DE102022003230A1

DE102022003230A1 - Sicherheitselement mit farberzeugenden Nanostrukturen und Herstellverfahren dafür

Info

Publication number: DE102022003230A1
Application number: DE102022003230.9A
Authority: DE
Inventors: Moritz Höfer; Christian Stöckl
Original assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Priority date: 2022-09-02
Filing date: 2022-09-02
Publication date: 2024-03-07
Also published as: WO2024047258A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitselement, das aufweist eine strukturierte Schicht (8), die eine Grundfläche (20) und gegenüber dieser abgesenkte, konvexe Vertiefungen (12) oder angehobene, konkave Erhebungen aufweist, und eine auf der strukturierten Schicht (8) angeordnete Reflektorschicht (14), wobei die Vertiefungen (12) oder Erhebungen hinsichtlich ihrer Ausdehnungen längs der Grundfläche (20), ihrer vertikalen Erstreckung (t) senkrecht zur Grundfläche (20) und ihrer Anordnung auf der Grundfläche (20) als farberzeugende Nanostrukturen (10) ausgebildet sind, wobei die strukturierte Schicht (8) Bereiche (16, 18; 25a-d) aufweist, in denen jeweils die vertikale Erstreckung (t) der Vertiefungen (12) oder Erhebungen längs einer Richtung (22) gemäß einer nicht-konstanten Funktion variiert, so dass in jedem der Bereiche (16, 18; 25a-d) in Aufsicht eine Mischfarbe sichtbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitselement mit farberzeugenden Nanostrukturen, das aufweist: eine geprägte Schicht, die eine Grundfläche und gegenüber dieser abgesenkte, konvexe Vertiefungen oder angehobene, konkave Erhebungen aufweist, und eine auf der geprägten Schicht angeordnete Reflektorschicht, wobei die Erhebungen oder Vertiefungen hinsichtlich ihrer Ausdehnungen längs der Grundfläche, ihrer vertikalen Erstreckung senkrecht zur Grundfläche und ihrer Anordnung auf der Grundfläche als farberzeugende Nanostrukturen ausgebildet sind.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Herstellen eines Sicherheitselements, wobei das Verfahren aufweist: Erzeugen einer geprägte Schicht, die eine Grundfläche und gegenüber dieser abgesenkte, konvexe Vertiefungen oder angehobene, konkave Erhebungen aufweist, und Anordnen einer Reflektorschicht auf der geprägten Schicht, wobei die Erhebungen oder Vertiefungen hinsichtlich ihrer Ausdehnungen längs der Grundfläche, ihrer vertikalen Erstreckung senkrecht zur Grundfläche und ihrer Anordnung auf der Grundfläche als farberzeugende Nanostrukture ausgebildet werden.
Im Stand der Technik sind Nanostrukturen mit Abmessungen im Subwellenlängenbereich bekannt, die es erlauben, farbige Darstellungen zu realisieren. Dazu werden Erhebungen oder Vertiefungen auf einer Grundfläche angeordnet. Verspiegelt man diesen Aufbau, hängt die Farbe von Strukturparamenten der Erhebungen/ Vertiefungen ab, wenn diese als Nanostrukturen, also Strukturen mit Abmessungen unterhalber der Wellenlänge des sichtbaren Lichts, abgebildet werden. Solche Strukturen sind beispielsweise aus der DE 2009056934 A1 , DE 102010048262 A1 , DE 102010049832 A1 , WO 2019/140572 A1 oder WO 2019/180460 A1 bekannt. Die EP 3572852 A1 offenbart ebenfalls ein Sicherheitselement mit Erhebungen/ Vertiefungen, die eine farberzeugende Nanostruktur realisieren.
