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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur farbigen
Individualisierung von Sicherheitsdokumenten, die einen Dokumentenkörper umfassen,
sowie Sicherheitsdokumente zur farbigen Individualisierung mit einem
Dokumentenkörper und ein Verfahren zu deren Herstellung.
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Sicherheitsdokumente
sind Dokumente, die gegen eine Nachahmung, Verfälschung
und/oder ein Duplizieren mit Hilfe von Sicherheitselementen geschützt
sind. Sicherheitsdokumente umfassen somit beispielsweise Personalausweise,
Reisepässe, ID-Karten, Zugangskontrollausweise, Steuerzeichen, Tickets,
Führerscheine, Kraftfahrzeugpapiere, Banknoten, Schecks,
Postwertzeichen, Kreditkarten, beliebige Chipkarten und Haftetiketten
(z. B. zur Produktsicherung). Solche Sicherheitsdokumente, die teilweise
auch als Wertdokumente bezeichnet werden, weisen typischerweise
ein Substrat, eine Druckschicht und optional eine transparente Deckschicht auf.
Ein Substrat ist eine Trägerstruktur, auf welche die Druckschicht
mit Informationen, Bildern, Mustern und dergleichen aufgebracht
wird. Als Materialien für ein Substrat kommen alle fachüblichen
Werkstoffe auf Papier- und/oder Kunststoffbasis in Frage.
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Viele
moderne Sicherheitsdokumente umfassen einen Dokumentenkörper,
der mindestens eine, vorzugsweise mehrere, am bevorzugtesten ausschließlich
mehrere, aus Kunststoffen bestehende miteinander verbundene Schichten
umfasst. Dieser Dokumentenkörper weist ein oder mehrere
Sicherheitselemente auf. Eine Art von Sicherheitselementen stellen
in einen solchen Kartenkörper eingebrachte individualisierende
Informationen dar, die beispielsweise eine Seriennummer, eine Ausweisnummer,
personenbezogene Daten, zum Beispiel Name und/oder Geburtsdatum,
biometrische Daten, zum Beispiel Bilder (Passbilder), Größe
und/oder Augenfarbe, usw. umfassen können.
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Aus
dem Stand der Technik ist es bekannt, solche individualisierenden
Angaben im Inneren des aus Kunststoffmaterialien bestehenden Dokumentenkörpers
einzubringen. Hierzu wird über einen Laser Energie in das
Kunststoffmaterial eingebracht und hierüber eine Pyrolyse
bewirkt, die zu einer Carbonisierung und somit Schwärzung
an den Orten führt, an denen Energie in die Kunststoffe
eingebracht wird. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der
EP 0 975 148 A1 beschrieben.
Das Anbringen der individualisierenden Informationen im Innern des Dokumentenkörpers
weist den Vorteil auf, dass diese besonders gut gegen einen Verschleiß und
eine Verfälschung geschützt sind.
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Aus
dem Stand der Technik ist es ferner bekannt, in Kartenkörper
farbige Individualisierungen einzubringen. Aus der
DE 100 53 264 A1 ist beispielsweise
ein Verfahren zum Einschreiben von Daten, insbesondere Personalisierungsdaten,
auf und/oder in einen Datenträger mittels elektromagnetischer
Strahlung bekannt, wobei bei dem Verfahren ein beliebiger Datenträger
bereitgestellt wird, auf und/oder in welchen mindestens ein Farbmittel
mindest lokal vorgesehen wird, und dieses Farbmittel mittels der
elektromagnetischen Strahlung von mindestens einem Wellenlängenbereich
bestrahlt wird, so dass sich im Bereich der Bestrahlung eine Änderung
der Farbe des Farbmittels durch Bleichen ergibt, wobei diese Färbung
maschinell und/oder durch ein menschliches Auge feststellbar ist.
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In
der
DE 199 55 383
A1 ist ein Verfahren zum Aufbringen von farbigen Informationen
auf einen Gegenstand beschrieben, wobei der Gegenstand zumindest
in einer oberflächennahen Schicht mindestens zwei verschiedenartige
farbgebende Partikel aufweist, die unter Einfluss von Laserstrahlung
die Farbe dieser Schicht verändern, wobei die Laserstrahlung
mit mindestens zwei verschiedenen Wellenlängen verwendet
wird, um die Farbe dieser Schicht zu ändern, und die Beaufschlagung
des Gegenstands mit Laserstrahlung im Vektor- und/oder Rasterverfahren über
eine Zweikoordinatenstrahlablenkeinrichtung und eine Fokussiereinrichtung
zur Fokussierung der Laserstrahlung auf die Schicht des Gegenstandes
erfolgt. Bei diesem Verfahren werden durch die verschiedenen Wellenlängen
in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen absorbierende Farbpigmente
ausgebleicht, um einen Farbeindruck zu verändern.
