DE10052853A1

DE10052853A1 - Relief pattern of pixel elements are produced on the surface of a polycrystalline ceramic

Info

Publication number: DE10052853A1
Application number: DE2000152853
Authority: DE
Inventors: Anton Rodi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-10-25
Filing date: 2000-10-25
Publication date: 2002-05-08

Abstract

The relief pattern is in the form of pixels (4) on the surface of a dielectric carrier (2) that has an electrode layer (3) on the underside. The material can be a polycrystalline material that provides an inverse so called piezo effect for charge generation. The pattern may be formed on the surface of a cylinder.

Description

Die Erfindung betrifft eine Prägeform mit einer reliefartigen Oberflächenstruktur. Ge genstand der Erfindungen ist auch das Verfahren zu deren Herstellung.The invention relates to an embossing mold with a relief-like surface structure. Ge The subject of the inventions is also the process for their production.

Seit langer Zeit werden im Druckmaschinenbau sogenannte "Prägedrucke" erstellt. Dabei ist überwiegend der Ein- bzw. Aufdruck von dünnen Metallfolien auf das Sub strat (Papier) zu verstehen. Die Metallfolien sind in der Regel auf einer Trägerfolie auflaminiert und werden über die erhitzte Prägeform konturenscharf herausgelöst und fest haftend auf das Substrat (Papier) übertragen. Dabei sind die Metallic-Effekte eine gewünschte, optische Hervorhebung dieser "Einprägungen", die werbewirksam vermehrt Anwendung in Drucksachen für z. B. die Kosmetikindustrie finden. Die hierfür konstruierten Folien-Prägedruckmaschinen sind allgemein bekannt.So-called "embossed prints" have been produced in printing press construction for a long time. This is mainly the printing or printing of thin metal foils on the sub to understand strat (paper). The metal foils are usually on a carrier foil are laminated on and are removed with sharp contours using the heated embossing mold and firmly adhered to the substrate (paper). Here are the metallic effects a desired, visual highlighting of these "impressions" that are effective in advertising Increased use in printed matter for e.g. B. find the cosmetics industry. The Foil embossing machines designed for this purpose are generally known.

Verstärkt will man nun, z. B. in der Kosmetikindustrie, aber auch z. B. beim Geld scheindruck aus Sicherheitsbelangen diese Metallfolien mit Hologrammen verse hen. Diese reliefartigen Feinststrukturen auf der Metallfolie werden über komplizierte Lithographie- und Ätzprozesse ebenfalls mit festen und stabilen Metallformen erstellt. Damit ist auf geeigneten Folienmaterialien, insbesondere Metallfolien unterschiedli cher Werkstoffe, z. B. auch Aluminiumfolien, die Wiedergabe von dreidimensionalen, feinen Strukturen, die sogenannten "Holographie-Drucke" möglich.Now you want to, e.g. B. in the cosmetics industry, but also e.g. B. with money For security reasons, these metal foils with holograms verse hen. These relief-like fine structures on the metal foil are over complicated Lithography and etching processes also created with solid and stable metal molds. This makes a difference on suitable foil materials, in particular metal foils cher materials, e.g. B. also aluminum foils, the reproduction of three-dimensional, fine structures, the so-called "holography prints" possible.

Erschwerend zu der zeitaufwendigen und teuren Formerstellung (Metall-Prägeform) kommt zusätzlich hinzu, daß z. B. auch nur bei kleinen, zu variierenden Änderungen stets neue Prägeformen zu erstellen sind. Insbesondere für die zunehmende Perso nalisierung von Drucksachen ist die bisherige Technologie der Prägeformerstellung zu langsam und zu teuer. This complicates the time-consuming and expensive shape production (metal embossing mold) is also added that z. B. only for small changes to be varied new forms of embossing must always be created. Especially for the increasing person nalization of printed matter is the previous technology of embossing mold production too slow and too expensive.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Prägeform mit einer reliefartigen Oberflächenstruktur zu schaffen, die einfach und billiger herstellbar ist und die auch Änderungen in dieser Oberflächenstruktur zuläßt.The invention has for its object an embossing mold with a relief To create a surface structure that is easy and cheaper to manufacture and that too Allows changes in this surface structure.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. durch das im Patentanspruch 6 angegebene Verfahren gelöst.This object is achieved by the features of claim 1 or by the Claim 6 specified method solved.

