EP3595913A1 - Sicherheitselement mit reflektiven farbfiltereigenschaften - Google Patents

Sicherheitselement mit reflektiven farbfiltereigenschaften

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EP3595913A1
EP3595913A1 EP18713789.8A EP18713789A EP3595913A1 EP 3595913 A1 EP3595913 A1 EP 3595913A1 EP 18713789 A EP18713789 A EP 18713789A EP 3595913 A1 EP3595913 A1 EP 3595913A1
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EP
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elevations
security element
step height
profile structure
color
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Pending
Application number
EP18713789.8A
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English (en)
French (fr)
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Hans Lochbihler
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Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Original Assignee
Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a security element with reflective color filter properties for the production of value documents, such as banknotes, checks or the like, which has a profile structure which has elevations over a base area and has a metallic upper side.
  • the invention further relates to a production method for a security element for the production of value documents, such as banknotes, checks or the like, wherein a profile structure is produced which has elevations over a base surface and has a metallic upper side.
  • Subwavelength gratings can be used to produce color effects at the finest spatial resolution. From the generic
  • DE 102011101635 A1 discloses a 2-dimensional periodic nanostructure which delivers colors in reflection and in transmission. This is an embossed structure which is vapor-deposited only with an aluminum layer.
  • the disadvantage is that such nanostructures for series production with high structural integrity at low defect rate must be able to be molded.
  • Known nanostructures for color effects often have an aspect ratio greater than 1 and periods of less than 300 nm. For these structures, the embossing process for defect-free duplication is a challenge.
  • Aztec structures are known in the literature (see US 20080309996 A1, JJ Cowan, "Aztec surface-relief volume diffractive structure.”, JOSA A, 7.8 (1990): 1529-1544). These staircase-shaped relief structures are arranged such that the light paths from adjacent ones Stairs form a path difference and interfere. This retardation leads to constructive for certain wavelengths to destructive for other wavelengths. The light interference is used in these writings to form volume holograms. Furthermore, it is known that phase holograms can also be formed therewith (compare US 4,888,260 Bl, E. Hasman et al., "Efficient multilevel phase holograms for C0 2 lasers", Optics letters, 16.6 (1991): 423-425).
  • the invention has for its object to develop an embossed structure, which is easier to manufacture and yet shows a good color effect.
  • the security element provides reflective color filter properties that can be used to produce value documents, such as banknotes, checks or the like. can be used to protect against counterfeiting. It has a profile structure that has elevations over a base area. An upper side of the profile structure is metallic, whereby the entire profile structure can also be metallic.
  • the elevations are each seen in cross-section at least one stage. They have a step height that is uniform at least in areas and is between 100 nm and 350 nm.
  • the surveys are distributed in location and / or extent on the floor area quasi-statistically. In a preferred embodiment, the surveys are multi-level and have two to twenty levels.
  • the one- or multi-stage properties of the elevations are also shown by the fact that the top surfaces of the elevations are parallel to the base area. In the case of a multi-level structure, the top surfaces in the steps correspond to the treads of a conventional staircase. Even the highest level of the survey is parallel to the base area.
  • one-step describes a survey that has only one step from the base to the single top surface, the number of steps being equal to the number of levels for top surfaces, for a single-level survey there is only one top surface at one level
  • the step height is constant within a survey.
  • the aperiodic and in particular quasi-statistical arrangement of the surveys with respect to position and / or extent on the base surface leads to surprisingly bright colors in reflection.
  • the surveys are at least partially uniform in terms of step height; optionally also with regard to the number of steps. From- stretching the surveys need not be uniform. It turned out that the step height influences the reflected color. The number of levels has an influence on the spectral broadband of the color reflection. A partial variation of the step height (and optionally the number of steps) makes it possible to create areas of different color reflections in the security elements and thus to code a motif.