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Aus
der
DE 103 16 034
A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer Information in
einem Trägerkörper bekannt, bei dem mit einfachen
Mitteln eine besonders gegenüber Licht und Feuchtigkeit
langzeitstabile Information in dem Trägerkörper
erzeugt werden soll. Dazu werden für eine Anzahl von in
dem Trägerkörper vorgehaltenen Ausgangsstoffen
in einem lokalisierten Teilbereich des Trägerkörpers durch
Laserbestrahlung diejenigen Reaktionsbedingungen eingestellt, die
diese Ausgangsstoffe zu einer Synthesereaktion veranlassen. Hierbei
werden komplexe Reaktionsvorgänge gewählt, die
nur gezielt durch Lasereinstrahlung und nicht durch Sonnenlicht ausgelöst
werden können, um farbige Substanzen zu synthetisieren.
Eine farbige Substanz ist hierbei eine Substanz, die unabhängig
von ihrer Größe und Form farbig ist. Auf diese
Weise können unterschiedliche farbige Substanzen synthetisiert
werden. Problematisch ist jedoch die gezielte Ansteuerbarkeit der
einzelnen Farben. Ein weiteres Problem besteht darin, die farbbildenden
Reaktionen ortsaufgelöst und ohne Quenchingreaktionen durchzuführen,
um eine eindeutige Farbgebung zu erzielen.
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Der
Erfindung liegt somit das technische Problem zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung sowie einen Dokumentenkörper eines
Sicherheitsdokuments sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu
schaffen, mit denen es möglich ist, eine farbige Individualisierung,
vorzugsweise nach einer Herstellung des Dokumentenkörpers
selbst, auf einfache Weise auszuführen.
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Das
Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Sicherheitsdokument
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 sowie eine Vorrichtung mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 22 gelöst. Vorteilhaft
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Hierfür
ist vorgesehen, Nanoteilchen zu verwenden, deren Wechselwirkung
mit elektromagnetischer Strahlung, d. h. auch mit Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich,
von quantenmechanischen Effekten abhängt, die durch deren
Gestalt und/oder eine lokale Konzentration der Nanoteilchen beeinflusst
sind. Hierfür wird ein Verfahren zur farbigen Individualisierung
von Sicherheitsdokumenten, die einen Dokumentenkörper umfassen,
in dem Ausgangsstoffe vorgehalten sind, die durch einen lokalisierten
gezielten Energieeintrag lokal zu einer Schaffung oder Veränderung
von Nanoteilchen, die einen Farbeindruck erzeugen, angeregt werden,
wobei eine Gestalt und/oder eine Konzentration der Nanoteilchen
lokal in dem Dokumentenkörper von dem Energieeintrag abhängig
ist und wobei der Farbeindruck der Nanoteilchen von ihrer Gestalt
und/oder lokalen Konzentration abhängig ist, vorgeschlagen,
bei dem lokal gezielt Energie an einer Stelle eingebracht wird,
an der ein farbiger Farbeindruck in dem Dokumentenkörper
herbeigeführt werden soll, um eine individualisierende
Information über den herbeigeführten Farbeindruck
zu speichern. Es wird somit ein Sicherheitsdokument, welches einen
farbig personalisierbaren Dokumentenkörper umfasst, geschaffen, bei
dem im Innern des Dokumentenkörpers Ausgangsstoffe vorgehalten
sind, die mittels eines lokalisierten Energieeintrags gezielt zur
Ausbildung von Nanoteilchen unterschiedlicher Gestalt und/oder unterschiedlicher
Konzentration anregbar sind, wobei die Gestalt und/oder Konzentration
abhängig von dem Energieeintrag ist und wobei ein Farbeindruck der
Nanoteilchen von ihrer Gestalt und/oder ihrer Konzentration abhängig
ist. Eine Vorrichtung zum Individualisieren eines genannten Sicherheitsdokuments
mit einem Sicherheitsdokumentenkörper umfasst eine Dokumentenkörperaufnahme
zum Aufnehmen des Dokumentenkörpers, eine Energiequelle zum
lokalisierten Einbringen des Energieeintrags in den Dokumentenkörper,
um den Farbeindruck gezielt so zu verändern, dass eine
individualisierende Information in dem Dokumentenkörper
durch den bewirkten Farbeindruck gespeichert wird. Ein Sicherheitsdokument
mit einem farbig personalisierbaren Dokumentenkörper wird
geschaffen, indem die Ausgangsstoffe bei einer Herstellung des Dokumentenkörpers in
diesen mit eingearbeitet werden.
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Bei
einem aus mehreren Schichten mittels Lamination hergestellten Dokumentenkörpern
können die Ausgangsstoffe, beispielsweise drucktechnisch
vor dem Laminieren zwischen zwei Schichten eingebracht werden.
