CN104647937A - 一种制备光学防伪元件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制备光学防伪元件的方法，其克服了现有技术中在制备光学防伪元件时误差大、可靠性低等缺陷。该方法包括：在基材的表面上形成表面浮雕结构层，该表面浮雕结构层包括至少两个区域，其中各个所述区域中的表面浮雕结构层的表面积与表观面积的比值互不相同；至少在表面浮雕结构层的其中一个所述区域的至少一部分上形成镀层；在全部或部分所述镀层上形成缓冲层；以及将形成所述缓冲层后的所述光学防伪元件置于能够与所述缓冲层和所述镀层进行反应以使所述缓冲层和所述镀层减薄甚至消失的环境中进行反应，直到得到所需的光学防伪元件为止，其中所述缓冲层在单位时间内的厚度减薄速率小于所述镀层在单位时间内的厚度减薄速率。

Description

一种制备光学防伪元件的方法

技术领域

本发明涉及光学防伪领域，尤其涉及一种制备光学防伪元件的方法。

背景技术

为了防止利用扫描和复印等手段产生的伪造，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光学防伪技术，并且取得了非常好的效果。

表面微米级或纳米级的浮雕结构是长期以来光学防伪技术开发的重点。在利用表面浮雕结构形成光学防伪元件时，为了增加图像的亮度，常常在表面浮雕上蒸镀金属反射层。对该金属反射层进行镂空从而形成对反射层的图案化能够大幅度提高光学防伪元件的视觉效果和抗伪造能力。一般来说，对该金属反射层进行镂空的方法有如下几种。

印刷脱金属，即通过印刷方式在金属反射层上形成图案化的保护层，然后通过化学溶剂对保护区域以外的金属进行腐蚀。或者在形成金属反射层之前印刷剥离层，并在形成金属反射层后通过某种液体的浸泡使剥离层以上的金属反射层脱落从而形成镂空图案。在这一方法中，如果光学防伪元件本身即为图案化的，那么印刷的镂空图案通常与光学防伪元件的图案之间存在对位误差，这一误差通常不低于百微米量级，并且在大生产过程中这一误差可能会更大。

另外一种方法是在表面浮雕结构形成时，即制作原版的过程中在光学防伪元件的金属反射层的镂空区域制作大深宽比的微纳结构，例如正弦光栅结构。在形成金属反射层过程中，由于大深宽比微纳结构的区域具有相对其它区域而言单位表观面积上更大的表面积，因此将在大深宽比微结构区域形成相对薄的金属反射层。对于特定波长的光，薄金属反射层具有更强的透射率。当在金属反射层上涂覆特定的感光胶后，从反射层的背面投射的特定波长的光将透过薄金属反射层区域对正面的感光胶感光从而使得薄金属区域的感光胶变性而容易溶解于特定溶剂，使得感光胶失去对薄金属区域的金属层的保护作用。最后通过特定溶剂对裸露的薄金属层进行腐蚀从而形成镂空图案。在这一方法中，镂空图案和光学防伪元件自身的图案的对位误差由光学制版过程来决定，通常这一误差可以控制在微米量级，甚至百纳米量级。但是，该方法的缺陷是，薄金属区域的透光率较低，对感光胶的对比度要求较高，工艺复杂而可靠性低，不利于大生产的实施。

还有一种方法是在形成上述薄金属反射层后继续形成第二层材料，该材料具有疏松结构或孔洞，且在大深宽比微结构区域厚度相对较薄，因而对大深宽比微结构区域的薄金属反射层的遮盖保护能力较差，使得薄金属反射层区域容易渗入腐蚀性气体或液体从而形成镂空图案。这一方法的镂空图案与光学防伪元件的图案对位误差与前一种方法相同，但第二层材料的疏松结构或孔洞质量难以控制，因此工艺稳定性较低，不利于工程化生产。

