CN110865454A - 一种多层彩色动态显示防伪薄膜及其制备方法 - Google Patents

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黄鹏
姜世平
董小春
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Abstract

本发明提供一种多层彩色动态显示防伪薄膜，属于防伪技术领域。所述防伪薄膜从上到下依次包括微透镜阵列层，透明介质层Ⅰ，透明介质层Ⅱ和微图形阵列金属层；所述微图形阵列金属层包括透光的图形部分和不透光的金属部分。本发明还提供所述多层彩色动态显示防伪薄膜的制备方法。本发明基于微透镜阵列莫尔纹显示理论和干涉条纹理论，提出一种多层彩色动态显示防伪薄膜。本发明的动态图形能够随着观察视角的改变发生旋转、平移、上浮、下沉等动态效果，另外，所显示的动态图形为彩色图形，图形分辨率更好，显示更加明显，有望应用于新一代的防伪技术中。

Description

一种多层彩色动态显示防伪薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于防伪技术领域，具体为一种多层彩色动态显示防伪薄膜及其制备方法。
背景技术
历史上，人们对裸眼可视的莫尔纹的进行了深入的研究。把两个空间频率稍有不同的光栅重叠在一起，其差频分量形成的条纹叫做莫尔条纹,当这两个光栅存在相对移动时，莫尔条纹也会随之移动。莫尔条纹已经成为一种光学防伪技术，被许多文章报道过。然而许多莫尔纹都是仅限于光栅形成的条纹图形，设计简单，并且图案移动方式单一，在实际运用中受到了极大的限制。1998年，Kamal等研究人员发现了基于微透镜阵列的莫尔纹现象，其具有比一般的莫尔纹更加清晰的显示效果。2003年，中国科学院光电技术研究所董小春等研究人员也发现了该动态显示现象，并研究了动态显示成像的机理。随着微纳加工技术的发展，已有一些简单的微透镜阵列得到了应用。而基于微透镜阵列的动态显示技术，就有望应用于防伪领域中。然而，由于该技术产生的动态图形分辨率不高，与背景的颜色近似，只有通过透射光观察才可以清晰地看到理想的图形。
发明内容
本发明的目的在于提出一种多层彩色动态显示防伪薄膜及其制备方法，本发明防伪薄膜可以产生彩色图形，具有动态显示效果，相对于现有的防伪图形，具有鲜明的特点，可用于商品包装和防伪领域。
本发明目的通过以下技术方案来实现：
一种多层彩色动态显示防伪薄膜，所述防伪薄膜包括微透镜阵列层，透明介质层Ⅰ，透明介质层Ⅱ和微图形阵列金属层；所述微图形阵列金属层包括透光的图形部分和不透光的金属部分。
本申请防伪薄膜中，微透镜层与微图形阵列金属层排列相对应，微透镜层通过对其进行采集来实现不同微图形不同像素的放大作用；由于微透镜具有一定视场大小，人眼可以在不同的角度看到不同位置的图形，实现一种动态移动的效果。透明介质层I的作用有两点，第一是起到了承载基底的作用，利用其将上下结构组合在一起，第二是达到控制微透镜层与微图形阵列金属层的距离，使它们之间的距离等于微透镜焦距，从而得到清晰的图形。透明介质层Ⅱ是产生彩色光线的干涉层，通过控制其厚度与折射率，使反射与透射的光线产生干涉来得到彩色的光。
传统的防伪结构显示的是透明的图案，需要利用透射光或者镀上反射层才能看到对比度更好的图形；如果想得到彩色的动态图形，需要利用有色油墨对微图形层进行填充。本申请增加了一层透明介质层Ⅱ，利用光的干涉即能得到彩色的图案，不需要油墨填充的步骤，且动态图形会随着视角的变化显示不同的颜色。