Derartige Nanostrukturen erzeugen eine Farbe, die i.d.R. durch die vertikale Erstreckung beeinflusst wird. Im Stand der Technik ist es bekannt, konstante vertikale Erstreckungen, also eine konstante Höhe im Fall von Erhebungen bzw. eine konstante Tiefe im Fall von Vertiefungen zu verwenden oder Erhebungen/ Vertiefungen mit verschiedenen Höhen/ Tiefen bereichsweise zu verschachteln, um eine Farbe einzustellen. Die Ausbildung von Bereichen mit verschiedenen vertikalen Erstreckungen erlaubt damit die Erzeugung eines farbigen Bildes, wozu Bereiche in Form von Sub-Pixeln angeordnet werden. Die Sub-Pixel stellen die gewünschte Farbe ein.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Sicherheitselement basierend auf farberzeugenden Nanostrukturen anzugeben, das einen verbesserten Farbeffekt hat und insbesondere ohne Sub-Pixel auskommt.
Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen.
Das Sicherheitselement weist eine strukturierte Schicht auf, die eine Grundfläche und gegenüber dieser abgesenkte, konvexe Vertiefungen oder angehobene, konkave Erhebungen aufweist. Soweit nachfolgend von Vertiefungen gesprochen wird, ist dies lediglich bespielhaft zu verstehen. Auf der strukturierten Schicht ist eine Reflektorschicht angeordnet. Die Erhebungen bzw. Vertiefungen sind hinsichtlich ihrer Strukturparameter, insbesondere ihrer Ausdehnungen längs der Grundfläche, ihrer vertikalen Erstreckung senkrecht zur Grundfläche und ihrer Anordnung auf der Grundfläche als farberzeugende Nanostrukturen ausgebildet, wie dies im Stand der Technik und insbesondere der bereits genannten EP 3572852 A1 bekannt ist. Die vertikale Erstreckung ist im Fall der Erhebungen deren Höhe und im Fall der Vertiefungen deren Tiefe. Die Erhebungen bzw. Vertiefungen können Deckflächen haben, die parallel zur Grundfläche oder einer Tangente auf die Grundfläche liegen.
Die Nanostruktur weist nun Bereiche auf, in denen jeweils die vertikale Erstreckung der Erhebungen oder Vertiefungen längs einer Richtung gemäß einer nicht-konstanten Funktion variiert. Dadurch entsteht in jedem dieser Bereiche in Aufsicht eine Mischfarbe. Hierdurch ist die Erzeugung eines Bildes vereinfacht, da für die Farberzeugung einer Mischfarbe keine Strukturierung in Sub-Pixeln nötig ist, vielmehr kann jeder Bereich, beispielsweise bereits jedes Pixel eine Mischfarbe bereitstellen.
Die zur Mischung betragenden Farben sind dabei über den Grad der Variation der vertikalen Erstreckung eingestellt. Variiert die vertikale Erstreckung über einen großen Bereich, werden mehr Farben zur Mischfarbe zusammengefasst, als wenn die vertikale Erstreckung in einem kleineren Bereich variiert. Die mittlere Tiefe der variierten vertikalen Erstreckung stellt eine Farbe dar, die unter den gemischten Farben hinsichtlich der bunttongleichen Wellenlänge auch in der Mitte der bunttongleichen Wellenlänge liegt, welche zur Mischfarbe zusammengefasst werden.
