DE102014010751A1 - Sicherheitselement mit Subwellenlängengitter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitselement zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das aufweist ein dielektrisches Substrat (1), eine in das Substrat (1) eingebettete erste Liniengitterstruktur (2) aus mehreren längs einer Längsrichtung verlaufenden und in einer ersten Ebene (L1) angeordneten ersten Gitterstegen (3) aus hochbrechendem Material und eine in das Substrat (1) eingebettete zweite Liniengitterstruktur (6) aus längs der Längsrichtung verlaufenden zweiten Gitterstegen (7) aus hochbrechendem Material, die sich bezogen auf die erste Ebene (L1) über der ersten Liniengitterstruktur (2) in einer parallelen zweiten Ebene (L2) befindet, wobei die ersten Gitterstege (3) jeweils eine erste Dicke (t1) und eine erste Breite (b) haben und in einem Abstand (a) nebeneinanderliegen, so dass zwischen den ersten Gitterstegen (3) längs der Längsrichtung verlaufende erste Gitterspalte (4) mit dem Abstand (a) entsprechender Breite gebildet sind, die zweite Liniengitterstruktur (6) zur ersten Liniengitterstruktur (2) invertiert ist, wobei in Draufsicht auf die erste Ebene (L1) die zweiten Gitterstege (7) jeweils eine zweite Dicke (t1) haben und über den ersten Gitterspalten (4) und zweite Gitterspalte (8), die zwischen den zweiten Gitterstegen (7) bestehen, über den ersten Gitterstegen (3) liegen, und die Breite der ersten Gitterstege (3) und der zweiten Gitterspalte (8), die Breite der zweiten Gitterstege (7) und der ersten Gitterspalte (4) jeweils unter 300 nm ist, und wobei das Sicherheitselement in Transmissionsbetrachtung einen Farbeffekt erzeugt und die erste und die zweite Dicke (t1, t2) mindestens 100 nm betragen, bevorzugt mindestens 150 nm.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Sicherheitselement zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das eine Liniengitterstruktur aufweist.
• Sicherheitselemente 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 Spektralbereich 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.
• 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 Zinksulfid (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.
• Eindimensional periodische Gitter können Farbfiltereigenschaften im Subwellenlängenbereich aufweisen, wenn das Gitterprofil so ausgelegt ist, dass Resonanzeffekte im sichtbaren Wellenlängenbereich auftreten. Diese Farbfiltereigenschaften hängen vom Winkel des einfallenden Lichtes ab.
• In DE 3248899 C2 ist eine Subwellenlängenstruktur beschrieben, welche winkelabhängige farbfilternde Eigenschaften besitzt. Dieses Gitter hat im Querschnitt eine Rechteckform und ist mit einer hochbrechenden (HRI) Schicht bedampft, wobei für die Brechungsindizes gilt: n_HRI > n₂ und n₁ ≈ n₂ ≈ n₃. Eine Farbänderung tritt bei einer Variation des Winkels O ein. Wenn das Gitter senkrecht zur Einfallsebene gekippt wird (Θ > 0°; Φ = 90°), bleibt die Farbe annähernd konstant. Der Winkel Φ bezeichnet den Azimutwinkel. Das unter dem Namen DID („Diffractive Identification Device”) vermarktete Sicherheitselement basiert auf dieser Struktur und nutzt die Farbfiltereigenschaften in Reflexion. Es ist ein Licht absorbierender Untergrund erforderlich, um einen Farbeffekt wahrzunehmen.
• Die WO 2012/019226 A1 beschreibt geprägte Subwellenlängengitter ebenfalls mit einem Rechteckprofil, auf dessen Plateaus Metallpartikel bzw. metallische Nanopartikel aufgedruckt sind. Dieses Gitter zeigt Farb- bzw. Polarisationseffekte in Transmission.
