CN102903298B - 具有表面微浮雕结构的金属镀层防伪膜 - Google Patents

Abstract

本申请涉及适用于钞票、证卡和产品包装等各类高安全或高附加值印刷品的一种光学防伪膜。该防伪膜包括具有第一表面和第二表面的基层。在第一表面上设置有第一微浮雕结构，以至少部分覆盖第一表面。第一微浮雕结构上还设置有第一金属镀层，其中，第一金属镀层至少部分覆盖第一微浮雕结构。其中，第一微浮雕结构的光栅参数与金属镀层的厚度及材质相互匹配，以使得在自然光照条件下，自然光的一部分光被金属镀层吸收，并在自然光的反射谱中形成共振吸收峰，从而使得自然光的再现光呈现特定的颜色或偏振特性。

Description

具有表面微浮雕结构的金属镀层防伪膜

技术领域

本申请涉及一种光学防伪膜，更具体地，涉及一种带有微浮雕结构的金属镀层防伪膜。

背景技术

为了防止利用扫描和复印等手段进行伪造，钞票、证卡和产品包装等各类高安全或高附加值印刷品中广泛采用了具有金属镀层的光学防伪技术。例如，第88108245号中国专利公开了一种带有开窗脱金属图案安全线的防伪纸，其中不含金属透光部分的面积为10％到50％。

目前，在光学防伪技术中广泛使用的衍射光变图像(比如全息图、动态衍射图等)的光学结构通常为浮雕型的衍射光栅。通过利用衍射光栅的一级衍射光再现图像。为了增加图像的亮度，常常在浮雕光栅表面蒸镀金属反射层。第2136352号英国专利公开了一种不干胶脱金属全息标识，全息图至少部分区域覆盖金属镀层，而另外的区域则无金属层覆盖，形成了去金属图案。第94105571.X号和第99815263.3号中国专利分别公开了带有全息开窗安全线的防伪纸及其制作方法。第200710087271.5号中国专利公开了一种包括多层结构干涉单元与衍射光变图像(全息)相结合的开窗安全线，在观察时，随着俯仰角的变化该安全线会产生颜色变换效果，并且，在一定的观察角度下可以看到衍射光变图像。

然而，上述公开的衍射光变图像防伪标识中，金属镀层的作用仅为增强全息图的亮度，而在反射光观察方向上与无光栅区域的普通金属镀层颜色相同，均呈现金属膜层的本色，也没有其它的光学特征的不同。

发明内容

根据本申请的一方面，提出了一种防伪膜，包括：基层，具有第一表面和第二表面；第一微浮雕结构，设置在所述第一表面上并至少部分覆盖所述第一表面；以及第一金属镀层，至少部分覆盖所述第一微浮雕结构。其中，所述第一微浮雕结构的光栅参数与所述第一金属镀层的厚度及材质相互匹配，以使得在自然光照条件下，所述自然光的一部分光被所述第一金属镀层吸收，并在反射谱中形成共振吸收峰，从而呈现特定的颜色或偏振特性。其中，所述光栅参数包括槽深与光栅周期之比、和光栅周期；其中，所述槽深与光栅周期之比为0.3-2，以及所述光栅周期为80nm-1000nm；其中，光栅周期满足：

$k_0{n}_a\sin {\mathrm{\θ}}_R+m\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}=\±k_0\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{metal}}{n}_a^2}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{metal}}+n_a^2}}$

以使得预定波长的光被金属镀层强烈吸收，在反射谱中形成共振吸收峰，以呈现预定的颜色及偏振特性；其中，k₀＝2π/λ₀，λ₀为入射光真空中的波长，为与金属镀层光栅上表面接触的介质折射率，ε_metal和ε_a分别为金属和入射光一侧介质的介电常数，θ_R为引起共振的入射角，称为共振角，m为整数，表示衍射级次。