Zur Erzeugung eines farbigen Bildes ist es besonders bevorzugt, dass die Bereiche, zumindest einige dieser Bereiche, sich hinsichtlich der Funktion unterscheiden. Der Unterschied kann in einer Variationsbreite der vertikalen Erstreckungen liegen. Der Unterschied kann aber auch darin liegen, wie die verschiedenen vertikalen Erstreckungen im variierten Bereich verteilt sind, ob beispielsweise große vertikale Erstreckungen häufiger vorkommen als geringe vertikale Erstreckungen. Dies legt dann den Schwerpunkt der Mischfarbe bezogen auf den abgedeckten Bereich von bunttongleichen Wellenlängen außerhalb des Zentrums des abgedeckten Bereiches der bunttongleichen Wellenlängen.
Eine besonders gute Farbmischung erhält man, wenn die vertikale Erstreckung der Erhebungen oder Vertiefungen längs der Richtung gemäß einem Gradienten zu- oder abnimmt. Auf diese Weise wird ein Bereich bunttongleicher Wellenlängen zusammengefasst, von dem alle bunttongleichen Wellenlängen in gleichem Maße zur Mischfarbe beitragen, wenn der Gradient ein linearer Gradient ist. Einzelne bunttongleiche Wellenlängen können unterschiedlich zur Mischfarbe beitragen, wenn der Gradient nicht-linear ist, beispielsweise quadratisch etc.
Eine besonders bevorzugte Ausführung ergibt sich, wenn diese Nanostrukturen mit Mikrostrukturen kombiniert sind, also mit Mikrostrukturelementen, die Ausdehnungen von mind. 5 µm, bevorzugt 10 µm, 50 µm oder mehr haben. Dann ist es möglich, die Bereiche jeweils als mit einem Höhenprofil (also Variation der Höhe) ausgestattete Mikrostrukturelemente, z.B. schräggestellte Spiegelflächen, auszubilden. Mindestens einige Bereiche unterscheiden sich voneinander hinsichtlich des Höhenprofils und/oder der Form der Mikrostrukturelemente (in Draufsicht auf die Grundebene) voneinander. Auf den Mikrostrukturelementen sind die Nanostrukturen ausgebildet, deren vertikale Erstreckung über das jeweilige Mikrostrukturelement hinweg variiert.
Dabei ist es insbesondere bevorzugt, dass die vertikale Erstreckung mit der Höhe des Mikrostrukturelementes, z.B. der Spiegelfläche, zu- oder abnimmt, da dann eine besonders einfache Herstellung gegeben ist, welche lokale Empfindlichkeitsunterschiede eines Fotoresist, die aufgrund der Mikrostrukturierung auftreten, ausnutzt. Es finden sich dann an der Oberkante des Spiegels entweder Erhebungen/Vertiefungen mit größerer vertikaler Erstreckung und an der Unterkante des Spiegels Erhebungen/Vertiefungen mit geringerer vertikaler Erstreckung, oder umgekehrt.
Die Mikrostrukturelemente, z.B. die Spiegelflächen, können so ausgebildet werden, dass sie einen Wölbeffekt bewirken, der durch die farbgebenden Nanostrukturen verstärkt ist, d.h. einen verbesserten 3D-Effekt bewirkt.
Die Richtung, entlang der die Nanostrukturen hinsichtlich der vertikalen Erstreckung variieren, ist bevorzugt in einem bestimmten Winkel zum Gradienten des Höhenprofils ausgerichtet, bevorzugt folgt sie diesem Gradienten. Dies kann als zusätzliches verdecktes Sicherheitsmerkmal eingesetzt werden, da es mit dem bloßen Auge nicht wahrnehmbar ist, bei einer maschinellen Analyse des Sicherheitselementes jedoch aufgefunden werden kann.
Weiter ist es in diesem Zusammenhang möglich, den Variationsbereich der vertikalen Erstreckung von einem Kippwinkel der Spiegelfläche abhängig zu gestalten. Dies kann bei konstanter oder bei variierter Spiegellänge längs dem Gradienten der Spiegelfläche geschehen.
Die Nanostrukturen lassen sich über folgende Parameter beschreiben:

Die Erhebungen/Vertiefungen können regelmäßig oder irregulär angeordnet werden, worunter eine quasi-statistische Verteilung der Erhebungen/Vertiefungen auf der Grundfläche gemeint ist. Bei einer regelmäßigen Anordnung ist die dabei verwendete Gitterstruktur ein relevanter Parameter, beispielsweise quadratische Grundgitter, hexagonale Grundgitter etc.

Der Abstand zwischen den Strukturen, d.h. den Erhebungen/ Vertiefungen, wirkt sich auf den Farbeffekt aus. Dies gilt im Falle unregelmäßig angeordneter Erhebungen/Vertiefungen für den mittleren Abstand und/oder die Flächendeckung, welche die Erhebungen/ Vertiefungen auf der Grundfläche gegenüber den restlichen Bereichen der Grundfläche haben.
Die lateralen Abmessungen der Erhebungen/ Vertiefungen charakterisieren die geprägte Schicht weiter. Die Erhebungen/Vertiefungen können in Draufsicht rotationssymmetrisch, aber auch entlang einer Richtung erstreckt ausgebildet werden. Diese Richtung kann konstant sein, kann aber auch variieren. Die vertikale Erstreckung der Erhebungen oder Vertiefungen senkrecht zur Grundfläche ist ein weiterer Parameter, der sich insbesondere auf die erzeugte Farbe auswirkt.
Die Grundform der Erhebungen/Vertiefungen, d.h. die Erscheinung in Draufsicht charakterisiert die geprägte Struktur ebenso, wie die Flankenform, d.h. das Profil der Erhebungen/Vertiefungen in einem Schnitt quer zur Grundfläche. In Draufsicht können quadratische, sechseckige, kreisförmige, elliptische, rechteckige etc. Grundformen verwendet werden. In der Schnittansicht kann das Profil Sinusform, eine Parabel, eine rechteckige Struktur mit annähernd senkrechten Flanken etc. haben.
Die Bereiche können besonderes bevorzugt Pixel eines dargestellten Bildes oder Motives sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. In den Figuren zeigen:

1 eine Banknote mit einem Sicherheitselement,
2 eine Schnittdarstellung durch das Sicherheitselement der 1, in einer ersten Ausführungsform,
3 eine ähnliche Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform,
4 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Ausführungsformen,
5 eine Draufsicht auf das Sicherheitselement der zweiten Ausführungsform und
6 eine REM-Aufnahme dieses Sicherheitselementes.

