EP2183116B1

EP2183116B1 - Farbige sicherheitsdokumentindividualisierung

Info

Publication number: EP2183116B1
Application number: EP08785547.4A
Authority: EP
Inventors: Malte Pflughoefft; Oliver Muth; Andreas Hoppe
Original assignee: Bundesdruckerei GmbH
Current assignee: Bundesdruckerei GmbH
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2008-08-08
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2028-08-08
Also published as: WO2009021737A1; CN101772421A; ES2452295T3; DE102007037981A1; RU2506167C2; CN101772421B; PL2183116T3; EP2183116A1; PT2183116E; RU2010108251A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur farbigen Individualisierung von Sicherheitsdokumenten, die einen Dokumentenkörper umfassen, sowie Sicherheitsdokumente zur farbigen Individualisierung mit einem Dokumentenkörper und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Sicherheitsdokumente sind Dokumente, die gegen eine Nachahmung, Verfälschung und/oder ein Duplizieren mit Hilfe von Sicherheitselementen geschützt sind. Sicherheitsdokumente umfassen somit beispielsweise Personalausweise, Reisepässe, ID-Karten, Zugangskontrollausweise, Steuerzeichen, Tickets, Führerscheine, Kraftfahrzeugpapiere, Banknoten, Schecks, Postwertzeichen, Kreditkarten, beliebige Chipkarten und Haftetiketten (z.B. zur Produktsicherung). Solche Sicherheitsdokumente, die teilweise auch als Wertdokumente bezeichnet werden, weisen typischerweise ein Substrat, eine Druckschicht und optional eine transparente Deckschicht auf. Ein Substrat ist eine Trägerstruktur, auf welche die Druckschicht mit Informationen, Bildern, Mustern und dergleichen aufgebracht wird. Als Materialien für ein Substrat kommen alle fachüblichen Werkstoffe auf Papier- und/oder Kunststoffbasis in Frage.
Viele moderne Sicherheitsdokumente umfassen einen Dokumentenkörper, der mindestens eine, vorzugsweise mehrere, am bevorzugtesten ausschließlich mehrere, aus Kunststoffen bestehende miteinander verbundene Schichten umfasst. Dieser Dokumentenkörper weist ein oder mehrere Sicherheitselemente auf. Eine Art von Sicherheitselementen stellen in einen solchen Kartenkörper eingebrachte individualisierende Informationen dar, die beispielsweise eine Seriennummer, eine Ausweisnummer, personenbezogene Daten, zum Beispiel Name und/oder Geburtsdatum, biometrische Daten, zum Beispiel Bilder (Passbilder), Größe und/oder Augenfarbe, usw. umfassen können.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, solche individualisierenden Angaben im Inneren des aus Kunststoffmaterialien bestehenden Dokumentenkörpers einzubringen. Hierzu wird über einen Laser Energie in das Kunststoffmaterial eingebracht und hierüber eine Pyrolyse bewirkt, die zu einer Carbonisierung und somit Schwärzung an den Orten führt, an denen Energie in die Kunststoffe eingebracht wird. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der EP 0 975 148 A1 beschrieben. Das Anbringen der individualisierenden Informationen im Innern des Dokumentenkörpers weist den Vorteil auf, dass diese besonders gut gegen einen Verschleiß und eine Verfälschung geschützt sind.
Aus der WO 2006/042714 A1 sind Formmassen auf Basis von teilkristallinen technischen Thermoplasten bekannt, die lasermarkierbare Formteile mit erhöhter Markierungsgüte ergeben. Die Formmassen zeichnen sich dadurch aus, dass in einer Polymermatrix Mikro- oder Nanopartikel von lichtsensitiven Verbindungen mit mehreren Kationen und/oder Nanoprimärteilchen von lichtsensibilisierenden Oxiden sowie gegebenenfalls weitere übliche Additive enthalten sind. Die Formmassen weisen eine helle, in der Regel weiße oder hellgraue Farbe auf, die durch Lasereinstrahlung schwärzbar ist.
Aus der DE 199 55 383 A1 ist ein Verfahren zum Aufbringen von farbigen Informationen auf einen Gegenstand bekannt, bei dem durch Laserstrahlung unterschiedlicher Wellenlänge Pigmente, die in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen absorbieren, selektiv gebleicht werden.
Aus der WO 2005/084956 A1 sind hochtransparente lasermarkierbare und laserschweißbare Kunststoffmaterialien bekannt. Beschrieben sind hochtransparente Kunststoffmaterialien, die durch einen Gehalt an nanoskaligen lasersensitiven Metalloxiden lasermarkierbar und/oder laserschweißbar sind. Die Kunststoffmaterialien, die als Formkörper, Halbzeuge, Formmassen oder Lacke vorliegen, enthalten insbesondere Metalloxide mit Partikelgrößen von 5 bis 100 nm und einem Gehalt von 0,0001 bis 0,1 Gew.-%. Typische Metalloxide sind nanoskaliges Indium-Zinnoxid oder Antimon-Zinnoxid. Diese Materialien können insbesondere zur Herstellung von lasermarkierbaren Produktionsgütern verwendet werden. Die Metalloxide sind vorgesehen, um eine Absorption von Laserlicht in dem Kunststoff zu fördern, um dieses aufzuschmelzen oder eine Farbänderung des Kunststoffes herbeizuführen.