Vorzugsweise wird die Lehre des Anspruchs 1 dadurch realisiert, daß die dielektri sche Schicht beidseitig mit elektrisch leitenden Schichten versehen ist. Wenigstens eine dieser Schichten ist in mehrere, vorzugsweise eine Vielzahl von gegeneinander isolierte Bereiche unterteilt. Diese Bereiche werden mit wenigstens teilweise unter schiedlichen Ladungen versehen. In der Drucktechnik wird eine solche Unterteilung auch als Pixelstruktur bezeichnet.Preferably, the teaching of claim 1 is realized in that the dielectri cal layer is provided on both sides with electrically conductive layers. At least one of these layers is mutually divided into several, preferably a plurality isolated areas divided. These areas are at least partially under different charges. Such a division is used in printing technology also referred to as a pixel structure.

Zur Herstellung des Holographiedrucks wird die Prägeform auf ein deformierbares Substrat aufgepreßt, wozu die Prägeform vorzugsweise auf einer Druckwalze aufge bracht ist.To produce the holographic print, the embossing mold is deformed Pressed substrate, for which purpose the embossing mold is preferably pressed on a pressure roller is brought.

Das Aufbringen der Ladungen wird vorzugsweise von außen durch eine Schreibein richtung bewirkt; vorzugsweise zum kurzzeitiges Anlegen unterschiedlicher Span nungen zwischen den Bereichen und der Schicht auf der Gegenseite.The application of the charges is preferably from the outside by a writing direction causes; preferably for briefly applying different chips between the areas and the layer on the opposite side.

Mittels der Erfindung wird eine Drucktechnologie ermöglicht, die einen fein zu steu ernden und einfach zu handhabenden Holographiedruck mittels einer elektrostatisch variabel steuerbaren Oberflächenstruktur erlaubt. Auf den zu bedruckenden Materia lien, z. B. Kunststoff- oder Aluminiumfolien, wird ein Abbild der Oberflächenstrukturen mit einem Holographieeffekt erzeugt. Zweckmäßigerweise erzeugt man den Druck in einem Walzenspalt zweier Zylinder. Bei Bedarf kann man den Prägevorgang durch Erwärmung der Materialien durch einen der Zylinder verbessern.By means of the invention, a printing technology is made possible which is finely controlled and easy-to-use holographic printing using an electrostatic variably controllable surface structure allowed. On the materia to be printed lien, e.g. B. plastic or aluminum foils, is an image of the surface structures created with a holographic effect. It is expedient to generate the pressure in a nip of two cylinders. If necessary, you can go through the embossing process Improve the heating of the materials by one of the cylinders.

Anhand des Ausführungsbeispiels der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail using the exemplary embodiment of the drawing. Show it:

Fig. 1 den Aufbau der Prägeform, Fig. 1 shows the structure of the die,

Fig. 2 eine mögliche Aufbringung der Prägeform, Fig. 2 shows a possible application of the stamping die,

Fig. 3 prinzipiell das Aufbringen der Ladungen, Fig. 3 in principle the application of charges,

Fig. 4 den Schreibkopf mit seiner Elektronik. Fig. 4 shows the write head with its electronics.

In Fig. 1 ist auf einem Träger 1 eine Prägeform, bestehend aus einer dielektri schen Schicht 2, z. B. einer Keramikschicht der Dicke D, die mit einer elek trisch leitenden Elektrodenbeschichtung 3 auf der Unterseite und einer ent sprechenden Beschichtung auf der Oberseite versehen ist, die aus einer Viel zahl von gegeneinander isolierten, kleinen Bereichen, sogenannten Pixels 4 besteht. Durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen U₁ bis U₃, wobei U₁ < U₂ < U₃ ist, wird wegen des inversen Piezo-Effekts eine unterschiedliche Be einflussung der Pixels 4 in Form einer Deformation erreicht, was eine unter schiedliche Oberflächenstruktur zur Folge hat.In Fig. 1, on a support 1, an embossing form, consisting of a dielektri rule layer 2, z. B. a ceramic layer of thickness D, which is provided with an electrically conductive electrode coating 3 on the underside and a corresponding coating on the top, which consists of a large number of mutually insulated, small areas, so-called pixels 4 . By applying different voltages U ₁ to U ₃ , where U ₁ <U ₂ <U ₃ , a different loading of the pixels 4 in the form of a deformation is achieved due to the inverse piezo effect, which results in a different surface structure.

