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Die Erfindung betrifft ein Sicherheitselement zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das eine Liniengitterstruktur aufweist.
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Sicherheitselemente von Wertdokumenten mit periodischen Liniengittern sind bekannt, beispielsweise aus der
DE 10 2009 012 299 A1 ,
DE 10 2009 012 300 A1 oder der
DE 10 2009 056 933 A1 . Sie können im Subwellenlängenbereich Farbfiltereigenschaften aufweisen, wenn das Gitterprofil so ausgelegt ist, dass Resonanzeffekte im sichtbaren Wellenlängenbereich auftreten. Solche Farbfiltereigenschaften sind sowohl für reflektierende als auch für transmittierende Subwellenlängenstrukturen bekannt. Diese Strukturen haben einen stark polarisierenden Einfluss auf die Reflexion bzw. die Transmission eines einfallenden Lichtstrahls. Die Farbe ist in Reflexion bzw. Transmission solcher Subwellenlängengitter relativ stark winkelabhängig. Jedoch schwächt sich die Farbsättigung für diese Gitter deutlich ab, wenn das einfallende Licht unpolarisiert ist.
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Es ist ein Liniengitter mit Subwellenlängenstrukturen bekannt, welches winkelabhängige, farbfilternde Eigenschaften besitzt. Das Liniengitter besitzt ein Rechteckprofil aus einem dielektrischen Material. Die waagrechten Flächen sind mit einem hochbrechenden Dielektrikum überzogen. Oberhalb dieser Struktur befindet sich ebenfalls ein dielektrisches Material, wobei bevorzugterweise die Brechungsindizes des Gittersubstrats und des Deckmaterials identisch sind. Dadurch ist eine optisch wirksame Struktur ausgebildet, die aus zwei Gittern aus dem hochbrechenden Material besteht, welche durch die Höhe des ursprünglichen Rechteckprofils beabstandet sind. Die das Liniengitter bildenden Gitterstege sind beispielsweise aus ZnS. Man kann damit zwar einen Farbkontrast in Reflexion erzeugen, in Transmission ist eine Veränderung des Farbtons für unterschiedliche Winkel jedoch kaum wahrnehmbar. Diese Struktur bietet sich deshalb lediglich als Sicherheitsmerkmal in Reflexion an und muss dazu auf einem absorbierenden Untergrund aufgebaut werden.
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Die bekannten zweidimensional periodischen Subwellenlängengitter mit nicht zusammenhängender Oberfläche zeigen zwar ausgeprägte Farbfiltereigenschaften. Sie sind jedoch auf eine große Winkeltoleranz optimiert. Ihr Farbton ändert sich daher beim Verkippen kaum.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Sicherheitselement anzugeben, das einen auch bei Durchsicht guten Farbeffekt zeigt, welcher sich bevorzugt beim Verkippen ändert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Sicherheitselement zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das aufweist: ein dielektrisches Substrat, eine in das Substrat eingebettete erste Liniengitterstruktur aus mehreren längs einer Längsrichtung verlaufenden und in einer Ebene angeordneten ersten Gitterstegen aus Metall oder Halbleiter und eine in das Substrat eingebettete zweite Liniengitterstruktur aus längs der Längsrichtung verlaufenden zweiten Gitterstegen aus Metall oder Halbleiter, die sich bezogen auf die Ebene über der ersten Liniengitterstruktur befindet, wobei die ersten Gitterstege jeweils eine Breite haben und in einem Abstand nebeneinanderliegen, so dass zwischen den ersten Gitterstegen längs der Längsrichtung verlaufende erste Gitterspalte mit dem Abstand entsprechender Breite gebildet sind, die zweite Liniengitterstruktur zur ersten Liniengitterstruktur invertiert ist, wobei in Draufsicht auf die Ebene die zweiten Gitterstege über den ersten Gitterspalten und zweite Gitterspalte, die zwischen den zweiten Gitterstegen bestehen, über den ersten Gitterstegen liegen, und die Breite der ersten Gitterstege und der zweiten Gitterspalte sowie die Breite der zweiten Gitterstege und der ersten Gitterspalte unter 300 nm ist. Diese Gitter befinden sich derart in einem Abstand zueinander, so dass kein geschlossener Halb- bzw. Halbmetallfilm vorliegt. Dabei kann optional die Dicke der Gitterstege unter 300 nm sein.