进一步，所述防伪薄膜从上到下依次包括微透镜阵列层，透明介质层Ⅰ，透明介质层Ⅱ和微图形阵列金属层；所述微图形阵列金属层包括透光的图形部分和不透光的金属部分。
进一步，所述透明介质层Ⅰ的折射率为1.4-1.65。该折射率范围的材料包括PET、PMMA、PVC、石英、玻璃等，材料成本低，便于获得，并且与透明介质层Ⅱ匹配能够实现干涉的效果。
进一步，所述透明介质层Ⅰ为PET、石英、玻璃中的一种。
进一步，所述透明介质层Ⅰ的厚度与微透镜阵列的焦距相等。
进一步，透明介质层Ⅱ的折射率大于透明介质层Ⅰ的折射率。由于等厚干涉的原理，入射光在透明介质层Ⅰ和Ⅱ之间会发生反射与透射，透射光在微图形阵列金属层再次发生反射，并与第一次反射的光形成干涉效应。由于第一次反射的光需要满足半波损失的条件，即光从光束介质入射到光密介质，从而形成π的相位差。所以需要透明介质层Ⅱ的折射率大于透明介质层Ⅰ的折射率。
进一步，所述透明介质层Ⅱ为二氧化钛薄膜或硫化锌薄膜，且二氧化钛薄膜的折射率为1.96-2.32，硫化锌薄膜的折射率为2.36-2.63。
进一步，当透明介质层Ⅱ的厚度为h，折射率为n时，其厚度h应满足：
Figure BDA0002297978810000031
上式中，λ为可见光的波长，n是透明介质层Ⅱ的折射率，满足厚度h的公式，即满足了光波干涉的条件，可以实现动态图形的彩色显示效果。
进一步，所述微透镜阵列的周期为30-100μm；焦距为30-200μm。
进一步，所述微透镜阵列以四边形排布或者六边形排布；所述微透镜阵列为UV胶或石英中的一种。
进一步，所述金属层为金属铬，所述金属层的厚度为20-80nm。
本发明多层彩色动态显示防伪薄膜的具体制备方法如下：
当透明介质层Ⅰ的材料为PET、石英或玻璃时，微透镜阵列可以采用UV压印的方式制备在透明介质层Ⅰ的表面，当透明介质层Ⅰ的材料为石英时，可以采用反应离子刻蚀的方式将微透镜阵列制作在透明介质层Ⅰ的上表面；接着，在透明介质层Ⅰ的另一个表面蒸镀得到透明介质层Ⅱ(将得到的覆盖有微透镜阵列的透明介质层Ⅰ置于精密真空镀膜机中，在其无结构的一面蒸镀一层二氧化钛薄膜或硫化锌薄膜，提前调整参数来控制蒸镀的膜层厚度h)。然后，在透明介质层Ⅱ的表面采用蒸镀得到一层金属铬，以得到的金属铬为基底，利用光刻得到光刻胶微图形阵列，最后将上述结构浸入腐蚀液中对金属铬进行刻蚀，得到微图形阵列金属层。其中，腐蚀液为5g硝酸铈铵，2ml高氯酸和100g去离子水的混合液，腐蚀过程在室温下进行，持续时间为3-5min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本申请防伪薄膜中，微透镜层与微图形阵列金属层排列相对应，微透镜层通过对其进行采集来实现不同微图形不同像素的放大作用；由于微透镜具有一定视场大小，人眼可以在不同的角度看到不同位置的图形，实现一种动态移动的效果。透明介质层I起到了承载基底的作用，利用其可以将上下结构组合在一起，另外，透明介质层Ⅰ能控制微透镜层与微图形阵列金属层的距离，使它们之间的距离等于微透镜焦距，从而得到清晰的图形。透明介质层Ⅱ是产生彩色光线的干涉层，通过控制其厚度与折射率，使反射与透射的光线产生干涉来得到彩色的光。与现有的技术不同的是：本发明采用微透镜阵列与微图形阵列相匹配的结构，技术要求更高，难以复制；本发明的蒸镀过程需要控制透明介质层Ⅱ的厚度h，才能达到干涉的条件，对制备过程的要求更高，更能达到防伪的效果；本发明的微透镜阵列具有一定的视场范围，可以对微图形阵列不同的部分进行采集和放大，实现一种图形动态移动的效果；本发明具有透明介质层Ⅱ，当其结构满足前面所说的参数关系时，能得到干涉光，从而让最终看到的图案为彩色显示模式，避免了传统的涂布彩色油墨的过程，使图形的显示效果更具有吸引力。