发明内容

本发明针对现有技术中在制备光学防伪元件时误差大、可靠性低、工艺可控性差等缺陷，提供一种能够克服这些缺陷的制备光学防伪元件的方法。

本发明提供一种制备光学防伪元件的方法，该方法包括：

在基材的表面上形成表面浮雕结构层，所述表面浮雕结构层包括至少两个区域，其中各个所述区域中的所述表面浮雕结构层的表面积与表观面积的比值互不相同；

至少在所述表面浮雕结构层的其中一个所述区域的至少一部分上形成镀层；

在全部或部分所述镀层上形成缓冲层；以及

将形成所述缓冲层后的所述光学防伪元件置于能够与所述缓冲层和所述镀层进行反应以使所述缓冲层和所述镀层减薄甚至消失的环境中进行反应，直到得到所需的光学防伪元件为止，其中所述缓冲层在单位时间内的厚度减薄速率小于所述镀层在单位时间内的厚度减薄速率。

由于根据本发明的方法是通过在基材的表面上形成表面浮雕结构层、在表面浮雕结构层上形成镀层、在镀层上形成缓冲层，并之后将光学防伪元件置于能够与镀层和缓冲层进行反应的环境中来形成镂空图案，而且缓冲层在单位时间内的厚度减薄速率小于镀层在单位时间内的厚度减薄速率，所以其能够精确定位需要镂空的部位，工艺可行性和工艺稳定性强，与印刷去金属的技术相比，具有更高的灵活性并且能够实现所得光学防伪产品的更强的防伪能力。

附图说明

图1是根据本发明的制备光学防伪元件的方法的流程图；以及

图2是将光学防伪元件置于反应环境中之前光学防伪元件的一种示意性剖面图。

具体实施方式

下面结合附图来详细描述根据本发明的制备光学防伪元件的方法的流程图。

如图1所示，根据本发明的制备光学防伪元件的方法包括以下步骤：

S11、在基材的表面上形成表面浮雕结构层，所述表面浮雕结构层包括至少两个区域，其中各个所述区域中的所述表面浮雕结构层的表面积与表观面积的比值互不相同。

具体而言，所述表面浮雕结构层是由位于所述基材的表面上的、在二维平面上的高度随位置分布起伏变化的表面起伏结构所组成。相对于平坦表面而言，表面起伏结构在单位表观面积上的表面积更大，且所述表面积与所述表面浮雕结构层的起伏程度呈正相关。在本文中，术语“表观面积”指的是某一区域中在与该区域平行的平面内的正投影的面积，即无视该区域中的起伏结构的面积；术语“表面积”指的是考虑到某一区域中的起伏结构的面积。显然，某一区域的表面积与其表观面积之比为大于等于1的数值。

以图2所示的将光学防伪元件置于反应环境之前的光学防伪元件的示意剖面图为例，基材2具有相互对立的第一表面21和第二表面22，在基材2的第一表面21上形成的表面浮雕结构层3具有两个区域，即第一区域31和第二区域32，其中，第一区域31中的表面浮雕结构层的起伏程度小于第二区域32中的表面浮雕结构层的起伏程度，从而使得所述第二区域32中的表面浮雕结构层在单位表观面积上的表面积大于所述第一区域31中的表面浮雕结构层在单位表观面积上的表面积。应当理解，图2仅是示例性的，根据实际需要，可以在基材2的第一表面21上形成表面浮雕结构层的表面积与表观面积的比值互不相同的任意数量的区域。

优选地，表面浮雕结构层3可以是包括但不限于以下特征的任意表面浮雕结构：一个或多个连续曲面型结构、一个或多个矩形结构、一个或多个锯齿型棱镜或它们的拼接或组合。其中，所述连续曲面型结构可以为微透镜结构、正弦型结构、椭圆型结构、双曲面型结构、抛物面型结构等中的一种或多种结构的拼接或组合。所述微透镜结构可以是折射型微透镜、衍射型微透镜或它们的拼接或组合，其中折射型微透镜可以包括球面微透镜、椭球面微透镜、柱面微透镜或其它任意几何形状的基于几何光学的微透镜，衍射型微透镜包括谐衍射微透镜、平面衍射微透镜、菲涅耳波带片等。另外，以上结构的具体排列方式可以是周期性的、局部周期性的、非周期性、随机性的或它们的组合等。通过不同的具体结构的选择，特别是对于具体结构的结构参数（例如结构的周期（结构开口宽度）、结构的深度等）的定义，来确保基材表面上各个所述区域中的所述表面浮雕结构层的表面积与表观面积的比值互不相同。另外，表面浮雕结构层可以图案化地覆盖所述基材的表面。