  • the security element can be produced by simple stamping processes. It is particularly favorable here to form the profile structure in a transparent material and then, in order to obtain the metallic surface, to coat it with a metal layer. Alternatively, the profile structure can already be formed directly in a metallic material, so that it is not only metallic on the surface. With regard to preferred color filter properties as well as low contamination, it is preferable to embed the profile structure in a transparent dielectric and thus to provide the dialectic also on the metallic top. The term "top" is thus not necessarily related to an exposed surface, but on the top of the tread structure, if it is considered that the elevations rise above the base.
  • the security element can in particular be part of a not yet executable precursor to a value document, which additionally may have further authenticity features.
  • Documents of value are understood here to mean documents that are to be protected against counterfeiting or forgery.
  • Banknotes, banknotes, chip or security cards, such as bank or credit cards or identity cards, are examples of such value documents.
  • the security element can in particular be used in a security tearing, security tape, security tape, patch or label.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a banknote with a security feature, a sectional view through the security feature in a first embodiment
  • Fig. 3 is a sectional view through the security feature
  • Fig. 4 is a sectional view through the security feature
  • 5 is a sectional view through the security feature in a fourth embodiment
  • 6 is a schematic diagram for illustrating the color-filtering effect of the security element
  • Fig. 7 is a schematic representation for illustrating the
  • FIGS. 11 and 12 CIE color diagrams for different embodiments of the security element
  • Fig. 17 is an enlarged plan view of the security element of
  • Fig. 1 shows a banknote 1 with a security element 2, which was applied in the present case as a patch on a banknote paper.
  • the security element 2 provides a motif consisting of a foreground element, in this case a star 3, and a background 4 delimited therefrom. Star 3 and background 4 are formed by the fact that the structure of the security element described below differs in geometric parameters, which are also explained below.
  • FIG. 2 shows a sectional view through the structure of the security element 2.
  • a profile structure 6 is arranged on a substrate 5.
  • Fig. 2 shows the cross-sectional view.
  • the profile structure 6 comprises a multiplicity of elevations 7, which are arranged at an irregular and quasi-statistically distributed distance from one another.
  • the elevations 7 of the profile structure 6 are formed stepped. They have a top surface 8 and, since they are in two stages in the embodiment shown in FIG. 2, also a further parallel step surface 9.
  • the elevations 7 are located above a base surface 10. Both top surface 8 and parallel surface 9 are parallel to Base area 10.
  • the step widths are labeled bi and bi. They are the same in the illustration of FIG. 2 and constant over all elevations 7. As will be explained below, this constancy is not absolutely necessary, but the step widths may be varied in embodiments.
  • the step heights 1 1 and t 2 are always identical. Between different elevations 7, they can vary. This will also be explained below.
  • the elevations 7 and the base 10 are metallic at the top. This can be done by, as shown in Fig. 2, both the base 10 and the elevations 7 are formed from a corresponding metallization.
  • the uniform step height within an elevation 7 is between 100 nm and 350 nm. In this area, metallization layers can be produced without problems and structured, for example, by lithography.
  • Fig. 3 shows a modification of the embodiment of Fig. 2.
  • the second embodiment shown there differs on the one hand with respect to the structure of the profile structure 6, on the other hand in that the profile structure is completely embedded in a dielectric.
  • Form is the profile structure 6 formed by the fact that on the substrate 5, not a metallization was applied, but an embossing lacquer 10. This is provided by an embossing process with the geometry of the profile structure 6 and then coated with a metallization 12 to the metalized upper side to produce the profile structure 6. Subsequently, the profile structure 6 is provided with a lamination 14 and covered with a cover sheet 15.
  • the profile structure 6 thus has a dielectric VM on its upper side due to the metal layer 12 and is embedded in a dielectric material with the refractive indices m, n 2 and n 3 .
  • FIGS. 2 and 3 respectively, show an optional feature that is suitable for all constructions of the security element 2, namely that the step widths b are chosen such that the adjacent area proportions of the individual steps are approximately equal. It has been found that this achieves the best possible color effect.
  • FIGS. 4 and 5 show illustrations of a third and fourth embodiment corresponding to FIGS. 2 and 3.