Die einzelnen Pixels verhalten sich wie ein Kondensator. Damit sind die physi kalischen Zusammenhänge einfach zu beschreiben.The individual pixels behave like a capacitor. So that the physi easy to describe calic relationships.

Wenn ein "Pixelelement" z. B. die gezeichnete Metallstruktur aufweist und
If a "pixel element" e.g. B. has the drawn metal structure and

- is charged with the voltage U,
Has an area A,
Has the thickness D of the layer,
- the dielectric is a dielectric constant ε D = ε 0 .ε,

so ergibt sich eine Kraft
so there is a force

F_Z = ½.ε_D.(U/d)² = ½.ε_D.E²,
F _Z = ½.ε _D. (U / d) ² = ½.ε _D .E ² ,

die das Element zusammenzieht.that pulls the element together.

U/d entspricht der elektrischen Feldstärke E(v/m).U / d corresponds to the electric field strength E (v / m).

Da sich die Strukturen für den Holographiedruck in den Größenordnungen von eini gen bis zu annähernd 100 nm bewegen, sind dielektrische Materialien hierfür aus dem Piezo-Keramikbereich besonders geeignet. Man nutzt den sogenannten inver sen " Piezo-Effekt", der mittels der elektrischen Feldstärke das Material verformt. Die se Piezokeramiken wurden in großer Variantenvielfalt für die Piezo-Aktorik entwickelt und sind für Verstellbewegungen im Nano- bis Mikrometerbereich in der Industrie im Einsatz. Besonders bekannt ist das polykristalline Keramikmaterial PZT, das ein Akronym für Plumbum-Zirkonat-Titanat ist. Dieses Material weist eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante mit hohem spezifischem Widerstand auf und hat eine sehr hohe mechanische Auslenkung bei gegebenen Feldstärken zur Folge.Since the structures for holographic printing are of the order of one dielectric materials are suitable for this particularly suitable for the piezo ceramic area. One uses the so-called inver "Piezo effect" that deforms the material using the electric field strength. the Piezoceramics have been developed in a wide variety of variants for piezo actuators and are for adjustment movements in the nano to micrometer range in industry in Commitment. The polycrystalline ceramic material PZT is particularly well known Is an acronym for Plumbum Zirconate Titanate. This material has a very high Dielectric constant with high resistivity and has a very high mechanical deflection at given field strengths.

In erster Näherung ergeben sich Längenänderungen ΔL = d_z.U, wobei die am Flä chenelement anliegende Spannung U [Volt] ist und d_z die Ladungskonstante für die in Polarisierungsrichtung konditionierte Piezokeramik in Meter/Volt ist. So sind Piezo keramiken mit d_z = 200. .500.10^-12 m/V mit zulässigen Spannungen von einigen Volt bis zu einigen Hundert Volt im Einsatz und ergeben, z. B. die gewünschte Länge nänderung ΔL = 200. .500.10^-12 m/V.(0. .200 V) = 4. .10.10^-8 m= 0. .40 nm.100 mn für den Holographiedruck.In a first approximation there are changes in length ΔL = d _z .U, the voltage applied to the surface element being U [volts] and d _{z being} the charge constant for the piezoceramic conditioned in the polarization direction in meters / volts. Piezo ceramics with d _z = 200. .500.10 ^-12 m / V with permissible voltages from a few volts to a few hundred volts are in use and result, for. B. the desired length change ΔL = 200 ... 500.10 ^-12 m / V. (0 ... 200 V) = 4. ... 10.10 ^-8 m = 0. ... 40 nm. 100 mn for holography printing.

Die Keramikschichten müssen eine ausreichende Dicke haben, um die zulässigen Feldstärken von ca. 2000 V/nm und die zulässigen Dehnungen von 0,1. .0,2% nicht zu überschreiten.The ceramic layers must have a sufficient thickness to allow the permissible Field strengths of approx. 2000 V / nm and the permissible strains of 0.1. .0.2% not To exceed.