Aus der EP 0 975 148 A1 ist ein Verfahren zum Eingravieren von Bildern mittels Strahlung in eine strahlungsempfindliche Schicht, insbesondere zum Lasergravieren, bekannt. Die strahlungsempfindliche Schicht wird punktweise so bestrahlt, dass für jeden Bildpunkt eine vorbestimmte Schwärzung erzielt wird.
Aus dem Stand der Technik ist es ferner bekannt, in Kartenkörper farbige Individualisierungen einzubringen. Aus der DE 100 53 264 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zum Einschreiben von Daten, insbesondere Personalisierungsdaten, auf und/oder in einen Datenträger mittels elektromagnetischer Strahlung bekannt, wobei bei dem Verfahren ein beliebiger Datenträger bereitgestellt wird, auf und/oder in welchen mindestens ein Farbmittel mindestens lokal vorgesehen wird, und dieses Farbmittel mittels der elektromagnetischen Strahlung von mindestens einem Wellenlängenbereich bestrahlt wird, so dass sich im Bereich der Bestrahlung eine Änderung der Farbe des Farbmittels durch Bleichen ergibt, wobei diese Färbung maschinell und/oder durch ein menschliches Auge feststellbar ist.
In der DE 199 55 383 A1 ist ein Verfahren zum Aufbringen von farbigen Informationen auf einen Gegenstand beschrieben, wobei der Gegenstand zumindest in einer oberflächennahen Schicht mindestens zwei verschiedenartige farbgebende Partikel aufweist, die unter Einfluss von Laserstrahlung die Farbe dieser Schicht verändern, wobei die Laserstrahlung mit mindestens zwei verschiedenen Wellenlängen verwendet wird, um die Farbe dieser Schicht zu ändern, und die Beaufschlagung des Gegenstands mit Laserstrahlung im Vektor- und/oder Rasterverfahren über eine Zweikoordinatenstrahlablenkeinrichtung und eine Fokussiereinrichtung zur Fokussierung der Laserstrahlung auf die Schicht des Gegenstandes erfolgt. Bei diesem Verfahren werden durch die verschiedenen Wellenlängen in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen absorbierende Farbpigmente ausgebleicht, um einen Farbeindruck zu verändern.
Aus der DE 103 16 034 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer Information in einem Trägerkörper bekannt, bei dem mit einfachen Mitteln eine besonders gegenüber Licht und Feuchtigkeit langzeitstabile Information in dem Trägerkörper erzeugt werden soll. Dazu werden für eine Anzahl von in dem Trägerkörper vorgehaltenen Ausgangsstoffen in einem lokalisierten Teilbereich des Trägerkörpers durch Laserbestrahlung diejenigen Reaktionsbedingungen eingestellt, die diese Ausgangsstoffe zu einer Synthesereaktion veranlassen. Hierbei werden komplexe Reaktionsvorgänge gewählt, die nur gezielt durch Lasereinstrahlung und nicht durch Sonnenlicht ausgelöst werden können, um farbige Substanzen zu synthetisieren. Eine farbige Substanz ist hierbei eine Substanz, die unabhängig von ihrer Größe und Form farbig ist. Auf diese Weise können unterschiedliche farbige Substanzen synthetisiert werden. Problematisch ist jedoch die gezielte Ansteuerbarkeit der einzelnen Farben. Ein weiteres Problem besteht darin, die farbbildenden Reaktionen ortsaufgelöst und ohne Quenchingreaktionen durchzuführen, um eine eindeutige Farbgebung zu erzielen.
Der Erfindung liegt somit das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung sowie einen Dokumentenkörper eines Sicherheitsdokuments sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, mit denen es möglich ist, eine farbige Individualisierung, vorzugsweise nach einer Herstellung des Dokumentenkörpers selbst, auf einfache Weise auszuführen.
Das Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Sicherheitsdokument mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierfür ist vorgesehen, Nanoteilchen zu verwenden, deren Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung, d.h. auch mit Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich, von quantenmechanischen Effekten abhängt, die durch deren Gestalt und/oder eine lokale Konzentration der Nanoteilchen beeinflusst sind. Hierfür wird ein Verfahren zur farbigen Individualisierung von Sicherheitsdokumenten, die einen Dokumentenkörper umfassen, in dem Ausgangsstoffe vorgehalten sind, die durch einen lokalisierten gezielten Energieeintrag lokal zu einer Schaffung oder Veränderung von Nanoteilchen, die einen Farbeindruck erzeugen, angeregt werden, wobei eine Gestalt und/oder eine Konzentration der Nanoteilchen lokal in dem Dokumentenkörper von dem Energieeintrag abhängig ist und wobei der Farbeindruck der Nanoteilchen von ihrer Gestalt und/oder lokalen Konzentration abhängig ist, vorgeschlagen, bei dem lokal gezielt Energie an einer Stelle eingebracht wird, an der ein farbiger Farbeindruck in dem Dokumentenkörper herbeigeführt werden soll, um eine individualisierende Information über den herbeigeführten Farbeindruck zu speichern. Es wird somit ein Sicherheitsdokument, welches einen farbig personalisierbaren Dokumentenkörper umfasst, geschaffen, bei dem im Innern des Dokumentenkörpers Ausgangsstoffe vorgehalten sind, die mittels eines lokalisierten Energieeintrags gezielt zur Ausbildung von Nanoteilchen unterschiedlicher Gestalt und/oder unterschiedlicher Konzentration anregbar sind, wobei die Gestalt und/oder Konzentration abhängig von dem Energieeintrag ist und wobei ein Farbeindruck der Nanoteilchen von ihrer Gestalt und/oder ihrer Konzentration abhängig ist. Eine Vorrichtung zum Individualisieren eines genannten Sicherheitsdokuments mit einem Sicherheitsdokumentenkörper umfasst eine Dokumentenkörperaufnahme zum Aufnehmen des Dckumentenkörpers, eine Energiequelle zum lokalisierten Einbringen des Energieeintrags in den Dokumentenkörper, um den Farbeindruck gezielt so zu verändern, dass eine individualisierende Information in dem Dokumentenkörper durch den bewirkten Farbeindruck gespeichert wird. Ein Sicherheitsdokument mit einem farbig personalisierbaren Dokumentenkörper wird geschaffen, indem die Ausgangsstoffe bei einer Herstellung des Dokumentenkörpers in diesen mit eingearbeitet werden.