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Unter
der Gestalt der Nanoteilchen werden zum einen deren Größe
und zum anderen deren geometrische Form verstanden. Nanoteilchen
aus Halbleitermaterialien, die im Festkörpermaterial (Bulk)
eine Bandlücke von bevorzugt kleiner 2 Elektronenvolt aufweisen,
zeigen häufig einen so genannten Größenquantisierungseffekt,
wenn eine Teilchengröße zu immer kleineren Nanoteilchen
im Bereich einiger Nanometer oder darunter variiert wird. Je kleiner
das Nanoteilchen dieses Halbleiters wird, desto größer
wird die Bandlücke. Somit ist die Bandlückenenergie
abhängig von der Größe, d. h. der Gestalt,
der Nanoteilchen. Mit der Bandlückenenergie ist wiederum
das Absorptionsverhalten elektromagnetischer Strahlung verknüpft.
Somit ändert sich mit einer Änderung der Bandlückenenergie
auch eine Farbe des Nanoteilchens, d. h. der Farbeindruck, den man
beim Betrachten des Nanoteilchens erhält. Bei bestimmten
Arten von Nanoteilchen wird der Farbeindruck, d. h. ihr Absorptionsverhalten,
hauptsächlich durch ihre Oberflächengestalt beeinflusst.
In den Teilchen werden so genannte Oberflächenplasmonen
angeregt. Diese sind entscheidend von einer Form der Nanoteilchen
abhängig. Ohne eine Änderung des Volumens, einzig
durch eine Änderung der Form des Nanoteilchens, beispielsweise
eines Aspektverhältnisses bei einem stäbchenförmigen
Nanoteilchen, gebildet aus Längsausdehnung zu Querdehnung,
kann dessen Absorptionsverhalten wellenlängenabhängig
verändert werden. Mit Farbeindruck ist somit in erster
Linie ein Absorptionsverhalten des Nanoteilchens gemeint. Darüber
hinaus ergibt es sich für den Fachmann, dass der Farbeindruck
auch selbstverständlich von der Anzahl der in einem Volumen
bzw. auf einer Fläche vorhandenen Nanoteilchen abhängt,
da die Anzahl der Teilchen die Gesamtabsorption in dem Volumen oder
auf der Fläche beeinflusst. Hierdurch ändert sich
jedoch der Verlauf des Absorptionsspektrums nicht, sondern lediglich die
Absorptionseffizienz. Wenn im Zusammenhang mit der Erfindung von
einer Änderung des Farbeindrucks gesprochen wird, so ist
eine solche aufgrund einer gesteigerten/verringerten absoluten Absorption nicht
gemeint.
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Hiervon
zu unterscheiden ist eine Änderung des Farbeindrucks der
Nanoteilchen aufgrund ihrer lokalen Konzentration. Bei Nanoteilchen,
bei denen das Absorptionsverhalten im sichtbaren Spektralbereich
hauptsächlich durch eine Anregung von Oberflächenplasmonen
bestimmt ist, tritt ein weiterer konzentrationsabhängiger
Effekt hinzu, der eine Wellenlängenabhängigkeit
der Absorption und somit eine Farbe der Nanoteilchen verändert.
Hierbei spielen quantenmechanische Effekte eine Rolle, die darauf beruhen,
dass die Nanoteilchen sich gegenseitig beeinflussen und sich, ohne
eine chemische Bindung auszubilden, die quantenmechanischen Zustandsfunktionen
des elektronischen Systems der einzelnen Nanoteilchen so verändern,
dass deren Absorptionsspektren und hierüber ihre Farbe
verändert wird. Bei diesen Nanoteilchen führt
somit die Konzentration nicht zu einem intensiveren Farbeindruck,
sondern zu einer anderen Farbe verschobenen Farbeindruck. Dieser
Effekt wird hier als Nonoteilchen-Konzentrationsquantisierungseffekt
bezeichnet.
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Über
einem gezielten lokalen Energieeintrag in den Dokumentenkörper
lässt sich somit eine Ausbildung von Nanoteilchen, d. h.
eine Schaffung oder Veränderung von Nanoteilchen gezielt
bewirken und hierüber gezielt nahezu jede Farbe des optischen Spektralbereichs
lokalisiert einstellen. Hierüber ist somit eine einfache
farbige Individualisierung von Sicherheitsdokumenten möglich.
