DE102017130589A1

DE102017130589A1 - Sicherheitselement mit zweidimensionaler Nanostruktur und Herstellverfahren für dieses Sicherheitselement

Info

Publication number: DE102017130589A1
Application number: DE102017130589.0A
Authority: DE
Inventors: Hans Lochbihler
Original assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2019-06-19
Also published as: EP3727870B1; WO2019121964A1; CN111511571B; CN111511571A; EP3727870A1

Abstract

Es wird beschrieben ein Sicherheitselement für ein Wertdokument, wobei das Sicherheitselement (S) aufweist: ein dielektrisches Substrat (2), in dem eine zweidimensional periodische Nanostruktur (1) geformt ist, die eine Vielzahl von Grundflächenelementen (9), die eine Grundebene (5) definieren, und demgegenüber angehobenen oder abgesenkten Flächenelemente (3) aufweist, wobei zwischen den Grundflächenelementen (9) und den Flächenelemente (3) jeweils ein senkrecht zur Grundebene (5) gemessener Abstand besteht und zwischen den Grundflächenelementen (9) und den Flächenelementen (3) Verbindungsflanken ausgebildet sind, wobei die Grundflächenelemente (9) und die Flächenelemente (3) jeweils mit einer metallischen oder hochbrechenden Schicht bedeckt sind, die dünner ist als der Abstand, und die Grundflächenelemente (9) und die Flächenelemente (3) in der Nanostruktur (1) in einem regelmäßigen Muster abwechselnd angeordnet sind und in zwei Richtungen, die parallel zur Grundebene (5) verlaufen, die zugeordnete Periode (d) der Anordnung der Flächenelemente (3) zwischen 100 nm und 450 nm beträgt, wobei auch die Verbindungsflanken mit der Schicht bedeckt sind, so dass diese durchgehend die Nanostruktur (1) bedeckt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitselement für ein Wertdokument, wobei das Sicherheitselement ein dielektrisches Substrat aufweist, in dem eine zweidimensional periodische Nanostruktur geformt ist, die eine Vielzahl von Grundflächenelementen, die eine Grundebene definieren, und demgegenüber angehobenen oder abgesenkten Flächenelemente aufweist, wobei zwischen den Grundflächenelementen und den Flächenelemente jeweils ein senkrecht zur Grundebene gemessener Abstand besteht und zwischen den Grundflächenelementen und den Flächenelementen Verbindungsflanken ausgebildet sind, wobei die Grundflächenelemente und die Flächenelemente jeweils mit einer Metallschicht bedeckt sind, die dünner ist als der Abstand, und die Grundflächenelemente und die Flächenelemente in der Nanostruktur in einem regelmäßigen Muster abwechselnd angeordnet sind und in zwei Richtungen, die parallel zur Grundebene verlaufen, die zugeordnete Periode der Anordnung der Flächenelemente zwischen 100 nm und 450 nm beträgt. Die Erfindung betrifft weiter ein Herstellverfahren für ein solches Sicherheitselement.
Die DE 102011101635 A1 , DE 102015008655 A1 oder DE 102012105571 A1 beschreiben solcher Sicherheitselemente und Herstellverfahren. In diesen Nanostrukturen aus dem Stand der Technik sind gegenüber einer metallisierten Grundebene angehobene oder abgesenkte Flächenelemente in einem zweidimensionalen Muster angeordnet, die sich über gleichgroßen Löchern in der metallisierten Grundebene befinden. Die Flächenelemente wirken als Antenne und bilden für bestimmte Wellenlängen elektromagnetische Resonanzen zwischen der Metallisierung in der Grundebene und den Flächenelementen aus. Dadurch ergibt sich eine Farbigkeit für sichtbares Licht in Auflicht und Durchlicht. Die Reflexion an der Ober- und der Unterseite ist aufgrund der unterschiedlichen Flächenbedeckung durch die Metallschicht unterschiedlich. Aus der Veröffentlichung L. Lin, and Y. Zheng. „Multiple plasmonic-photonic couplings in the Au nanobeaker arrays: enhanced robustness and wavelength tunability.“ Optics letters, 2060-2063 (2015) sind sogenannte Nanobecher-Arrays aus Gold bekannt, welche ebenfalls Farbeffekte ausbilden.
Die bekannten zweidimensional periodischen Subwellenlängengitter sind jedoch sehr aufwendig herzustellen. Es ist eine Strukturierung im Subwellenlängenmaßstab erforderlich, um die Metallschicht in der Grundebene und die demgegenüber angehobenen oder abgesenkten metallisierten Flächenelemente zu bilden.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine zweidimensionale, farbfilternde Struktur anzugeben, die zum einen eine gute Farbfiltereigenschaft aufweist und sich zum anderen einfacher herstellen lässt.
Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert.
