EP3331709B1

EP3331709B1 - Sicherheitselement mit subwellenlängengitter

Info

Publication number: EP3331709B1
Application number: EP16750612.0A
Authority: EP
Inventors: Hans Lochbihler
Original assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Priority date: 2015-08-06
Filing date: 2016-07-25
Publication date: 2019-09-11
Anticipated expiration: 2036-07-25
Also published as: CA2993901A1; KR20180037970A; CN107949484A; EP3331709A1; JP2018528486A; CN107949484B; WO2017021000A1; KR102511203B1; DE102015010191A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitselement zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das aufweist: ein dielektrisches Substrat, eine in das Substrat eingebettete, erste periodische Liniengitterstruktur aus mehreren längs einer Längsrichtung verlaufenden und in einer ersten Ebene angeordneten ersten Gitterstegen mit dazwischenliegenden ersten Gitterlücken und eine in das Substrat eingebettete, zweite Liniengitterstruktur gleicher Periode aus längs der Längsrichtung verlaufenden zweiten Gitterstegen mit dazwischenliegenden zweiten Gitterlücken, wobei sich die zweite Liniengitterstruktur bezogen auf die erste Ebene über der ersten Liniengitterstruktur in einer parallelen zweiten Ebene befindet und wobei die zweite Liniengitterstruktur zur ersten Liniengitterstruktur invertiert so ausgebildet ist, dass in Draufsicht auf die erste Ebene die zweiten Gitterstege über den ersten Gitterlücken und die zweite Gitterlücken über den ersten Gitterstegen liegen.
Sicherheitselemente mit periodischen Liniengittern sind bekannt, beispielsweise aus der DE 102009012299 A1 , DE 102009012300 A1 oder der DE 102009056933 A1 . Sie können im Subwellenlängenbereich Farbfiltereigenschaften aufweisen, wenn das Gitterprofil so ausgelegt ist, dass Resonanzeffekte im sichtbaren Spektralbereich auftreten. Solche Farbfiltereigenschaften sind sowohl für reflektierende als auch für transmittierende Subwellenlängenstrukturen bekannt. Diese Strukturen haben einen stark polarisierenden Einfluss auf die Reflexion bzw. die Transmission eines einfallenden Lichtstrahls. Die Farbe ist in Reflexion bzw. Transmission solcher Subwellenlängengitter relativ stark winkelabhängig. Jedoch schwächt sich die Farbsättigung für diese Gitter deutlich ab, wenn das einfallende Licht unpolarisiert ist.
Eindimensional periodische Gitter können Farbfiltereigenschaften im Subwellenlängenbereich aufweisen, wenn das Gitterprofil so ausgelegt ist, dass Resonanzeffekte im sichtbaren Wellenlängenbereich auftreten. Diese Farbfiltereigenschaften hängen vom Winkel des einfallenden Lichtes ab.
In der DE 3248899 C2 ist eine Subwellenlängenstruktur beschrieben, welche winkelabhängige farbfilternde Eigenschaften besitzt. Dieses Gitter hat im Querschnitt eine Rechteckform und ist mit einer hochbrechenden (HRI) Schicht bedampft, wobei für die Brechungsindizes gilt: n_HRI > n₂ und n₁≈n₂≈ n₃. Eine Farbänderung tritt bei einer Variation des Winkels Θ ein. Wenn das Gitter senkrecht zur Einfallsebene gekippt wird (Θ>0°; Φ=90°), bleibt die Farbe annährend konstant. Der Winkel Φ bezeichnet den Azimutwinkel. Das unter dem Namen DID ("Diffractive Identification Device") vermarktete Sicherheitselement basiert auf dieser Struktur und nutzt die Farbfiltereigenschaften in Reflexion. Es ist ein lichtabsorbierender Untergrund erforderlich, um einen Farbeffekt wahrzunehmen.
Die WO 2012/019226 A1 beschreibt geprägte Subwellenlängengitter ebenfalls mit einem Rechteckprofil, auf dessen Plateaus Metallpartikel bzw. metallische Nanopartikel aufgedruckt sind. Dieses Gitter zeigt Farb- bzw. Polarisationseffekte in Transmission.
Ferner sind Subwellenlängengitter als winkelabhängige Farbfilter bekannt, welche eine metallische bzw. halbmetallische Bi-Layer-Anordnung haben, z.B. aus der DE 102011115589 A1 oder aus Z. Ye et al., "Compact Color Filter and Polarizer of Bilayer Metallic Nanowire Grating Based on Surface Plasmon Resonances", Plasmonics, 8, 555-559 (2012), wobei die Metallisierung durch Aufdampfen realisiert und in ein Dielektrikum eingebettet ist. Der in DE 102011115589 A1 , die ein Sicherheitselement mit den oben genannten Merkmalen offenbart, beschriebene Ansatz basiert auf einer Anordnung von zwei Drahtgittern mit derselben Periode, die zueinander um eine halbe Periode verschoben sind und aus metallischen bzw. halbmetallischen (z.B. 70 nm dicken ZnS) Drähten bestehen.
Diese bekannte Subwellenlängenstruktur mit einer ca. 70 nm dicken ZnS-Beschichtung eignet sich als Farbfilter in Reflexion. Daher muss die Struktur zusätzlich auf einen lichtabsorbierenden Untergrund aufgebracht werden, um einen hinreichenden Farbkontrast zu erzielen, der dann in Reflexion sichtbar ist. Subwellengitter mit metallischen Beschichtungen zeigen eine relativ hohe Farbsättigung in Transmission. Aufgrund der Lichtabsorption im Metall erscheinen sie deshalb relativ dunkel.
Mit einem dünnen Metallfilm überzogene Sinusgitter können plasmonische Resonanzeffekte hervorrufen. Diese Resonanzen führen zu einer erhöhten Transmission in TM-Polarisation, vgl. Y. Jourlin et al. "Spatially and polarization resolved plasmon mediated transmission through continuous metal films"; Opt. Express 17, 12155-12166 (2009). Dieser Effekt kann durch eine zusätzliche dünne dielektrische Schicht noch optimiert werden, wie T. Tenev et al., "High Plasmonic Resonant Reflection and Transmission at Continous Metal Films on Undulated Photosensitive Polymer", Plasmonics (2013) offenbart. Das in WO 2012/136777 A1 beschriebene Sicherheitselement basiert auf diesem optischen Effekt.
In der WO 2014/033324 A2 werden ebenfalls transmissive Sicherheitselemente beschrieben, welche auf Subwellenlängengittern basieren und eine winkelabhängige Farbe zeigen. Dabei werden die optischen Eigenschaften von hochbrechend beschichteten Sinusgittern näher diskutiert.
Die bekannten zweidimensional periodischen Subwellenlängengitter mit nicht zusammenhängender Oberfläche zeigen zwar Farbfiltereigenschaften, haben jedoch eine große Winkeltoleranz. Ihr Farbton ändert sich daher beim Verkippen kaum.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Sicherheitselement anzugeben, das bei Durchsicht einen guten Farbeffekt zeigt, welcher sich beim Verkippen ändert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Sicherheitselement zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das aufweist:

ein dielektrisches Substrat,
eine in das Substrat eingebettete, erste periodische Liniengitterstruktur aus mehreren längs einer Längsrichtung verlaufenden und in einer ersten Ebene angeordneten ersten Gitterstegen mit dazwischenliegenden ersten Gitterlücken und
eine in das Substrat eingebettete, zweite Liniengitterstruktur gleicher Periode aus längs der Längsrichtung verlaufenden zweiten Gitterstegen mit dazwischenliegenden zweiten Gitterlücken,
wobei sich die zweite Liniengitterstruktur bezogen auf die erste Ebene über der ersten Liniengitterstruktur in einer parallelen zweiten Ebene befindet und
wobei die zweite Liniengitterstruktur zur ersten Liniengitterstruktur invertiert so ausgebildet ist, dass in Draufsicht auf die erste Ebene die zweiten Gitterstege über den ersten Gitterlücken und die zweite Gitterlücken über den ersten Gitterstegen liegen, wobei
das Sicherheitselement in Transmissionsbetrachtung einen Farbeffekt erzeugt und
die Gitterstege der ersten Liniengitterstruktur und die Gitterstege der zweiten Liniengitterstruktur jeweils aus einer Doppelschicht, aufgebaut aus einer Schicht aus hochbrechendem Material und einer Schicht aus metallischem Material, gebildet sind.