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Wichtig
hervorzuheben ist, dass die meisten vorgeschlagenen Systeme die
eingebrachte Energie nicht, in der Regel auch nicht als Aktivierungsenergie,
benötigen, um eine Bildung von Nanoteilchen zu beginnen
oder auszuführen, die eine Veränderung des Farbeindrucks
bewirken. Vielmehr sind die Ausgangsstoffe so in den Dokumentenkörper
eingebracht, dass dieser bei normalen Umgebungstemperaturen die
Systeme daran hindert, solche einen Farbeindruck erzeugende Nanoteilchen
zu bilden. Kleinste Nanoteilchen, die nicht durch eine Einbettung
in eine Matrix, eine chemische Lösung oder Ähnliches
stabilisiert werden, neigen beispielsweise dazu, zu größeren
Nanoteilchen zusammenzuwachsen. Hierdurch wird insgesamt eine Oberflächenenergie
der beteiligten Nanoteilchen reduziert. Solch ein Prozess wird durch
die Einbettung in den Dokumentenkörper bei Umgebungstemperatur
unterbunden und läuft nur dort ab, wo der Dokumentenkörper über
den Energieeintrag lokal erwärmt wird.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform wird die Energie mittels
eines oder mehrerer Laser eingebracht. Laser bieten den Vorteil,
dass ihr Licht gut fokussierbar ist und so Energie in dem Fokus
gezielt lokalisiert zugeführt werden kann. Bei einer geeigneten Wahl
der Laserwellenlänge ist es abhängig von dem Material,
aus dem der Dokumentenkörper gefertigt ist, möglich,
im Innern des Dokumentenkörpers eine farbige Individualisierung
vorzunehmen und nicht nur an einer Oberfläche. Ferner bietet
der Energieeintrag mittels einer oder mehrerer Laser den Vorteil,
dass die Laserintensität und/oder die Laserfrequenz moduliert
werden können, um den Energieeintrag und hierüber
den Bildungsprozess der einen gewünschten Farbeindruck
hervorrufenden Nanoteilchen zu steuern.
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Die
Ausgangsstoffe umfassen bei einer bevorzugten Ausführungsform
Nanoteilchen, deren Banklückenenergie aufgrund des Größenquantisierungseffekts
größer als die Photonenenergie sichtbaren Lichts
ist. Diese Nanoteilchen der Ausgangsstoffe können durch
einen gezielten Energieeintrag in den Dokumentenkörper
dazu veranlasst werden, dass diese zu größeren
Nanoteilchen zusammenwachsen und so aufgrund des Größenquantisierungseffekts
ihr Absorptionsspektrum und somit ihre Farbe und den Farbeindruck
verändern.
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Bevorzugt
sind somit bei einer Ausführungsform die Ausgangsstoffe
in eine Matrix eingebunden. Diese ist vorzugsweise so ausgestaltet,
dass die Bestandteile der Ausgangsstoffe sich in der Matrix nur bewegen
können, wenn in die Matrix Energie eingetragen wird und
diese dadurch erwärmt wird.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen,
dass die Matrix aus einem Polycarbonat, insbesondere Eisphenol-A-Polycarbonat
besteht. Polycarbonate eignen sich insbesondere deshalb, weil sie
im sichtbaren Wellenlängenbereich für elektromagnetische
Strahlung transparent sind. Dennoch können mittels eines
Lasers so hohe Strahlungsenergiedichten erzeugt werden, dass das
Polycarbonatmaterial lokal gezielt erwärmt werden kann.
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Um
jedoch eine Absorption des Laserlichts zu verbessern, ist bei einer
Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Ausgangsstoffe
Aktivatormaterial enthalten, das eine gute Laserabsorption aufweist.
Das Aktivatormaterial kann in Konzentrationen eingebracht werden,
die einen Transparenzeindruck des Dokumentenkörpers nicht
nachteilig beeinflussen und dennoch eine lokal gezielte Absorption von
Laserlicht deutlich steigern. Eine Laserwellenlänge kann
angepasst werden, um eine gute Absorption in einem Aktivatormaterial
zu erzielen.
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Bei
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass
das Aktivatormaterial Zinkoxid ZnO umfasst. Es können jedoch
auch andere Substanzen als Aktivatormaterial verwendet werden, beispielsweise
Ruß oder Iriodin®.
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Bei
einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Ausgangsstoffe zusätzlich oder alternativ Precursor
zur Bildung von Nanoteilchen, deren Absorptionsverhalten von ihrer
Gestalt und/oder ihrer lokalen Konzentration abhängig ist,
umfassen. Dies bedeutet, dass ihr Farbeindruck von ihrer Gestalt
und/oder ihrer lokalen Konzentration abhängig ist. Als
Precursor sind in den Ausgangsstoffen somit solche Substanzen vorhanden,
die durch eine chemische Reaktion bei Energieeintrag in den Dokumentenkörper
Nanoteilchen ausbilden und/oder ein Wachstum bereits vorhandener
kleinster Nanoteilchen bewirken. Über eine gezielte Steuerung
der zugeführten Energie kann bei einer solchen Ausführungsform
sowohl eine Anzahl der geschaffenen Nanoteilchen als auch deren
Größe gezielt beeinflusst werden. Erfolgt ein
hoher Energieeintrag in kurzer Zeit, so dass eine Erwärmung
auf eine hohe Temperatur, beispielsweise 180°C, lokal in
dem Material bewirkt wird, so wird eine Bildung einer großen Anzahl
von Kristallisationskeimen angeregt. Wird hingegen eine Energiezufuhr
so gewählt, dass sich lokal eine geringere Temperatur,
beispielsweise von 120°C, ergibt, so findet nur eine geringe
Bildung neuer Kristallisationskeime statt, jedoch schreitet ein Größenwachstum
der bereits existierenden Nanoteilchen bei dieser geringen Temperatur
fort.