1 zeigt in Draufsicht ein Wertdokument, in diesem Fall eine Banknote 2, die ein Sicherheitselement 4 aufweist, welches vor Fälschungen des Wertdokumentes schützen soll. Das Sicherheitselement 4 zeigt in Draufsicht ein farbiges Bild. Hierzu weist es eine strukturierte Oberfläche auf, die aus der Schnittdarstellung der 2 ersichtlich ist.
Das Sicherheitselement ist auf einem Substrat 6 aufgebaut, auf welchem sich eine Prägelackschicht 8 befindet, in welche eine Nanostruktur 10 eingeprägt ist. Eine bevorzugte Alternative zum Prägen wird nachfolgend noch erläutert.
Die Nanostruktur 10 weist eine Vielzahl an Vertiefungen 12 auf und ist mit einer Reflektorschicht 14 versehen. Derartige Nanostrukturen sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Sie erzeugen in Draufsicht eine Farbe.
Das Sicherheitselement weist mind. zwei Bereiche 16,18 auf, die sich hinsichtlich der Nanostruktur 10 unterscheiden und zwar hinsichtlich der vertikalen Erstreckung der Vertiefungen 12 gegenüber einer Grundfläche 20, gegenüber der die Vertiefungen 12 abgesenkt sind.
Im Bereich 16 nimmt die vertikale Erstreckung, also die Tiefe t der Vertiefungen 12 längs einer Richtung 22 zu. Im Bereich 18 variiert die Tiefe t längs der Richtung 22 gemäß einer anderen Funktion, nämlich einer in etwa sinus-förmigen Funktion.
Die Tiefe t jeder Vertiefung 12 beeinflusst den Farbeffekt, der in Draufsicht erscheint. Da im Bereich 16 unterschiedliche Tiefen längs der Richtung 22 angeordnet sind, entsteht eine Mischfarbe, wie nachfolgen nach anhand der 4 erläutert werden wird. Da im Bereich 18 eine andere Funktion verwendet wird, entsteht eine andere Mischfarbe.
Die Mischfarbe zwischen den Bereichen 16 und 18 unterscheidet sich im Ausführungsbeispiel auch deshalb, weil die Tiefenbereiche unterschiedlich liegen. Im Bereich 18 sind die Vertiefungen 12 deutlich flacher, als im Bereich 16. Es entsteht deshalb eine Mischfarbe 18, die aus anderen Wellenlängen hinsichtlich der bunttongleichen Wellenlängen zusammengesetzt ist, als im Bereich 16, in dem tiefere Vertiefungen 12 verwendet sind.
2 zeigt rein exemplarisch die Ausbildung der Nanostruktur 10 mit Vertiefungen, die gegenüber der Grundfläche 20 nach unten (bezogen auf die Darstellung der 2) abgesenkt sind. Gleichermaßen möglich ist auch eine Ausgestaltung, in der Erhöhungen angeordnet sind. Als vertikale Erstreckung wird dann natürlich die Höhe dieser Erhöhungen variiert.
Besonders bevorzugt ist für die Variation der vertikalen Erstreckung längs der Richtung 22 ein Gradientenverlauf. Ein solcher Gradient erlaubt eine kontinuierliche Mischung von Farben, die im Farbraum nahe beieinander liegen. Durch die Form des Gradienten, beispielsweise linear oder quadratisch, kann das Mischungsverhältnis der einzelnen bunttongleichen Wellenlängen eingestellt werden. Gleichermaßen kann zusätzlich auch der Abstand zwischen den Vertiefungen 12 bzw. Erhöhungen variiert werden. Auch dies beeinflusst die Farbe, die entsteht.
Eine besonders vorteilhafte Kombination ergibt sich mit der Nanostruktur 10, wenn diese mit einer Mikrostruktur 24 kombiniert wird. Dies ist schematisch in 3 gezeigt. Hier ist die Mikrostruktur 24 als Abfolge von schräggestellten Mikrospiegeln 25a-25d gezeigt, wobei die einzelnen Mikrospiegel 25a-25d sich in der Schrägstellung gegenüber einer Grundebene, die beispielsweise als Oberfläche des Substrates 6 definiert sein kann oder eine dazu parallele Ebene ist, unterscheiden. Auf jedem Mikrospiegel 25a-25d, der ein Mikrostrukturelement darstellt, ist die Nanostruktur 10 ausgebildet, die dann wiederum mit der Reflektorschicht 14 abgedeckt ist. 6 zeigt eine REM-Aufnahme der Mikrostruktur 24.
Es ergibt sich dadurch eine Kombination der Effekte, welche von der Mikrostruktur 24 erzeugt wird und der Farbgebung in jedem einzelnen Mikrostrukturelement. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Wölbeffekt, der von der Mikrostruktur 24 erzeugt wird zusätzlich um einen Farbeffekt ergänzt werden, der über eine gleichmäßige Einfärbung hinausgeht, denn die einzelnen Mikrostrukturelemente können eine individuelle Mischfarbe erzeugen, je nachdem wie die Funktion entlang der Richtung 22 gewählt wird.
Besonders bevorzugt ist diese Funktion ein Gradient, der so angelegt wird, dass er der Form der Mikrostruktur folgt, d.h. die Gradientenrichtung 22 entspricht einem Oberflächenverlauf der Mikrostruktur 24, beispielsweise der Neigungsrichtung der Mikrospiegel 25a-25d. In der Darstellung der 3 verläuft damit die Richtung 22 wie in 2 und die Schnittdarstellung der 3 zeigt die Schnittebene, in der der Gradient der Spiegelneigung liegt. Er ist schematisch mit 25e eingezeichnet. 3 zeigt dabei den vereinfachten Fall, dass alle Mikrospiegel 25a-25d einen Gradienten 25e in derselben Richtung haben, d.h. alle in dieselbe Richtung geneigt sind. Dies ist natürlich nicht zwingend notwendig. Jedes Mikrostrukturelement kann eine eigene Gradientenrichtung haben. An diese Gradientenrichtung ist dann die Richtung 22 der Nanostruktur 10 auf dem entsprechenden Mikrostrukturelement angepasst, insbesondere in dieselbe Richtung ausgerichtet.
Die Registrierung der Neigungsgradienten der Mikrostrukturelemente, z.B. des Gradienten 25e eines Mikrospiegel 25d kann als verdecktes Sicherheitselement eingesetzt werden. Steilgestellte Mikrospiegel, also Mikrostrukturelemente mit einer großen Höhenvariation, weisen dann einen großen Gradienten in der Nanostruktur auf, während Mikrostrukturelemente mit einer geringen Höhenvariation eine geringere Variation in der Höhe der Vertiefungen 12 bzw. Erhöhungen haben. Beispielhaft können folgende Werte verwendet werden:

Spiegelsteigung Spiegellänge Spiegelhöhe Tiefe min Tiefe max

A 20° (steil) 10 µm 3,5 µm 200 nm 400 nm

B 10° (flach) 10 µm 1,75 µm 200 nm 300 nm
In Variante A ergibt sich damit eine Tiefenvariation T von 200 nm, im Fall B eine Tiefenvariation von nur 100 nm.
Zum Erzeugen eines Wölbeffekts können beispielsweise die Spiegel 25a bis 25d von einer geringen Steigung für den Mikrospiegel 25d zwischen z.B. 0 und 5° bis zu einer großen Steigung am Mikrospiegel 25a von z.B. 30° angeordnet werden. Durch die Nanostruktur 10, die beispielsweise eine Mischfarbe im Bereich Gelb erzeugt, indem die Erhöhungen oder Vertiefungen in einer hexagonalen Anordnung, mit einer Gitterperiode von 280 nm, einer Kantenlänge eines quadratischen Querschnittes der Vertiefungen/Erhöhungen von 140 nm und einer Mindesttiefe von 80 nm ausgebildet werden. Die Variation der vertikalen Erstreckung der Vertiefungen 12 nimmt ausgehend von dem Mindesttiefenwert von 80 nm abhängig vom Neigungswinkel des Mikrospiegels unterschiedlich stark zu. Somit zeigen z.B. steiler gestellte Spiegel dunklere Gelbtöne, wohingegen die flacheren Spiegel hellere Gelbtöne liefern. Dies verstärkt die Plastizität einer dreidimensionalen Anmutung des Wölbeffektes.
Dies ist in 5 verdeutlicht. Hier liegen die steilgestellten Spiegel am mit 26 bezeichneten Rand, wohingegen die flachen Spiegel in dem mit 28 bezeichneten Zentrum der jeweiligen Zahl liegen. Gleichermaßen liegt im Bereich 26 eine dunklere Mischfarbe als im Bereich 28. Damit ergeben sich beispielsweise folgende Werte:

Spiegelsteigerung Spiegellänge Spiegelhöhe Tiefe min Tiefe max

0° 10 µm 0 µm 80 nm 80 nm

10° 10 µm 1,75 µm 80 nm 120 nm

20° 10 µm 1,75 µm 80 nm 160 nm
Natürlich lassen sich diese Verhältnisse auch umkehren und auf flachen Spiegel ein großer Gradient der Tiefenvariation verwenden und auf steilen Spiegeln ein geringer Gradient. Das hängt vom Design ab, je nach Mischfarbe, die erzeugt werden soll. Natürlich kann auch der Tiefenbereich auf den einzelnen Spiegeln unterschiedlich gewählt werden, so dass die Mischfarbe sich beispielsweise auch hinsichtlich der bunttongleichen Wellenlänge stärker unterscheidet.
3 und 6 zeigen eine Mikrostruktur 24 am Beispiel von Mikrospiegeln 25a bis 25d. Natürlich können auch andere Mikrostrukturen, beispielsweise mit Hohlspiegeln, Fresnel-Strukturen, Linsenstrukturen, Kissenstrukturen, etc. verwendet werden, wobei jeweils die lokale Steigung, also das Höhenprofil, der Mikrostrukturelemente auch die Richtung des Gradienten für die Tiefenvariation der Nanostrukturen vorgeben kann.
Ein weiterer Vorteil der Anordnung von Nanostrukturen 10 auf Mikrostrukturen 24 liegt darin, dass Produktionsschwankungen ausgeglichen werden können. Durch einen Fehler beim Abprägen der Nanostrukturen 10 kann sich deren Tiefe unerwünscht lokal ändern. Durch die Variation der Tiefe und der Erzeugung einer Mischfarbe fällt derartiges weniger auf, da die Mischfarbe durch Fehler beim Abprägen einzelner Vertiefungen/Erhöhungen nicht so stark ins Gewicht fallen.
Die Wirkung der Tiefenvariation zeigt 4. Dort ist in einer Kurve 30 die Abhängigkeit der bunttongleichen Wellenlänge λ von der Tiefe t der Vertiefungen 12 aufgetragen. Gleiches würde auch für eine Höhe von Erhebungen gelten. Variiert man die Tiefe über einen Tiefenvariationsbereich T ergibt sich automatisch eine Wellenlängenmischung L. 4 legt der Anschaulichkeit halber einen linearen Zusammenhang nahe. Es sind aber keine Achsenskalen eingetragen, denn der Zusammenhang ist nichtlinear. Flachere Strukturen führen nicht automatisch zu kürzeren Wellenlängen. Experimentelle Untersuchungen zeigen dass mit zunehmender Strukturtiefe verschiedene Farben bzw. „Buntheiten“ überstrichen werden:

In einem Beispiel A ändert sich die Farbe von flachen zu tiefen Strukturen, d.h. mit zunehmender Strukturtiefe, von blassem Gelb über sattes Gelb hin zu Gold.

In einem Beispiel B ändert sich die Farbe von flachen zu tiefen Strukturen, d.h. mit zunehmender Strukturtiefe, von Orange über Magenta über Violett und Blau hin zu Grün.
Das Sicherheitselement 4 kann, wie erwähnt, durch Prägung gefertigt werden. Alternativ erfolgt eine fotolithographische Produktion, wobei lokale Empfindlichkeitsunterschiede eines Fotoresist, die aufgrund der Mikrostrukturierung auftreten, ausnutzt werden.
Um die unterschiedlichen vertikalen Erstreckungen der Vertiefungen bzw. Erhöhungen der Nanostrukturen zu erreichen, wird es dabei ausgenutzt, dass bereits die Belichtung für die Mikrostruktur 24 erfolgte. Dadurch wird automatisch vermieden, dass alle Vertiefungen der Nanostruktur 10 mit gleicher vertikaler Erstreckung ausgestaltet werden. Durch die Belichtung der Mikrostruktur wurde bereits ein Beleuchtungsdosisgradient (entsprechend dem Höhenprofil der Mikrostrukturelemente) in den Fotolack belichtet. An der Oberkante jedes Spiegels wurde vergleichsweise wenig Dosis platziert, während an den tiefsten Stellen des Spiegels mehr Dosis in den Lack eingebracht wurde, um die Spiegelneigung zu erreichen. Der Fotolack ist deshalb von der Oberkante des Spiegels weg hin zunehmend stark ausgeblichen; die Ausbleichung nimmt zu den tiefsten Stellen des Höhenprofils zu. Bei der Belichtung der Nanostruktur reagiert der bereits unterschiedlich ausgeblichene Lack deshalb unterschiedlich auf dieselbe Belichtungsdosis, je nachdem wieviel Dosis zuvor zur Erzeugung der Mikrostruktur 24 platziert wurde. Es damit möglich, für die Vertiefungen 12 der Nanostruktur 10 mit einer einheitlichen Belichtungsdosis zu arbeiten und dennoch unterschiedlich tiefe Vertiefungen 12 zu erhalten. Die Tiefe ist proportional zur bereits zur Erzeugung der Mikrostruktur 24 platzierten Dosis und somit automatisch registriert auf die Höhe der Mikrostruktur.
Für eine andere Variation der Tiefe der Nanostrukturen wird ein Dosiskeil für die Belichtung der Nanostrukturen 10 verwendet, um die Tiefe gezielt zu variieren. Dieser Dosiskeil muss die Dosis der ersten Belichtung, der d.h. zur Mikrostruktur 24 ausgeführten Belichtung berücksichtigen, ebenso wie die Form und Richtung des Gradienten, der für den Verlauf der vertikalen Erstreckung realisiert werden soll.
Alternativ zu einer fotolithografischen Realisierung kann die bereits anhand der 2 und 3 erwähnte Prägung in einem Prägelack 8 erfolgen.
Bezugszeichenliste