在一个实施方式中，所述防伪膜可呈现以下至少一种光学特征：

1)所述防伪膜中具有所述微浮雕结构的金属镀层区域的反射光具有偏振性；

2)所述防伪膜中具有所述微浮雕结构的金属镀层区域与无所述微浮雕结构的金属镀层区域呈现出不同的颜色；

3)在反射光观察条件下利用偏振镜观察时，随着偏振镜与所述防伪膜之间的相对转动，所述防伪膜中具有所述微浮雕结构的金属镀层区域呈现的颜色发生变化；

4)当所述金属镀层厚度小于20nm并且透射观察时，具有所述微浮雕结构的所述金属镀层区域与无微浮雕结构的金属镀层区域呈现出不同的颜色，且所述再现光是偏振光。

根据本申请的另一方面，第一表面包括分别设置有不同的微浮雕结构的多个区域，以使得不同的区域在光照下分别呈现不同的光学特征，从而构成图文结构。

根据本申请的另一方面，第一表面包括分别设置有不同的金属镀层的多个区域，以使得不同的区域在光照下分别呈现不同的光学特征，从而构成图文结构。

根据本申请的另一方面，所述防伪膜还包括：模压层，涂布于所述第一表面，并且复制有所述微浮雕结构；保护层，涂布在所述金属镀层上以延长产品的使用寿命；剥离层，涂布于所述第一表面与所述模压层之间，从而在通过烫印、冷转移等工艺将产品转移到承载物上时，所述基层能够剥离掉。

根据本申请的另一方面，所述防伪膜还包括至少部分覆盖所述第二表面的第二微浮雕结构，以及至少部分覆盖所述第二微浮雕结构第二金属镀层，从而使得在所述第一表面和所述第二表面上分别观察到的反射光具有相同或不同的光学特征。

根据本申请的另一方面，所述第一微浮雕结构和所述第二微浮雕结构中每一个均包括一维光栅或二维光栅，其中，所述二维光栅的栅格分布为正交结构、蜂窝结构、二维布拉维点阵结构和随机结构其中之一。

根据本申请的另一方面，所述基层、所述第一及第二微浮雕结构、所述第一及第二金属镀层、所述模压层、所述剥离层以及所述保护层中的任一层上还设置有印刷图文层、磁性特征层或荧光特征层之一。

根据本申请的另一方面，所述防伪膜为产品标识、开窗安全线、贴条、贴膜之一。

附图说明

图1为根据本申请的一个实施方式的防伪膜的截面示意图；

图2为根据本申请的一个实施方式的光谱反射率曲线示意图；

图3为根据本申请的一个实施方式的具有不同微浮雕结构的防伪膜的截面示意图；

图4为根据本申请的一个实施方式的具有不同金属镀层的防伪膜的截面示意图；

图5为根据本申请的一个实施方式的具有模压层的防伪膜的截面示意图；

图6为根据本申请的一个实施方式的具有保护层的防伪膜的截面示意图；

图7为根据本申请的一个实施方式的具有剥离层的防伪膜的截面示意图；

图8为根据本申请的一个实施方式的具有附加特征层的防伪膜的截面示意图；

图9为根据本申请的一个实施方式的具有双面结构的防伪膜的截面示意图。

具体实施方式

下面参照附图描述本申请的实施方式。

图1示出了根据本申请一个实施方式的防伪膜1的截面示意图。防伪膜1包括具有第一表面3和第二表面4的基层2。在第一表面3上设置有第一微浮雕结构5，以至少部分覆盖第一表面3。如图所示，第一微浮雕结构5上设置有第一金属镀层6，其中，第一金属镀层6至少部分覆盖第一微浮雕结构5。

当光线照在覆盖微浮雕结构的金属镀层的表面上时，如果满足一定的条件就可激发出表面等离子体波，使得某些波长的光被金属镀层强烈吸收，在反射谱中形成共振吸收峰，因而呈现特定的颜色及偏振特性。具体地，在该实施方式中，可通过对防伪膜1的光学结构进行适当设计，例如，对第一微浮雕结构5的包括槽深、周期、槽形、深宽比(槽深与周期的比值)、占宽比(光栅峰宽与周期的比值)在内的光栅参数以及第一金属镀层6的材质、厚度等参数进行控制，来使第一微浮雕结构5的参数与第一金属镀层6的参数相匹配以满足表面等离子条件，从而使得在一定入射角度的光照条件下，优选地在自然光照明条件下，防伪膜1中具有第一微浮雕结构5的第一金属镀层6具有不同于无微浮雕结构的金属镀层的光学特征。