Das Sicherheitselement ist für ein Wertdokument, ein Banknotenpapier o. ä. ausgebildet. Es weist ein dielektrisches Substrat auf. In dem dielektrischen Substrat ist eine zweidimensional periodische Nanostruktur geformt. Diese definiert eine Vielzahl von Grundflächenelementen, die eine Grundebene definieren. Gegenüber den Grundflächenelementen befinden sich in der Nanostruktur angehobene oder abgesenkte Flächenelemente. Zwischen den Grundflächenelementen und den Flächenelementen besteht ein Abstand, wobei dieser senkrecht zur Grundebene gemessen ist. Die Grundflächenelemente und die Flächenelemente sind durch Verbindungsflanken miteinander verbunden. Die Nanostruktur kann somit beispielsweise durch säulenförmige Erhebungen oder Vertiefungen im dielektrischen Substrat ausgestaltet sein. Die Grundflächenelemente und die Flächenelemente sowie auch die Verbindungsflanken sind mit einer Metallschicht bedeckt, die dünner ist als der Abstand. Somit ist die Nanostruktur durchgängig mit der Metallschicht versehen. Die Grundflächenelemente und die Flächenelemente sind in einem regelmäßigen Muster abwechselnd angeordnet. Damit sind sie in zwei, nichtzusammenfallenden Richtungen, die parallel zur Grundebene verlaufen, periodisch. Die Periodenrichtungen können variieren. Insgesamt liegen die Perioden, in denen die Flächenelemente angeordnet sind, zwischen 100 nm und 450 nm, wodurch sich der Begriff der „Nanostruktur“ ableitet. Anstelle einer Metallschicht kann auch eine andere hochbrechende Schicht verwendet werden. Somit kommen neben Metall für die hochbrechende Schicht als Material insbesondere Silizium, Zinksulfid oder Titandioxid in Frage. In dieser Beschreibung wird der Begriff „metallisch“ als gleichbedeutend mit „hochbrechend“ aufgefasst, soweit nicht ausdrücklich anderes beschrieben ist.
Wesentlich für die Wirkung der Nanostruktur und damit des Sicherheitselementes ist es, dass auf der Nanostruktur ein geschlossener Metallfilm gebildet ist. Er deckt eine Vielzahl von Erhebungen und die dazwischenliegenden Abschnitte, insbesondere alle Flanken der Vielzahl von Erhebungen ab. Anders als im Stand der Technik, in dem Erhebungen oder Vertiefungen des Profils nur auf den Plateaus metallisch überzogen sind, ist nun ein geschlossener Metallfilm ausgebildet. Die derart metallisierte Nanostruktur reflektiert einfallendes Licht in der nullten Beugungsordnung, wobei ein Interferenzeffekt auftritt, der die Reflexion farblich verändert, so dass ein Farbeffekt entsteht.
Die unbeschichtete Nanostruktur besteht dabei aus einem dielektrischen Material, welches z. B. eine Brechzahl von etwa 1,5 aufweist. Dabei eignen sich besonders Kunststofffolien, z. B. PET-Folien, als Substrat. Die eigentliche Basisstruktur ist z. B. ebenfalls in Kunststoff, bevorzugt UV-Lack, ausgebildet oder entsteht durch thermoplastische Verformung der Folie. Nach der Bedampfung wird schließlich die Struktur mit UV-Lack aufgefüllt und mit einer Deckfolie kaschiert. Somit liegt ein Schichtaufbau vor, bei dem die Ober- und die Unterseite im Wesentlichen dieselbe Brechzahl besitzt.
Für die Metallschichten kommen folgende Materialien in Frage: Al, Ag, Pt, Pd, Au, Cu, Cr und Legierungen davon. Als hochbrechende Schichten eignen sich besonders ZnS, ZnO, TiO₂, ZnSe, SiO, Ta₂O₅ oder Silizium.
Bei einem besonders zweckmäßigen Herstellverfahren wird zuerst ein Dielektrikum mit der Nanostruktur geeignet strukturiert und dann vollflächig beschichtet. Es ist bevorzugt, dass die Nanostruktur in ein Einbett-Dielektrikum eingebettet ist, welches vorzugsweise dieselbe Brechzahl hat wie das Dielektrikum des Substrates. Die Brechzahl kann beispielsweise zwischen 1,4 und 1,6 liegen. Dieselbe Brechzahl auf der Unter- und Oberseite der Struktur ist jedoch für den gewünschten optischen Effekt nicht zwingend.