Bei einem aus mehreren Schichten mittels Lamination hergestellten Dokumentenkörpern können die Ausgangsstoffe, beispielsweise drucktechnisch vor dem Laminieren zwischen zwei Schichten eingebracht werden.
Unter der Gestalt der Nanoteilchen werden zum einen deren Größe und zum anderen deren geometrische Form verstanden. Nanoteilchen aus Halbleitermaterialien, die im Festkörpermaterial (Bulk) eine Bandlücke von bevorzugt kleiner 2 Elektronenvolt aufweisen, zeigen häufig einen so genannten Größenquantisierungseffekt, wenn eine Teilchengröße zu immer kleineren Nanoteilchen im Bereich einiger Nanometer oder darunter variiert wird. Je kleiner das Nanoteilchen dieses Halbleiters wird, desto größer wird die Bandlücke. Somit ist die Bandlückenenergie abhängig von der Größe, d.h. der Gestalt, der Nanoteilchen. Mit der Bandlückenenergie ist wiederum das Absorptionsverhalten elektromagnetischer Strahlung verknüpft. Somit ändert sich mit einer Änderung der Bandlückenenergie auch eine Farbe des Nanoteilchens, d.h. der Farbeindruck, den man beim Betrachten des Nanoteilchens erhält. Bei bestimmten Arten von Nanoteilchen wird der Farbeindruck, d.h. ihr Absorptionsverhalten, hauptsächlich durch ihre Oberflächengestalt beeinflusst. In den Teilchen werden so genannte Oberflächenplasmonen angeregt. Diese sind entscheidend von einer Form der Nanoteilchen abhängig. Ohne eine Änderung des Volumens, einzig durch eine Änderung der Form des Nanoteilchens, beispielsweise eines Aspektverhältnisses bei einem stäbchenförmigen Nanoteilchen, gebildet aus Längsausdehnung zu Querdehnung, kann dessen Absorptionsverhalten wellenlängenabhängig verändert werden. Mit Farbeindruck ist somit in erster Linie ein Absorptionsverhalten des Nanoteilchens gemeint. Darüber hinaus ergibt es sich für den Fachmann, dass der Farbeindruck auch selbstverständlich von der Anzahl der in einem Volumen bzw. auf einer Fläche vorhandenen Nanoteilchen abhängt, da die Anzahl der Teilchen die Gesamtabsorption in dem Volumen oder auf der Fläche beeinflusst. Hierdurch ändert sich jedoch der Verlauf des Absorptionsspektrums nicht, sondern lediglich die Absorptionseffizienz. Wenn im Zusammenhang mit der Erfindung von einer Änderung des Farbeindrucks gesprochen wird, so ist eine solche aufgrund einer gesteigerten/verringerten absoluten Absorption nicht gemeint.
Hiervon zu unterscheiden ist eine Änderung des Farbeindrucks der Nanoteilchen aufgrund ihrer lokalen Konzentration. Bei Nanoteilchen, bei denen das Absorptionsverhalten im sichtbaren Spektralbereich hauptsächlich durch eine Anregung von Oberflächenplasmonen bestimmt ist, tritt ein weiterer konzentrationsabhängiger Effekt hinzu, der eine Wellenlängenabhängigkeit der Absorption und somit eine Farbe der Nanoteilchen verändert. Hierbei spielen quantenmechanische Effekte eine Rolle, die darauf beruhen, dass die Nanoteilchen sich gegenseitig beeinflussen und sich, ohne eine chemische Bindung auszubilden, die quantenmechanischen Zustandsfunktionen des elektronischen Systems der einzelnen Nanoteilchen so verändern, dass deren Absorptionsspektren und hierüber ihre Farbe verändert wird. Bei diesen Nanoteilchen führt somit die Konzentration nicht zu einem intensiveren Farbeindruck, sondern zu einer anderen Farbe verschobenen Farbeindruck. Dieser Effekt wird hier als Nonoteilchen-Konzentrationsquantisierungseffekt bezeichnet.
Über einem gezielten lokalen Energieeintrag in den Dokumentenkörper lässt sich somit eine Ausbildung von Nanoteilchen, d.h. eine Schaffung oder Veränderung von Nanoteilchen gezielt bewirken und hierüber gezielt nahezu jede Farbe des optischen Spektralbereichs lokalisiert einstellen. Hierüber ist somit eine einfache farbige Individualisierung von Sicherheitsdokumenten möglich.