优选地，所述表面浮雕结构层可以通过光学曝光、电子束曝光等微纳加工方式获得，还可以结合热熔回流等工艺来实现，通过紫外浇铸、模压、纳米压印等加工方式进行批量复制。

S12、至少在所述表面浮雕结构层的其中一个所述区域的至少一部分上形成镀层。

其中，所述镀层可以包括下述各种镀层中的任意一种或其组合：单层金属镀层；多层金属镀层；由吸收层、低折射率介质层和反射层依次堆叠形成的镀层，其中该反射层或吸收层与所述表面浮雕结构层相接触；高折射率介质层镀层；由高折射率介质层、低折射率介质层和高折射率介质层依次堆叠形成的多介质层镀层；以及由吸收层、高折射率介质层和反射层依次堆叠形成的镀层，其中，该反射层或吸收层与所述表面浮雕结构层相接触。在根据本发明的实施方式中，高折射率介质层指的是折射率大于等于1.7的介质层，其材料可以是ZnS、TiN、TiO₂、TiO、Ti₂O₃、Ti₃O₅、Ta₂O₅、Nb₂O₅、CeO₂、Bi₂O₃、Cr₂O₃、Fe₂O₃、HfO₂、ZnO等，低折射率介质层指的是折射率小于1.7的介质层，其材料可以是MgF₂、SiO₂等。金属镀层或反射层的材料可以是Al、Cu、Ni、Cr、Ag、Fe、Sn、Au、Pt等金属或其混合物和合金；吸收层材料可以是Cr、Ni、Cu、Co、Ti、V、W、Sn、Si、Ge等金属或其混合物和合金。

另外，可以通过物理和/或化学沉积的方法在表面浮雕结构层上形成所述镀层，例如包括但不限于热蒸发、磁控溅射、MOCVD、分子束外延等。优选地，所述镀层可以以同形覆盖地形式形成在所述表面浮雕结构层上。另外，由于各个区域中的表面浮雕结构层的表面积与表观面积的比值互不相同，所以在同样的沉积过程中，单位表观面积上的表面积大的表面浮雕结构层区域中所形成的镀层的厚度要小于单位表观面积上的表面积小的表面浮雕结构层区域中所形成的镀层的厚度，还是以图2所示的剖面图为例，在同样的沉积过程中，起伏程度大的第二区域32中的表面浮雕结构层上所形成的镀层42的厚度要小于起伏程度小的第一区域31中的表面浮雕结构层上所形成的镀层41的厚度。应当理解的是，虽然图2中所示的是在第一区域31和第二区域32中都形成了镀层，但是在实际应用中，可以在第一区域31和第二区域32中的其中一个区域中的部分或全部表面浮雕结构层上形成镀层，还可以是在第一区域31和第二区域32这两个区域中都是在部分表面浮雕结构层上形成镀层。

优选地，单位表观面积上的表面积小的表面浮雕结构层区域中所形成的镀层的厚度与单位表观面积上的表面积大的表面浮雕结构层区域中所形成的镀层的厚度之间的比值为大于4:3，更优选地，该比值为大于2:1，再优选地，该比值为大于3:1。应当强调的是，在实际生产过程中，上述比值越大，对于表面浮雕结构的复制难度也越大。