Das hochbrechende Material ist bevorzugt dielektrisch oder ein Halbleiter, z.B. Si, Ge, C.
Erfindungsgemäß wird ein Doppel-Liniengitter verwendet, das aus in zwei Ebenen übereinanderliegenden, komplementär zueinander angeordneten, d.h. gegeneinander verschobenen Liniengitterstrukturen besteht. Eine Phasenverschiebung von 90° ist der Idealwert, welcher natürlich im Rahmen der Fertigungsgenauigkeit zu sehen ist. Durch Fertigungstoleranzen können hier Abweichungen von der Komplementarität, also 90° Phasenverschiebung, entstehen. Weiter kann ein Rechteckprofil nicht perfekt ausgebildet, sondern durch ein Trapezprofil angenähert sein, dessen obere Parallelkante kürzer ist als die untere. Bei einer im Querschnitt rechteckigen Liniengitterstruktur entspricht die Phasenverschiebung einer halben Periode.
Die Liniengitterstrukturen sind aus einer Kombination einer Schicht aus hochbrechendem, dielektrischem oder halbmetallischem Material mit einer metallischen Schicht aufgebaut. Die Dicke der Gitterstege ist geringer als die Modulationstiefe, also als der Abstand der Ebenen der Liniengitterstrukturen, so dass sich kein geschlossener Film bildet. Deshalb ist der Abstand von erster und zweiter Ebene größer als die Summe aus (0,5 * erster Schichtdicke) und (0,5 * zweiter Schichtdicke).
Es zeigte sich, dass ein derart aufgebautes Gitter überraschenderweise in Transmissionsbetrachtung reproduzierbare und gut wahrnehmbare Farbeffekte beim Verkippen liefert.
Das Sicherheitselement kann einfach durch einen Schichtaufbau hergestellt werden, indem zuerst eine Grundschicht bereitgestellt wird, auf der die Doppelschicht der ersten Liniengitterstruktur ausgebildet wird. Darauf bringt man eine dielektrische Zwischenschicht auf, die die erste Liniengitterstruktur überdeckt und dicker als die Gitterstege der ersten Liniengitterstruktur ist. Darauf kann dann die verschobene zweite Liniengitterstruktur ausgebildet werden, und eine dielektrische Deckschicht bildet den Abschluss des die Liniengitterstruktur einbettenden Substrates. Alternativ kann auch in dem dielektrischen Substrat zuerst ein Subwellengitter ausgebildet, z. B. geprägt, werden, das ein Rechteckprofil im Querschnitt hat. Beschichtet, z. B. bedampft, man dieses mit den Materialien der Doppelschicht senkrecht, entsteht die Doppelschicht auf den Plateaus und in den Gräben, welche die zweiten und ersten Gitterstege bildet. Man hat damit die gewünschten ersten und zweiten Gitterstege in unterschiedlichen Ebenen.
Einen besonders guten Farbeffekt erhält man, wenn der vertikale Abstand zwischen den ersten und den zweiten Gitterstegen, also die Modulationstiefe der Struktur, zwischen 100 nm und 500 nm liegt. Bei der Abstandsmessung bezieht man sich auf die beiden Ebenen, die z.B. durch gleichweisende Flächen der ersten und zweiten Liniengitterstruktur definiert werden können, d.h. beispielsweise auf die Unterseite der Gitterstege oder die Oberseite der Gitterstege. Der vertikale Abstand ist dabei selbstverständlich senkrecht zur Ebene zu messen, bezeichnet also den Höhenunterschied zwischen gleichgerichteten Flächen der Gitterstege.
Als hochbrechendes Material für die Doppelschicht der Gitterstege kommen alle Materialien infrage, die gegenüber dem umgebenden Substrat, d.h. Material, eine höhere Brechzahl haben, insbesondere um mindestens 0,3 höher. Die Schichtreihenfolge in der Doppelschicht ist unerheblich; sie kann für die erste und die zweite Liniengitterstruktur auch verschieden sein.
Das Sicherheitselement zeigt eine winkelabhängige Farbfilterung bei Betrachtung in Transmission. Diese Winkelabhängigkeit ist besonders markant, wenn die Gitterlinien senkrecht zur Lichteinfallsebene stehen. Die Farbfilterung kann dazu verwendet werden, um Motive mehrfarbig so zu gestalten, dass sie mit der Verdrehstellung ihre Farbe ändern bzw. unterschiedliche Effekte beim Verkippen der Ebene zeigen. Es ist deshalb bevorzugt, dass in Draufsicht auf die Ebene mindestens zwei Bereiche vorgesehen sind, deren Längsrichtungen der Liniengitterstrukturen schräg zueinander liegen, insbesondere rechtwinklig sind. Bei senkrechter Betrachtung kann ein Motiv so gestaltet werden, dass es bei senkrechter Betrachtung eine einheitliche Farbe und keine weitere Struktur hat. Kippt man dieses Sicherheitselement nun, ändert sich die Farbe des einen Bereichs, beispielsweise des Hintergrundes, anders als die Farbe des anderen Bereichs, beispielsweise eines Motivs.
Natürlich sind auch Ausführungsformen mit mehreren unterschiedlich angeordneten Bereichen denkbar. So ist beispielsweise eine Weiterbildung vorgesehen, die mehrere Bereiche im Sicherheitselement aufweist, wobei die Bereiche sich voneinander hinsichtlich der Orientierung der Gitterlinien und/ oder Gitterperiode der Liniengitterstrukturen unterscheiden. Dadurch können Motive mit unterschiedlichen Farbeffekten in Transmissionsbetrachtung hergestellt werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielshalber anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine Schnittdarstellung eines Sicherheitselementes mit einem Doppel-Liniengitter, wobei jedes Liniengitter Gitterstege aus einer Doppelschicht aufweist,
Fig. 2a-b: die spektrale Abhängigkeit der Reflexion und Transmission des Sicherheitselementes der Fig. 1 bei Variation des Betrachtungswinkels,
Fig. 3a-b: die spektrale Abhängigkeit der Reflexion und Transmission des Sicherheitselementes der Fig. 1 bei Variation der Modulationstiefe h,
Fig. 4a-b: die spektrale Abhängigkeit der Reflexion und Transmission des Sicherheitselements der Fig. 1 bei Variation der Modulationstiefe und für eine andere Materialkombination als in Fig. 3a-b,
Fig. 5: Farbwerte im LCh-Farbraum für Reflexion und Transmission für das Sicherheitselement der Fig. 1 bei Variation einer Schichtdichte in der Doppelschicht und für verschiedene Betrachtungswinkel,
Fig. 6a-b: ein CIE-1931-Farbdiagramm für Reflexion und Transmission des Sicherheitselementes der Fig. 1 bei Variation einer Schichtdicke,
Fig. 7a-b: ein CIE-1931-Farbdiagramm für Reflexion und Transmission des Sicherheitselementes der Fig. 1 bei Variation des Betrachtungswinkels und für andere Schichtdicken als in Fig. 6a-b,
Fig. 8a-b: ein CIE-1931-Farbdiagramm für Reflexion und Transmission des Sicherheitselementes der Fig. 1 bei Variation des Betrachtungswinkels und für andere Schichtdicken als in Fig. 7a-b,
Fig. 9a-b: zwei Draufsichten auf ein Sicherheitselement, das als Motiv mit Gittern der Fig. 1, aber mit unterschiedlichen Orientierungen der Gitter gebildet ist, und
Fig. 10a-b: Darstellungen ähnlich der Fig. 9a-b für eine weitere Ausführungsform des Sicherheitselementes.

