分隔层内嵌入铜层，能够提高金色的色调。本发明的薄膜元件可以特别具有具备以下层序列的对称性五层构造：
20nm Ag/45nm SiO2/6nm Cu/45nm SiO2/20nm Ag。
经由更复杂的层序列，能够进行更好的色调调节。
本发明的薄膜元件可以通过热蒸发、电子束蒸发(EBV)或者溅射来制造。
在有利实施例中，薄膜元件呈图案、文字或者代码的形式。这还包括这样的可能性，即全表面薄膜元件设置有呈图案、文字或者代码形式的间隙。
本发明的薄膜元件可以有利地与浮凸结构组合，例如衍射性浮凸结构(例如全息图)、微光学浮凸结构(例如微透镜结构、锯齿结构的三维再现)或者子拉姆达结构(例如子波长光栅、蛾眼结构)，并且可以特别地施加在这种浮凸结构上。
本发明的薄膜元件也可以与光学可变涂层组合，特别是与自身具有颜色可变区域和颜色恒定区域的组合的涂层组合。
发明还涉及一种透明防伪元件，用于防伪纸、有价文件等，具有载体和施加于载体上所述类型的薄膜元件。载体可以具有放射线固化漆(例如UV漆)。漆可以存在于透明载体箔(例如PET箔)上。特别地，载体可以包括UV固化无机-有机混合聚合物，其在“Ormocer”商标名下配销。
本发明还涉及具有所描述类型的薄膜元件的数据载体，其中所述薄膜元件特别配置在数据载体的透明窗口区域或者通孔之中或者上方。数据载体可以特别是有价文件，例如钞票，特别是纸钞票、聚合物钞票或者箔复合钞票，或者身份卡，例如信用卡、银行卡、现金卡、授权卡、国民身份证或者护照个性片等。
本发明的其它实施例以及优点将在下面参考附图进行说明，其中摒弃了对真实尺度和比例的再现，以增加清楚性。不同的实施例并不局限于以具体描述的形式使用，而是可以彼此组合。
附图说明
附图的描述如下：
图1示出了被微光学浮凸结构围绕的本发明的薄膜元件；
图2是具有本发明的透明防伪元件的钞票的示意图；
图3以截面示出了沿线II-II所取的图1的透明防伪元件；
图4是对于以下各层在CIE标准色度图中随入射角Θ=0°-60°变化的反射：(661)Au；(662)10nm Al、120nm SiO2、10nm Al；(664)20nm Ag、90nmSiO2、20nm Ag；和(665)70nm ZnS、80nm SiO2、100nm ZnS；
图5是对于以下层构造在CIE标准色度图中随入射角Θ=0°-60°变化的透射：(662)10nmAl、120nm SiO2、10nm Al；(664)20nm Ag、90nm SiO2、20nm Ag；和(665)70nm ZnS、80nm SiO2、100nm ZnS；
图6对于0到60°之间的不同入射角Θ示出了具有20nm Ag、90nmSiO2、20nm Ag层序列的对称性吸收层/介电层/吸收层构造的反射、透射和吸收光谱；
图7对于入射角Θ=30°示出了具有Ag、90nm SiO2、Ag层序列的对称性吸收层/介电层/吸收层构造的反射、透射和吸收光谱，其中两个Ag层的厚度在5、10、15、20和25nm之间改变；
图8示出了根据本发明一个实施例的透明防伪元件，其中薄膜元件与全息图压花结构组合。
具体实施方式
现在将通过用于钞票的防伪元件作为示例来说明本发明。
图1示出了根据本发明的薄膜元件，其被微光学浮凸结构围绕。该微光学元件的制造可以按如下方式进行：