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Bei einer periodischen Liniengitterstruktur entspricht die Phasenverschiebung einer halben Periode.
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Erfindungsgemäß wird ein Doppel-Liniengitter verwendet, das aus zwei übereinanderliegenden komplementär zueinander aufgebauten, d. h. gegeneinander verschobenen Liniengitterstrukturen besteht. Der Wert von 90° ist natürlich im Rahmen der Fertigungsgenauigkeit zu sehen. Durch Fertigungstoleranzen können hier Abweichungen entstehen, da in der Regel ein Rechteckprofil nicht perfekt ausgebildet, sondern nur durch ein Trapezprofil angenähert werden kann, dessen obere Parallelkante kürzer ist als. Die Liniengitterstrukturen sind aus Metall oder Halbleitermaterial. Die Schichtdicke der Gitterstege ist geringer als die Modulationstiefe, also als der Abstand der Gitterebenen der Liniengitterstrukturen.
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Es zeigte sich, dass ein derart aufgebautes Gitter überraschenderweise sowohl in Reflexion als auch in Transmission reproduzierbare und gut wahrnehmbare Farbeffekte liefert.
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Das erfindungsgemäße Sicherheitselement kann einfach durch einen Schichtaufbau hergestellt werden, indem zuerst eine Grundschicht bereitgestellt wird, auf der die erste Liniengitterstruktur ausgebildet wird. Darauf bringt man eine dielektrische Zwischenschicht auf, die die erste Liniengitterstruktur überdeckt und bevorzugt dicker als die Gitterstege der ersten Liniengitterstruktur ist. Darauf kann dann die verschobene zweite Liniengitterstruktur ausgebildet werden und eine dielektrische Deckschicht bildet den Abschluss des die Liniengitterstruktur einbettenden Substrates. Alternativ kann auch in dem dielektrischen Substrat zuerst ein Subwellengitter ausgebildet werden, das ein Rechteckprofil im Querschnitt hat. Bedampft man dieses metallisch senkrecht, entsteht eine Metallschicht auf den Plateaus und in den Gräben, welche die ersten und zweiten Gitterstege bilden. Man hat damit den gewünschten nicht zusammenhängenden Metallfilm der ersten und zweiten Gitterstege in unterschiedlichen Ebenen, wenn die Schichtdicke der Gitterstege geringer ist als die Modulationstiefe des Rechteckprofils des zuvor strukturierten dielektrischen Substrates.
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Einen besonders guten Farbeffekt erhält man, wenn der Abstand zwischen den ersten und den zweiten Gitterstegen, also die Modulationstiefe der Struktur, zwischen 50 nm und 500 nm, bevorzugt zwischen 100 nm und 300 nm liegt. Der Abstand ist dabei von jeweils gleichweisenden Flächen der ersten und zweiten Liniengitterstruktur zu bemessen, d. h. beispielsweise von der Unterseite der ersten Gitterstege zur Unterseite der zweiten Gitterstege bzw. von der Oberseite der ersten Gitterstege zur Oberseite der zweiten Gitterstege. Der Abstand ist dabei selbstverständlich senkrecht zur Ebene zu messen, bezeichnet also den Höhenunterschied zwischen den gleichgerichteten Flächen der Gitterstege.
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Als Material für die Gitterstege kommen Metalle infrage, beispielsweise Aluminium, Silber, Kupfer, Gold, Chrom, Platin und Legierungen von diesen Materialien. Der gewünschte Farbeffekt zeigt sich auch bei der Verwendung von Halbleitern, wie Silizium oder Germanium.
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Möchte man die Buntheit in Reflexion steigern, können die ersten Gitterstege der ersten Liniengitterstruktur und/oder die zweiten Gitterstege der zweiten Liniengitterstruktur mit eine Multilayerbeschichtung, z. B. als Trilayer aus zwei übereinanderliegenden Metall- oder Halbleiterbeschichtungen mit einer dazwischen liegenden dielektrischen Schicht, aufgebaut werden. Das Sicherheitselement kann auch bei ungefähr senkrechtem Einfallswinkel annähernd farbneutral in der Reflexion ausgestaltet werden. Dies hat den Vorteil, dass der transmittierte Farbton durch die Reflexion nicht verändert wird. Bevorzugt für die Gitterstrukturen des Sicherheitselementes ist ein Füllfaktor von 0,5, d. h. gleiche Breite für die Gitterstege wie für die Gitterspalte. Ein solcher Füllfaktor ist aber nicht zwingend. Mit einer Abweichung davon kann man den Farbton der Reflexion für eine Reflexion von der Vorderseite unterschiedlich gestalten für einen Reflexionsfarbton, der sich bei der Reflexion an der Rückseite des Sicherheitselementes einstellt.