Fig. 1 zeigt in Schnittdarstellung ein Sicherheitselement S, das ein in ein Substrat eingebettetes Doppel-Liniengitter, bestehend aus zwei Liniengitterstrukturen 2, 6 aufweist. Das Substrat umfasst einen dielektrischen Träger 1, auf dem in eine dielektrischen Schicht, z. B. eine Prägelackschicht, eine erste Liniengitterstruktur 2 eingearbeitet ist, die in einer Ebene L1 angeordnet ist. Die erste Liniengitterstruktur 2 besteht aus ersten Gitterstegen 3 mit der Breite b, die sich längs einer senkrecht zur Zeichenebene liegenden Längsrichtung erstrecken. Zwischen den ersten Gitterstegen 3 befinden sich erste Gitterlücken 4, die eine Breite a haben.
Jeder Gittersteg 3 besteht aus einer Doppelschicht aus hochbrechendem Material 3a einer Dicke t4 und metallischem Material 3b einer Dicke t2. Die Dicke der ersten Gitterstege 3 (gemessen senkrecht zur Ebene L1) beträgt somit t2 + t4. In einer Höhe h über den ersten Gitterstegen 3 befindet sich in einer Ebene L2 eine zweite Liniengitterstruktur 6 mit zweiten Gitterstegen 7, ebenfalls aus der Doppelschicht aus hochbrechendem Material 7a einer Dicke t3 und metallischem Material 7b einer Dicke t1. Die zweiten Gitterstege 7 haben die Breite a. Die zweite Liniengitterstruktur 6 ist in der Ebene L2 so gegenüber der ersten Liniengitterstruktur 2 phasenverschoben, dass die zweiten Gitterstege 7 möglichst exakt (im Rahmen der Fertigungsgenauigkeit) über den ersten Gitterlücken 4 zu liegen kommen. Gleichzeitig liegen zweite Gitterlücken 8, die zwischen den zweiten Gitterstegen 7 bestehen, über den ersten Gitterstegen 3.
Die Dicke t2 + t4 der ersten Gitterstege 3 ist kleiner als die Höhe h, so dass kein zusammenhängender Film aus den Gitterstegen 3 und 7 gebildet ist. Die Höhe h stellt eine Modulationstiefe der Gitterstrukturen dar.
In der schematischen Schnittdarstellung der Fig. 1 ist die Breite b der ersten Gitterstege 3 gleich der Breite a der zweiten Gitterstege 7. Bezogen auf eine Periode d beträgt somit in jeder Liniengitterstruktur der Füllfaktor 50%. Dies ist jedoch nicht zwingend. Gemäß der Formel b + a = d kann eine beliebige Variation erfolgen.
Auch sind in der schematischen Schnittdarstellung der Fig. 1 die Dicken t2 = t4 und t1 = t3 sowie (t2+t4) = (t1+t3). Dies kommt einer einfacheren Herstellung zugute, ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
Die Modulationstiefe h, d.h. der Höhenunterschied zwischen der ersten Liniengitterstruktur 2 und der zweiten Liniengitterstruktur 6 (entsprechend dem Abstand der Ebenen L1 und L2), ist größer ist als die Summe der Dicken der ersten Gitterstege 3 und der zweiten Gitterstege 7, so dass ein vertikaler Abstand mit dem Maß h - (t2+t4) zwischen den beiden Liniengitterstrukturen 2 und 6 gegeben ist. Die Gitterstruktur kann als eine Anordnung von zwei Drahtgittern betrachtet werden, die dasselbe Profil haben und sich im Abstand h - (t2+t4) voneinander befinden.
Die Gitterstege 3, 7 sind in allen Ausführungsformen von einer Doppelschicht aus einem hochbrechenden, dielektrischen oder halbmetallischen Material 3a, 7a und einem metallischen Material 3b, 7b gebildet. Das hochbrechende Material hat die Brechungszahl n_HRI und ist von Dielektrika, nämlich einer dielektrischen Zwischenschicht 5 und einer dielektrischen Deckschicht 10, umgeben. In der Praxis unterscheiden sich die Brechzahlen dieser umgebenden Materialien meist kaum und sind annähernd n₁. Die Brechzahl n_HRI des hochbrechenden Materials liegt über der/ den des umgebenden Materials, z.B. um mindestens 0,3 absolut.
Das Sicherheitselement S der Fig. 1 reflektiert einfallende Strahlung E als reflektierte Strahlung R. Weiter wird ein Strahlungsanteil als transmittierte Strahlung T durchgelassen. Die Reflexions- und Transmissionseigenschaften hängen vom Einfallswinkel Θ ab, wie nachfolgend noch erläutert werden wird.
Die Herstellung des Sicherheitselementes S kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass auf den Träger 1 zuerst die erste Liniengitterstruktur 2 und darauf die Zwischenschicht 5 aufgebracht wird. In die dabei nach oben abgebildeten Gitterlücken 4 kann dann die zweite Liniengitterstruktur mit den zweiten Gitterstegen 7 eingebracht werden. Eine Deckschicht 10 deckt das Sicherheitselement ab. Die Brechzahlen der Schichten 5 und 10 sowie des Trägers 1 sind in einigen Ausführungsformen im Wesentlichen gleich und können beispielsweise etwa n₁ = 1,5, insbesondere 1,56 betragen.
Die Maße b, a und t1 bis t4 sind im Subwellenlängenbereich, d.h. kleiner als 300 nm. Die Modulationstiefe h beträgt bevorzugt zwischen 100 nm und 500 nm.
Es ist auch ein Herstellungsverfahren möglich, bei dem zuerst auf einer Oberseite des Trägers 1 ein Rechteckgitter hergestellt wird. Der Träger 1 wird also so strukturiert, dass Gräben der Breite a sich mit Stegen der Breite b abwechseln. Das strukturierte Substrat wird anschließend mit der gewünschten Beschichtung bedampft, so dass die ersten und zweiten Liniengitter und die ersten und zweiten Liniengitterstrukturen entstehen. Nach der Bedampfung wird schließlich die Struktur mit einer Deckschicht abgedeckt. Man erhält damit einen Schichtaufbau, bei dem die Ober- und Unterseite im Wesentlichen denselben Brechungsindex besitzen.