本发明基于微透镜阵列莫尔纹显示理论和干涉条纹理论，提出一种多层彩色动态显示防伪薄膜。本发明的动态图形能够随着观察视角的改变发生旋转、平移、上浮、下沉等动态效果，另外，所显示的动态图形为彩色图形，图形分辨率更好，显示更加明显，有望应用于新一代的防伪技术中。
附图说明
图1为本发明防伪薄膜的结构示意图；
图2为实施例1的微透镜阵列；
图3为实施例1的微图形阵列；
图4为实施例1得到的裸眼可视动态图形的示意图；
图5为实施例2的微透镜阵列；
图6为实施例2的微图形阵列；
图7为实施例2得到的裸眼可视动态图形的示意图；
附图标记：1-微透镜阵列层，2-透明介质层Ⅰ，3-透明介质层Ⅱ，4-微图形阵列金属层。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例彩色动态显示薄膜如图1所示，从上到下由微透镜阵列层，透明介质层Ⅰ，透明介质层Ⅱ和微图形阵列金属层构成。其中，微透镜阵列按四边形方式排布，周期为50μm，透镜的焦距为150μm，如图2；透明介质层Ⅰ选用PET薄膜，折射率为1.61，厚度为150μm；透明介质层Ⅱ为折射率为2.30的TiO2薄膜层，厚度为60nm；微图形阵列金属层所用金属层为铬，金属层厚度为40nm，微图形为四边形阵列化排布，阵列周期为50.5μm，如图3。
本实施例彩色动态显示薄膜通过以下制备过程得到：
通过光刻制备光刻胶微透镜阵列，将其作为母版进行微电铸得到微透镜阵列的镍版，将得到的镍版作为压印模板，在PET薄膜表面进行压印，得到UV胶材料的微透镜阵列，由此，便得到了微透镜阵列层和透明介质层Ⅰ；利用得到的结构，在PET薄膜无透镜的表面蒸镀一层TiO2薄膜层，控制其介质沉积的厚度为60nm；将具有微透镜阵列、透明介质1和透明介质2的结构做进一步加工，在蒸镀有透明介质层Ⅱ的表面继续蒸镀一层金属层铬；此时的金属层还没有微结构图形，还需要进一步加工，将得到的结构作为基底旋涂光刻胶，经过曝光、显影的过程在金属层表面得到微图形阵列的光刻胶结构。配置5g硝酸铈铵，2ml高氯酸和100g去离子水的混合液，均匀搅拌1分钟；将得到的微结构置于上述混合液中，静置3分钟，然后将结构取出，用丙酮清洗光刻胶，得到彩色动态显示防伪薄膜。
本实施例防伪薄膜制备组装后的观察效果图如图4所示。图中给出了微透镜层和微图形阵列金属层，之间的透明介质层Ⅰ和Ⅱ并未示出。可以看到放大的裸眼可视的图形，并且在干涉光的照射下得到的是彩色的图案，随着视角变化，图案会发生移动和颜色的变化。
实施例2
本实施例彩色动态显示薄膜如图1所示，从上到下由微透镜阵列层，透明介质层Ⅰ，透明介质层Ⅱ和微图形阵列金属层构成。其中，微透镜阵列按六边形方式排布，周期为86.6μm，透镜的焦距为200μm，如图5；透明介质层Ⅰ选用石英材料，折射率为1.42，厚度为200μm；透明介质层Ⅱ为折射率为2.50的ZnS薄膜层，厚度为55nm；微图形阵列金属层所用金属层为铬，厚度为40nm，微图形为六边形阵列化排布，阵列周期为85.7μm，如图6。
本实施例彩色动态显示薄膜通过以下制备过程得到：