• Ferner sind Subwellenlängengitter als winkelabhängige Farbfilter bekannt, welche eine metallische bzw. halbmetallische Bi-Layer Anordnung haben, z. B. aus der DE 10 2011 115 589 A1 oder aus Z. Ye et al., „Compact Color Filter and Polarizer of Bilayer Metallic Nanowire Grating Based an Surface Plasmon Resonances", Plasmonics, 8, 555–559 (2012), wobei die Metallisierung durch Aufdampfen realisiert und in ein Dielektrikum eingebettet ist. Der in DE 10 2011 115 589 A1 beschriebene Ansatz basiert auf einer Anordnung von zwei Drahtgittern mit derselben Periode, die zueinander um eine halbe Periode verschoben sind und aus metallischen bzw. halbmetallischen (z. B. 70 nm ZnS) Drähten oder Trilayern bestehen.
• Bekannt ist somit eine Subwellenlängenstruktur mit einer ca. 70 nm ZnS Beschichtung. Auch diese Strukturen eignen sich nur als Farbfilter in Reflexion. Daher muss die Struktur zusätzlich auf einen Licht absorbierenden Untergrund aufgebracht werden, um einen hinreichenden Farbkontrast zu erzielen, der dann in Reflexion sichtbar ist. Subwellengitter mit metallischen Beschichtungen zeigen eine relativ hohe Farbsättigung in Transmission. Aufgrund der Lichtabsorption im Metall erscheinen sie deshalb relativ dunkel.
• Mit einem dünnen Metallfilm überzogene Sinusgitter können plasmonische Resonanzeffekte hervorrufen. Diese Resonanzen führen zu einer erhöhten Transmission in TM-Polarisation, vgl. Y. Jorlin et al. „Spatially and polarization resolved plasmon mediated transmission through continuous metal films"; Opt. Express 17, 12155–12166 (2009). Dieser Effekt kann durch eine zusätzliche dünne dielektrische Schicht noch optimiert werden, wie T. Tenev et al., „High Plasmonic Resonant Reflecion and Transmission at Continous Metal Films an Undulated Photosensitive Polymer", Plasmonics (2013). Das in WO 2012/136777 A1 beschriebene Sicherheitselement basiert auf diesem optischen Effekt.
• In der Schrift WO 2014/033324 A2 werden ebenfalls transmissive Sicherheitselemente beschrieben, welche auf Subwellenlängengittern basieren und eine winkelabhängige Farbe zeigen. Dabei werden die optischen Eigenschaften von hochbrechend beschichteten Sinusgittern näher diskutiert.
• Die bekannten zweidimensional periodischen Subwellenlängengitter mit nicht zusammenhängender Oberfläche zeigen zwar Farbfiltereigenschaften, haben jedoch eine große Winkeltoleranz. Ihr Farbton ändert sich daher beim Verkippen kaum.
• Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Sicherheitselement anzugeben, das bei Durchsicht einen guten Farbeffekt zeigt, welcher sich beim Verkippen ändert.
• 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 ersten Ebene angeordneten ersten Gitterstegen aus hochbrechendem, dielektrischem oder halbmetallischen Material und eine in das Substrat eingebettete zweite Liniengitterstruktur aus längs der Längsrichtung verlaufenden zweiten Gitterstegen aus hochbrechendem, dielektrischem oder halbmetallischen Material, die sich bezogen auf die erste Ebene über der ersten Liniengitterstruktur in einer zweiten Ebene befindet, wobei die ersten Gitterstege jeweils eine erste Dicke und eine erste 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 erste Ebene die zweiten Gitterstege jeweils eine zweite Dicke haben und 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, die Breite der zweiten Gitterstege und der ersten Gitterspalte jeweils unter 300 nm ist, wobei das Sicherheitselement in Transmissionsbetrachtung einen Farbeffekt erzeugt und die erste und die zweite Dicke mindestens 100 nm betragen, bevorzugt mindestens 150 nm.