  • the elevations 7 are formed with five stages.
  • the step heights h to ts of these five stages are again uniform.
  • FIG. 9 shows spectrally the degree of reflection R, wherein, unlike the third embodiment, the elevations 7 in the case of that examined in FIG.
  • Profile structure 6 are arranged periodically with a fixed distance d.
  • the distance d is varied in Fig. 8; the step height is uniformly 150 nm.
  • the curves show a pronounced maximum in blue light, namely a wavelength of 450 nm. The position of this maximum is independent of the period d.
  • the longer-wavelength light component of the zeroth diffraction order is suppressed for increasing periods and intensifies the color saturation in the blue. This shows that a periodic arrangement of the elevations 7 is disadvantageous. It is therefore provided in the embodiments that the bumps are non-periodically, e.g. B. quasi-statistically arranged.
  • FIG. 9 shows the zeroth-order spectral reflectance, again for an aluminum metallization of a two-stage tread structure with a uniform step height, wherein the step height in FIG. 9 is varied. It can be clearly seen that, as already explained with reference to FIG. 7, the step height clearly the color of the reflected radiation R sets. The mentioned step heights form the colors blue, green and red.
  • FIG. 10 shows the same conditions for a profile structure 6 with five-step elevations 7 and otherwise identical geometry parameters. It turns out that the higher number of steps produces sharper reflection maxima.
  • FIGS. 11 and 10 show the color characteristics of the profile structures measured in FIGS. 9 and 10 in the CIE-1931 color space.
  • the color properties were obtained by folding the calculated reflection spectra with the emission curve of a D65 standard lamp and the sensitivity of the human eye and converting them into color coordinates x, y, z.
  • the diagrams show that in both cases the profile structure 6 with stepped elevations 7 represents the RGB colors. It can also be seen that the five-step survey profile analyzed in FIG. 12 provides a particularly saturated green hue.
  • FIG. 3 shows the influence of the angular dependence on reflected radiation R.
  • Two angles of incidence, 0 ° and 30 °, are plotted.
  • FIG. 13 is based on a profile structure with four-step elevations. The step height is again 150 nm. The maximum in the blue is hardly displaced by tilting by 30 °.
  • Figure 14 shows the ratios in the CIE-1931 color chart for step heights of 150 nm, 180nm and 210nm. The three colors blue, green and red are preserved when tilted in hue. It shows a high angular tolerance of the reflected colors. This is particularly advantageous for generating a motif, in particular when viewing in ambient conditions, which usually include diffused light. A high angle dependence of the reflected colors would become a unwanted color mixing and thus lead to a significant weakening of a color effect.
  • the colors obtained in reflection are characterized by the step height t and the refractive index of the surrounding dielectric.
  • the step width b and the individual distances have a minor influence, as long as a periodic arrangement is avoided.
  • FIG. 15 shows an embodiment of the security element 2 which has single-level elevations 7 in the profile structure 6, which are arranged aperiodically and are distributed in a quasistatic manner.
  • Fig. 16 shows the same conditions for two-stage surveys, wherein at the same time the step width is varied within the surveys.
  • FIG. 17 shows a plan view of the security element 2 of FIG. 1, here with a profile structure according to FIG. 15. The elevations 7 in both spatial directions are arranged aperiodically, with different step heights being selected for the star 3 and the background 4. Of course, this does not show the top view of FIG. 17.
  • the dividing line which is entered in the figure between the region of the star 3 and the background 4, serves only to clarify the range limits, since the step height is not recognizable in the plan view.
  • Multistage elevations are typically obtained by a multi-stage etching process or a multi-stage embossing die in the event that the tread structure is produced by embossing in a material to be embossed, such as a UV-curable embossing lacquer.
  • the advantage of the security feature is that the color can already be achieved with a simple metal coating. Elaborate multi-layered structures with different refractive indices are no longer required, as would be required with the multi-layer layer system.