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Über
eine gezielte Energiezufuhr kann somit die lokale Temperatur zeitlich
variiert werden und hierüber eine Prozesssteuerung erreicht
werden, so dass ein optimaler gewünschter Farbeindruck,
d. h. eine gewünschte Farbe, eingestellt werden kann. Als besonders
geeignete Substanz haben sich II-VI-Halbleiternanoteilchen herausgestellt.
Es sind jedoch auch andere geeignete Systeme oder Substanzen, beispielsweise
Kadmiumphosphid Cd3P2 usw.
bekannt. Im Prinzip können sämtliche Substanzen
verwendet werden, die ein gestaltabhängiges Absorptionsverhalten
im sichtbaren Wellenlängenbereich, insbesondere ein größen-,
form- und/oder konzentrationsabhängiges Absorptionsverhalten
zeigen (wobei hier erneut eine Änderung des Absorptionsspektrums
(dessen wellenlängenabhängiger Verlauf) in Abhängigkeit
von der Konzentration gemeint ist).
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Die
als besonders geeignet festgestellten II-VI-Halbleiternanoteilchen
weisen in der Regel einen großen Größenquantisierungseffekt
auf. Zu den bevorzugten Materialien gehören beispielsweise Cadmium-
oder Quecksilbersulfid, Cadmium- oder Quecksilberselenid, Cadmium-
oder Quecksilbertellurid sowie ternäre oder quaternäre
Verbindungen der vorgenannten Elemente. Um eine Bildung dieser Nanoteilchen
zu bewirken oder ein Größenwachstum bereits vorhandener Nanoteilchen
zu unterstützen oder anzuregen, können die Ausgangsstoffe
beispielsweise Cadmiumacetat und/oder Quecksilberacetat und Thioacetamid
umfassen, aus denen sich bei Energieeintrag Kadmiumsulfid bzw. Quecksilbersulfid
bildet.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform umfasst die Ausgangsstoffe
formquantisierbare Nanoteilchen, die abhängig von dem Energieeintrag
ihre Form ändern, wobei deren Farbeindruck von der Form
abhängig ist. Formquantisierbare Nanoteilchen können
beispielsweise aus Gold und/oder Silber und/oder Legierungen hiervon
bestehen. Die Ausgangsstoffe können beispielsweise stäbchenförmige Nanoteilchen
aus Gold umfassen. Durch Energieeintrag können diese Nanoteilchen
angeregt werden, sich in Richtung auf eine sphärische Form
umzuwandeln. Hierbei ändert sich das Absorptionsspektrum, welches
hauptsächlich durch Oberflächenplasmonanregungen
dominiert ist.
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Einen
konzentrationsabhängigen Farbeindruck weisen insbesondere
Nanoteilchen aus Gold- und Silberlegierungen auf. Deren Absorptionsverhalten
ist von einem mittleren Abstand zu einem benachbarten Nanoteilchen
abhängig. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfassen Ausgangsstoffe Precursor von Substanzen,
die kolloidale Nanoteilchen ausbilden, deren Farbeindruck von einer
lokalen Konzentration der kolloidalen Nanoteilchen abhängig
ist. Beispielsweise können die Ausgangsstoffe Zinkoxid
(ZnO) und Gold- oder Silbersalze enthalten. Bei Lasereinstrahlung
wirkt das ZnO als Elektronenlieferant, um Gold oder Silber zu reduzieren.
Hierüber kann ein Wachstum von Nano-Kolloiden aus Gold
und/oder Silber angeregt werden.
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Das
Einbringen der Energie wird so vorgenommen, dass eine chemische
Degeneration, insbesondere eine Depolymerisation, Pyrolyse oder
Carbonisierung, des Materials des Dokumentenkörpers unterbleibt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform sind optische Sensoren
vorhanden, die einen Farbeindruck überwacht. Die Energiezufuhr
wird dann in Abhängigkeit des überwachten Farbeindrucks
gesteuert.
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Besonders
bevorzugt wird die Energie an mehreren Stellen lokalisiert gezielt
in den Dokumentenkörper eingebracht, um an den mehreren
Stellen einen Farbeindruck aufgrund der Gestalt und/oder Konzentration
der Nanoteilchen herbeizuführen, wobei die mehreren Stellen
ein Muster ergeben, das die individualisierende Information enthält.