2: Banknote
4: Sicherheitselement
6: Substrat
8: Prägelackschicht
10: Nanostruktur
12: Vertiefung
14: Reflektorschicht
16,18: Bereich
20: Grundfläche
22: Richtung
24: Mikrostruktur
25a-d: Mikrospiegel
25e: Gradient
26, 28: Bereich
30: Kurve
t: Tiefe
z: bunttongleiche Wellenlänge
T: Tiefenvariation
L: Wellenlängenmischung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2009056934 A1 [0003]
DE 102010048262 A1 [0003]
DE 102010049832 A1 [0003]
WO 2019140572 A1 [0003]
WO 2019180460 A1 [0003]
EP 3572852 A1 [0003, 0007]

Claims

Sicherheitselement, das aufweist - eine strukturierte Schicht (8), die eine Grundfläche (20) und gegenüber dieser abgesenkte, konvexe Vertiefungen (12) oder angehobene, konkave Erhebungen aufweist, und - eine auf der strukturierten Schicht (8) angeordnete Reflektorschicht (14), - wobei die Vertiefungen (12) oder Erhebungen hinsichtlich ihrer Ausdehnungen längs der Grundfläche (20), ihrer vertikalen Erstreckung (t) senkrecht zur Grundfläche (20) und ihrer Anordnung auf der Grundfläche (20) als farberzeugende Nanostrukturen (10) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass - die strukturierte Schicht (8) Bereiche (16, 18; 25a-d) aufweist, in denen jeweils die vertikale Erstreckung (t) der Vertiefungen (12) oder Erhebungen längs einer Richtung (22) gemäß einer nicht-konstanten Funktion variiert, so dass in jedem der Bereiche (16, 18; 25a-d) in Aufsicht eine Mischfarbe sichtbar ist.
Sicherheitselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich mind. einiger der Bereiche (16,18; 25a-d) hinsichtlich der Funktion unterscheiden.
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Erstreckung der Vertiefungen (12) oder Erhebungen längs der Richtung (22) gemäß einem Gradienten (25e) zu- oder abnimmt.
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Bereiche die Vertiefungen (12) oder Erhebungen dieselben Ausdehnungen längs der Grundfläche (20) und/oder Anordnung auf der Grundfläche (20) haben.
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (25a-d) jeweils als Elemente einer Mikrostruktur (24) ausgebildet sind, insbesondere als schräggestellte Spiegelflächen, in denen die Grundfläche (20) gegenüber einer Grundebene gekippt ist, wobei sich mind. ein Teil der Bereiche (25a-d) hinsichtlich der Kippung und/oder Form der Spiegelfläche voneinander unterscheiden.
Sicherheitselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung in jedem Bereich einem Gradienten (25e) der Elemente der Mikrostruktur (24), insbesondere der Spiegelfläche folgt.
Sicherheitselement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Erstreckung (t) mit der Höhe der Spiegelfläche über der Grundebene zu- oder abnimmt.
Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (24) einen Wölbeffekt bewirkt.
Verfahren zum Herstellen eines Sicherheitselements, wobei das Verfahren aufweist - Erzeugen einer strukturierten Schicht (8), die eine Grundfläche (10) und gegenüber dieser abgesenkte, konvexe Vertiefungen (12) oder angehobene, konkave Erhebungen aufweist, und - Anordnen einer Reflektorschicht (14) auf der strukturierten Schicht (8), - wobei die Vertiefungen (12) oder Erhebungen hinsichtlich ihrer Ausdehnungen längs der Grundfläche (20), ihrer vertikalen Erstreckung (t) senkrecht zur Grundfläche (20) und ihrer Anordnung auf der Grundfläche (20) als farberzeugende Nanostruktur (10) ausgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass - die strukturierte Schicht (8) mit mehreren Bereichen (16, 18; 25a-d) ausgebildet wird, in denen jeweils die vertikale Erstreckung (t) der Vertiefungen (12) oder Erhebungen längs einer Richtung (22) gemäß einer nicht-konstanten Funktion variiert, so dass in jedem der Bereiche in Aufsicht eine Mischfarbe sichtbar wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sicherheitselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt wird.