• Das hochbrechende Material ist bevorzugt dielektrisch oder ein Halbleiter, z. B. Si; Ge, C.
• Erfindungsgemäß wird ein Doppel-Liniengitter verwendet, das aus in zwei Ebenen übereinanderliegenden, komplementär zueinander aufgebauten, d. h. gegeneinander verschobenen Liniengitterstrukturen besteht. Eine Phasenverschiebung von 90° ist der Idealwert, welcher natürlich im Rahmen der Fertigungsgenauigkeit zu sehen ist. Durch Fertigungstoleranzen können hier Abweichungen von der Komplementarität, also 90° Phasenverschiebung, 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 untere. Bei einer periodischen Liniengitterstruktur entspricht die Phasenverschiebung einer halben Periode.
• Die Liniengitterstrukturen sind aus hochbrechendem, dielektrischem oder halbmetallischem Material. Die Dicke der Gitterstege ist optional geringer als die Modulationstiefe, also als der Abstand der Gitterebenen der Liniengitterstrukturen. Sie kann aber auch größer sein, so dass sich ein geschlossener Film bildet. Dann ist der Abstand von erster und zweiter Ebene geringer als die Summe aus (0,5·erster Schichtdicke) und (0,5·zweiter Schichtdicke).
• Es zeigte sich, dass ein derart aufgebautes Gitter trotz der vergrößerten Schichtdicke überraschenderweise in Transmissionsbetrachtung reproduzierbare und gut wahrnehmbare Farbeffekte beim Verkippen liefert.
• Das 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 optional 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 mit dem hochbrechenden Material senkrecht, entsteht eine Schicht auf den Plateaus und in den Gräben, welche die ersten und zweiten Gitterstege bildet. Man hat damit die gewünschten ersten und zweiten Gitterstege in unterschiedlichen Ebenen. Sie sind zusammenhängend, wenn die Dicke der Gitterstege größer ist als die Modulationstiefe des Rechteckprofils des zuvor strukturierten dielektrischen Substrates.
• Einen besonders guten Farbeffekt erhält man, wenn der vertikale Abstand zwischen den ersten und den zweiten Gitterstegen, also die Modulationstiefe der Struktur, zwischen 100 nm und 500 nm liegt. Zur Abstandsmessung dienen die beiden Ebenen, die z. B. durch gleichweisende Flächen der ersten und zweiten Liniengitterstruktur definiert werden können, d. h. beispielsweise von der Unterseite der Gitterstege oder der Oberseite der Gitterstege. Der vertikale Abstand ist dabei selbstverständlich senkrecht zu der parallelen Ebene zu messen, bezeichnet also den Höhenunterschied zwischen gleichgerichteten Flächen der Gitterstege.
• Als Material für die Gitterstege kommen alle Materialien infrage, die gegenüber dem umgebenden Substrat, d. h. Material, eine höhere Brechzahl haben, insbesondere um mind. 0,3 höher.
• Das Sicherheitselement mit dem Doppel-Liniengitter zeigt eine winkelabhängige Farbfilterung bei Transmissionsbetrachtung. 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 mit der Verdrehstellung ihre Farbe ändern bzw. unterschiedliche Effekte beim Verkippen der Ebene zeigen. 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 bei senkrechter Betrachtung eine einheitliche Farbe und keine weitere Struktur hat. Kippt man dieses Element nun, ändert sich die Farbe des einen Bereichs, beispielsweise des Hintergrundes, anders als die Farbe des anderen Bereichs, beispielsweise eines Motivs.