  • the profile structures can realize high-resolution motifs with very good resolution, since the spatial resolution can be set very precisely by the embossing process. In particular, optical effects of the individual regions can thus be realized in perfect register with one another. In this way, spatial effects, motion effects and colored motifs can be combined in a single security feature.

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Abstract

Ein Sicherheitselement (2) mit reflektiven Farbfiltereigenschaften zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten (1), Schecks oder dergleichen, weist eine Profilstruktur (6) auf, die Erhebungen (7) über einer Grundfläche (10) hat und eine metallische Oberseite aufweist. Die Erhebungen (7) haben eine zur Grundfläche (10) parallele Deckfläche (8) und sind im Querschnitt gesehen jeweils mindestens einstufig gebildet und hinsichtlich Lage und/ oder Ausdehnung auf der Grundfläche (10) quasistatistisch verteilt. Die Stufenhöhe (t) beträgt zwischen 100 nm und 350 nm.

Description

S i c h e r he i t s e l e me n t m i t re f l ek t i v e n F a rb f i l te r e i g e n s c haf te n
Die Erfindung betrifft ein Sicherheitselement mit reflektiven Farbfiltereigenschaften zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das eine Profilstruktur aufweist, die Erhebungen über einer Grundfläche hat und eine metallische Oberseite aufweist. Die Erfindung betrifft weiter ein Herstellungsverfahren für ein Sicherheitselement zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, wobei eine Profilstruktur erzeugt wird, die Erhebungen über einer Grundfläche hat und eine metallische Oberseite aufweist. Subwellenlängengitter können zur Erzeugung von Farbeffekten bei feinster Ortsauflösung verwendet werden. Aus der gattungsbildenden
DE 102011101635 AI ist eine 2-dimensional periodische Nanostruktur bekannt, welche Farben in Reflexion und in Transmission liefert. Es handelt sich hierbei um eine Prägestruktur, welche nur mit einer Aluminiumschicht bedampft ist. Nachteilhaft ist, dass derartige Nanostrukturen für die Serienproduktion mit hoher Strukturtreue bei geringer Defektrate abformbar sein müssen. Bekannte Nanostrukturen für Farbeffekte haben vielfach ein Aspektverhältnis größer als 1 und Perioden kleiner als 300 nm. Für diese Strukturen ist der Prägeprozess zur defektfreien Vervielfältigung eine Herausf or- derung.
In der Literatur sind weitere sogenannte Azteken-Strukturen bekannt (vgl. US 20080309996 AI; J.J. Cowan, "Aztec surface-relief volume diffractive structure.", JOSA A, 7.8 (1990): 1529-1544). Diese treppenförmigen Reli- efstrukturen sind so angeordnet, dass die Lichtpfade von benachbarten Treppen einen Gangunterschied ausbilden und interferieren. Dieser Gangunterschied führt für bestimmte Wellenlängen zu konstruktiver, für andere Wellenlängen zu destruktiver Überlagerung. Die Lichtinterferenz wird in diesen Schriften benutzt, um Volumenhologramme auszubilden. Weiter ist bekannt, dass damit auch Phasenhologramme gebildet werden können (vgl. US 4888260 Bl; E. Hasman et al., "Efficient multilevel phase holograms for C02lasers ", Optics letters, 16.6 (1991): 423-425). Ferner gibt es Versuche, durch solche Strukturen die blaue Farbe des Morpho-Schmetterlings nachzustellen (vgl. JJ. Cowan, " Advances in holographic replication with the Aztec structure", Proc. Internat. Conf. Holography, (2006); S. Kinoshita et al., "Phys- ics of structural colors.", Reports on Progress in Physics, 71.7 (2008): 076401). Die WO 2015188908 AI beschreibt ein Verfahren, um Sicherheitselemente mit winkelunabhängigen Strukturfarben herzustellen. Die Farben werden durch zufällig angeordnete Mikrokugeln, welche beschichtet sind, gebildet. A. Yetisen et al., "Color-Selective 2.5 D Holograms on Large-Area Flexible
Substrates for Sensing and Multilevel Security.", Advanced Optical Materials, 4.10 (2016): 1589-1600, zeigen eine Anwendung von farbselektiven Hologrammen als Sicherheitsmerkmale, welche auf treppenförmigen Strukturen basieren und in einem Prägeverfahren auf flexible Substrate vervielfältigt werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Prägestruktur zu entwickeln, welche einfacher herzustellen ist und dennoch einen guten Farbeeffekt zeigt.
Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1, 6 und 7 definiert.
Das Sicherheitselement stellt reflektive Farbfiltereigenschaften bereit, die zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder derglei- chen, verwendet werden können, um diese vor Fälschungen zu sichern. Es weist eine Profilstruktur auf, die Erhebungen über einer Grundfläche hat. Eine Oberseite der Profilstruktur ist metallisch, wobei auch die gesamte Profilstruktur metallisch sein kann. Die Erhebungen sind jeweils im Querschnitt gesehen mindestens einstufig ausgebildet. Sie haben eine Stufenhöhe, die mindestens bereichs weise einheitlich ist und zwischen 100 nm und 350 nm beträgt. Die Erhebungen sind in Lage und/ oder Ausdehnung auf der Grundfläche quasi-statistisch verteilt. In einer bevorzugten Weiterbildung sind die Erhebungen mehrstufig und haben zwei bis zwanzig Stufen. Die ein- oder mehrstufigen Eigenschaften der Erhebungen zeigen sich auch daran, dass die Deckflächen der Erhebungen parallel zur Grundfläche liegen. Im Falle eines mehrstufigen Aufbaus entsprechen die Deckflächen in den Stufen dabei den Trittflächen einer herkömmlichen Treppe. Auch das oberste Niveau der Erhebung ist parallel zur Grundfläche.
Der Begriff„einstufig" beschreibt eine Erhebung, die nur eine einzige Stufe von der Grundfläche zur einzigen Deckfläche hat. Die Stufenanzahl ist damit identisch mit der Anzahl an Niveaus für Deckflächen. Bei einer einstufigen Erhebung gibt es nur eine Deckfläche auf einem Niveau. Bei einer mehrstufi- gen Erhebung gibt es mehrere Deckflächen, wobei der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Deckflächen in einer Erhebung immer gleich ist. Mit anderen Worten, die Stufenhöhe ist innerhalb einer Erhebung konstant.
Die aperiodische und insbesondere quasistatistische Anordnung der Erhe- bungen hinsichtlich Lage und/ oder Ausdehnung auf der Grundfläche führt zu überraschend hellen Farben in Reflektion.
Die Erhebungen sind mindestens bereichsweise hinsichtlich der Stufenhöhe einheitlich; optional auch zusätzlich hinsichtlich der Stufenanzahl. Die Aus- dehnung der Erhebungen muss dabei nicht einheitlich sein. Es zeigte sich, dass die Stufenhöhe die reflektierte Farbe beeinflusst. Die Anzahl der Stufen hat Einflüsse auf die spektrale Breitbandigkeit der Farbreflektion. Eine bereichsweise Variation der Stufenhöhe (und optional der Stufenanzahl) er- laubt es, im Sicherheitselemente Bereiche unterschiedlicher Farbreflexe zu schaffen und damit eine Motiv zu codieren.
Das Sicherheitselement kann durch einfache Prägeprozesse hergestellt werden. Dabei ist es besonders günstig, die Profilstruktur in einem transparen- ten Material auszubilden und dann, um die metallische Oberfläche zu erhalten, mit einer Metallschicht zu überziehen. Alternativ kann die Profilstruktur auch bereits direkt in einem metallischen Material gebildet werden, so dass sie nicht nur an der Oberfläche metallisch ist. Hinsichtlich bevorzugter Farbfiltereigenschaften wie auch geringer Verschmutzung ist es zu bevorzugen, die Profilstruktur in ein transparentes Dielektrikum einzubetten und somit das Dialektrikum auch über der metallischen Oberseite vorzusehen. Der Begriff„Oberseite" ist somit nicht zwingend auf eine freiliegende Fläche bezogen, sondern auf die Oberseite der Profilstruktur, wenn diese so betrachtet wird, dass sich die Erhebungen über die Grundfläche erheben.