Das strukturierte Substrat kann auf verschiedene Arten erhalten werden. Eine Option ist die Reproduktion mit einem Master. Der Masterform kann z.B. nun in UV-Lack auf Folie, z.B. PET-Folie, repliziert werden. Man hat dann das Substrat 1 als dielektrisches Material, welches beispielsweise eine Brechzahl von 1,56 aufweist. Alternativ kommen auch Heißprägeverfahren infrage.
Der Master oder auch das Substrat selbst kann mithilfe einer e-Beam-Anlage, einem fokussierten Ionenstrahl oder durch Interferenzlithographie hergestellt werden, wobei die Struktur in einen Photolack geschrieben und anschließend entwickelt wird.
Die Struktur eines photolithographisch hergestellten Masters kann in einem Folgeschritt in ein Quarzsubstrat geätzt, werden, um möglichst senkrechte Flanken des Profils auszubilden. Der Quarzwafer dient dann als Vorform und kann, z.B. in Ormocer, umkopiert oder durch galvanische Abformung vervielfältigt werden. Ebenso ist eine direkte Abformung des photolithographisch hergestellten Originals in Ormocer bzw. in Nickel in einem galvanischen Verfahren möglich. Auch kann ein Motiv mit verschiedenen Gitterstrukturen in einem Nanoimprint-Verfahren ausgehend von einem homogenen Gittermaster zusammengesetzt werden.
Solche Herstellverfahren für Subwellenlängen-Gitterstrukturen und für Motive, bestehend aus unterschiedlichen Subwellenlängenstrukturen, sind dem Fachmann bekannt, z. B. aus der diesbezüglich vollumfänglich hier eingebundenen DE 102011115589 A1 .
Im Folgenden werden die optischen Eigenschaften des Sicherheitselementes exemplarisch für Aluminium und die hochbrechenden Materialien Zinksulfid (ZnS) und Titandioxid (TiO₂) im sichtbaren Wellenlängenbereich diskutiert. Das umgebende Material ist Polymer mit Brechungsindex n=1,52. Ferner wird angenommen, dass die Profilgeometrie der Gitterstege rechteckig ist. In der Praxis vorkommende kleine Abweichungen von dieser idealen Rechteckform, wie z. B. eine Trapezform, haben keinen großen Einfluss auf die optische Erscheinung und führen zu ähnlichen Ergebnissen wie für Rechteckgitter. Fig. 2a und 2b zeigen die spektrale Reflexion (Fig. 2a) sowie die Transmission (Fig. 2b) für ein Gitter mit den Parametern d = 360 nm, h = 220 nm, b = 180 nm, und den Beschichtungen t_Al = 30 nm und t_ZnS = 160 nm. Das einfallende Licht ist unpolarisiert.
Fig. 2a zeigt auf der y-Achse die Reflexion als Funktion der auf der x-Achse aufgetragenen Wellenlänge für verschiedene Einfallswinkel, nämlich 0°, 15° und 30°. Fig. 2b zeigt analog die Transmission. Der Einfallswinkel Θ ist in Fig. 1 definiert.
Die spektrale Reflexion zeigt für senkrechten Lichteinfall zwei ausgeprägte Dips bei 404 nm bzw. bei 672 nm, wobei sich der langwellige Dip als Peak im Transmissionsspektrum wiederfindet. Für zunehmende Einfallswinkel verschiebt sich dieser Peak in den langwelligen Bereich, und es treten weitere Peaks im Transmissionsspektrum auf, welche eine winkelabhängige Dispersion haben.
Die Figuren 3a und 3b betreffen den Einfluss der Modulationstiefe h auf das Transmissionsspektrum. Die Figur zeigt die Transmission als Funktion der Wellenlänge im Sichtbaren für ein Gitter mit den Beschichtungen t_Al = 30 nm und t_ZnS = 140 nm für den senkrechten Lichtfall (Fig. 3a) und für den Einfallswinkel Θ = 30° (Fig. 3b). Die Modulationstiefe ist zwischen 180 nm und 240 nm variiert. Für den senkrechten Einfall sind drei Peaks erkennbar, wobei die zwei kurzwelligen Peaks durch die Variation der Modulationstiefe in ihrer Ausprägung deutlich beeinflusst werden. Die Intensität im blauen Peak steigt stark an und verschiebt sich ins Grüne, während die Intensität des Peaks bei der Wellenlänge 560 nm stark abnimmt. Für den Einfallswinkel Θ = 30° ist die Lage der Peaks im Sichtbaren nahezu unverändert, wenn die Modulationstiefe h variiert wird. Das Gitter hat die Parameter d = 360 nm, b = 180 nm und die Beschichtung t_Al = 30 nm und t_ZnS = 140 nm, eingebettet in ein Dielektrikum mit n = 1,52 und Modulationstiefen h = 180 nm - 240 nm.
Die Figuren 4a und 4b beziehen sich auf den Einfluss des hochbrechenden Materials auf das Beugungsverhalten des Gitters. Die Figur zeigt die Transmissionsspektren eines Gitters mit den Parametern von Fig. 3, jedoch einer 140 nm dicken Beschichtung mit TiO₂ anstelle von ZnS. Der Blauanteil im Spektrum ist hier deutlich höher, da TiO₂ eine wesentlich geringere Absorption im Blauen hat. Außerdem ist die Transmission im Roten insgesamt höher. Die Resonanz ist in diesem Wellenlängenbereich für Θ = 30° schwächer ausgeprägt, was auch zu einer geringeren Lichtabsorption führt.
Zur Untersuchung der Farbeigenschaften dieser Sicherheitselemente im LCh-Farbraum wurden die Transmissions- bzw. Reflexionsspektren mit der Emissionskurve einer D65-Normlampe und der Empfindlichkeit des menschlichen Auges gefaltet und die Farbkoordinaten X, Y, Z errechnet. Die D65-Beleuchtung entspricht etwa Tageslicht. Die XYZ-Koordinaten wurden anschließend in die Farbwerte LCh umgerechnet. Diese Werte können direkt dem menschlichen Empfinden bei der Farbwahrnehmung eines Betrachters zugeordnet werden:

L*: Helligkeit,
C*: Buntheit (= Farbsättigung) und
h°: Farbton.

Fig. 5 zeigt die LCh-Farbdiagramme eines Sicherheitselements (links in Reflexion und rechts in Transmission) mit den Parametern d = 360 nm, h = 210 nm, b = 180 nm als Funktion der Dicke t3 = t4 der ZnS-Beschichtung 3a, 7a für die Einfallswinkel Θ = 0° und 30°. Hier zeigt sich, dass eine ZnS-Schichtdicke von ca. 160 nm zu einer besonders starken Änderung der Buntheit in Transmission beim Verkippen, d.h. Ändern des Winkels Θ, führt. Die Änderung des Farbtons wird dagegen für zunehmende Dicken größer.
Die Werte von Fig. 5 wurden in x, y Farbkoordinaten umgerechnet und sind in Fig. 6a, b im CIE-1931-Farbraum dargestellt. Der Weißpunkt ist mit "WP" gekennzeichnet. Das Dreieck begrenzt den Farbbereich, der üblicherweise mit Bildschirmen dargestellt werden kann. Im Diagramm sind die Farbkoordinaten als Trajektorien dargestellt. Der Endpunkt der Dicke tzns = 200 nm ist mit einem punktförmigen Symbol gekennzeichnet. In Reflexion ändert sich der Farbton durch die Variation der Schichtdicke von ZnS. Beim Kippen von 0° auf 30° kommt es zu einer Farbänderung zwischen Gelb und Rot. In Transmission hingegen wird ein relativ großer Bereich des Farbraums durch die Variation der ZnS-Dicke abgedeckt. Während ein Aluminiumgitter gemäß DE 102011115589 A1 ohne zusätzliche ZnS-Beschichtung einen Farbkippeffekt von Gelb nach Magenta zeigen würde, erscheinen bei einem Gitter mit einer 180 nm ZnS-Beschichtung diese Farben nahezu in umgekehrter Reihenfolge.
Die Farbeigenschaften der Reflexion sind in Fig. 7a und das Farbdiagramm der Transmission ist in Fig. 7b dargestellt für ein Sicherheitselement mit den Parametern d = 360 nm, h = 220 nm, b = 180 nm und den Schichtdicken t_Al = 30 nm und t_ZnS = 160 nm, eingebettet in ein Dielektrikum mit n = 1,52. Fig. 7a, b zeigt die CIE-1931-Farbdiagramme in Reflexion (Fig. 7a) und in Transmission (Fig. 7b), in welche die Farbkoordination als Funktion des Einfallswinkels Θ von 0° bis 30° eingezeichnet ist. Hierbei wurde die Beleuchtung des Sicherheitselementes mit der Schichtreihenfolge von Fig. 1 sowie ein Sicherheitselement mit umgedrehter Schichtreihenfolge, äquivalent mit der Beleuchtung von der Rückseite untersucht. Die Trajektorie der Beleuchtung der Vorderseite ist mit "V", die zugehörige Trajektorie der rückseitigen Beleuchtung ist mir "R" gekennzeichnet. Es sei darauf hingewiesen, dass die Transmission für diese beiden Fälle aufgrund der Reziprozität des Lichtweges identisch ist. In Transmission tritt ein ausgeprägter Farbkippeffekt von Blau nach Grün auf. In der Reflexion ist die Farbänderung wesentlich schwächer. Jedoch ist die reflektierte Farbe der Vorderseite deutlich von der der Rückseite unterscheidbar. Dieser Effekt erhöht zusätzlich die Fälschungssicherheit beim Einsatz solcher Gitterstrukturen als Sicherheitsmerkmal.