以石英片作为基底，通过涂胶、曝光、显影得到微透镜阵列的光刻胶结构，利用得到的结构进行反应离子刻蚀，将微透镜阵列结构从光刻胶转移到基底上，得到的微透镜阵列层和透明介质层Ⅰ的材料相同；利用得到的结构，在石英基底无透镜的表面蒸镀一层ZnS薄膜层，控制其介质沉积的厚度为55nm；将具有微透镜阵列、透明介质1和透明介质2的结构做进一步加工，在蒸镀有透明介质层Ⅱ的表面继续蒸镀一层金属层铬；此时的金属层还没有微结构图形，还需要进一步加工，将得到的结构作为基底旋涂光刻胶，经过曝光、显影的过程在金属层表面得到微图形阵列的光刻胶结构。配置5g硝酸铈铵，2ml高氯酸和100g去离子水的混合液，均匀搅拌1分钟；将得到的微结构置于上述混合液中，静置3分钟，然后将结构取出，用丙酮清洗光刻胶，即得到彩色动态显示防伪薄膜。
本实施例防伪薄膜制备组装后的效果图如图7所示。图中给出了微透镜层和微图形阵列金属层，之间的透明介质层Ⅰ和Ⅱ并未示出。可以看到放大的裸眼可视的笑脸图案，并且在干涉光的照射下得到的是彩色的图案，随着视角变化，图案会发生移动和颜色的变化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多层彩色动态显示防伪薄膜，其特征在于，所述防伪薄膜包括微透镜阵列层，透明介质层Ⅰ，透明介质层Ⅱ和微图形阵列金属层；所述微图形阵列金属层包括透光的图形部分和不透光的金属部分。
2.如权利要求1所述一种多层彩色动态显示防伪薄膜，其特征在于，所述防伪薄膜从上到下依次包括微透镜阵列层，透明介质层Ⅰ，透明介质层Ⅱ和微图形阵列金属层；所述微图形阵列金属层包括透光的图形部分和不透光的金属部分。
3.如权利要求1或2所述一种多层彩色动态显示防伪薄膜，其特征在于，所述透明介质层Ⅰ的折射率为1.4-1.65；所述透明介质层Ⅰ的厚度与微透镜阵列的焦距相等。
4.如权利要求1或2所述一种多层彩色动态显示防伪薄膜，其特征在于，所述透明介质层Ⅰ为PET、石英、玻璃中的一种。
5.如权利要求1或2所述一种多层彩色动态显示防伪薄膜，其特征在于，透明介质层Ⅱ的折射率大于透明介质层Ⅰ的折射率。
6.如权利要求1或2所述一种多层彩色动态显示防伪薄膜，其特征在于，所述透明介质层Ⅱ为二氧化钛薄膜或硫化锌薄膜，且二氧化钛薄膜的折射率为1.96-2.32，硫化锌薄膜的折射率为2.36-2.63。
7.如权利要求1或2所述一种多层彩色动态显示防伪薄膜，其特征在于，当透明介质层Ⅱ的厚度为h，折射率为n时，其厚度h应满足：
Figure FDA0002297978800000011
上式中，λ为可见光的波长。
8.如权利要求1或2所述一种多层彩色动态显示防伪薄膜，其特征在于，所述微透镜阵列的周期为30-100μm；焦距为30-200μm。
9.如权利要求1或2所述一种多层彩色动态显示防伪薄膜，其特征在于，所述微透镜阵列以四边形排布或者六边形排布；所述微透镜阵列为UV胶或石英中的一种；所述金属层为金属铬，所述金属层的厚度为20-80nm。
10.如权利要求1或2所述一种多层彩色动态显示防伪薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：当透明介质层Ⅰ的材料为PET、石英或玻璃时，采用UV压印的方式将微透镜阵列制备在透明介质层Ⅰ的表面，当透明介质层Ⅰ的材料为石英时，采用反应离子刻蚀的方式将微透镜阵列制作在透明介质层Ⅰ的上表面；接着，在透明介质层Ⅰ的另一个表面蒸镀得到透明介质层Ⅱ；然后，在透明介质层Ⅱ的表面采用蒸镀得到一层金属，以得到的金属为基底，利用光刻得到光刻胶微图形阵列，最后将上述结构浸入腐蚀液中对金属进行刻蚀，得到微图形阵列金属层。
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