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Das Sicherheitselement mit dem Doppel-Liniengitter zeigt eine winkelabhängige Farbfilterung bei Reflexion und Transmission. Diese Winkelabhängigkeit ist besonders markant, wenn die Gitterlinien senkrecht zur Lichteinfallsebene stehen. Die Farbfilterung kann dazu verwendet werden, um Motive mehrfarbig so zu gestalten, dass sie beim Verkippen bzw. Verdrehen ihre Farbe ändern. Es ist deshalb bevorzugt, dass in Draufsicht auf die Ebene mindestens zwei Bereiche vorgesehen sind, deren Längsrichtungen der Liniengitterstrukturen schräg zueinander liegen, insbesondere rechtwinklig sind. Bei senkrechter Betrachtung kann ein solches Motiv so gestaltet werden, dass es in Transmission eine einheitliche Farbe und keine weitere Struktur hat. Dreht man dieses Motiv nun um die vertikale Achse, ändert sich die Farbe des einen Bereichs, beispielsweise des Hintergrundes, anders als die Farbe des anderen Bereichs, beispielsweise eines Motivs. Ein Drehen senkrecht zur Beobachtungsrichtung verändert die Farben des Motivs sowie des Hintergrundes bis hin zu einem vollständigen Farbwechsel. Denn der Gitterbereich, dessen Gitterlinien parallel zur Einfallsebene verlaufen, ändert beim Verkippen kaum seine Farbe.
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Natürlich sind auch Anordnungen mit mehreren unterschiedlich angeordneten Bereichen denkbar. Dadurch können Motive mit mehreren Farben in Transmission hergestellt werden. Natürlich können die Liniengitter in den einzelnen Bereichen auch unterschiedliche Geometrieparameter hinsichtlich Breite und Abstand haben. In diesem Fall verschwindet jedoch das Motiv bei senkrechter Betrachtung nicht.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielshalber anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung eines Sicherheitselementes mit einem Doppel-Liniengitter,
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2a–c die spektrale Abhängigkeit der Transmission, Reflexion und Absorption des Sicherheitselementes der 1 in einer ersten Ausführungsform,
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3 Farbwerte im LCh-Farbraum für Reflexion und Transmission für das Sicherheitselement der 2 bei Variation einer Modulationstiefe,
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4 Farbwerte im LCh-Farbraum für Reflexion und Transmission für das Sicherheitselement der 2 bei Variation einer Schichtdicke,
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5 Farbwerte im LCh-Farbraum für Reflexion und Transmission für ein Sicherheitselement der 1 in einer zweiten Ausführungsform bei Variation einer Schichtdicke,
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6 eine Schnittdarstellung ähnlich der 1 für ein Doppel-Liniengitter, dessen Gitterstege mit Trilayerbeschichtung versehen sind,
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7 Farbwerte im LCh-Farbraum für Reflexion und Transmission für das Sicherheitselement der 6 bei Variation einer Schichtdicke,
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8a–b zwei Draufsichten auf ein Motiv, das mit dem Sicherheitselement der 1 gebildet ist,
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9a–b Erläuterungen des Wechsels des optischen Eindruckes bei der Betrachtung des Motives der 8,
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10 Farbwerte im LCh-Farbraum für Reflexion und Transmission für das Sicherheitselement der 2, wobei die Polarisationsabhängigkeit eingetragen und die Modulationstiefe variiert ist,
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11 Farbwerte im LCh-Farbraum für Reflexion sowie Transmission für das Sicherheitselement der 2, wobei die Auftragung der der 10 entspricht, allerdings unter Variation einer Schichtdicke,
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12 und 13 Darstellungen ähnlich der 11, jedoch für unterschiedliche Materialien der Gitterstege des Doppel-Liniengitters, und
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14 eine Darstellung ähnlich der 3 für ein Sicherheitselement gemäß dem Stand der Technik.