Die Farbeffekte der zweidimensionalen Nanostruktur hängen stark von der Periodizität des Musters ab. Dies ist dazu in Weiterbildungen ausgenutzt, farbige Symbole bzw. Bilder zu erzeugen. Dazu ist der Flächenfüllfaktor und/oder der Abstand zwischen den Flächenelementen und Grundflächenelementen lokal variiert. Insbesondere ist es möglich, wie aus DE 102011101635 A1 bekannt, eine Gruppe mehrerer Flächenelemente und Grundflächenelemente lateral mit gleichbleibenden Abmessungen so zu gestalten, dass ein gewünschter Farbeffekt eintritt. Diese Gruppe bildet dann ein Sub-Pixel. Mehrere Sub-Pixel werden durch entsprechende geometrische Gestaltung mit unterschiedlichen Farbeigenschaften versehen und dann zu einem Pixel zusammengefasst. Dies erlaubt eine farbige Bilddarstellung. Die unterschiedlichen Farben können dabei durch die entsprechende lokale Variation eines oder mehrerer der Parameter des Gitters (Abstand zwischen Flächenelementen und Grundflächenelementen, Perioden des Musters in zwei Raumrichtungen sowie Ausdehnung der Flächenelemente) variiert werden. Durch die pixelweise Farbmischung von Basisfarben, z. B. RGB-Farben, in Subpixelbereichen können Echtfarbenbilder hergestellt werden. Der Vorteil von solchen Strukturen gegenüber der herkömmlichen Drucktechnik ist, dass hierbei eine sehr feine Motiv-Strukturierung bis in den Mikrometerbereich vorgenommen werden kann. Dennoch ist keine aufwendige Bemusterung von Metallisierungen etc. erforderlich, da die Metallschicht durchgängig ausgebildet sein kann. Diese Feinstrukturierung eignet sich besonders für Anwendungen in Moire-Vergrößerungsanordnungen, wie ebenfalls in DE 102011101635 A1 beschrieben.
Das Substrat mit der beschichteten zweidimensional periodischen Nanostruktur kann insbesondere in einem Sicherheitselement für ein Wertdokument verwendet werden. Es kann insbesondere in einem Sicherheitsfaden, Aufreißfaden, Sicherheitsband, Sicherheitsstreifen, Patch oder Etikett integriert sein. Insbesondere kann das mit dem Gitter versehene Sicherheitselement transparente Bereiche oder Ausnehmungen überspannen.
Das Substrat mit der zweidimensional periodischen Nanostruktur mit geschlossenem Metallfilm zeigt ausgeprägte Farbeffekte in Reflexion. Die gewünschte Farbe kann durch die Wahl von Strukturparametern der Nanostruktur eingestellt werden. Infrage kommen der Abstand zwischen Flächenelementen und Grundflächenelementen, also die Höhe der Erhebungen oder Vertiefungen. Infrage kommt weiter die Periode bzw. die unterschiedlichen Perioden der Anordnungen von Erhöhungen und Vertiefungen in den Raumrichtungen parallel zur Grundebene. Ein weiterer möglicher Parameter ist die Abmessung der Flächenelemente sowie deren geometrische Form in Draufsicht. Diese kann rotationssymmetrisch sein. In anderen Ausbildungen hat sie eine zweizählige Symmetrie, ist beispielsweise rechteckig oder elliptisch. Der Anteil der Ausdehnung des Flächenelements an der Periode ist ebenfalls ein variierbarer Parameter, der Einfluss auf den Farbeffekt hat. Diese Parameter können natürlich lateral über das Sicherheitselement hinweg variiert werden, um den Farbeffekt zu variieren und so ein Motiv zu erzeugen. Auf diese Weise kann durch Anordnung von Nanostrukturabschnitten mit lateral unterschiedlichen Strukturparametern einfach ein farbiges Motiv oder ein Echtfarbenbild in Reflexion bereitgestellt werden. Die Strukturen können durch einfaches Prägen hergestellt werden. Anschließend findet eine metallische Beschichtung, beispielsweise Bedampfung statt. Diese Schicht muss dann nicht mehr aufwendig strukturiert werden, sondern bedeckt die Nanostruktur flächig. Auf diese Weise lassen sich Sicherheitselemente mit nicht fälschbaren optischen Eigenschaften kostengünstig in Großserie herstellen. Die Farbigkeit der Struktur ergibt sich aufgrund der Prägung und nicht aufgrund einer Strukturierung der Metallisierung, die beispielsweise sehr kostengünstig in Aluminium ausgeführt werden kann.
Das Sicherheitselement kann insbesondere Teil einer noch nicht umlauffähigen Vorstufe (z. B. Banknotenpapier) zu einem Wertdokument sein, das zusätzlich noch weitere Echtheitsmerkmale aufweisen kann, damit die späteren Wertdokumente nicht kopierbare Echtheitsmerkmale aufweisen, um eine Echtheitsüberprüfung zu ermöglichen und unerwünschte Kopien zu verhindern. Banknoten, Chip- oder Sicherheitskarten, wie z. B. Bank- oder Kreditkarten oder Ausweise, sind Beispiele für ein Wertdokument. Ein Banknotenpapier ist ein Beispiel für eine Vorstufe.
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 und 2 perspektivische Schemadarstellungen zweier Ausführungsformen einer Nanostruktur für ein Sicherheitselement;
3A bis 5B mögliche Profile, die die Nanostruktur im Querschnitt haben kann;
6 bis 8 Beispiele für die laterale Anordnung von Erhebungen oder Vertiefungen in der Nanostruktur des Sicherheitselementes in Aufsicht und
9 bis 14 Diagramme hinsichtlich der Reflexionseigenschaften verschiedener Ausführungsformen des Sicherheitselementes.