Fig. 8a und 8b zeigen die x, y Farbkoordinaten eines Sicherheitselements ähnlich zu dem der Fig. 7a und 7b, jedoch mit anderen Gitterparametern. Die Daten sind ebenfalls in Farbdiagrammen für Reflexion und Transmission als Funktion des Einfallswinkels Θ = 0°- 30° dargestellt. Im Gegensatz zu den Fig. 7a und 7b beträgt hier die Gitterperiode d = 320 nm. Das Verhältnis b/d ist ebenfalls 0,5. Die Schichtdicken sind t_Al = 30 nm und t_ZnS = 120 nm. Der grüne Farbton in Reflexion ändert sich beim Kippen kaum. Es variiert in erster Linie die Farbsättigung. In Transmission hingegen ändert sich der Farbton von Rot zu Blau bei hoher Farbsättigung. Hier zeigt sich im Vergleich mit dem Sicherheitselement der Fig. 7, dass durch die Veränderung der Gitterparameter, insbesondere der Dicke der hochbrechenden Schicht sowie der Gitterperiode, die Kippfarbe in Transmission gewählt werden kann.
Aufgrund der Tatsache, dass keine Farbänderung beim Kippen senkrecht zur Einfallsebene auftritt, kann ein Sicherheitsmerkmal so grafisch ausgestaltet werden, dass ein Motiv 15 bei senkrechter Betrachtung nicht zu sehen ist und es erst beim Kippen erscheint. Dies kann so erfolgen, indem zwei Gitterbereiche 14, 15 mit demselben Gitterprofil um 90° verdreht zueinander angeordnet sind. Diese Anordnung ist in Fig. 9a und b gezeigt.
Die Gitterlinien des den Hintergrund bildenden Bereichs 14 verlaufen senkrecht, die Gitterlinien im das Motiv bildenden Bereich 15 dagegen horizontal. Wenn nun das Sicherheitselement um die horizontale Achse gekippt wird, erscheint das Motiv. Es sind auch weitere Orientierungen von Bereichen denkbar. Durch fein abgestuft orientierte Bereiche können z.B. auch Laufeffekte in Transmission erzeugt werden. Hierzu wird exemplarisch auf die DE 102011115589 A1 verwiesen. Weiter ist es auch möglich, Motive durch Bereiche mit unterschiedlichen Profilen, z. B. Perioden der Gitterstruktur, zu gestalten.
Weiter kann die metallische Schicht bzw. die hochbrechende Schicht nicht vollflächig, sondern nur in bestimmten Gitterbereichen ausgebildet sein. Figuren 10a und b zeigen ein Motiv eines Schmetterlings und der Zahl "12", wobei die quadratische Fläche um die Zahl "12" keine zusätzliche hochbrechende Beschichtung enthält (Bereich 16 in Fig. 10b). Bei senkrechter Betrachtung sind die Motive Schmetterling und die Zahl "25" nicht zu sehen, jedoch erscheinen die Bereiche 16 und 17 in unterschiedlichen Farben. Beim Kippen erscheint zusätzlich das Motiv.
Das Sicherheitselement kann als Durchsichtsfenster von Banknoten dienen. Es kann auch teilweise farblich überdruckt sein. Ein oder beide Materialien der Doppelschicht können auch teilweise, z.B. durch Laserbestrahlung mit ultrakurzen Pulsen, entfernt sein. Weiter ist eine Kombination mit hochbrechenden transparenten Hologrammen möglich. Solche Hologramme können auch als Reflexionsmerkmale wirken. Ein Teil des Sicherheitselements S kann sich auf einem absorbierenden Untergrund befinden, so dass dieser Teil nur als reflektierendes Merkmal dient und einen Kontrast zu dem anderen Teil des Sicherheitselements S bildet, der im Bereich des Durchsichtsfensters liegt. Das Sicherheitselement kann insbesondere als Durchsichtsfenster von Banknoten oder anderen Dokumenten dienen. Es kann auch teilweise farblich überdruckt sein bzw. die Gitterbereiche können bereichsweise demetallisiert sein oder ohne Liniengitter ausgestaltet werden, so dass ein solcher Bereich vollständig metallisiert ist. Es sind auch Kombinationen mit diffraktiven Gitterstrukturen, wie Hologrammen, denkbar.