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1 zeigt in Schnittdarstellung ein Sicherheitselement 5, das ein in ein Substrat 1 eingebettetes Doppel-Liniengitter aufweist. In das Substrat 1 ist eine erste Liniengitterstruktur 2 eingearbeitet, die in einer Ebene L angeordnet ist. Die erste Liniengitterstruktur besteht aus ersten Gitterstegen 9 mit der Breite a, die sich längs einer senkrecht zur Zeichenebene liegenden Längsrichtung erstrecken. Zwischen den ersten Gitterstegen 3 befinden sich erste Gitterspalte 4, die eine Breite b haben. Die Dicke der ersten Gitterstege 3 (gemessen senkrecht zur Ebene L) ist mit t angegeben. In einer Höhe h über den ersten Gitterstegen 3 befindet sich eine zweite Liniengitterstruktur 6 mit zweiten Gitterstegen 7. Diese haben die Breite b. Die zweite Liniengitterstruktur 6 ist so gegenüber der ersten Liniengitterstruktur 2 phasenverschoben, dass die zweiten Gitterstege 7 möglichst exakt (im Rahmen der Fertigungsgenauigkeit) über den ersten Gitterspalten 4 zu liegen kommen. Gleichzeitig liegen zweite Gitterspalte 8, die zwischen den zweiten Gitterstegen 7 bestehen, über den ersten Gitterstegen 3.
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Die Dicke t ist kleiner als die Höhe h, so dass kein zusammenhängender Film aus den Gitterstegen 3 und 7 gebildet ist.
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In der schematischen Schnittdarstellung der 1 ist die Breite a der ersten Gitterstege 3 gleich der Breite b der zweiten Gitterstege 7. Bezogen auf eine Periode d beträgt somit in jeder Liniengitterstruktur der Füllfaktor 50%. Dies ist jedoch nicht zwingend. Gemäß der Formel b + a = d kann eine beliebige Variation erfolgen.
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Auch ist in der schematischen Schnittdarstellung der 1 die Dicke t der ersten Gitterstege 2 gleich der Dicke t der zweiten Gitterstege 7. Dies kommt einer einfacheren Herstellung zugute, ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Wesentlich ist jedoch, dass die Modulationstiefe h, d. h. der Höhenunterschied zwischen der ersten Liniengitterstruktur 2 und der zweiten Liniengitterstruktur 6 größer ist als die Summe der Dicken der ersten Gitterstege 3 und der zweiten Gitterstege 7, da ansonsten keine Trennung zwischen den beiden Liniengitterstrukturen 2 und 6 gegeben wäre.
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Das Sicherheitselement S der 1 reflektiert einfallende Strahlung E als reflektierte Strahlung R. Weiter wird ein Strahlungsanteil als transmittierte Strahlung T durchgelassen. Die Reflexions- und Transmissionseigenschaften hängen vom Einfallswinkel θ ab, wie nachfolgend noch erläutert wird.
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Die Herstellung des Sicherheitselementes S kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass auf eine Grundschicht 9 zuerst die erste Liniengitterstruktur 2 und darauf eine Zwischenschicht 5 aufgebracht wird. In die dabei nach oben abgebildete Gitterspalte 4 kann dann die zweite Liniengitterstruktur mit den zweiten Gitterstegen 7 eingebracht werden. Eine Deckschicht 10 deckt das Sicherheitselement ab. Die Brechzahlen der Schichten 9, 5 und 10 sind im Wesentlichen gleich und können beispielsweise etwa 1,5, insbesondere 1,56 betragen.
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Die Maße b, a und t sind im Subwellenlängenbereich, d. h. kleiner als 300 nm. Die Modulationstiefe beträgt bevorzugt zwischen 50 nm und 500 nm.
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Es ist aber auch ein Herstellungsverfahren möglich, bei dem zuerst auf einer Oberseite des Substrates 1 ein Rechteckgitter hergestellt wird. Das Substrat 1 wird also so strukturiert, dass Gräben der Breite a sich mit Stegen der Breite b abwechseln. Das strukturierte Substrat wird anschließend mit der gewünschten Beschichtung bedampft, so dass die ersten und zweiten Liniengitter und die ersten und zweiten Liniengitterstrukturen entstehen. Nach der Bedampfung wird schließlich die Struktur mit einer Deckschicht abgedeckt Man erhält damit einen Schichtaufbau, bei dem die Ober- und Unterseite im Wesentlichen denselben Brechungsindex besitzt.