• Natürlich sind auch Ausführungsformen mit mehreren unterschiedlich angeordneten Bereichen denkbar. So ist beispielsweise eine Weiterbildung vorgesehen, die mehrere Bereiche im Sicherheitselement aufweist, wobei die Bereiche sich voneinander hinsichtlich der Lage der Gitterlinien und/oder Gitterperiode der Liniengitterstrukturen unterscheiden. Dadurch können Motive mit unterschiedlichen Farbeffekten in Transmissionsbetrachtung hergestellt werden.
• 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.
• Nachfolgend wird die Erfindung beispielshalber anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine Schnittdarstellung eines Sicherheitselementes mit einem Doppel-Liniengitter in einer ersten Ausführungsform,
• 2 eine Schnittdarstellung eines Sicherheitselementes mit einem Doppel-Liniengitter in einer zweiten Ausführungsform,
• 3a–b die spektrale Abhängigkeit der Transmission und Reflexion des Sicherheitselementes der 1,
• 4a–b die spektrale Abhängigkeit der Transmission und Reflexion des Sicherheitselementes der 2,
• 5 die spektrale Abhängigkeit der Absorption des Sicherheitselements der 2,
• 6 Farbwerte im LCh-Farbraum für Reflexion und Transmission für das Sicherheitselement der 1 bzw. 2 bei Variation einer Schichtdichte,
• 7a–b ein CIE-1931-Farbdiagramm für Reflexion und Transmission des Sicherheitselementes der 1 oder 2,
• 8 Farbwerte im LCh-Farbraum für Reflexion und Transmission für die Sicherheitselemente der 1 und 2 bei Variation eines Betrachtungswinkels,
• 9a–b eine Darstellung ähnlich der 7a–b für zwei weitere Ausführungsformen des Sicherheitselementes,
• 10a–b zwei Draufsichten auf ein Motiv, das als Sicherheitselement mit Gittern der 1 bzw. 2 unterschiedlicher Orientierung gebildet ist,
• 11 Farbwerte im LCh-Farbraum für Reflexion und Transmission für weitere Ausführungsformen des Sicherheitselementes, mit verschiedenen Gitterperioden,
• 12a–b Darstellungen ähnlich der 7a–b für weitere Ausführungsformen des Sicherheitselementes und
• 13 Darstellungen ähnlich der 10a–b mit dem Unterschied, dass die einzelnen Bereiche mit Gittern unterschiedlicher Periode gefüllt sind.
• 1 zeigt in Schnittdarstellung ein Sicherheitselement S, das ein in ein Substrat 1 eingebettetes Doppel-Liniengitter, bestehend aus zwei Liniengitterstrukturen 2, 6, aufweist. In das Substrat 1 ist die erste Liniengitterstruktur 2 eingearbeitet, die in einer Ebene L1 angeordnet ist. Die erste Liniengitterstruktur 2 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 t1 angegeben. In einer Höhe h über den ersten Gitterstegen 3 befindet sich in einer Ebene L2 die zweite Liniengitterstruktur 6 mit zweiten Gitterstegen 7 der Dicke t2. Diese haben die Breite b. Die zweite Liniengitterstruktur 6 ist in der Ebene L2 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.
• Die Dicke t1 ist in der Ausführungsform der 1 kleiner als die Höhe h, so dass kein zusammenhängender Film aus den Gitterstegen 3 und 7 gebildet ist.
• 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.
• Auch ist in der schematischen Schnittdarstellung der 1 die Dicke t1 der ersten Gitterstege 2 gleich der Dicke t2 der zweiten Gitterstege 7. Dies kommt einer einfacheren Herstellung zugute, ist jedoch nicht zwingend erforderlich und es kann gelten t1