Bevorzugt werden an den unterschiedlichen Stellen durch den Energieeintrag
unterschiedliche Farbeindrücke hervorgerufen. Dies bedeutet,
dass der Energieeintrag an den unterschiedlichen Stellen unterschiedlich
erfolgt.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 schematisch
Potentiale für unterschiedlich große Teilchen,
jeweils für Valenz- und Leitungsband;
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2 Absorptionskurven
für unterschiedlich große Teilchen;
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3 einen
Verlauf der Bandlücke in Abhängigkeit von der
Teilchengröße für größenquantisierbare
Teilchen;
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4 Nanoteilchen
unterschiedlicher Form; und
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5 eine
Vorrichtung zum Individualisieren eines Sicherheitsdokuments mit
einem farbig personalisierbaren Dokumentenkörper.
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In 1 sind
für drei unterschiedliche Teilchengrößen
a, b, c Kastenpotentiale für das Leitungsband 1a, 1b, 1c und
entsprechenden Kastenpotentiale für das Valenzband 2a, 2b, 2c dargestellt. Eine
Breite 3a, 3b, 3c der einzelnen Kastenpotentiale 1a, 2a, 1b, 2b, 1c, 2c ist
im Kastenmodell jeweils von einer Teilchengröße
abhängig. Je größer das Teilchen ist,
desto breiter sind die entsprechenden Kastenpotentiale. Hier ist
das Teilchen a das kleinste Teilchen und c das größte
Teilchen.
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Bestimmt
man in diesen Kastenpotentialen 1a–1c, 2a–2c jeweils
die sich unter Berücksichtigung der Quantenmechanik ergebenden
energetisch niedrigsten Energieniveaus 4a–4c des
Leitungsbands bzw. die höchsten energetischen Zustände 5a–5c des
Valenzbands, so ergeben sich für die verschiedenen großen
Teilchen a–c unterschiedliche Energiedifferenz 6a–6c,
die jeweils mit einer Bandlückenenergie assoziiert werden
können. Die Energiedifferenz 6a–6c nimmt
mit zunehmender Teilchengröße ab. Je größer
die Bandlücke eines Teilchens ist, desto höher energetisch
muss die Strahlung sein, die von diesem Teilchen absorbiert wird.
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Photonen,
deren Energie geringer als die Bandlückenenergie ist, werden
hingegen nicht absorbiert. Dies bedeutet, dass mit einer Zunahme
der Teilchengröße eine Rotverschiebung der Absorptionskante
stattfindet. Dieses ist schematisch in 2 dargestellt.
Dort ist die Absorption für unterschiedlich große
Teilchen gegen die Wellenlänge aufgetragen. Absorptionskanten 11a–11c der
Absorptionskurven 12a–12c zeigen eine
Verschiebung zu größeren Wellenlängen,
d. h. eine Rotverschiebung mit zunehmender Teilchengröße,
deren Zunahme mittels eines Pfeils 13 angedeutet ist. Bei
einer Versorgung der Teilchengröße zeigt sich
ein entsprechendes Verhalten.
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Für
Cadmiumphosphid Cd3P2 beträgt
die Bandlücke im Festkörper 0,55 eV. Bei einem
mittleren Teilchendurchmesser von 3 nm erscheint das Material nicht
mehr schwarz, sondern braun. Mit weiter abnehmendem Durchmesser ändert
sich die Farbe über rot, orange und gelb, bis das Material
bei etwa 1,5 nm weiß erscheint und eine Bandlücke
von etwa 4 eV aufweist.
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In 3 ist
der energetische Verlauf des Leitungsbands 15 und des Valenzbands 16 jeweils
gegen die Teilchengröße schematisch aufgetragen.
Bei kleiner Teilchengröße ist die Bandlückenenergie 17 groß,
beispielsweise im Bereich von 4 eV. Teilchen dieser Größe
erscheinen weiß. Mit zunehmender Teilchengröße
nimmt die Bandlückenenergie 17 ab und ändert
sich die Farbe von gelb über orange, rot ins Braune und
schließlich Schwarze.
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Ein ähnlicher
energetischer Effekt stellt sich beispielsweise bei stäbchenförmigen
Goldteilchen ein. In 4 ist schematisch ein Nanoteilchen 21 dargestellt,
dessen Aspektverhältnis, ein Verhältnis einer
Länge 22 zu einer Breite 23, abnimmt.
Ein solches stabförmiges Nanoteilchen, ein Nanoteilchen mit
einem großen Aspektverhältnis, ist als Ausgangsstoff
beispielsweise in eine aus Polycarbonat ausgebildete Matrix eingebettet.
Wird diese Matrix erwärmt, so wird dem Nanoteilchen die
Gelegenheit gegeben, seine Form zu ändern. Eine Verringerung
des Aspektverhältnisses führt zu einer Verringerung
der Oberfläche und somit einer Oberflächenenergie,
so dass diese Umwandlung des ursprünglich stabförmigen
Nanoteilchens 21 nur durch die Matrix verhindert wird.