Somit sind Schichtdicken von
Thus, layer thicknesses are from

L = ΔL/(0,1. .0,2%) = (10. .50. .100 nm)/(0,1. .0,2%)
L = ΔL / (0.1. .0.2%) = (10. .50. .100 nm) / (0.1. .0.2%)

L = 5. .25. .50. .100 µm
L = 5. .25. .50. .100 µm

notwendig, um die gewünschte Reliefstruktur auf einer so ausgeführten Keramik schicht zu erzeugen.necessary to achieve the desired relief structure on such a ceramic to produce a layer.

Zweckmäßig ist es, diese Keramikschicht 2 mit ihren Beschichtungen 3 und 4 auf eine zylindrische Walze 5 aus Glas, Keramik oder Metall aufzubringen, wie dies Fig. 2 zeigt. Dort ist die Pixelstruktur erkennbar. Damit die erforderlichen Ladungen ge bunden in diese Schicht eingebracht werden können, sind unterschiedliche Ausfüh rungen der Außenschicht dieser Walze im Zusammenwirken mit dem zweckmäßi gerweise von außen vorgesehenen Aufzeichnungsgerät möglich. It is expedient to apply this ceramic layer 2 with its coatings 3 and 4 to a cylindrical roller 5 made of glass, ceramic or metal, as shown in FIG. 2. The pixel structure can be seen there. So that the necessary charges can be introduced bound in this layer, different designs of the outer layer of this roller are possible in cooperation with the expediently provided recording device from the outside.

Bei Verwendung einer Metallwalze wird die Beschichtung 3 von der Walze darge stellt.When using a metal roller, the coating 3 is provided by the roller Darge.

In Fig. 3 steht der Walze 5 ein Schreibkopf 6 gegenüber, der die einzelnen Pixels an vorgegebene Spannungen U legt. Die Gegenbeschichtung 3 muß dabei mit der an dern Spannungsklemme verbunden sein. So wird entsprechend der zwischen dem Pixel 4 und der Elektrode 3 angelegten Spannung eine Ladung aufgebracht, die eine entsprechende Verformung zur Folge hat. Diese Ladung wird nur sehr langsam sich abbauen, so daß die Verformung sehr lange beibehalten wird. Durch erneute Span nungsbeaufschlagung kann in sehr kurzer Zeit die Ladung wieder aufgefrischt oder auch geändert werden.In Fig. 3, the roller 5 is opposed to a write head 6 which applies the individual pixels to predetermined voltages U. The counter-coating 3 must be connected to the at the voltage terminal. In accordance with the voltage applied between the pixel 4 and the electrode 3 , a charge is applied which results in a corresponding deformation. This charge will only degrade very slowly, so that the deformation is maintained for a very long time. By applying voltage again, the load can be refreshed or changed in a very short time.

In Fig. 4 ist der Schreibkopf 6 mit einer Elektronik 7 verbunden, die die einzelnen Spannungen und damit Ladungen entsprechend der zu erzeugenden Struktur vor gibt.In Fig. 4, the write head 6 is connected to electronics 7 , which gives the individual voltages and thus charges corresponding to the structure to be generated.

Claims

1. Embossing mold with a relief-like surface structure, characterized in that it has a dielectric layer ( 2 ) and that this layer ( 2 ) be provided with various electrical charges.

2. Embossing mold according to claim 1, characterized in that the dielectric layer ( 2 ) is provided on both sides with electrically conductive layers ( 3 , 4 ) and that at least one of these layers in several, preferably in a plurality of mutually insulated areas (pixels) ( 4 ) is divided and that these areas are at least partially provided with different charges.

3. Embossing mold according to claim 1 or 2, characterized in that it with the Relief-like surface structure pressed onto a deformable substrate becomes.

4. Embossing mold according to one of claims 1 to 3, characterized in that it is carried by a roller ( 5 ).

5. Embossing mold according to one of claims 1 to 4, characterized in that the dielectric layer ( 2 ) is a ceramic layer, in particular ceramic PZT.

6. A process for producing an embossing mold with a relief-like surface structure, characterized in that punctually different electrical charges are applied to a dielectric layer ( 2 ).

7. The method according to claim 6, characterized in that on both sides of the dielectric layer ( 2 ) electrically conductive layers ( 3 , 4 ) are applied and that at least one of these layers ( 3 , 4 ) in several, preferably a plurality of mutually insulated areas (Pixel) ( 4 ) and that at least partially different charges are applied to these areas.

8. The method according to claim 6 or 7, characterized in that the application of the charges gene from the outside by means of a writing device ( 6 ).