  

  t2. I in 1 ist die Modulationstiefe h, d. h. der Höhenunterschied zwischen der ersten Liniengitterstruktur 2 und der zweiten Liniengitterstruktur 6 (entsprechend dem Abstand der Ebenen L1 und L2) größer ist als die Summe der Dicken der ersten Gitterstege 3 und der zweiten Gitterstege 7, so dass eine vertikale Trennung zwischen den beiden Liniengitterstrukturen 2 und 6 gegeben ist.
• In der Ausführungsform der 2 besteht genau (und nur) hier ein Unterschied. In der Ausführungsform der 2 ergibt sich somit ein zusammenhängender Film aus den Gitterstegen 3 und 7. Das ist ein erster Typ.
• Das Gitter in 1 hat eine Modulationstiefe, welche größer als die Drahthöhe t1 ist. Dieses Gitter kann als eine Anordnung von zwei Drahtgittern betrachtet werden, die dasselbe Profil haben und sich im Abstand h – t1 voneinander befinden. Die Struktur von 2 hat hingegen eine Modulationstiefe, welche kleine als die Dicke t1 ist. Daher ist die hochbrechende Struktur dort räumlich zusammenhängend. Dies ist ein zweiter Typ.
• Die Gitterstege 3, 7 sind in allen Ausführungsformen aus einem hochbrechenden, dielektrischen oder halbmetallischen Material. Das hochbrechende Material hat die Brechungszahl n₂ und ist von Dielektrika umgeben. In der Praxis unterscheiden sich diese Brechzahlen des umgebenden Materials kaum und sind annahend n₁. Die Brechzahl n₂ des hochbrechenden Materials liegt über der (den) des umgebenden Materials, z. B. um mindestens 0,3 absolut.
• 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.
• 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 n1 = 1,5, insbesondere 1,56 betragen.
• Die Maße b, a und t sind im Subwellenlängenbereich, d. h. kleiner als 300 nm. Die Modulationstiefe beträgt bevorzugt zwischen 100 nm und 500 nm.
• 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.
• Das strukturierte Substrat kann auf verschiedene Arten erhalten werden. Eine Option ist die Reproduktion mit einem Master. Der Master 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.
• 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.
• 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.
• Solche Herstellverfahren für Subwellenlängen-Gitterstrukturen und für Motive, bestehend aus unterschiedlichen Subwellenlängenstrukturen, sind dem Fachmann bekannt.
• Im Folgenden werden die optischen Eigenschaften beider Gittervarianten in einer Ausführungsform mit Gitterstegen 3, 7 aus dem hochbrechende Material Zinksulfid (ZnS) und ein Substrat 1 aus Polymer mit n = 1.52 im sichtbaren Wellenlängenbereich diskutiert. Es sei darauf hingewiesen, dass ZnS als Dielektrikum gilt, aber einen Absorptionsanteil im Blauen hat. Ferner wird angenommen, dass die Profilgeometrie der Drähte rechteckig ist. Kleine Abweichungen von dieser Rechteckform, wie z. B. eine Trapezform, führen zu ähnlichen Ergebnissen in der optischen Wirkung des Gitters.
• 3a und b zeigen die berechnete spektrale Reflexion sowie die Transmission für ein Sicherheitselement vom ersten Typ (1) mit den Parametern d = 360 nm, h = 220 nm, b = 180 nm und einer ZnS-Beschichtung der Dicke t = 180 nm. Das einfallende Licht ist unpolarisiert.
• 3a zeigt auf der y-Achse die Reflexion als Funktion der auf der x-Achse aufgetragenen Wellenlänge für verschiedene Einfallswinkel, nämlich 0°, 15°, 30° und 45°. 3b zeigt analog die Transmission. Der Einfallswinkel Θ ist in 1 und 2 definiert.
• Die spektrale Reflexion zeigt scharfe Peaks, die sich im Wesentlichen als Dips in den Transmissionsspektren wiederfinden. Für senkrechten Einfall sind drei Peaks bzw. Dips im Bereich von etwa 550 bis 650 nm zu erkennen. Für zunehmend schräge Einfallswinkel separieren diese Resonanzen. Ein Teil wird in den langwelligen, ein anderer Teil in den kurzwelligen Teil verschoben. Diese Verschiebung kann näherungsweise aus der Gittergleichung abgeleitet werden und es ergibt sich daraus die Resonanzwellenlänge λ_r λ_r ≅ k(1 ± sinΘ₀).
• Die optische Wechselwirkung dieses Gitter kann als sogenannte „guided mode resonance” beschrieben werden. Das Gitter wirkt als Lichtkoppler und gleichzeitig als Wellenleiter. Solche Anordnungen zeigen elektromagnetische Resonanzen, die sich als scharfe Peaks bzw. als Dips in den Spektren äußern.
• Die Spektren für ein Sicherheitselement vom zweiten Typ (2), also mit einem zusammenhängenden hochbrechenden Bereich, sind in der 4a und b dargestellt. Bei diesem Gitter beträgt die Dicke t = 260 nm. Die Spektren zeigen qualitativ ein ähnliches Muster wie bei 3. Die Resonanz bei λ ≅ 620 nm ist jedoch deutlich stärker ausgeprägt.
• Die spektrale Absorption für dieses Gitter ist in 5 dargestellt. Hier ist eine starke Absorption im UV und im Blauen aufgrund des relativ hohen k-Werts von ZnS zu erkennen. Es zeigt sich außerdem, dass die Resonanzen scharfe Absorptionspeaks auch im langwelligen Bereich hervorrufen.
• Zur Untersuchung der Farbeigenschaften dieser Sicherheitselemente im LCh-Farbraum wurden die berechneten Transmissions- bzw. Reflexionsspektren mit der Emissionskurve einer D65-Normlampe und der Empfindlichkeit des menschlichen Auges gefaltet und die Farbkoordinaten X, Y, Z errechnet. Die D65-Beleuchtung entspricht etwa Tageslicht. Die XYZ-Koordinaten wurden anschließend in die Farbwerte LCh umgerechnet. Diese Werte können direkt dem menschlichen Empfinden bei der Farbwahrnehmung eines Betrachters zugeordnet werden:

L*:

Helligkeit,

C*:

Buntheit (= Farbsättigung) und

h°:

Farbton.

• 6 zeigt die LCh-Farbdiagramme eines Sicherheitselements (links in Reflexion und rechts in Transmission) mit den Parametern d = 360 nm, h = 210 nm, b = 180 nm als Funktion der Dicke t1 = t2 = t der ZnS-Beschichtung für die Einfallswinkel Q = 0° und 30°. Die Helligkeit bzw. die Buntheit und der Farbton variieren in Transmission für Dicken grösser als ca. 120 nm deutlich beim Kippen. Der Absorptionseffekt des halbmetallischen ZnS (siehe 5) unterstützt die Farbigkeit von den hier beschriebenen Gittern in Transmission. Eine rein dielektrische Beschichtung ohne Absorptionsanteil würde zu einer niedrigeren Farbsättigung führen, wäre aber gleichfalls möglich.
• 7 zeigt diesen Effekt im CIE-1931-Farbraum. Der Weißpunkt ist mit „WP” gekennzeichnet. Das Dreieck begrenzt den Farbbereich, der üblicherweise mit Bildschirmen dargestellt werden kann. Im Diagramm sind die x,y-Farbkoordinaten als Trajektorien dargestellt. Der Endpunkt der Dicke t = 300 nm ist mit einem Stern gekennzeichnet. Die Farbeigenschaften der Reflexion sind in 7a und das Farbdiagramm der Transmission ist in 7b dargestellt. Hier ist klar zu erkennen, dass sich die Farbe beim Kippen von 0° auf 30° für Gitter mit zunehmender Dicke t1 = t2 = t stark ändert.
• Die Farbeigenschaften eines Sicherheitselements vom ersten bzw. zweiten Typ (mit den Dicken t1 = t2 = t = 180 nm bzw. 260 nm) als Funktion des Einfallswinkel zeigt 8 in Form der Werte Helligkeit, Buntheit und Farbton.
• Für beide Typen des Sicherheitselements ergeben sich deutlich wahrnehmbare Farb- bzw. Intensitätsänderungen beim Kippen in Transmissionsbetrachtung. Dies wird in den zugehörigen im CIE-1931-Farbdiagramm noch deutlicher, wie 9 zeigt.
• Aufgrund der Tatsache, dass keine Farbänderung beim Kippen senkrecht zur Einfallsebene auftritt, kann ein Sicherheitsmerkmal so gebildet werden, dass ein Motiv M in Durchlichtbetrachtung nicht zu sehen ist und es erst beim Kippen erscheint. Dies kann erfolgen, indem zwei Bereiche 14, 15 mit demselben Gitterprofil um 90° verdreht zueinander angeordnet sind. Diese Anordnung ist in 10 gezeigt.
• Die Gitterlinien des den Hintergrund bildenden Bereichs 14 verlaufen senkrecht, die Gitterlinien im das Motiv M bildenden Bereich 15 dagegen horizontal. Wenn nun das Sicherheitselement um die horizontale Achse gekippt wird, erscheint das Motiv M. Es sind auch weitere Orientierungen von Bereichen denkbar. Durch fein abgestuft orientierte Bereiche können z. B. auch Laufeffekte in Transmission erzeugt werden. Hier wird exemplarisch auf die DE 10 2011 115 589 A1 verwiesen. Nun ist es auch möglich, Motive durch Bereiche mit unterschiedlichen Profilen des Gitters zu gestalten. Die optischen Eigenschaften von Gittern mit unterschiedlicher Periode zeigen, dass Ausführungsformen mit ZnS-beschichteten Gittern mit den Perioden 420 nm, 340 nm und 280 nm die Basisfarben Rot, Grün, Blau (RGB) in Transmission beim gekippten Betrachtungswinkel wiedergeben. 11 zeigt die Helligkeit, Buntheit und Farbton für diese Gitter als Funktion der Dicke von ZnS für den Einfallswinkel Θ = 30°. Die Buntheit steigt mit zunehmende Dicke t > 100 nm deutlich. Ein Optimum liegt bei etwa t ≅ 200 nm. Die rote Farbe kann beim Gitter mit d = 420 nm durch höhere Dicken t noch deutlicher ausgebildet werden.