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Das strukturierte Substrat kann auf verschiedene Arten erhalten werden. Eine Option ist die Reproduktion mit einem Master. Der Masterform kann z. B. nun in UV-Lack auf Folie, z. B. PET-Folie, repliziert werden. Man hat dann das Substrat 1 als dielektrisches Material, welches beispielsweise eine Brechzahl von 1,56 aufweist. Alternativ kommen auch Heißprägeverfahren infrage.
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Der Master oder auch das Substrat selbst kann mithilfe einer e-Beam-Anlage, einem fokussierten Ionenstrahl oder durch Interferenzlithographie hergestellt werden, wobei die Struktur in einen Photolack geschrieben und anschließend entwickelt wird.
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Die Struktur eines photolithographisch hergestellten Masters kann in einem Folgeschritt in ein Quarzsubstrat geätzt, werden, um möglichst senkrechte Flanken des Profils auszubilden. Der Quarzwafer dient dann als Vorform und kann z. B. in Ormocer umkopiert oder durch galvanische Abformung vervielfältigt werden. Ebenso ist eine direkte Abformung des photolithographisch hergestellten Originals in Ormocer bzw. in Nickel in einem galvanischen Verfahren möglich. Auch kann ein Motiv mit verschiedenen Gitterstrukturen in einem Nanoimprint-Verfahren ausgehend von einem homogenen Gittermaster zusammengesetzt werden.
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Solche Herstellverfahren für Subwellenlängen-Gitterstrukturen sind dem Fachmann bekannt.
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Die 2a bis 2c zeigen exemplarisch die spektralen Eigenschaften eine Sicherheitselementes S, dessen Doppel-Liniengitter folgende Profilparameter hat d = 360 nm, b = 180 nm, h = 200 nm, das Material der Gitterstege ist Aluminium, t = 30 nm, das Dielektrikum hat eine Brechzahl von 1,56. 2a zeigt auf der y-Achse die Transmission als Funktion der auf der x-Achse aufgetragenen Wellenlänge für verschiedene Einfallswinkel, nämlich 0°, 15°, 30° und 45°. 2b zeigt analog die Reflexion und die 2c die Absorption des Sicherheitselementes. Der Einfallswinkel Θ ist in 1 definiert.
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Wie man sieht, tritt eine spektralselektive Absorption auf, das Sicherheitselement entwickelt also eine Farbeigenschaft in Transmission. Ein deutlicher Einfluss auf die Farbeigenschaften in Transmission, d. h. für die transmittierte Strahlung T, wird durch den Richtungswechsel des Peaks bei etwa 550 nm für den Einfallswinkel 0° in eine Absenkung für nicht-senkrechten Betrachtungswinkel (θ > 0°) hervorgerufen. In Reflexion zeigt sich das umgekehrte Phänomen.
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Dies bewirkt letztendlich einen Farbumschlag in Transmission von Gelb nach Blau beim Verkippen von senkrechter Betrachtung um einen Winkel von 30°.
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Zur Verdeutlichung des vorteilhaften Farbeffektes des Sicherheitselementes S sei als Vergleich auf die 14 hingewiesen, die für ein bekanntes Sicherheitselement eine Darstellung ähnlich der 3 zeigt. Die Struktur des dort zugrunde liegenden Sicherheitselementes entspricht im Wesentlichen der der 1, jedoch sind die erste und die zweite Liniengitterstruktur nicht aus Metall, sondern aus ZnS mit einer Schichtdicke von 70 nm. Wie man sieht, treten keine spektralselektiven Absorptionen auf. Die Farbeigenschaften in Transmission sind deutlich schlechter. Die Buntheit beträgt etwa nur ein Viertel und die Helligkeit ist zudem hinsichtlich des Einfallswinkels moduliert. Daher ist der Farbkontrast in Transmission bei einer Variation des Einfallswinkels drastisch verschlechtert. Ein solches Gitter kann allenfalls im reflektiven Betrieb, d. h. auf einer schwarzen Untergrundschicht eingesetzt werden.
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Die nachfolgenden 3 und 4 zeigen, wie sich die Modulationstiefe (3) bzw. die Schichtdicke (4) auf die Farbeigenschaften des Sicherheitselementes der 1 bzw. 2 auswirken. Dabei ist jeweils in der linken Spalte der Figuren die Reflexion, in der rechten Spalte die Transmission dargestellt. Die Darstellung erfolgt im LCh-Farbraum. Die oberste Zeile zeigt die Helligkeit L*, die mittlere Zeile die Buntheit C*, und die untere Zeile den Farbton h°. Die geometrischen Parameter des Doppel-Liniengitters sind d = 360 nm, b = 180 nm. Das Material für die Liniengitterstruktur ist Aluminium, das Substrat und die Bereiche 4 und 5 von 1 haben eine Brechzahl von 1,56. Dieser Wert entspricht etwa dem Brechungsindex von PET-Folien und UV-Lacken.