S13、在全部或部分所述镀层上形成缓冲层。

其中，通过物理和/或化学沉积的方法在全部或部分镀层上形成所述缓冲层，例如包括但不限于热蒸发、磁控溅射、MOCVD、分子束外延等。优选地，所述缓冲层以同形覆盖的方式形成在所述镀层上。另外，由于在同样的沉积过程中，在步骤S12中单位表观面积上的表面积大的表面浮雕结构层区域中所形成的镀层的厚度要小于单位表观面积上的表面积小的表面浮雕结构层区域中所形成的镀层的厚度，所以在步骤S13中，在同样的沉积过程中，单位表观面积上的表面积大的表面浮雕结构层区域中所形成的缓冲层的厚度也会小于单位表观面积上的表面积小的表面浮雕结构层区域中所形成的缓冲层的厚度。

优选地，所述缓冲层的材料性质满足如下条件：当将形成所述缓冲层后的光学防伪元件置于这样的环境中，即所述缓冲层和所述镀层均能与该环境产生反应并在反应之后所述缓冲层和所述镀层本身或它们的反应物能够被溶解/分散在其所处的环境中从而使缓冲层/镀层厚度减薄或消失时，所述缓冲层在单位时间内的厚度减薄速率小于所述镀层在单位时间内的厚度减薄速率。其中，所述环境可以为液体或气体环境。

优选地，所述缓冲层可以为Al、Cu、Ni、Cr、Ag、Fe、Sn、Au、Pt、Si、Zn、Ti、Mg、氧化铝、氧化铁、氧化银、氧化硅、氧化锌、氧化钛、氧化镁、硫化锌、氟化镁、高分子聚合物中的一种或几种的组合。

优选地，单位表观面积上的表面积小的表面浮雕结构层区域中所形成的缓冲层的厚度与单位表观面积上的表面积大的表面浮雕结构层区域中所形成的缓冲层的厚度之间的比值为大于4:3，更优选地，该比值为大于2:1，再优选地，该比值为大于3:1。应当强调的是，在实际生产过程中，上述比值越大，对于表面浮雕结构的复制难度也越大。

S14、将形成所述缓冲层后的所述光学防伪元件置于能够与所述缓冲层和所述镀层进行反应以使所述缓冲层和所述镀层减薄甚至消失的环境中进行反应，直到得到所需的光学防伪元件为止，其中所述缓冲层在单位时间内的厚度减薄速率小于所述镀层在单位时间内的厚度减薄速率。

优选地，在所述反应环境中，所述镀层在单位时间内的厚度减薄速率与所述缓冲层在单位时间内的厚度减薄速率之比为大于4:3，更优选地，该比值为大于2:1，再优选地，该比值为大于3:1。

优选地，所述环境可以为由无机酸、无机碱、有机酸、有机碱、氧化剂、有机溶剂、无机溶剂中的一种或多种形成的液体或气体环境。更优选地，所述环境可以为由NaOH、NH₄OH、H₂SO₄、HF、HBr、H₂S、O₃、Cl₂、HNO₃、HCL、H₂O₂、CH₃COOH、H₃PO₄中的一种或多者形成的液体或气体环境。

当将形成所述缓冲层后的光学防伪元件置于上述的环境中时，由于在同样的沉积过程的情况下，单位表观面积上的表面积大的表面浮雕结构层区域中所形成的缓冲层的厚度要小于单位表观面积上的表面积小的表面浮雕结构层区域中所形成的缓冲层的厚度，单位表观面积上的表面积大的表面浮雕结构层区域中所形成的镀层的厚度要小于单位表观面积上的表面积小的表面浮雕结构层区域中所形成的镀层的厚度，所以缓冲层厚度更薄的区域中的缓冲层与缓冲层厚度更厚的区域中的缓冲层相比会被先减薄至消失。此时，由于缓冲层厚度更薄的区域中的缓冲层已经完全消失，从而失去了对其覆盖的镀层的保护作用，而缓冲层厚度更厚的区域中的缓冲层并未完全减薄至消失，所以对其所覆盖的镀层仍然具有隔离反应液体或气体的保护作用。因此在继续反应的过程中，有可能直至镀层厚度更薄的区域中的镀层被减薄甚至消失，缓冲层厚度更厚的区域中的缓冲层仍未减薄至消失或已完全消失但其原本覆盖的镀层尚未被减薄或已完全消失但其原本覆盖的镀层尚未被减薄至消失。这样就形成了所需的镂空结构。