以光致抗蚀剂覆盖纳米结构的基板表面(例如蛾眼结构等不规则浮凸或者浮凸光栅)，以便生成平坦表面。接下来，在照相平版印刷工艺(例如在激光写入器的协助下)中，使预定区域曝光。在去除曝过光的光致抗蚀剂后，使纳米结构部分地露出。未曝光的区域则形成平坦表面，与图1的元件的中间区域相对应。最后，根据以上说明对薄膜元件进行蒸汽涂覆，并且有利地以漆层或者覆盖箔进行衬覆。该薄膜元件在平坦区域中显示出金色。浮凸状区域则呈现出不同的颜色，或者这些区域是黑色吸收性的。
在图1中，“R”代表反射光，即入射光的反射部分，而“T”代表透射光，即入射光的透射部分。
图2为此目的示出了钞票10的示意图，钞票10具有被本发明的透明防伪元件12覆盖的通孔14。图3以截面示出了沿着图2的线II-II的透明防伪元件12。
透明防伪元件12包含花纹16，其作为盾形纹章花纹16在图2中示出以便于说明。然而，在其它设计中，花纹16可以呈现出任何期望的图案、文字或者代码，特别还可以是文字的字母数字序列，例如钞票10的面额。在入射光中观察透明防伪元件时，并且观察者22位于与入射光20相同的一侧时，花纹16生成金色视觉印象。
相比之下，在透射光中(观察位置24)观察透明防伪元件12时，例如通过在光源前或者对着日光手持钞票10，花纹16对观察者24呈现出几乎不随钞票10的倾斜角发生改变的强烈的蓝色。
当透视在入射光中呈现出金色的防伪元件时出现的饱和的且强烈的蓝色印象与通常的观察习惯相抵触，从而具有高的关注值和识别值。
图4以CIE标准色度图示出了对于以下各层随入射角Θ=0°-60°变化的反射：(661)Au；(662)10nm Al、120nm SiO2、10nm Al；(664)20nm Ag、90nm SiO2、20nm Ag；和(665)70nm ZnS、80nm SiO2、100nm ZnS。黑斑代表白点。为了计算颜色值，使用来自标准文献的光学常数。然而，在实验性地制造的薄层的情况下，折射率可因制造方法而略微偏离这些值。为了获得金色色调中的最大饱和度，介电分隔层的厚度应该在以上指出的公差内调节。
图5以CIE标准色度图示出了在对于以下层构造的色度图中随入射角Θ=0°-60°变化的透射：(662)10nm Al、120nm SiO2、10nm Al，(664)20nmAg、90nm SiO2、20nm Ag和(665)70nm ZnS、80nm SiO2、100nm ZnS。黑斑代表白点。与图4中一样，为了计算颜色值，使用来自标准文献的光学常数。
为了生成提及的颜色效果，参考图3，透明防伪元件12包含透明塑料箔32，在其上施加有呈期望花纹16形式的三层式对称薄膜元件30。薄膜元件30由第一半透明镜层34、介电分隔层36和第二半透明镜层38构成，所述第一半透明镜层34在本实施例中由20nm厚的银层形成，所述介电分隔层36在本实施例中由90nm厚的SiO2层形成，而所述第二半透明镜层38在本实施例中由另一20nm厚的银层形成。
对着色的实质贡献来自形成于薄半透明镜层之间的Fabry-Perot共振。该效果借助于非偏振光的反射、透射和吸收光谱得到更详细的说明。图6对于0到60°之间的不同入射角Θ示出了20nm Ag、90nm SiO2、20nm Ag三层式系统的光谱。这里明显的是，有关反射中的波谷的以及有关吸收中的波峰的透射最大值对于增大的入射角来说几乎没有偏移。因此，生成了均匀的且独立于视角的颜色印象。三层式系统在反射光中显示出金色色调，而在透射光中显示出蓝色色调。