1 zeigt eine farbfilternde Nanostruktur 1, die zum Ausbilden eines Sicherheitselementes S für ein Wertdokument vorgesehen ist. Die Nanostruktur 1 ist dadurch hergestellt, dass ein Träger 2 mit einem Profil versehen wird, das Erhebungen mit seitlichen Flanken 4 über einer Grundfläche 5 besitzt. Anders gesagt, das Profil sieht Säulen vor, die am Träger 2 ausgebildet sind. Die Seiten der Säulen bilden die Flanken 4 und die Deckfläche der Säulen bilden Flächenelemente 3. Die Nanostruktur ist mit einer Metallschicht 6 versehen, die sowohl auf der Grundfläche 5 als auch auf den Flächenelementen 3 aufgebracht ist. Auch die Flanken 4 sind mit der Deckschicht 6 versehen. 1 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Erhebungen in Draufsicht auf eine Grundebene, die durch die Grundschicht 5 definiert ist, rechteckigen oder quadratischen Querschnitt haben, die 2 eine Ausführungsform mit zylindrischen Erhebungen. Die Erhebungen sind in Form eines zweidimensional periodischen Musters angeordnet, wobei entlang zweier senkrecht zueinander liegenden Richtungen in der durch die Grundfläche definierten Grundebene mindestens eine Periode d vorgesehen ist, dergemäß sich die Anordnung der Erhebungen wiederholt. Die 3A bis 5B zeigen unterschiedliche Ausführungsformen für das Profil der Nanostruktur im Querschnitt, beispielsweise längs der Richtung, in der die Ausdehnung w₂ vorhanden ist. Die 3A, 4A und 5A betreffen dabei unterschiedliche Profile. In 3A ist das Profil trapezförmig, in 4A und 4B rechteckig und in 5A und 5B kurvenförmig. In 3B ist das Profil gegenüber der 3A invertiert. Statt Erhebungen liegen somit Vertiefungen vor. Gleiches gilt für die Profile in 4B und 5B.
Die Profildarstellungen der 3A bis 5B zeigen deutlich, dass die Erhebungen 7 bzw. Vertiefungen 8 in den Flächenelementen ebenso mit der Metallschicht versehen sind, wie an den Flanken 4. Ebenso ist in den verbleibenden Grundflächenelementen 9 der Grundfläche 5 die Metallschicht 6 vorgesehen, die im Ergebnis damit durchgängig und vollflächig ist. Fällt auf die Nanostruktur 1 unpolarisiertes Licht unter den Winkel Θ, wird es in der nullten Beugungsordnung reflektiert. Die Gitterperiode d ist kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtspektrums und liegt im Bereich zwischen 100 nm und 450 nm. Die Nanostruktur 1 ist in zwei Raumrichtungen in der Grundebene 5 periodisch. Die Periode kann in beiden Richtungen unterschiedlich sein. Perioden mit unterschiedlicher Periode können einen Polarisationseffekt zeigen. Möchte man diesen nicht, wählt man vorteilhafter Weise in beiden Raumrichtungen dieselbe Periode. Die Metallschicht 6 hat einen Brechungsindex v. Sie ist durch die Nanostruktur 1 auf dem Substrat 2 sowie eine Deckkaschierung 10 in ein Dielektrikum mit dem Brechungsindex n eingebettet. Hier handelt es sich bevorzugt um einen UV-Lack, der sich auf einer Folie, beispielsweise PET-Folie, befindet, die das Substrat 2 bildet. Der Brechungsindex beider Materialien liegt etwa bei 1,5.
Die Dicke der Metallschicht beträgt zwischen 20 nm und 150 nm. Sie ist in den Figuren mit t eingezeichnet.
Für die Nanostruktur 1 kommen verschiedenste Profile infrage; die 3A bis 3B zeigen lediglich exemplarische Beispiele. Gemein ist den Beispielen, dass die Flanken 4 ebenfalls mit der Metallschicht 6 versehen sind. Im Fall der im Querschnitt rechteckigen Erhebungen 7 bzw. Vertiefungen 8 kann dies durch Sputtern oder ALD (atomic layer deposition) erzielt werden.