Erst bei einer Erwärmung der Matrix und dem Nanoteilchen
wird dem Nanoteilchen die Möglichkeit gegeben, seine Form
hin zu einer sphärischen Form zu verändern. Hierbei
bleibt das Volumen des Nanoteilchens unverändert. Mit der Änderung
des Aspektverhältnisses ändert sich auch dessen
Absorptionsverhalten vom Infraroten bis ins Sichtbare.
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In 5 ist
schematisch eine Vorrichtung 41 zur Laserpersonalisierung
eines Sicherheitsdokuments 42 schematisch dargestellt,
welches einen farbig individualisierbaren Dokumentenkörper 43 umfasst.
Der Dokumentenkörper 43 ist vorzugsweise ein aus
mehreren Schichten 44 durch Lamination gebildeter Verbundkörper.
Diese Schichten 44 sind vorzugsweise aus einem oder mehreren
thermoplastischen Kunststoffmaterialien gebildet. Einzelne Schichten
oder alle Schichten können vor dem Laminieren bedruckt
sein. Ferner können in einzelne oder mehrere Schichten
Mikrochips oder andere Sicherheitselemente eingearbeitet sein. Mindestens
eine Schicht, vorzugsweise mehrere Schichten, sind so ausgebildet,
dass Ausgangsstoffe zur Bildung von größenskalierbaren
Nanoteilchen in diese eingearbeitet sind. Die Nanoteilchen können
auch zwischen zwei Schichten zum Beispiel drucktechnisch eingebracht
werden. Eine Schicht ist beispielsweise aus Eisphenol-A-Polycarbonat.
Dieses Material stellt eine Matrix für die Ausgangsstoffe
zur Verfügung. In diese Matrix sind beispielsweise kleinste
Nanoteilchen von Substanzen eingebettet, deren Bandlückenenergie oberhalb
der Energie von Photonen sichtbaren Lichts liegt. Zusätzlich
oder alternativ können in die Matrix Precursor, beispielsweise
Cadmiumacetat und Thioacetamid eingebettet sein. Als Aktivatormaterial
ist beispielsweise Zinkoxid ZnO in die Matrix eingearbeitet.
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Der
Dokumentenkörper wird in einer Dokumentenkörperaufnahme 55 gehalten.
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Die
Vorrichtung 41 umfasst als Energiequelle einen Laser 45.
Dieser Laser 45 erzeugt elektromagnetische Strahlung im
infraroten, sichtbaren und/oder ultravioletten Spektralbereich.
Zum Beispiel kann der Laser 45 ausgewählt sein
aus der Liste „YAG:Nd (Grundwellenlänge oder frequenzvervielfacht:
1064 nm, 532 nm, 355 nm, 266 nm), Excimer-Lasers (F2 157
nm, Xe 172 nm), Exciplex-Laser (ArF 193 nm, KrF 248 nm, XeBr 282
nm, XeCl 308 nm, XeF 351 nm), Titan-Saphir-Laser, CO2-Lasers
(10,6 μm) oder Diodenlaser". Diese Laserstrahlung 46 wird
mit einer Abbildungsoptik 47 lokalisiert in einem Bereich
der Schichten 44 fokussiert, in die die Ausgangsstoffe eingearbeitet
sind. In einem Fokus 48 wird die Laserstrahlung 46 bevorzugt
von einem Aktivatormaterial, zum Beispiel Zinkoxid (ZnO), absorbiert.
Dieses führt zu einer lokalen heißen Stelle (hot
spot), wodurch eine Bildung von Cadmiumsulfid angeregt wird, welches
sich an dem Aktivatormaterial Zinkoxid (ZnO) anlagert. In Abhängigkeit
von der Laserintensität bilden sich unterschiedlich viele
Nanoteilchen. Je höher die Laserintensität ist,
d. h. je höher die Temperatur der Matrix lokal steigt,
desto mehr Nanoteilchen werden geschaffen. Wird eine niedrigere
Temperatur gewählt, so werden weniger oder keine Nanoteilchen geschaffen.
Ein im Wachstum bereits bestehender Nanoteilchen setzt sich jedoch
fort. Hierbei verändert sich die Größe
der Nanoteilchen 49. In Abhängigkeit von der Größe ändert
sich ein Farbeindruck.
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In
einer weiteren Ausführungsform führt die Bestrahlung
des Aktivatormaterials, zum Beispiel Zinkoxid (ZnO), zur Erzeugung
von Elektron-Loch-Paaren, wodurch zum Beispiel Metallsalzionen,
insbesondere Silber (Ag+) und Gold (Au3+) zu den entsprechenden Metallen reduziert
werden und Nanoteilchen bilden.
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Mittels
eines optischen Sensors 50, der beispielsweise als farbige
CCD-Kamera ausgebildet ist, wird der optische Eindruck überwacht.