图7示出了对半透明镜层的厚度的影响的检查。其中对于入射角Θ=30°示出了具有Ag、90nm SiO2、Ag层序列的对称吸收层/介电层/吸收层构造的反射、透射和吸收光谱，其中两个Ag层的厚度在5、10、15、20和25nm之间改变。显然的是，共振的位置几乎不受半透明镜层的厚度的影响。然而，厚度间接地与共振的半峰全宽成比例。光谱中处于70-150nm范围内的共振的半峰全宽提供最佳的颜色对比度。为了同时在反射光中获得高颜色强度，在该层构造中，特别地，20nm Ag的半透明镜层的厚度是适当的。
图8的实施例示出了透明防伪元件100，其中本发明的薄膜元件与全息图压花结构组合。
为此目的，首先，在透明箔基板102上施加具有期望的全息图压花结构的透明压花漆层104。在施加未示出的打底层后，在压花结构上蒸汽沉积具有干涉层构造的薄膜元件，例如参考图3所描述类型的薄膜元件30。以这种方式，全息图压花结构的光学可变效果能够与上述冲击反射加透射颜色效果(即俯视中和透射光中的颜色效果)组合。例如，位于钞票的窗口中的薄膜元件可以呈现出向前或向后膨出的数字或者向前或向后膨出的符号的形式。

Claims (15)

1.一种薄膜元件，具有多层结构，用于防伪纸、有价文件等，在入射光中观察时，呈现出金色，并且具有至少两个半透明镜层和配置在所述至少两个镜层之间的至少一个介电分隔层，使得在测量从420到490nm范围的蓝色波长中的非偏振光的透射时，发现具有70-150nm的半峰全宽的共振。
2.如权利要求1所述的薄膜元件，其中，所述共振是可见光范围中的唯一共振。
3.如权利要求1或2所述的薄膜元件，其中，所述两个镜层由银或者银合金形成，而厚度为h且折射率为ν的所述介电分隔层满足关系120nm<h*ν<170nm。
4.如权利要求1或2所述的薄膜元件，其中，所述两个镜层由银或者银合金形成，而厚度为h且折射率为ν的所述介电分隔层满足关系340nm<h*ν<400nm。
5.如权利要求1或2所述的薄膜元件，其中，所述两个镜层由铝或者铝合金形成，而厚度为h且折射率为ν的所述介电分隔层满足关系120nm<h*ν<190nm。
6.如权利要求1或2所述的薄膜元件，其中，所述两个镜层由ZnS或者TiO2形成，而厚度为h且折射率为ν的所述介电分隔层满足关系100nm<h*ν<170nm，并且ν小于镜层的折射率。
7.如权利要求3或4所述的薄膜元件，其中，所述介电分隔层由SiO2形成，并且在所述介电分隔层内，引入有由铜形成的半透明层。
8.如权利要求1或2所述的薄膜元件，其中，所述两个镜层由半金属形成，特别是硅或者锗，并且优选分别具有10-35nm的厚度。
9.如权利要求8所述的薄膜元件，其中，所述介电分隔层由SiO2形成。
10.如上述权利要求中任一项所述的薄膜元件，其中，所述薄膜元件在透射光中观察时呈现出蓝色，并且几乎没有颜色偏移效果。
11.如上述权利要求中任一项所述的薄膜元件，其中，所述薄膜元件呈图案、文字或者代码的形式。
12.如上述权利要求中任一项所述的薄膜元件，其中，所述薄膜元件与浮凸结构组合，特别地，薄膜元件被施加在衍射性浮凸结构、微光学浮凸结构或者子拉姆达结构上。
13.一种透明防伪元件，用于防伪纸、有价文件等，具有载体和施加于载体上的如权利要求1-12中任一项所述的薄膜元件。
14.一种数据载体，具有如权利要求1-12中任一项所述的薄膜元件，其中所述薄膜元件配置在所述数据载体的透明窗口区域或者通孔之中或者上方。
15.如权利要求14所述的数据载体，其中，所述数据载体是有价文件，例如钞票，特别是纸质钞票、聚合物钞票、箔复合钞票或者身份证。
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