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Es ist zu erkennen, dass die Helligkeit und die Buntheit in Transmission mit zunehmender Modulationstiefe h ansteigt. Ein gut wahrnehmbarer Farbkontrast ist in Transmission gegeben, wenn die transmittierte Helligkeit und Buntheit höher als die reflektierte Helligkeit und Buntheit sind. Dies ist bei Modulationstiefen zwischen 150 nm und 280 nm der Fall. Es zeigt sich eine wesentlich verbesserte Farbeigenschaft in Transmission gegenüber dem Sicherheitselement mit ZnS-Gitterstegen. Die Helligkeit ist zudem hinsichtlich des Einfallswinkels moduliert. Daher ist der Farbkontrast in Transmission bei einer Variation des Einfallswinkels drastisch erhöht. Bei einer Liniengitterstruktur mit einer Modulationstiefe von h = 200 nm bewirkt bereits ein Verkippen um 15° eine deutliche Veränderung des Farbtons und der Helligkeit in Transmission.
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4 zeigt den Einfluss der Schichtdicke. Das Material ist wiederum Aluminium, und die geometrischen Parameter d, b, h entsprechen denen der 2. Es zeigt sich, dass eine Schichtdicke im Bereich von 20 nm und 30 nm günstige Farbeigenschaften in Transmission bewirkt. Die Helligkeit der Transmission liegt in derselben Größenordnung der Helligkeit in Reflexion. Die Buntheit in Transmission ist dagegen deutlich höher.
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Ähnliche Farbeigenschaften zeigen sich für eine Gitterstruktur, welche der der 4 entspricht, jedoch als Material für die Gitterstege Silizium verwendet. Dieses Gitter hat, wie 5 zeigt, eine größere Helligkeit in Transmission als in Reflexion. Mit zunehmender Schichtdicke t steigt die Buntheit in Transmission an und für einen Einblickwinkel von 30° und eine Schichtdicke größer 70 nm ist die Transmissions-Buntheit auch größer als die Buntheit in Reflexion. Ein Gitter mit einer 100 nm dicken Siliziumschicht erscheint in Reflexion rot, seine Buntheit nimmt bei zunehmenden Einfallswinkeln ab. In Transmission geht hingegen der Farbton von einem schwachen Grün in einen kräftigen gelben Farbton über.
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Der winkelabhängige Farbeffekt in Transmission ist jedoch nicht nur auf eine Liniengitterstruktur beschränkt, welche eine einzige Metallschicht oder Halbleiterschicht in den Gitterstegen aufweist. Die beschriebenen Effekte werden auch für Doppel-Liniengitter erhalten, deren Gitterstege aus mehreren Schichten bestehen. Dabei ist jedoch stets die Gesamtdicke der Schichten kleiner als die Modulationstiefe h. Mindestens eine der Schichten besteht aus einem Metall oder einem Halbleiter. Trilayer eignen sich besonders bevorzugt für die Schichtstruktur. Eine größere Anzahl an Schichten verbessert den winkelabhängigen Farbeffekt kaum, erhöht jedoch die Herstellungskosten.
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6 zeigt exemplarisch ein Sicherheitselement, bei dem die ersten und zweiten Gitterstege 3 und 7 jeweils durch eine Trilayerbeschichtung realisiert sind. Sie weisen eine metallische Schicht 11, eine dielektrische Zwischenschicht 12 und eine weitere metallische Schicht 13 auf. Bevorzugt, jedoch nicht zwingend, ist die Dicke der beiden Metallschichten identisch.
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7 zeigt die Farbwerte im LCh-Farbraum für das Sicherheitselement S mit dem Schichtaufbau gemäß 6, wobei die Metallschichten 11 und 13 jeweils 10 nm dicke Aluminiumschichten sind und die dielektrische Schicht 12 eine Siliziumdioxidschicht ist. 7 zeigt die Farbwirkung als Funktion der Dicke der Siliziumdioxidschicht. Die weiteren Parameter sind d = 360 nm, b = 180 nm und h = 200 nm. Das Substrat 1 und die Bereiche 4 und 5 haben, wie in allen anderen Ausführungsformen, auch eine Brechzahl von 1,56.