具体地，上述光学特征例如可包括以下一种或其组合：

1)防伪膜1中具有第一微浮雕结构5的金属镀层区域的反射光具有偏振性；

2)再现光在防伪膜中1具有第一微浮雕结构5的金属镀层区域与无微浮雕结构的金属镀层区域呈现出不同的颜色；

3)在反射光观察条件下利用偏振镜观察时，随着偏振镜相对于防伪膜1的转动，再现光在防伪膜1中具有第一微浮雕结构5的金属镀层区域呈现的颜色发生变化；

4)当第一金属镀层6厚度小于20nm并且透射观察时，再现光在具有微浮雕结构的金属镀层区域与无微浮雕结构的金属镀层区域呈现出不同的颜色，且再现光是偏振光。

出于清楚和示例的目的，下面以第一微浮雕结构5分别为一维光栅和二维光栅为例来描述防伪膜1。

假设第一微浮雕结构5为一维光栅，当光束以入射角θ_R照射到金属光栅表面时，将产生一系列的衍射光波，而不同级次的衍射光波的衍射角不相同。如果衍射光栅条纹的取向垂直于入射面，则衍射光波波矢在平行于界面方向(即x方向上)的分量满足

k'_xm＝k_x+mK  (1)

式中，m为表示衍射级次的整数，k_x是入射光波波矢在x方向上的分量，K＝2π/Λ为光栅的波矢，Λ为光栅的周期，k'_xm是m级衍射光波矢在x方向上的分量。

真空波矢大小为k₀的光在金属-介质表面激发的表面等离子体波的波矢为

$k_{\mathrm{sp}}=k_0\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_a{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{metal}}}{{\mathrm{\ϵ}}_a+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{metal}}}}---\left(2\right)$

式中，k₀＝2π/λ₀，λ₀为入射光真空中的波长，ε_metal和ε_a分别为金属和入射光一侧介质的介电常数。

当某一级衍射光波波矢在界面方向上的分量k'_xm与表面等离子体波的波矢k_sp相匹配时，二者发生共振，即产生表面等离子体共振现象，激发出表面等离子体波。也就是说共振条件为k'_xm＝k_sp，即

$k_0{n}_a\sin {\mathrm{\θ}}_R+m\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}=\±k_0\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{metal}}{n}_a^2}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{metal}}+n_a^2}}---\left(3\right)$

式中，为与金属镀层光栅上表面接触的介质折射率，θ_R为引起共振的入射角，称为共振角，m为整数，表示衍射级次。当m>0时，右式取“+”号；当m<0时，右式取“-”号。应用严格耦合波理论(参见浙江大学出版社出版、杨国光编著的《微光学与系统》§2.2.3严格耦合波理论)，可以计算在共振条件下的光谱反射率曲线。

图2示出根据本申请的一个实施方式的光谱反射率曲线示意图。其中，a为TM偏振光(偏振方向垂直于光栅方向)的光谱反射率曲线，b为自然光(TE和TM偏振光的联合作用)的光谱反射率曲线，c为TE(偏振方向平行于光栅方向)偏振光的光谱反射率曲线。从图中可以看出，只有TM能够激发表面等离子体波，存在强烈的吸收峰。

当入射光波通过光栅耦合来激发表面等离子体波时，光栅周期、槽深、深宽比、占宽比、槽形、金属材质、介质材质这些光栅的结构参数决定其反射光谱的带宽、吸收强度和吸收峰的位置。通过改变光栅的结构参数来获得不同形貌的共振吸收峰，从而产生具有偏振特性和/或不同颜色及其变化的光学特征。例如，周期为300nm、槽深260nm的一维矩形光栅，表面银层厚度为30nm，则在自然光照明条件下，反射光为紫红色；而在偏振镜下进行观察时，发现反射光在偏振镜为某一角度下时呈深红色，而在偏振镜转动90°后呈深蓝色。若银层变为10nm，则光线能够透过光栅，透射光为绿色偏振光,此时反射光的颜色和偏振性与上述表面银层厚度为30nm时相同,但是亮度和颜色的纯度降低。又例如，周期为300nm、槽深30nm的一维矩形光栅，银层为10nm，透射光仍为绿色偏振光，颜色更纯，但反射光基本没有颜色和偏振特性，这是因为在这种条件下的反射光谱中的吸收峰带宽很小。