当然，在实际生产过程中，可以采用上述环境中的一种或者多种来形成所述环境，通过一次或者多次地执行步骤S14来完成缓冲层和镀层与所述环境的反应以实现对所述光学防伪元件的制作，例如可以采用两种不同的反应环境，将形成了缓冲层和镀层后的光学防伪元件依次置于这两种反应环境中，利用缓冲层和镀层在不同的反应环境中其厚度减薄速率会不同的特点来获得最终期望的图案化。

下面以图2所示的表面浮雕结构层3具有第一区域31和第二区域32为例来描述根据本发明的制备光学防伪元件的方法流程。首先，在基材2的第一表面21上形成表面浮雕结构层31及32，其中表面浮雕结构层31和32均为正弦型结构排列形成的光栅，且表面浮雕结构层31的周期（即开口宽度）为1um、深度为150nm，表面浮雕结构成32的周期（即开口宽度）为350nm、深度为300nm。由于表面浮雕结构层32比表面浮雕结构层31具有更高的深度宽度比，从而保证了第二区域的表面浮雕结构层32的表面积与表观面积的比值远大于第一区域的表面浮雕结构层31的表面积与表观面积的比值。然后，在表面浮雕结构层3上通过气相沉积形成金属层4，在本实施例中该金属层4为Al层，且在沉积过程中使得表面浮雕结构层31上覆盖的Al层41的厚度为40nm，而同时覆盖在表面浮雕结构层32上的Al层42的厚度约为21nm。接下来在金属层4的表面上通过气相沉积形成缓冲层5，在本实施例中该缓冲层5为Si层，且在沉积过程中使得Al层41上覆盖的Si层51的厚度为50nm，而同时覆盖在Al层42上的Si层52的厚度约为26nm。然后将形成缓冲层5后的光学防伪元件置于NaOH溶液中（温度40℃，浓度5%）浸泡16秒，表面浮雕结构层32上覆盖的Al层42完全消失，而表面浮雕结构层31上覆盖的Al层仍然存在，从而形成了所需的镂空图案。

在另外一种可行的实施方案中将所述缓冲层5替换为SiO₂层（450nm）。然后将光学防伪元件置于NaOH溶液中（温度45℃，浓度10%）浸泡，直至表面浮雕结构层32上覆盖的Al/SiO₂层完全消失，而表面浮雕结构层31上覆盖的Al层及剩余的SiO₂层形成了所需的镂空图案。优选地，进一步在该镂空表面上形成Cr（5nm）层，从而使得表面浮雕结构层32表面形成图案化镂空的Al/SiO₂/Cr干涉镀层，该镂空干涉镀层具有正面观察为洋红色而倾斜观察为黄绿色的特征

另外，所述基材可以是至少局部透明的，也可以是有色的介质层。在一种优选方案中，所述基材可以是一层单一的透明介质薄膜，例如PET膜、PVC膜等，当然也可以是表面带有功能涂层（比如压印层）的透明介质薄膜，还可以是经过复合而成的多层膜。

在根据本发明的优选实施方式中，用于制备光学防伪元件的方法还可以包括：在在基材的表面上形成表面浮雕结构层之前即步骤S11之前，在所述基材的所述表面上形成衍射光变特征、干涉光变特征、微纳结构特征、印刷特征、部分金属化特征、荧光特征以及用于机读的磁、光、电、放射性特征中的一种或多种特征；和/或在至少在所述表面浮雕结构层的其中一个所述区域的至少一部分上形成镀层之前即在步骤S12之前，在所述表面浮雕结构层的表面上形成衍射光变特征、干涉光变特征、微纳结构特征、印刷特征、部分金属化特征、荧光特征以及用于机读的磁、光、电、放射性特征中的一种或多种特征。

根据本发明的制备光学防伪元件的方法适合用于制作开窗安全线、标签、标识、宽条、透明窗口、覆膜、高分子材料钞票等产品。所述安全线的厚度不大于50μm。带有所述开窗安全线的防伪纸用于钞票、护照、有价证券等各类高安全产品的防伪。