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Das Sicherheitselement zeigt eine etwas geringere Helligkeit in Transmission, jedoch eine höhere Buntheit als in Reflexion. Siliziumdioxidschichtdicken über 60 nm bewirken beim Verkippen einen kräftigen Farbton in Transmission. In Reflexion erscheint das Sicherheitselement dagegen grün. Bei 70 nm Schichtdicke von Siliziumdioxid ist das Sicherheitselement bei ungefähr senkrechten Einfallswinkel annähernd farbneutral in Reflexion. Dies hat den Vorteil, dass der transmittierte Farbton nicht durch die Reflexion verändert wird.
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Die obigen Ausführungen beziehen sich stets auf Gitterprofile mit einem Tastverhältnis b:a = 1:1 (Füllfaktor 0,5). Dieser Wert ist bevorzugt, aber nicht zwingend. Mit einer Abweichung von diesem Wert kann man erreichen, dass der Farbton der Reflexion der Struktur für die Vorder- und die Rückseite unterschiedlich ist.
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Die winkelabhängige Farbfilterung der beschriebenen Sicherheitselemente kann nun dazu benutzt werden, um Motive mehrfarbig zu gestalten, die beim Verkippen bzw. Verdrehen ihre Farbe ändern.
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Die einfache Ausgestaltung eines mehrfarbigen Motivs mit Doppel-Liniengitter ist eine Anordnung, bei der unterschiedliche Bereiche gebildet werden, deren Längsrichtung der Liniengitterstrukturen gegeneinander verdreht ist, vorzugsweise um 90°. Denn bei einer Verkippung eines Gitters, bei dem die Gitterlinien parallel zur Einfallsebene verlaufen, ändert sich die spektrale Transmissions- bzw. Reflexionscharakteristik kaum.
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Die 8a und 8b zeigen ein Sicherheitselement, in dem Bereiche eines Hintergrundes 14 eines Motives 15 mit vertikal verlaufender Längsrichtung und das Motiv 15 mit horizontal verlaufender Längsrichtung ausgebildet sind. In der Darstellung der 8b sieht man diese Linienrichtungen schematisch angedeutet. Das Motiv 15 zeigt einen Schmetterling sowie zwei Zahlenwerte. 8a zeigt das Motiv 15 schematisch in Weiß auf schwarzem Hintergrund. Das Motiv 15 wie der Hintergrund 14 sind exemplarisch mit den Parametern der Ausführungsform gemäß 1 ausgestaltet.
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Die 9a und 9b zeigen unterschiedliche Beleuchtungszustände, wenn das Sicherheitselement S der 8 vor einer Hintergrundbeleuchtung 16 im Durchlicht betrachtet wird. Bei senkrechter Betrachtung (obere Teilfigur der 9a) erscheint das Sicherheitselement einheitlich gelb in Transmission. Wenn das Sicherheitselement nun um die vertikale Achse gedreht wird, ändert sich die Farbe des Hintergrundes 14 von Gelb zu Blau. Wenn stattdessen um die horizontale Achse gekippt wird, erscheint das Motiv 15 blau (untere Darstellung der 9a). Die Situation für unterschiedliche Azimutwinkel zeigt die 9b. Hier verändern sich die Farben des Motives 15 und des Hintergrundes 14 bis hin zu einer vollständigen Inversion.
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Es sind natürlich auch Anordnungen mit Gittern unterschiedlicher Orientierung in mehreren Motivbereichen denkbar, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits erläutert.
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Das Sicherheitselement S besitzt ferner polarisierende Eigenschaften in Transmission. 10 zeigt das Farbverhalten eines Sicherheitselementes S mit einer Liniengitterstruktur, dessen Gitterstege aus Aluminium bestehen, als Funktion der Modulationstiefe h in Reflexion (linke Spalte) sowie in Transmission (rechte Spalte) für TE- und TM-Polarisation bei senkrechtem Einfallswinkel. Die Auftragung entspricht ansonsten der der 3. Die Parameter des Sicherheitselementes sind d = 360 nm, b = 180 nm, t = 30 nm. Die Brechzahl des Substrats 1 beträgt n = 1,56.