Das Sicherheitselement kann insbesondere Teil einer noch nicht umlauffähigen Vorstufe zu einem Wertdokument sein, das zusätzlich noch weitere Echtheitsmerkmale aufweisen kann. Unter Wertdokumente werden hier Dokumente verstanden, die gegen Nachahmung oder Fälschung zu sichern sind. Banknoten, Banknotenpapiere, Chip- oder Sicherheitskarten, wie z.B. Bank- oder Kreditkarten oder Ausweise, sind Beispiele für solche Wertdokumente. Das Sicherheitselement kann insbesondere in einem Sicher heitsfa- den, Aufreißfaden, Sicherheitsband, Sicherheitsstreifen, Patch oder Etikett integriert sein.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung für Ausführungsformen einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Nachfolgend wird die Erfindung beispielshalber anhand der beigefügten Zeichnungen, die erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schemadarstellung einer Banknote mit einem Sicher- heitsmerkmal, eine Schnittdarstellung durch das Sicherheitsmerkmal in einer ersten Ausführungsform,
Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch das Sicherheitsmerkmal
zweiten Ausführungsform,
Fig. 4 eine Schnittdarstellung durch das Sicherheitsmerkmal
ner dritten Ausführungsform,
Fig. 5 eine Schnittdarstellung durch das Sicherheitsmerkmal in einer vierten Ausführungsform, Fig. 6 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung der farbfil- ternden Wirkung des Sicherheiselementes,
Fig. 7 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der
Einstellung der gefilterten Farbe mit dem Sicherheitselement,
Fig. 8-10 spektrale Auftragungen des Reflexionsgrades für verschiedene Ausführungsformen des Sicherheitselementes, Fig. 11 und 12 CIE-Farbdiagramme für verschiedene Ausführungsformen des Sicherheitselementes,
Fig. 13 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Einfalls winkelab- hängigkeit des Farbeffektes,
Fig. 14 ein zugehöriges CIE-Diagramm,
Fig. 15 und 16 weitere Ausführungsformen des Sicherheitselementes und Fig. 17 eine vergrößerte Draufsicht auf das Sicherheitselement der
Fig. l
Fig. 1 zeigt eine Banknote 1 mit einem Sicherheitselement 2, das im vorliegenden Fall als Patch auf ein Banknotenpapier aufgebracht wurde. Das Si- cherheitselement 2 stellt ein Motiv bereit, das aus einem Vordergrundelement, hier einem Stern 3, und dagegen abgegrenztem Hintergrund 4 besteht. Stern 3 und Hintergrund 4 sind dadurch gebildet, dass sich die nachfolgend beschriebene Struktur des Sicherheitselementes in geometrischen Parametern unterscheidet, die nachfolgend ebenfalls erläutert werden. Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung durch die Struktur des Sicherheitselementes 2. Auf einem Substrat 5 ist eine Profilstruktur 6 angeordnet. Fig. 2 zeigt die Querschnittsdarstellung. Die Profilstruktur 6 umfasst eine Vielzahl von Erhebungen 7, die in unregelmäßigem und quasistatistisch verteiltem Ab- stand voneinander angeordnet sind. Fig. 2 zeigt zwei unterschiedliche Abstände di zwischen der mittleren und der linken Erhebung und d2 zwischen der mittleren und der rechten Erhebung. Die Erhebungen 7 der Profilstruktur 6 sind gestuft ausgebildet. Sie haben eine Deckfläche 8 und, da sie in der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform zweistufig sind, auch eine weitere pa- rallele Stufenfläche 9. Die Erhebungen 7 befinden sich über einer Grundfläche 10. Sowohl Deckfläche 8 als auch parallele Fläche 9 liegen parallel zur Grundfläche 10. Die Stufenbreiten sind mit bi und bi bezeichnet. Sie sind in der Darstellung der Fig. 2 gleich und über alle Erhebungen 7 konstant. Wie nachfolgend erläutert werden wird, ist diese Konstanz nicht zwingend erfor- derlich, sondern die Stufenbreiten können in Ausführungsformen variiert sein. Innerhalb einer Erhebung 7 sind die Stufenhöhen 1 1 und t2 immer identisch. Zwischen verschiedenen Erhebungen 7 können sie variieren. Auch das wird nachfolgend noch erläutert. Die Erhebungen 7 und die Grundfläche 10 sind an der Oberseite metallisch. Dies kann dadurch erfolgen, dass, wie in Fig. 2 dargestellt, sowohl die Grundfläche 10 als auch die Erhebungen 7 aus einer entsprechenden Metallisierung gebildet sind. Die innerhalb einer Erhebung 7 einheitliche Stufenhöhe liegt zwischen 100 nm und 350 nm. In diesem Bereich sind Metallisierungsschichten unproblematisch herstellbar und beispielsweise durch Lithographie verfahren strukturierbar.
Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform der Fig. 2. Die dort dargestellte zweite Ausführungsform unterscheidet sich zum einen hinsichtlich des Aufbaus der Profilstruktur 6, zum anderen dadurch, dass die Profilstruktur in ein Dielektrikum gänzlich eingebettet ist. In der zweiten Ausführungs- form ist die Profilstruktur 6 dadurch gebildet, dass auf dem Substrat 5 nicht eine Metallisierung aufgebracht wurde, sondern ein Prägelack 10. Dieser wird durch einen Prägeprozess mit der Geometrie der Profilstruktur 6 versehen und anschließend mit einer Metallisierung 12 beschichtet, um die metal- lisierte Oberseite der Profilstruktur 6 zu erzeugen. Anschließend wird die Profilstruktur 6 mit einen Kaschierung 14 versehen und mit einer Deckfolie 15 abgedeckt. Die Profilstruktur 6 weist damit auf ihrer Oberseite aufgrund der Metallschicht 12 ein Dielektrikum VM auf und ist eingebettet in dielekti- sches Material mit den Brechungsindizes m , n2 und n3.
Erste und zweite Ausführungsformen der Fig. 2 bzw. 3 zeigen ein optionales Merkmal, das für alle Bauweisen des Sicherheitselementes 2 in Frage kommt, nämlich, dass die Stufenbreiten b so gewählt sind, dass die benachbarten Flächenanteile der einzelnen Stufen in etwa gleich sind. Es hat sich herausge- stellt, dass damit der bestmögliche Farbeffekt erzielt wird.
Fig. 4 und 5 zeigen Darstellungen einer dritten bzw. vierten Ausführungsform entsprechend den Fig. 2 und 3. Allerdings sind hier die Erhebungen 7 mit fünf Stufen ausgebildet. Die Stufenhöhen h bis ts dieser fünf Stufen sind wiederum einheitlich.
Fig. 6 veranschaulicht die Wirkung der gestuften Erhebung 7. Sie zeigt links eine einstufige Erhebung 7, in der Mitte eine zweistufige Erhebung 7 und rechts eine fünfstufige Erhebung. Es zeigt sich, dass die gestuften Erhebun- gen 7 über der Grundfläche 10 sich ähnlich einem Mehrfachschichtaufbau mit alternierendem Brechungsindex verhalten. Bei zunehmendem Anteil der Stufen wird die Farbsättigung für reflektierte Strahlung R, die unter einem Winkel Θ einfällt, begünstigt. Fig. 6 zeigt dies anhand der Lichtpfade für die einzelnen Stufen. Konstruktive Interferenz bildet sich bei einem Gangunter- schied 2δ = ηλ aus, wobei n ganzzahlig ist. Die Wellenlängen für konstruktive Interferenz an einer Stufe ergibt sich dann gemäß der Gleichung λ = 2 t/n sin Θ. Durch die Stufenhöhe kann damit der Farbeffekt eingestellt werden. Dies veranschaulicht die Fig. 7, welche exemplarisch drei zweistufi- ge Erhebungen 7 über der Grundfläche 10 mit unterschiedlichen Stufenhöhen t darstellt. Sie sind so gewählt, dass in Reflektion die Farben Blau B (links), Grün G (Mitte) und Rot Ro (rechts) ausgebildet werden.