防伪膜1的这些光学特征和其对应的光栅结构、金属镀层厚度以及它们之间的匹配关系可以通过严格耦合波理论计算来设计。

基层2例如可为聚对苯二甲酸二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(BOPP)等透明或非透明、有色或无色的薄膜，也可为与金属镀层相同或不同的金属。基层2的厚度约为5μm-500μm，优选地，约为10μm-100μm。

第一微浮雕结构5的x方向和/或y方向的特征尺寸约为80nm-1000nm，优选地约为150nm-400nm。当一个方向的特征尺寸满足要求时，另一个方向可以不受限制。

也就是说，第一微浮雕结构5可以是一维光栅，周期约为80nm-1000nm，优选地约为150nm-400nm；槽深约为10nm-1000nm，优选地约为50nm-500nm；槽形可以是正弦形、矩形、锯齿形等，一般来说，采用正弦形和矩形光栅效果会更好，也更适合于批量化大生产；第一微浮雕结构5也可以是变周期、变槽深的光栅结构。

第一微浮雕结构5还可以是二维光栅，x方向和/或y方向的周期约为80nm-1000nm，优选地约为150nm-400nm；槽形可以是正弦形、矩形、锯齿形等，优选为正弦形和矩形光栅；二维光栅的栅格分布可以是正交结构、蜂窝结构、二维布拉维点阵结构或随机结构等其中之一。

第一微浮雕结构5的槽深(即z方向的特征尺寸)约为50nm-1000nm，优选地约为100nm-500nm。

需要指出的是，第一微浮雕结构5的周期和槽深不能在上述范围内任意取值，二者之间存在匹配关系，这种匹配关系可以用深宽比(槽深与周期的比值)表示，是根据具体的再现效果通过严格耦合波理论设计计算得到。深宽比的范围通常为0.3-2，优选为0.4-1。

占宽比(光栅峰宽与周期的比值)也是影响效果的一个重要参数，主要是影响防伪膜1的亮度及对比度，通常要求0.3-0.7，优选0.4-0.6。

第一微浮雕结构5通过全息、激光直刻、电子束刻蚀等方法制作，然后通过电铸、模压、UV复制等常规的生产工艺转移到基层2上。

第一金属镀层6通过真空镀膜工艺实现，所采用的金属材质为金、银、铜、铁、锡、锌、铝、铬等或其合金，膜层厚度约为5nm-500nm，优选地约为30nm-100nm。若金属镀层为部分覆盖，则有金属和无金属的区域构成镂空图案。

如图3所示，基层2的第一表面3还可包括设置有不同的微浮雕结构501、502的多个区域，以使得不同的区域在光照条件下可分别呈现不同的光学特征。其中，一些区域的微浮雕结构可为衍射光栅，呈现衍射光变特征。上述的不同区域可构成文字、标识等图案。

如图4所示，基层2的第一表面3还可包括设置有不同的金属镀层601、602的多个区域，以使得不同的区域在光照条件下可分别呈现不同的光学特征。这些区域可以构成文字、标识等图案。其中，有金属区域和无金属区域可构成镂空图案。

此外，如图5所示，为了改善第一微浮雕结构5的质量，也可在基层2的第一表面3上涂布模压层7。其中，在模压层7上复制第一微浮雕结构5。模压层7的材质可为环氧树脂、丙烯酸、聚氨酯、聚酰胺或UV固化胶等。