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Es zeigt sich, dass das Sicherheitselement bei einer Modulationstiefe oberhalb 150 nm einen guten Helligkeitskontrast für die beiden Polarisationsrichtungen in Transmission aufweist. Ferner ist die Änderung in der Buntheit für Modulationstiefen zwischen 200 nm und 260 nm besonders groß. Die Farbänderung hat ein Maximum bei einer Modulationstiefe von 270 nm.
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11 zeigt den Einfluss der Schichtdicke t für das Gitter der 10 bei einer Modulationstiefe von 250 nm. Das Sicherheitselement hat bei Schichtdicken oberhalb von 20 nm gute Polarisationseigenschaften in Transmission. Die Buntheit und der Farbkontrast sind bei Schichtdicken zwischen 20 nm und 30 nm besonders hoch. Hier beobachtet man einen Farbumschlag von Blau nach Gelb, wenn sich die Polarisation der Beleuchtung von TM-Polarisation in TE-Polarisation ändert.
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Sicherheitselemente, deren Liniengitterstukturen Silizium in den Gitterstegen aufweisen, haben ebenfalls Polarisationswirkung in Transmission. 12 zeigt die LCh-Farbwerte eines Sicherheitselementes mit den Gitterparametern d = 360 nm, b = 180 nm und h = 300 nm, dessen Gitterstege aus einer Bedampfung mit amorphen Silizium erzeugt wurden. Sie bestehen also aus amorphen Silizium. Es sind deutliche Helligkeitsunterschiede in Transmission für Siliziumschichtdicken oberhalb 100 nm zu beobachten. Für eine Siliziumschichtdicke von etwa 140 nm ist die Änderung in der Buntheit besonders groß. Die Transmission erscheint für TM-Polarization orange, für TE-Polarisation violett.
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13 zeigt das Farbverhalten, wenn statt amorphem Silizium kristallines Silizium verwendet wird. Ansonsten entsprechen die Parameter denen der 12. Dieses Sicherheitselement zeigt bereits für Schichtdicken oberhalb von 40 nm deutliche Helligkeitsunterschiede. Die Schichtdicke von 100 nm eignet sich besonders gut als Polarisationsfilter. Der Farbkontrast Orange/Blau ist für eine Siliziumschichtdicke von 120 nm am stärksten.
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Die Polarisationseigenschaften des Sicherheitselementes erlaubt eine Echtheitsüberprüfung durch Betrachtung der Transmission bei linear polarisierter Beleuchtung. Eine solche Beleuchtung wird beispielsweise von LCD-Bildschirmen bereitgestellt. Sogar der blaue Himmel ist teilweise linear polarisiert (im Gegensatz zum bewölkten Himmel) und kann sich als Strahlquelle für die Untersuchung des Sicherheitselementes eignen.
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Das Sicherheitselement kann insbesondere als Durchsichtfenster von Banknoten oder anderen Dokumenten dienen. Es kann auch teilweise farblich überdruckt sein bzw. die Gitterbereiche können bereichsweise demetallisiert sein oder ohne Liniengitter ausgestaltet werden, so dass ein solcher Bereich vollständig metallisiert ist. Es sind auch Kombinationen mit diffraktiven Gitterstrukturen, wie Hologrammen, denkbar.
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Die Echtheitsüberprüfung des Sicherheitselementes kann ohne Hilfsmittel vorgenommen werden. Mithilfe eines Polarisators kann eine zusätzliche Authentifizierung erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Substrat
- 2
- erste Liniengitterstruktur
- 3
- erster Gittersteg
- 4
- erster Gitterspalt
- 5
- Zwischenschicht
- 6
- zweite Liniengitterstruktur
- 7
- zweiter Gittersteg
- 8
- zweiter Gitterspalt
- 9
- Grundschicht
- 10
- Deckschicht
- 11, 13
- Metallschicht
- 12
- dielektrische Zwischenschicht
- 14
- Hintergrund
- 15
- Motiv
- 16
- Hintergrundbeleuchtung
- h
- Modulationstiefe
- t, t1, t2
- Beschichtungsdicke
- b
- Linienbreite
- a
- Spaltenbreite
- d
- Periode
- S
- Sicherheitselement
- L
- Ebene
- E
- einfallende Strahlung
- R
- reflektierte Strahlung
- T
- transmittierte Strahlung
- Θ
- Einfallswinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009012299 A1 [0002]
- DE 102009012300 A1 [0002]
- DE 102009056933 A1 [0002]