以上仅示例性地描述了本发明的优选实施方案。但是本领域技术人员可以理解，在不偏离本发明构思和精神的前提下，可以对本发明做出各种等同变换或修改，从而得到的技术方案也应属于本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种制备光学防伪元件的方法，该方法包括：

在基材的表面上形成表面浮雕结构层，所述表面浮雕结构层包括至少两个区域，其中各个所述区域中的所述表面浮雕结构层的表面积与表观面积的比值互不相同；

至少在所述表面浮雕结构层的其中一个所述区域的至少一部分上形成镀层；

在全部或部分所述镀层上形成缓冲层；以及

将形成所述缓冲层后的所述光学防伪元件置于能够与所述缓冲层和所述镀层进行反应以使所述缓冲层和所述镀层减薄甚至消失的环境中进行反应，直到得到所需的光学防伪元件为止，其中所述缓冲层在单位时间内的厚度减薄速率小于所述镀层在单位时间内的厚度减薄速率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，单位表观面积上的表面积小的表面浮雕结构层区域中所形成的镀层的厚度与单位表观面积上的表面积大的表面浮雕结构层区域中所形成的镀层的厚度之间的比值为大于4:3。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述比值为大于2:1。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述比值为大于3:1。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述表面浮雕结构层为连续曲面型结构、矩形结构、锯齿型棱镜结构和/或它们的拼接或组合。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述镀层和所述缓冲层以与所述表面浮雕结构层同形覆盖的方式形成。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述镀层包括下述各种镀层中的任意一种或其组合：单层金属镀层；多层金属镀层；由吸收层、低折射率介质层和反射层依次堆叠形成的镀层，其中该反射层或吸收层与所述表面浮雕结构层相接触；高折射率介质层镀层；由高折射率介质层、低折射率介质层和高折射率介质层依次堆叠形成的多介质层镀层；以及由吸收层、高折射率介质层和反射层依次堆叠形成的镀层，其中，该反射层或吸收层与所述表面浮雕结构层相接触。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述缓冲层为Al、Cu、Ni、Cr、Ag、Fe、Sn、Au、Pt、Si、Zn、Ti、Mg、氧化铝、氧化铁、氧化银、氧化硅、氧化锌、氧化钛、氧化镁、硫化锌、氟化镁、高分子聚合物中的一种或几种的组合。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述环境为由无机酸、无机碱、有机酸、有机碱、氧化剂、有机溶剂、无机溶剂中的一种或多种形成的环境。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述环境为由NaOH、NH₄OH、H₂SO₄、HF、HBr、H₂S、O₃、Cl₂、HNO₃、HCL、H₂O₂、CH₃COOH、H₃PO₄中的一种或多种形成的环境。

11.根据权利要求1至10中任一权利要求所述的方法，其中，单位表观面积上的表面积小的表面浮雕结构层区域中所形成的缓冲层的厚度与单位表观面积上的表面积大的表面浮雕结构层区域中所形成的缓冲层的厚度之间的比值为大于4:3。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述比值为2:1。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述比值为3:1。

14.根据权利要求1至10中任一权利要求所述的方法，其中，所述镀层在单位时间内的厚度减薄速率与所述缓冲层在单位时间内的厚度减薄速率之比为大于4:3。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述比值为2:1。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述比值为3:1。

17.根据权利要求1至10中任一项权利要求所述的方法，该方法还包括：

在在基材的表面上形成表面浮雕结构层之前，在所述基材的所述表面上形成衍射光变特征、干涉光变特征、微纳结构特征、印刷特征、部分金属化特征、荧光特征以及用于机读的磁、光、电、放射性特征中的一种或多种特征；和/或

在至少在所述表面浮雕结构层的其中一个所述区域的至少一部分上形成镀层之前，在所述表面浮雕结构层的表面上形成衍射光变特征、干涉光变特征、微纳结构特征、印刷特征、部分金属化特征、荧光特征以及用于机读的磁、光、电、放射性特征中的一种或多种特征。