Bezugszeichenliste

1: Träger bzw. Substrat
2: erste Liniengitterstruktur
3: erster Gittersteg
3a: hochbrechendes Material
3b: Metall
4: erste Gitterlücke
5: Zwischenschicht
6: zweite Liniengitterstruktur
7: zweiter Gittersteg
7a: hochbrechendes Material
7b: Metall
8: zweite Gitterlücke
10: Deckschicht
14-17: Bereich
h: Modulationstiefe bzw. Höhe
t1, t2, t3, t4: Beschichtungsdicke
a, b: Steg- bzw. Lückenbreite
d: Periode
S: Sicherheitselement
L1, L2: Ebene
E: einfallende Strahlung
R: reflektierte Strahlung
T: transmittierte Strahlung
Θ: Einfallswinkel

Claims

Sicherheitselement zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das aufweist:
- ein dielektrisches Substrat (1, 12, 10),

- eine in das Substrat (1, 12, 10) eingebettete, erste periodische Liniengitterstruktur (2) aus mehreren längs einer Längsrichtung verlaufenden und in einer ersten Ebene (L1) angeordneten ersten Gitterstegen (3) mit dazwischenliegenden ersten Gitterlücken (4) und

- eine in das Substrat (1, 12, 10) eingebettete, zweite Liniengitterstruktur (6) gleicher Periode (d) aus längs der Längsrichtung verlaufenden zweiten Gitterstegen (7) mit dazwischenliegenden zweiten Gitterlücken (8),

- wobei sich die zweite Liniengitterstruktur (6) bezogen auf die erste Ebene (L1) über der ersten Liniengitterstruktur (2) in einer parallelen zweiten Ebene (L2) befindet,

- wobei die zweite Liniengitterstruktur (6) zur ersten Liniengitterstruktur (2) invertiert so ausgebildet ist, dass in Draufsicht auf die erste Ebene (L1) die zweiten Gitterstege (7) über den ersten Gitterlücken (4) und die zweite Gitterlücken (8) über den ersten Gitterstegen (3) liegen, und

- das Sicherheitselement (S) in Transmissionsbetrachtung (T) einen Farbeffekt erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Gitterstege (3) der ersten Liniengitterstruktur (2) und die Gitterstege (7) der zweiten Liniengitterstruktur (6) jeweils aus einer Doppelschicht, aufgebaut aus einer Schicht aus hochbrechendem Material (3a, 7a) und einer Schicht aus metallischem Material (3b, 7b), gebildet sind.
Sicherheitselement nach Anspruch 1, wobei das hochbrechende Material (3a, 7a) eine Brechzahl hat, die um mindestens 0,3 höher ist, als die des umgebenden Substrats (1, 12, 10).
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, wobei die Periode (d) von 200 bis 700 nm beträgt.
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, wobei das hochbrechende Material (3a, 7a) ausgewählt ist aus: Si, Ge, C, ZnS, ZnO, ZnSe, SiNx, SiOx, Cr2O3, Nb2O5, Ta2O5, TixOx und ZrO2, und wobei das metallische Material (3b, 7b) ausgewählt ist aus: Al, Ag, Au, Cu, Cr und Legierungen daraus.
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, wobei der Abstand (h) zwischen den Ebenen (L1, L2) von 100 nm bis 500 nm beträgt.
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, wobei das Sicherheitselement (S) in Draufsicht auf die Ebene (L1) mindestens zwei Bereiche (14, 15) aufweist, deren Perioden (d) sich unterscheiden.
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, wobei das Sicherheitselement in Draufsicht auf die Ebene (L1) mindestens zwei Bereiche (14, 15) aufweist, deren Richtungen der Gitterstege (3, 7) sich unterscheiden, bevorzugt um 90 Grad.
Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, das als Durchsichtselement, insbesondere als Fensterelement für ein Wertdokument ausgebildet ist.
Wertdokument mit einem Sicherheitselement (S) nach einem der obigen Ansprüche, wobei das Wertdokument ein Fenster oder einen zur Transmissionsbetrachtung vorgesehenen Bereich aufweist, das/ den das Sicherheitselement (S) überdeckt.