另外，如图6所示，还可在第一金属镀层6的表面涂布保护层8以延长产品的使用寿命。保护层的材质可为环氧树脂、丙烯酸、聚氨酯、聚酰胺或UV固化胶等透明材料。

另外，如图7所示，在基层2的第一表面3和模压层7之间还可涂布剥离层9，从而在通过烫印、冷转移等工艺将产品转移到承载物上时，基层2能够剥离掉。

另外，如图8所示，防伪膜1还可具有印刷图文层、磁性特征层或荧光特征层10。这些特征层可以位于任何一个层表面或各层之间，或各层本身具有此类特征。

此外，在第二表面4上也可以设置第二微浮雕结构11。如图9所示，在第二微浮雕结构11上还可进一步设置至少部分覆盖第二微浮雕结构11的第二金属镀层12，从而使得在第一表面3和第二表面4上分别观察到的反射光具有相同或不同的光学特征。

本申请可以制作成标识、开窗安全线、贴条等产品形式。为了方便在产品上应用，所述防伪膜1的一面或者两面涂有粘结胶，以便可以通过烫印、粘贴、放线等工艺将起附着在承载物上。

以上参照附图结合示例性实施方式对本申请的方案进行了说明。可以理解，上述的实施方式并不应视为对本申请范围的限定。在不偏离本申请的精神和范围的前提下，本领域技术人员可对上述实施方式进行适当的修改、变形和/或组合。

Claims (9)

1.一种防伪膜，包括：

基层，具有第一表面和第二表面；

第一微浮雕结构，设置在所述第一表面上并至少部分覆盖所述第一表面；以及

第一金属镀层，至少部分覆盖所述第一微浮雕结构；

其中，所述第一微浮雕结构的光栅参数与所述第一金属镀层的厚度及材质相互匹配，以使得在自然光照条件下，所述自然光的一部分光被所述第一金属镀层吸收，并在所述自然光的反射谱中形成共振吸收峰，从而使得所述自然光的再现光呈现特定的颜色或偏振特性；

其中，所述光栅参数包括槽深与光栅周期之比、和光栅周期；

其中，所述槽深与光栅周期之比为0.3-2，以及所述光栅周期为80nm-1000nm；

并且，光栅周期满足：

$k_0{n}_a\sin {\mathrm{\&theta;}}_R+m\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&Lambda;}}=\&PlusMinus;k_0\sqrt{\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{metal}}{n}_a^2}{{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{metal}}+n_a^2}}$

以使得预定波长的光被金属镀层强烈吸收，在反射谱中形成共振吸收峰，以呈现预定的颜色及偏振特性；

其中，k₀＝2π/λ₀，λ₀为入射光真空中的波长，为与金属镀层光栅上表面接触的介质折射率，ε_metal和ε_a分别为金属和入射光一侧介质的介电常数，θ_R为引起共振的入射角，称为共振角，m为整数，表示衍射级次。

2.根据权利要求1所述的防伪膜，所述槽深与光栅周期之比为0.4-1，以及所述光栅周期为150nm-400nm。

3.根据权利要求1所述的防伪膜，所述金属镀层部分地覆盖第一表面，从而形成镂空图案。

4.根据权利要求1所述的防伪膜，所述金属镀层为金、银、铜、铁、锡、锌、铝、铬或其合金，所述金属镀层的厚度为5nm-500nm。

5.根据权利要求1所述的防伪膜，所述第一表面包括分别设置有不同的微浮雕结构的多个区域，以使得不同的区域在光照下分别呈现不同的光学特征。

6.根据权利要求1所述的防伪膜，所述第一表面包括分别设置有不同的金属镀层的多个区域，以使得不同的区域在光照下分别呈现不同的光学特征。

7.根据权利要求1所述的防伪膜，还包括：

模压层，涂布于所述第一表面，并且复制有所述微浮雕结构；以及

剥离层，涂布于所述第一表面与所述模压层之间；以及

保护层，涂布于所述金属镀层的表面。

8.根据权利要求1所述的防伪膜，还包括至少部分覆盖所述第二表面的第二微浮雕结构，以及至少部分覆盖所述第二微浮雕结构第二金属镀层，从而使得在所述第一表面和所述第二表面上分别观察到的反射光具有相同或不同的光学特征。

9.根据权利要求4所述的防伪膜，所述金属镀层的厚度为30nm-100nm。