Hierfür kann es erforderlich sein, dass der Dokumentenkörper 43 mit
einer Lichtquelle 51 beleuchtet wird. Die mittels des optischen
Sensors 50 erfassten Signale werden von einer Steuereinrichtung 52 ausgewertet,
die einen Energieeintrag über die als Laser 45 ausgebildete
Energiequelle 41 steuert. Die Energiequelle 41 kann
ferner einen Modulator 54 umfassen, über den die
Frequenz und/oder Amplitude des Lasers moduliert wird, um den Energieeintrag
in den Dokumentenkörper 43 steuern zu können.
Der Modulator kann bei anderen Ausführungsformen in den
Laser 45 integriert sein.
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Es
ergibt sich für den Fachmann, dass die Energiequelle auch
mehrere Laser umfassen kann, die Licht unterschiedlicher Wellenlänge
emittieren. Hierdurch ist es möglich, unterschiedliche
Aktivatormaterialien optimal anzuregen.
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Bei
anderen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass Nanoteilchen
zur Veränderung des Farbeindrucks in mehreren unterschiedlichen Schichten
des Dokumentenkörpers geschaffen werden. Wird die Laserstrahlung
zeitgleich oder zeitversetzt an unterschiedlichen Stellen in dem
Dokumentenkörper fokussiert, um jeweils lokal gezielt Energie einzutragen
und Nanoteilchen zu schaffen, die einen optischen Farbeindruck im
sichtbaren Spektralbereich erzeugen, kann ein farbiges Muster in
dem Dokumentenkörper erzeugt werden, welches eine individualisierende
Information, beispielsweise einen Namen, ein Passbild usw., darstellt.
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Bei
einigen Ausführungsformen ist der Dokumentenkörper
selbst ein vollständiges Sicherheitsdokument oder auch
Wertdokument. In anderen Ausführungsformen ist der Dokumentenkörper
beispielsweise in ein Passbuch eingebunden.
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Bei
einigen Ausführungsformen ist der Dokumentenkörper
ein aus mehreren Schichten laminierter Verbundkörper, bei
dem unterschiedliche Schichten unterschiedliche Ausgangsstoffe und/oder
Konzentrationen hiervon umfassen. Hierdurch können auf
einfache Weise in den unterschiedlichen Schichten verschiedene Farbeindrücke
durch lokalisierten Energieeintrag hervorgerufen werden. Diese können gemeinsam
ein Farbmuster ergeben. Ebenso können die Schichten jedoch
auch gleiche Ausgangsstoffe und/oder Konzentrationen hiervon umfassen.
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Es
ergibt sich für den Fachmann, dass die Erfindung hauptsächlich
im sichtbaren Spektralbereich Anwendung finden wird. Es sind jedoch
auch Ausführungsformen denkbar, die einen Farbeindruck erzeugen,
der nur für eine maschinelle Prüfung vorgesehen
ist. Einerseits weil der hervorgerufene Farbeindruck im UV- oder
IR-Spektralbereich liegt oder weil eine Nanoteilchenkonzentration
erzeugt wird, deren Absorptionsintensität für
eine menschliche Prüfung nicht ausreichend hoch ist. Hier
ist das Intensitätsverhältnis der Absorption und
nicht deren wellenlängenabhängiger Verlauf generiert.
Auch hier wird die Information durch die Änderung eines wellenlängenabhängig
veränderten Farbeindrucks gespeichert. Lediglich eine Anzahl
der erzeugten farbveränderten Nanoteilchen wird gezielt
gering gehalten.
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Die
beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich beispielhafte
Ausführungsformen. Es ergibt sich für den Fachmann,
dass es eine Vielzahl von Modifikationsmöglichkeiten gibt.
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- 1a–1c
- Kastenpotential
des Leitungsbands
- 2a–2c
- Kastenpotential
des Valenzbands
- 3a–3c
- Breite
des Kastenpotentials
- 4a–4c
- Energieniveau
des Leitungsbands
- 5a–5c
- Energieniveau
des Valenzbands
- 6a–6c
- Energiedifferenz
- 11a–11c
- Absorptionskante
- 12a–12c
- Absorptionsspektren
- 13
- Pfeil
(in Richtung größer werdender Teilchengröße)
- 15
- Leitungsband
- 16
- Valenzband
- 17
- Bindungsenergie
- 21
- Nanoteilchen
- 22
- Länge
- 23
- Breite
- 41
- Vorrichtung
zur farbigen Individualisierung von Sicherheitsdokumenten
- 42
- Sicherheitsdokument
- 43
- Dokumentenkörper
- 44
- Schichten
- 45
- Laser
- 46
- Laserstrahlung
- 47
- Abbildungsoptik
- 48
- Fokus
- 49
- Nanoteilchen
- 50
- optischer
Sensor
- 51
- Lichtquelle
- 52
- Steuerung
- 54
- Modulator
- 55
- Dokumentenkörperaufnahme
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 0975148
A1 [0004]
- - DE 10053264 A1 [0005]
- - DE 19955383 A1 [0006]
- - DE 10316034 A1 [0007]