• Dies ist im CIE-Farbdiagramm noch klarer erkennbar (siehe 12). Hier sind die Endpunkte t = 300 nm mit einem Stern gekennzeichnet. Für die Reflexion liegen diese Punkte in etwa auf dem bereits erläuterten Farbdreieck. Dies ist auch für das Gitter mit d = 420 nm in Transmission der Fall.
• In Ausführungsformen werden diese Eigenschaften dazu benutzt, farbige Motive durch Anordnung der oben beschriebenen Sicherheitselemente mit unterschiedlichen Gitterperioden im Bereich zu erzeugen.
• 13 zeigt schematisch ein Sicherheitselement S mit einem Motiv M, das aus drei Farben besteht. Diese drei Bereiche sind mit Gittern unterschiedlicher Periode belegt. Ihre Gitterlinien sind horizontal orientiert. Bei senkrechter Betrachtung zeigen die Gitter einen schwachen Farbkontrast. Das Motiv ist nur schwach zu erkennen. Beim Kippen um die horizontale Achse erscheint das Motiv in den drei Farben in kräftigem Farbton.
• Das Sicherheitselement kann als Durchsichtsfenster von Banknoten dienen. Es kann auch teilweise farblich überdruckt sein. Die hochbrechende Beschichtung kann auch teilweise z. B. durch Laserbestrahlung mit ultrakurzen Pulsen entfernt sein. Weiterhin ist eine Kombination mit hochbrechenden transparenten Hologrammen möglich. Solche Hologramme können auch als Reflexionsmerkmale wirken. Ein Teil des Subwellenlängengitters kann sich auf einem absorbierenden Untergrund befinden, so dass dieser Teil nun als reflektierendes Merkmal dient und einen Kontrast zu den anderen Teil des Gitters bildet, der im Bereich des Durchsichtsfensters liegt.
• Wie erwähnt, können im Sicherheitselemente Gitter mit den entsprechenden Profilparametern die Basisfarben RGB in Transmission bei schrägem Einfallswinkel wiedergeben. Bei senkrechter Betrachtung ist dagegen die Farbsättigung schwach. In Reflexion erscheint die Gitterstruktur nahezu in den Komplementärfarben zur Transmission.
• Es ist bekannt, dass Echtfarbenbilder durch Subwellenlängengitter erzeugt werden können. Die einzelnen Bildpixel werden durch Subpixel, welche den Basisfarben, z. B. RGB Farben, entsprechen, wiedergegeben. Gitter mit entsprechendem Gitterprofil erzeugen in den einzelnen Bereichen die gewünschte Farbe. Ihrer Flächenanteile werden so gewählt, so dass ein Betrachter jedes Pixel als Mischfarbe der Subpixelbereiche wahrnimmt. Dieses Verfahren kann auch für die hier beschriebenen Gitter angewandt werden, so dass ein Echtfarbenbild bei schräger Betrachtung in Transmission erkennbar ist, das bei senkrechter Betrachtung annähernd verschwindet.
• Das Sicherheitselement kann insbesondere als Durchsichtsfenster 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.
• Bezugszeichenliste