Wichtig hervorzuheben ist, dass die meisten vorgeschlagenen Systeme die eingebrachte Energie nicht, in der Regel auch nicht als Aktivierungsenergie, benötigen, um eine Bildung von Nanoteilchen zu beginnen oder auszuführen, die eine Veränderung des Farbeindrucks bewirken. Vielmehr sind die Ausgangsstoffe so in den Dokumentenkörper eingebracht, dass dieser bei normalen Umgebungstemperaturen die Systeme daran hindert, solche einen Farbeindruck erzeugende Nanoteilchen zu bilden. Kleinste Nanoteilchen, die nicht durch eine Einbettung in eine Matrix, eine chemische Lösung oder Ähnliches stabilisiert werden, neigen beispielsweise dazu, zu größeren Nanoteilchen zusammenzuwachsen. Hierdurch wird insgesamt eine Oberflächenenergie der beteiligten Nanoteilchen reduziert. Solch ein Prozess wird durch die Einbettung in den Dokumentenkörper bei Umgebungstemperatur unterbunden und läuft nur dort ab, wo der Dokumentenkörper über den Energieeintrag lokal erwärmt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Energie mittels eines oder mehrerer Laser eingebracht. Laser bieten den Vorteil, dass ihr Licht gut fokussierbar ist und so Energie in dem Fokus gezielt lokalisiert zugeführt werden kann. Bei einer geeigneten Wahl der Laserwellenlänge ist es abhängig von dem Material, aus dem der Dokumentenkörper gefertigt ist, möglich, im Innern des Dokumentenkörpers eine farbige Individualisierung vorzunehmen und nicht nur an einer Oberfläche. Ferner bietet der Energieeintrag mittels einer oder mehrerer Laser den Vorteil, dass die Laserintensität und/oder die Laserfrequenz moduliert werden können, um den Energieeintrag und hierüber den Bildungsprozess der einen gewünschten Farbeindruck hervorrufenden Nanoteilchen zu steuern.
Die Ausgangsstoffe umfassen bei einer bevorzugten Ausführungsform Nanoteilchen, deren Banklückenenergie aufgrund des Größenquantisierungseffekts größer als die Photonenenergie sichtbaren Lichts ist. Diese Nanoteilchen der Ausgangsstoffe können durch einen gezielten Energieeintrag in den Dokumentenkörper dazu veranlasst werden, dass diese zu größeren Nanoteilchen zusammenwachsen und so aufgrund des Größenquantisierungseffekts ihr Absorptionsspektrum und somit ihre Farbe und den Farbeindruck verändern.
Bevorzugt sind somit bei einer Ausführungsform die Ausgangsstoffe in eine Matrix eingebunden. Diese ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass die Bestandteile der Ausgangsstoffe sich in der Matrix nur bewegen können, wenn in die Matrix Energie eingetragen wird und diese dadurch erwärmt wird.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Matrix aus einem Polycarbonat, insbesondere Bisphenol-A-Polycarbonat besteht. Polycarbconate eignen sich insbesondere deshalb, weil sie im sichtbaren Wellenlängenbereich für elektromagnetische Strahlung transparent sind. Dennoch können mittels eines Lasers so hohe Strahlungsenergiedichten erzeugt werden, dass das Polycarbonatmaterial lokal gezielt erwärmt werden kann.
Um jedoch eine Absorption des Laserlichts zu verbessern, ist bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Ausgangsstoffe Aktivatormaterial enthalten, das eine gute Laserabsorption aufweist. Das Aktivatormaterial kann in Konzentrationen eingebracht werden, die einen Transparenzeindruck des Dokumentenkörpers nicht nachteilig beeinflussen und dennoch eine lokal gezielte Absorption von Laserlicht deutlich steigern. Eine Laserwellenlänge kann angepasst werden, um eine gute Absorption in einem Aktivatormaterial zu erzielen.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Aktivatormaterial Zinkoxid ZnO umfasst. Es können jedoch auch andere Substanzen als Aktivatormaterial verwendet werden, beispielsweise Ruß oder Iriodin^®.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausgangsstoffe zusätzlich oder alternativ Precursor zur Bildung von Nanoteilchen, deren Absorptionsverhalten von ihrer Gestalt und/oder ihrer lokalen Konzentration abhängig ist, umfassen. Dies bedeutet, dass ihr Farbeindruck von ihrer Gestalt und/oder ihrer lokalen Konzentration abhängig ist. Als Precursor sind in den Ausgangsstoffen somit solche Substanzen vorhanden, die durch eine chemische Reaktion bei Energieeintrag in den Dokumentenkörper Nanoteilchen ausbilden und/oder ein Wachstum bereits vorhandener kleinster Nanoteilchen bewirken. Über eine gezielte Steuerung der zugeführten Energie kann bei einer solchen Ausführungsform sowohl eine Anzahl der geschaffenen Nanoteilchen als auch deren Größe gezielt beeinflusst werden. Erfolgt ein hoher Energieeintrag in kurzer Zeit, so dass eine Erwärmung auf eine hohe Temperatur, beispielsweise 180°C, lokal in dem Material bewirkt wird, so wird eine Bildung einer großen Anzahl von Kristallisationskeimen angeregt. Wird hingegen eine Energiezufuhr so gewählt, dass sich lokal eine geringere Temperatur, beispielsweise von 120°C, ergibt, so findet nur eine geringe Bildung neuer Kristallisationskeime statt, jedoch schreitet ein Größenwachstum der bereits existierenden Nanoteilchen bei dieser geringen Temperatur fort.