Die verrundete Struktur gemäß 5A und 5B ergibt sich vielfach auch herstellungsbedingt, da strikt scharfkantige Ecken, wie in den 3A und 3B, bei Prägeprozessen in Nanostrukturfeinheit nur sehr schwer oder in Praxis gar nicht zu erzielen sind.
Die 6 bis 8 zeigen mögliche Muster, in denen die Erhebungen 7 bzw. Vertiefungen 8 angeordnet werden können. Die Struktur des Musters kann beispielsweise orthogonal (6) oder hexagonal (7 und 8) sein.
Um farbige Motive oder Echtfarbenbilder auszubilden, ist eine laterale Variation von Strukturparametern der Nanostruktur erforderlich. Es werden Teilbereiche vorgesehen, die unterschiedliche Strukturparameter haben. Aus dem Stand der Technik ist hierfür die Anordnung in Form Sub-Pixeln und Pixeln bekannt, wie oben erwähnt.
Die Perioden d liegen im Subwellenlängenbereich, d. h. im Bereich zwischen 100 nm und 450 nm. Die Füllfaktoren w₁/d₁ und w₂/d₂ liegen zwischen 0,2 und 0,8, bevorzugt zwischen 0,3 und 0,7. Um eine polarisationsunabhängige Farbfilterung zu erzielen, werden die Profilparameter für die beiden Raumrichtungen möglichst identisch gewählt, also p₁ = p₂ und s₁ = s₂. Dies ist jedoch optional. Ebenso sind im beschriebenen Ausführungsbeispiel die Periodizitätsrichtungen senkrecht zueinander. Auch dies ist optional. Auch räumlich asymmetrische Anordnungen des Profils und der Periodizität sind denkbar. Mit anderen Worten, das Muster 6 muss nicht, wie in 1 dargestellt, ein kartesisches Muster sein. Auch können die Säulen 4 asymmetrisch gestaltet sein.
Für die Metallschichten kommen folgende Materialien in Frage: Al, Ag, Pt, Pd, Au, Cu, Cr und Legierungen davon. Als hoch brechende Schichten eignen sich beispielsweise ZnS, ZnO, TiO₂, ZnSe, SiO, Ta₂O₅ oder Silizium.
Zur Herstellung kommen verschiedene Prozesse in Frage. Zuerst wird der dielektrische Träger mit den im Muster angeordneten Erhebungen 7 oder Vertiefungen 8 ausgebildet und dann beschichtet. Wesentlich ist, dass die Beschichtung 6 zusammenhängend ist, also auch die Flanken 4 beschichtet sind.
Die Nanostrukturen können in einem Abformverfahren vervielfältig werden, so dass eine kostengünstige Massenproduktion realisiert werden kann. Hierzu wird auf die DE 102011101635 A1 verwiesen.
Weiter ist es möglich, ein Original, welches die oben beschriebenen Strukturen enthält, mit weiteren bekannten Strukturen, wie Reliefhologrammen, Mikrospiegel oder anderen bekannten Nanostrukturen, passergenau zusammenzusetzen. Dafür eignen sich insbesondere Nanoimprint-Verfahren. Es können auch transparente Bereiche innerhalb der oben beschriebenen Struktur, z.B. durch eine bereichsweise Laserdemetallisierung oder durch einen Waschfarbenprozess, realisiert werden.
Nachfolgend werden Beispiele für Nanostrukturen beschrieben. Diese sind durchgängig mit einer Metallschicht aus Aluminium mit einer Dicke von t = 40 nm überzogen. Die Metallschicht wurde durch Sputtern aufgebracht, um eine Bedeckung auch an den Flanken 4 zu gewährleisten. Die Nanostrukturen wurden ausgehend von einem Original in UV-Lack auf PET-Folien kopiert. Der Brechungsindex des Lacks liegt bei n = 1,52. Es werden sowohl Nanostrukturen mit Erhebungen 7 als auch Nanostrukturen mit Vertiefungen 8 untersucht. Die Profilform der Gitter ist annähernd quadratisch und orthogonal mit identischer Periode d. Sie realisiert also die Bauweisen der 4A und 4B mit der Anordnung der 6. Tabelle 1 zeigt die Parameter der Nanostrukturen für die in den 9 und 10 wiedergegebenen Reflexionsspektren und Farbverläufe. Tabelle 1: Parameter und Farbe der zweidimensional periodischen Nanostrukturen mit Reflexionsspektren und Farbwerten der Figuren 9 und 10.