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

h

Modulationstiefe

t, t1, t2

Beschichtungsdicke

b

Linienbreite

a

Spaltenbreite

d

Periode

S

Sicherheitselement

L1, L2

Ebene

E

einfallende Strahlung

R

reflektierte Strahlung

T

transmittierte Strahlung

Θ

Einfallswinkel

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102009012299 A1 [0002]
• DE 102009012300 A1 [0002]
• DE 102009056933 A1 [0002]
• DE 3248899 C2 [0005]
• WO 2012/019226 A1 [0006]
• DE 102011115589 A1 [0007, 0007, 0066]
• WO 2012/136777 A1 [0009]
• WO 2014/033324 A2 [0010]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• Z. Ye et al., „Compact Color Filter and Polarizer of Bilayer Metallic Nanowire Grating Based an Surface Plasmon Resonances”, Plasmonics, 8, 555–559 (2012) [0007]
• Y. Jorlin et al. „Spatially and polarization resolved plasmon mediated transmission through continuous metal films”; Opt. Express 17, 12155–12166 (2009) [0009]
• T. Tenev et al., „High Plasmonic Resonant Reflecion and Transmission at Continous Metal Films an Undulated Photosensitive Polymer”, Plasmonics (2013) [0009]

Claims (8)

1. Sicherheitselement zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das aufweist: – ein dielektrisches Substrat (1), – eine in das Substrat (1) eingebettete erste Liniengitterstruktur (2) aus mehreren längs einer Längsrichtung verlaufenden und in einer ersten Ebene (L1) angeordneten ersten Gitterstegen (3) aus hochbrechendem Material und eine in das Substrat (1) eingebettete zweite Liniengitterstruktur (6) aus längs der Längsrichtung verlaufenden zweiten Gitterstegen (7) aus hochbrechendem Material, die sich bezogen auf die erste Ebene (L1) über der ersten Liniengitterstruktur (2) in einer parallelen zweiten Ebene (L2) befindet, wobei – die ersten Gitterstege (3) jeweils eine erste Dicke (t1) und eine erste Breite (b) haben und in einem Abstand (a) nebeneinanderliegen, so dass zwischen den ersten Gitterstegen (3) längs der Längsrichtung verlaufende erste Gitterspalte (4) mit dem Abstand (a) entsprechender Breite gebildet sind, – die zweite Liniengitterstruktur (6) zur ersten Liniengitterstruktur (2) invertiert ist, wobei in Draufsicht auf die erste Ebene (L1) die zweiten Gitterstege (7) jeweils eine zweite Dicke (t1) haben und über den ersten Gitterspalten (4) und zweite Gitterspalte (8), die zwischen den zweiten Gitterstegen (7) bestehen, über den ersten Gitterstegen (3) liegen, und – die Breite der ersten Gitterstege (3) und der zweiten Gitterspalte (8), die Breite der zweiten Gitterstege (7) und der ersten Gitterspalte (4) jeweils unter 300 nm ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Sicherheitselement in Transmissionsbetrachtung einen Farbeffekt erzeugt und – die erste und die zweite Dicke (t1, t2) mindestens 100 nm betragen, bevorzugt mindestens 150 nm.
2. Sicherheitselement nach Anspruch 1, wobei das hochbrechende Material eine Brechzahl hat, die um mindestens 0,3 höher ist als die des umgebenden Substrats (1).
3. Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, wobei zwischen der ersten Ebene (L1) der ersten Gitterstege (3) und der Ebene (L2) der zweiten Gitterstege (7) ein Abstand (h) besteht, der zwischen 100 nm und 500 nm liegt.
4. Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, wobei das hochbrechende Material ausgewählt ist aus: ZnS, ZnO, ZnSe, SiNx, SiOx, Cr2O3, Nb2O5, Ta2O5, TixOx und ZrO2.
5. Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, wobei eine mittlere Helligkeit oder mittlere Buntheit in Transmissionsbetrachtung sich bei einem Kippen des Sicherheitselementes um mehr als 10% von dem entsprechenden Wert bei senkrechtem Lichtdurchtritt unterscheidet.
6. Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, wobei die erste und die zweite Liniengitterstruktur (2, 6) periodisch mit einer Gitterperiode sind und das Sicherheitselement in Draufsicht auf die Ebene (L1) mindestens zwei Bereiche (14, 15) aufweist, deren Gitterperioden sich unterscheiden.
7. Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, das als Durchsichtselement, insbesondere als Fensterelement für ein Wertdokument ausgebildet ist.
8. Wertdokument mit einem Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, wobei das Wertdokument ein Fenster oder einen zur Transmissionsbetrachtung vorgesehenen Bereich aufweist, das/den das Sicherheitselement überdeckt.

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