Über eine gezielte Energiezufuhr kann somit die lokale Temperatur zeitlich variiert werden und hierüber eine Prozesssteuerung erreicht werden, so dass ein optimaler gewünschter Farbeindruck, d.h. eine gewünschte Farbe, eingestellt werden kann. Als besonders geeignete Substanz haben sich II-VI-Halbleiternanoteilchen herausgestellt. Es sind jedoch auch andere geeignete Systeme oder Substanzen, beispielsweise Kadmiumphosphid Cd₃P₂ usw. bekannt. Im Prinzip können sämtliche Substanzen verwendet werden, die ein gestaltabhängiges Absorptionsverhalten im sichtbaren Wellenlängenbereich, insbesondere ein größen-, form- und/oder konzentrationsabhängiges Absorptionsverhalten zeigen (wobei hier erneut eine Änderung des Absorptionsspektrums (dessen wellenlängenabhängiger Verlauf) in Abhängigkeit von der Konzentration gemeint ist).
Die als besonders geeignet festgestellten II-VI-Halbleiternanoteilchen weisen in der Regel einen großen Größenquantisierungseffekt auf. Zu den bevorzugten Materialien gehören beispielsweise Cadmium- oder Quecksilbersulfid, Cadmium- oder Quecksilberselenid, Cadmium- oder Quecksilbertellurid sowie ternäre oder quaternäre Verbindungen der vorgenannten Elemente. Um eine Bildung dieser Nanoteilchen zu bewirken oder ein Größenwachstum bereits vorhandener Nanoteilchen zu unterstützen oder anzuregen, können die Ausgangsstoffe beispielsweise Cadmiumacetat und/oder Quecksilberacetat und Thioacetamid umfassen, aus denen sich bei Energieeintrag Kadmiumsulfid bzw. Quecksilbersulfid bildet.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Ausgangsstoffe formquantisierbare Nanoteilchen, die abhängig von dem Energieeintrag ihre Form ändern, wobei deren Farbeindruck von der Form abhängig ist. Formquantisierbare Nanoteilchen können beispielsweise aus Gold und/oder Silber und/oder Legierungen hiervon bestehen. Die Ausgangsstoffe können beispielsweise stäbchenförmige Nanoteilchen aus Gold umfassen. Durch Energieeintrag können diese Nanoteilchen angeregt werden; sich in Richtung auf eine sphärische Form umzuwandeln. Hierbei ändert sich das Absorptionsspektrum, welches hauptsächlich durch Oberflächenplasmonanregungen dominiert ist.
Einen konzentrationsabhängigen Farbeindruck weisen insbesondere Nanoteilchen aus Gold- und Silberlegierungen auf. Deren Absorptionsverhalten ist von einem mittleren Abstand zu einem benachbarten Nanoteilchen abhängig. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen Ausgangsstoffe Precursor von Substanzen, die kolloidale Nanoteilchen ausbilden, deren Farbeindruck von einer lokalen Konzentration der kolloidalen Nanoteilchen abhängig ist. Beispielsweise können die Ausgangsstoffe Zinkoxid (ZnO) und Gold- oder Silbersalze enthalten. Bei Lasereinstrahlung wirkt das ZnO als Elektronenlieferant, um Gold oder Silber zu reduzieren. Hierüber kann ein Wachstum von Nano-Kolloiden aus Gold und/oder Silber angeregt werden.
Das Einbringen der Energie wird so vorgenommen, dass eine chemische Degeneration, insbesondere eine Depolymerisation, Pyrolyse oder Carbonisierung, des Materials des Dokumentenkörpers unterbleibt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind optische Sensoren vorhanden, die einen Farbeindruck überwacht. Die Energiezufuhr wird dann in Abhängigkeit des überwachten Farbeindrucks gesteuert.
Besonders bevorzugt wird die Energie an mehreren Stellen lokalisiert gezielt in den Dokumentenkörper eingebracht, um an den mehreren Stellen einen Farbeindruck aufgrund der Gestalt und/oder Konzentration der Nanoteilchen herbeizuführen, wobei die mehreren Stellen ein Muster ergeben, das die individualisierende Information enthält. Bevorzugt werden an den unterschiedlichen Stellen durch den Energieeintrag unterschiedliche Farbeindrücke hervorgerufen. Dies bedeutet, dass der Energieeintrag an den unterschiedlichen Stellen unterschiedlich erfolgt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1: schematisch Potentiale für unterschiedlich große Teilchen, jeweils für Valenz- und Leitungsband;
Fig. 2: Absorptionskurven für unterschiedlich große Teilchen;
Fig. 3: einen Verlauf der Bandlücke in Abhängigkeit von der Teilchengröße für größenquantisierbare Teilchen;
Fig. 4: Nanoteilchen unterschiedlicher Form; und
Fig. 5: eine Vorrichtung zum Individualisieren eines Sicherheitsdokuments mit einem farbig personalisierbaren Dokumentenkörper.

In Fig. 1 sind für drei unterschiedliche Teilchengrößen a, b, c Kastenpotentiale für das Leitungsband 1 a, 1 b, 1 c und entsprechenden Kastenpotentiale für das Valenzband 2a, 2b, 2c dargestellt. Eine Breite 3a, 3b, 3c der einzelnen Kastenpotentiale 1a, 2a, 1b, 2b, 1c, 2c ist im Kastenmodell jeweils von einer Teilchengröße abhängig. Je größer das Teilchen ist, desto breiter sind die entsprechenden Kastenpotentiale. Hier ist das Teilchen a das kleinste Teilchen und c das größte Teilchen.