Struktur d [nm] w [nm] h [nm] Farbe

1) 242 62 265 Gelb

2) 331 142 258 Magenta

3) 403 169 255 Blau
10 zeigt dabei die Farbeigenschaften im CIE-1931-Farbraum. Hinsichtlich der Berechnung dieser Farbeigenschaften wird wiederum auf die genannte DE 102011101635 A1 verwiesen. Zusätzlich zu den Farbpunkten der mit 1) bis 3) bezeichneten Nanostrukturen ist auch der Weißpunkt mit WP eingetragen. Außerdem ist ein Dreieck eingezeichnet, das den üblicherweise von Bildschirmen darstellbaren Farbraum begrenzt.
Weiter werden Strukturen mit Erhebungen untersucht. Die Parameter und Farben von beispielhaften Strukturen sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Tabelle 2: Parameter und Farbe von zweidimensional periodischen Nanostrukturen mit Reflexionsspektren und Farbwerten der Figuren 11 und 12.

Struktur d [nm] w [nm] h [nm] Farbe

1) 242 180 265 Orange

2) 331 219 258 Rot

3) 403 274 255 Orange
Die 11 und 12 zeigen die grundsätzlich gleiche Gitterstruktur, jedoch nun mit Vertiefungen anstelle von Erhebungen. Für das Gitter 1) ergibt sich damit die Farbe Orange, für das Gitter 2) die Farbe Rot und für das Gitter 3) wiederum die Farbe Orange.
Die 13 und 14 zeigen den Farbverlauf für fünf weitere Gitter mit Vertiefungen, deren Parameter wie folgt lauten: Tabelle 3: Parameter von zweidimensional periodischen Nanostrukturen mit Reflexionsspektren und Farbwerten der Figuren 13 und 14.

Struktur d [nm] w[nm] h[nm]

1) 260 96 258

2 302 124 258

3) 340 159 274

4) 381 190 274

5) 417 205 276
Die einzelnen Gitter gemäß Tabelle 3 haben also eine anwachsende Gitterperiode von 260 nm bis 417 nm. Die Höhe h ist in etwa konstant und die Dicke der Aluminiumbeschichtung beträgt t = 40 nm. 13 zeigt den spektralen Reflexionsgrad dieser Nanogitter. 14 zeigt die daraus ermittelten Farbwerte. Im Ergebnis können diese Nanostrukturen den Farbbereich Rot, Blau und Grün gut abdecken und eignen sich daher zur Herstellung von farbigen Bilder oder Motiven durch Farbmischung in einzelnen Pixel mit Hilfe von Sub-Pixel-Bereichen unterschiedlicher Basisfarben.
Bezugszeichenliste