Bestimmt man in diesen Kastenpotentialen 1a-1c, 2a-2c jeweils die sich unter Berücksichtigung der Quantenmechanik ergebenden energetisch niedrigsten Energieniveaus 4a-4c des Leitungsbands bzw. die höchsten energetischen Zustände 5a-5c des Valenzbands, so ergeben sich für die verschiedenen großen Teilchen a-c unterschiedliche Energiedifferenz 6a-6c, die jeweils mit einer Bandlückenenergie assoziiert werden können. Die Energiedifferenz 6a-6c nimmt mit zunehmender Teilchengröße ab. Je größer die Bandlücke eines Teilchens ist, desto höher energetisch muss die Strahlung sein, die von diesem Teilchen absorbiert wird.
Photonen, deren Energie geringer als die Bandlückenenergie ist, werden hingegen nicht absorbiert. Dies bedeutet, dass mit einer Zunahme der Teilchengröße eine Rotverschiebung der Absorptionskante stattfindet. Dieses ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Dort ist die Absorption für unterschiedlich große Teilchen gegen die Wellenlänge aufgetragen. Absorptionskanten 11 a-11 c der Absorptionskurven 12a-12c zeigen eine Verschiebung zu größeren Wellenlängen, d.h. eine Rotverschiebung mit zunehmender Teilchengröße, deren Zunahme mittels eines Pfeils 13 angedeutet ist. Bei einer Veränderung der Teilchengröße zeigt sich ein entsprechendes Verhalten.
Für Cadmiumphosphid Cd₃P₂ beträgt die Bandlücke im Festkörper 0,55 eV. Bei einem mittleren Teilchendurchmesser von 3 nm erscheint das Material nicht mehr schwarz, sondern braun. Mit weiter abnehmendem Durchmesser ändert sich die Farbe über rot, orange und gelb, bis das Material bei etwa 1,5 nm weiß erscheint und eine Bandlücke von etwa 4 eV aufweist.
In Fig. 3 ist der energetische Verlauf des Leitungsbands 15 und des Valenzbands 16 jeweils gegen die Teilchengröße schematisch aufgetragen. Bei kleiner Teilchengröße ist die Bandlückenenergie 17 groß, beispielsweise im Bereich von 4 eV. Teilchen dieser Größe erscheinen weiß. Mit zunehmender Teilchengröße nimmt die Bandlückenenergie 17 ab und ändert sich die Farbe von gelb über orange, rot ins Braune und schließlich Schwarze.
Ein ähnlicher energetischer Effekt stellt sich beispielsweise bei stäbchenförmigen Goldteilchen ein. In Fig. 4 ist schematisch ein Nanoteilchen 21 dargestellt, dessen Aspektverhältnis, ein Verhältnis einer Länge 22 zu einer Breite 23, abnimmt. Ein solches stabförmiges Nanoteilchen, ein Nanoteilchen mit einem großen Aspektverhältnis, ist als Ausgangsstoff beispielsweise in eine aus Polycarbonat ausgebildete Matrix eingebettet. Wird diese Matrix erwärmt, so wird dem Nanoteilchen die Gelegenheit gegeben, seine Form zu ändern. Eine Verringerung des Aspektverhältnisses führt zu einer Verringerung der Oberfläche und somit einer Oberflächenenergie, so dass diese Umwandlung des ursprünglich stabförmigen Nanoteilchens 21 nur durch die Matrix verhindert wird. Erst bei einer Erwärmung der Matrix und dem Nanoteilchen wird dem Nanoteilchen die Möglichkeit gegeben, seine Form hin zu einer sphärischen Form zu verändern. Hierbei bleibt das Volumen des Nanoteilchens unverändert. Mit der Änderung des Aspektverhältnisses ändert sich auch dessen Absorptionsverhalten vom Infraroten bis ins Sichtbare.
In Fig. 5 ist schematisch eine Vorrichtung 41 zur Laserpersonalisierung eines Sicherheitsdokuments 42 schematisch dargestellt, welches einen farbig individualisierbaren Dokumentenkörper 43 umfasst. Der Dokumentenkörper 43 ist vorzugsweise ein aus mehreren Schichten 44 durch Lamination gebildeter Verbundkörper. Diese Schichten 44 sind vorzugsweise aus einem oder mehreren thermoplastischen Kunststoffmaterialien gebildet. Einzelne Schichten oder alle Schichten können vor dem Laminieren bedruckt sein. Ferner können in einzelne oder mehrere Schichten Mikrochips oder andere Sicherheitselemente eingearbeitet sein. Mindestens eine Schicht, vorzugsweise mehrere Schichten, sind so ausgebildet, dass Ausgangsstoffe zur Bildung von größenskalierbaren Nanoteilchen in diese eingearbeitet sind. Die Nanoteilchen können auch zwischen zwei Schichten zum Beispiel drucktechnisch eingebracht werden. Eine Schicht ist beispielsweise aus Bisphenol-A-Polycarbonat. Dieses Material stellt eine Matrix für die Ausgangsstoffe zur Verfügung. In diese Matrix sind beispielsweise kleinste Nanoteilchen von Substanzen eingebettet, deren Bandlückenenergie oberhalb der Energie von Photonen sichtbaren Lichts liegt. Zusätzlich oder alternativ können in die Matrix Precursor, beispielsweise Cadmiumacetat und Thioacetamid eingebettet sein. Als Aktivatormaterial ist beispielsweise Zinkoxid ZnO in die Matrix eingearbeitet.
Der Dokumentenkörper wird in einer Dokumentenkörperaufnahme 55 gehalten.
Die Vorrichtung 41 umfasst als Energiequelle einen Laser 45. Dieser Laser 45 erzeugt elektromagnetische Strahlung im infraroten, sichtbaren und/oder ultravioletten Spektralbereich. Zum Beispiel kann der Laser 45 ausgewählt sein aus der Liste "YAG:Nd (Grundwellenlänge oder frequenzvervielfacht: 1064 nm, 532 nm, 355 nm, 266 nm), Excimer-Lasers (F₂ 157 nm, Xe 172 nm), Exciplex-Laser (ArF 193 nm, KrF 248 nm, XeBr 282 nm, XeCl 308 nm, XeF 351 nm), Titan-Saphir-Laser, CO₂-Lasers (10,6 µm) oder Diodenlaser". Diese Laserstrahlung 46 wird mit einer Abbildungsoptik 47 lokalisiert in einem Bereich der Schichten 44 fokussiert, in die die Ausgangsstoffe eingearbeitet sind. In einem Fokus 48 wird die Laserstrahlung 46 bevorzugt von einem Aktivatormaterial, zum Beispiel Zinkoxid (ZnO), absorbiert. Dieses führt zu einer lokalen heißen Stelle (hot spot), wodurch eine Bildung von Cadmiumsulfid angeregt wird, welches sich an dem Aktivatormaterial Zinkoxid (ZnO) anlagert. In Abhängigkeit von der Laserintensität bilden sich unterschiedlich viele Nanoteilchen. Je höher die Laserintensität ist, d.h. je höher die Temperatur der Matrix lokal steigt, desto mehr Nanoteilchen werden geschaffen. Wird eine niedrigere Temperatur gewählt, so werden weniger oder keine Nanoteilchen geschaffen. Ein Wachstum bereits bestehender Nanoteilchen setzt sich jedoch fort. Hierbei verändert sich die Größe der Nanoteilchen 49. In Abhängigkeit von der Größe ändert sich ein Farbeindruck.
In einer weiteren Ausführungsform führt die Bestrahlung des Aktivatormaterials, zum Beispiel Zinkoxid (ZnO), zur Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren, wodurch zum Beispiel Metallsalzionen, insbesondere Silber (Ag⁺) und Gold (Au³⁺) zu den entsprechenden Metallen reduziert werden und Nanoteilchen bilden.
Mittels eines optischen Sensors 50, der beispielsweise als farbige CCD-Kamera ausgebildet ist, wird der optische Eindruck überwacht. Hierfür kann es erforderlich sein, dass der Dokumentenkörper 43 mit einer Lichtquelle 51 beleuchtet wird. Die mittels des optischen Sensors 50 erfassten Signale werden von einer Steuereinrichtung 52 ausgewertet, die einen Energieeintrag über die als Laser 45 ausgebildete Energiequelle 41 steuert. Die Energiequelle 41 kann ferner einen Modulator 54 umfassen, über den die Frequenz und/oder Amplitude des Lasers moduliert wird, um den Energieeintrag in den Dokumentenkörper 43 steuern zu können. Der Modulator kann bei anderen Ausführungsformen in den Laser 45 integriert sein.
Es ergibt sich für den Fachmann, dass die Energiequelle auch mehrere Laser umfassen kann, die Licht unterschiedlicher Wellenlänge emittieren. Hierdurch ist es möglich, unterschiedliche Aktivatormaterialien optimal anzuregen.
Bei anderen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass Nanoteilchen zur Veränderung des Farbeindrucks in mehreren unterschiedlichen Schichten des Dokumentenkörpers geschaffen werden. Wird die Laserstrahlung zeitgleich oder zeitversetzt an unterschiedlichen Stellen in dem Dokumentenkörper fokussiert, um jeweils lokal gezielt Energie einzutragen und Nanoteilchen zu schaffen, die einen optischen Farbeindruck im sichtbaren Spektralbereich erzeugen, kann ein farbiges Muster in dem Dokumentenkörper erzeugt werden, welches eine individualisierende Information, beispielsweise einen Namen, ein Passbild usw., darstellt.
Bei einigen Ausführungsformen ist der Dokumentenkörper selbst ein vollständiger Sicherheitsdokument oder auch Wertdokument. In anderen Ausführungsformen ist der Dokumentenkörper beispielsweise in ein Passbuch eingebunden.
Bei einigen Ausführungsformen ist der Dokumentenkörper ein aus mehreren Schichten laminierter Verbundkörper, bei dem unterschiedliche Schichten unterschiedliche Ausgangsstoffe und/oder Konzentrationen hiervon umfassen. Hierdurch können auf einfache Weise in den unterschiedlichen Schichten verschiedene Farbeindrücke durch lokalisierten Energieeintrag hervorgerufen werden. Diese können gemeinsam ein Farbmuster ergeben. Ebenso können die Schichten jedoch auch gleiche Ausgangsstoffe und/oder Konzentrationen hiervon umfassen.