1: Nanostruktur
2: Substrat
3: Flächenelement
4: Flanken
5: Grundfläche
6: Metallschicht
7: Erhebungen
8: Vertiefungen
9: Grundflächenelement
10: Deckkaschierung
d: Periode
d: Gitterperiode
n: Brechungsindex
S: Sicherheitselement
t: Dicke der Metallschicht
w: Ausdehnung
WP: Weißpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011101635 A1 [0002, 0011, 0027, 0030]
DE 102015008655 A1 [0002]
DE 102012105571 A1 [0002]

Claims

Sicherheitselement für ein Wertdokument, wobei das Sicherheitselement (S) aufweist: - ein dielektrisches Substrat (2), in dem eine zweidimensional periodische Nanostruktur (1) geformt ist, die eine Vielzahl von Grundflächenelementen (9), die eine Grundebene (5) definieren, und demgegenüber angehobenen oder abgesenkten Flächenelemente (3) aufweist, - wobei zwischen den Grundflächenelementen (9) und den Flächenelemente (3) jeweils ein senkrecht zur Grundebene (5) gemessener Abstand besteht und zwischen den Grundflächenelementen (9) und den Flächenelementen (3) Verbindungsflanken ausgebildet sind, - wobei die Grundflächenelemente (9) und die Flächenelemente (3) jeweils mit einer metallischen oder hochbrechenden Schicht bedeckt sind, die dünner ist als der Abstand, und - die Grundflächenelemente (9) und die Flächenelemente (3) in der Nanostruktur (1) in einem regelmäßigen Muster abwechselnd angeordnet sind und in zwei Richtungen, die parallel zur Grundebene (5) verlaufen, die zugeordnete Periode (d) der Anordnung der Flächenelemente (3) zwischen 100 nm und 450 nm beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Verbindungsflanken mit der metallischen oder hochbrechenden Schicht bedeckt sind, so dass diese durchgehend die Nanostruktur (1) bedeckt.
Sicherheitselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanostruktur (1) in ein Dielektrikum eingebettet ist.
Sicherheitselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (6) eine Dicke zwischen 20 nm und 250 nm, bevorzugt eine Dicke zwischen 25 nm und 150 nm, weiter bevorzugt eine einheitliche normale Dicke, hat.
Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsflanken gegenüber der Grundebene (5) in einem Winkel zwischen 90 Grad und 70 Grad verlaufen.
Sicherheitselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanostruktur (1) im Querschnitt ein rechteckiges oder trapezförmiges Profil aufweist.
Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das regelmäßige Muster in Draufsicht auf die Grundebene (5) eine rechteckige oder hexagonale Grundform hat.
Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen 50 nm und 500 nm beträgt und zur Farbvariation lateral variiert.
Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Perioden (d) und/oder die Ausdehnung (w) der Flächenelemente (3) zur Farbvariation lateral variieren.
Wertdokument mit einem Sicherheitselement (S) nach einem der obigen Ansprüche.
Verfahren zum Herstellen eines Sicherheitselements (S), wobei - in einem dielektrischen Substrat eine zweidimensional periodische Nanostruktur (1) geformt wird, die eine Vielzahl von Grundflächenelementen (9), die eine Grundebene (5) definieren, und demgegenüber angehobenen oder abgesenkten Flächenelemente (3) aufweist, - wobei zwischen den Grundflächenelementen (9) und den Flächenelemente (3) jeweils ein senkrecht zur Grundebene (5) gemessener Abstand besteht und zwischen den Grundflächenelementen (9) und den Flächenelementen (3) Verbindungsflanken ausgebildet sind, - wobei die Grundflächenelemente (9) und die Flächenelemente (3) jeweils mit einer metallischen oder hochbrechenden Schicht (6) bedeckt werden, die dünner ist als der Abstand, und - die Grundflächenelemente (9) und die Flächenelemente (3) in der Nanostruktur (1) in einem regelmäßigen Muster abwechselnd angeordnet werden und in zwei Richtungen, die parallel zur Grundebene (5) verlaufen, die zugeordnete Periode (d) der Anordnung der Flächenelemente (3) zwischen 100 nm und 450 nm beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Verbindungsflanken mit der Schicht (6) bedeckt wird, so dass diese durchgehend die Nanostruktur (1) bedeckt.
Verfahren zum Herstellen eines Sicherheitselements nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sicherheitselement (S) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt wird.