Es ergibt sich für den Fachmann, dass die Erfindung hauptsächlich im sichtbaren Spektralbereich Anwendung finden wird. Es sind jedoch auch Ausführungsformen denkbar, die einen Farbeindruck erzeugen, der nur für eine maschinelle Prüfung vorgesehen ist. Einerseits weil der hervorgerufene Farbeindruck im UV- oder IR-Spektralbereich liegt oder weil eine Nanoteilchenkonzentration erzeugt wird, deren Absorptionsintensität für eine menschliche Prüfung nicht ausreichend hoch ist. Hier ist das Intensitätsverhältnis der Absorption und nicht deren wellenlängenabhängiger Verlauf gemeint. Auch hier wird die Information durch die Änderung eines wellenlängenabhängig veränderten Farbeindrucks gespeichert. Lediglich eine Anzahl der erzeugten farbveränderten Nanoteilchen wird gezielt gering gehalten.
Die beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich beispielhafte Ausführungsformen. Es ergibt sich für den Fachmann, dass es eine Vielzahl von Modifikationsmöglichkeiten gibt.

Bezugszeichenliste

1a-1c: Kastenpotential des Leitungsbands
2a-2c: Kastenpotential des Valenzbands
3a-3c: Breite des Kastenpotentials
4a-4c: Energieniveau des Leitungsbands
5a-5c: Energieniveau des Valenzbands
6a-6c: Energiedifferenz
11a-11c: Absorptionskante
12a-12c: Absorptionsspektren
13: Pfeil (in Richtung größer werdender Teilchengröße)
15: Leitungsband
16: Valenzband
17: Sindungsenergie
21: Nanoteilchen
22: Länge
23: Breite
41: Vorrichtung zur farbigen Individualisierung von Sicherheitsdokumenten
42: Sicherheitsdokument
43: Dokumentenkörper
44: Schichten
45: Laser
46: Laserstrahlung
47: Abbildungsoptik
48: Fokus
49: Nanoteilchen
50: optischer Sensor
51: Lichtquelle
52: Steuerung
54: Modulator
55: Dokumentenkörperaufnahme

Claims

Verfahren zur farbigen Individualisierung von Sicherheitsdokumenten (42), die einen Dokumentenkörper (43) umfassen, in dem Ausgangstoffe vorgehalten sind, die durch einen lokalisierten gezielten Energieeintrag lokal zu einer Schaffung oder Veränderung von Nanoteilchen (21; 49) angeregt werden, wobei eine Gestalt und/oder eine Konzentration der Nanoteilchen (21; 49) lokal in dem Dokumentenkörper (43) von dem Energieeintrag abhängig ist und wobei ein Farbeindruck der Nanoteilchen (21; 49) von ihrer Gestalt und/oder lokalen Konzentration abhängig ist, bei dem lokal gezielt Energie an einer Stelle eingebracht wird, an der ein farbiger Farbeindruck in dem Dokumentenkörper (43) herbeigeführt werden soll, um eine individualisierende Information über den herbeigeführten Farbeindruck zu speichern.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie zeitlich variiert eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie mittels eines Lasers (45) eingebracht wird, wobei die Laserintensität und oder Laserfrequenz moduliert wird, um den Energieeintrag zeitlich zu steuern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserwellenlänge angepasst wird, um eine gute Absorption in einem Aktivatormaterial zu erzielen, welches die Ausgangsstoffe umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Energie so vorgenommen wird, dass eine chemische Degeneration, insbesondere eine Depolymerisation, Pyrolyse oder Carbonisierung, des Materials des Dokumentenkörpers (43) unterbleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Farbeindruck überwacht wird und die Energiezufuhr in Abhängigkeit des überwachten Farbeindrucks gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch Variation des Energieeintrags unterschiedliche Nanoteilchen gezielt erzeugt werden.
Sicherheitsdokument (42), welches einen farbig personalisierbaren Dokumentenkörper (43) umfasst, bei dem im Innern des Dokumentenkörpers (43) Ausgangsstoffe vorgehalten sind, die mittels eines lokalisierten Energieeintrags gezielt zur Ausbildung von Nanoteilchen (21; 49) unterschiedlicher Gestalt und/oder unterschiedlicher Konzentration anregbar sind, wobei die Gestalt und/oder Konzentration abhängig zu dem Energieeintrag ist und wobei ein Farbeindruck der Nanoteilchen (21; 49) von ihrer Gestalt und/oder ihrer Konzentration abhängig ist.
Sicherheitsdokument (42) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsstoffe Nanoteilchen umfassen, deren Bandlückenenergie aufgrund eines Größenquantisierungseffekts größer als die Photonenenergie sichtbaren Lichts ist.
Sicherheitsdokument (42) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Ausgangsstoffen vorhandenen Nanoteilchen zu einem einen Größenquantisierungseffekt bewirkenden Teilchenwachstum neigen.
Sicherheitsdokument (42) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsstoffe Precursor zur Bildung von Nanoteilchen (21; 49) umfassen, die einen Größenquantisierungseffekt oder Formquantisierungseffekt oder Nanoteilchen-Konzentrationsquantisierungseffekt aufweisen.
Sicherheitsdokument (42) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsstoffe in eine Matrix eingebunden sind.
Sicherheitsdokument (42) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsstoffe Aktivatormaterial enthalten, das eine gute Laserabsorption aufweist.
Sicherheitsdokument (42) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsstoffe Precursor von Substanzen enthalten, die Nano-Kolloide ausbilden, deren Farbeindruck von einer lokalen Konzentration der Nano-Kolloide abhängig ist.