Nachfolgend wird die spektrale Reflektion im sichtbaren Wellenlängenbe- reich bei senkrechtem Einfall für unpolarisiertes Licht an einem Sicherheitselement 2 mit einer zweistufigen Profilstruktur 6 gemäß Fig. 3 untersucht. Die Metallisierung 12 besteht dabei aus Aluminium und die Brechungsindizes der umliegenden Dielektrika sind gleich und betragen 1,52. Fig. 9 zeigt spektral aufgetragen den Grad der Reflektion R, wobei abweichend von der dritten Ausführungsform die Erhebungen 7 bei der in Fig. 8 untersuchten
Profilstruktur 6 periodisch mit einem festen Abstand d angeordnet sind. Der Abstand d ist in Fig. 8 variiert; die Stufenhöhe beträgt einheitlich 150 nm. Die Kurven zeigen ein ausgeprägtes Maximum bei blauem Licht, nämlich einer Wellenlänge von 450 nm. Die Lage dieses Maximums ist unabhängig von der Periode d. Der längerwellige Lichtanteil der nullten Beugungsordnung wird für zunehmende Perioden unterdrückt und verstärkt die Farbsättigung im Blauen. Dies zeigt, dass eine periodische Anordnung der Erhebungen 7 nachteilhaft ist. Es ist deshalb in den Ausführungsformen vorgesehen, dass die Erhebungen nichtperiodisch, z. B. quasistatistisch, angeordnet sind.
Fig. 9 zeigt die spektrale Reflektion der nullten Ordnung, wiederum bei einer Aluminiummetallisierung einer zweistufigen Profilstruktur mit einheitlicher Stufenhöhe, wobei die Stufenhöhe in Fig. 9 variiert ist. Es ist deutlich erkennbar, dass, wie bereits anhand der Fig. 7 erläutert wurde, die Stufenhöhe ganz klar die Farbe der reflektierten Strahlung R einstellt. Die genannten Stufenhöhen bilden die Farben Blau, Grün und Rot.
Fig. 10 zeigt die gleichen Verhältnisse bei einer Profilstruktur 6 mit fünfstufi- gen Erhebungen 7 und ansonsten gleichen Geometrieparametern. Es zeigt sich, dass die höhere Stufenanzahl schärfere Reflexionsmaxima ausbildet.
Die Fig. 11 und 10 zeigen die Farbeigenschaften der in Fig. 9 und 10 vermessenen Profilstrukturen im CIE-1931 -Farbraum. Die Farbeigenschaften wur- den erhalten, indem die berechneten Reflexionsspektren mit der Emissionskurve einer D65-Normlampe und der Empfindlichkeit des menschlichen Auges gefaltet und in Farbkoordinaten x, y, z umgerechnet wurden. Die Diagramme zeigen, dass in beiden Fällen die Profilstruktur 6 mit stufenförmigen Erhebungen 7 die RGB-Farben darstellt. Es ist auch zu erkennen, dass das in Fig. 12 analysierte fünfstufige Erhebungsprofil einen besonders gesättigten grünen Farbton liefert.
Fig. 3 zeigt den Einfluss der Winkelabhängigkeit für reflektierte Strahlung R. Es sind zwei Einfallswinkel, 0° und 30°, eingetragen. Der Fig. 13 liegt eine Profilstruktur mit vierstufigen Erhebungen zugrunde. Die Stufenhöhe beträgt wiederum 150 nm. Das Maximum im Blauen wird durch das Verkippen um 30° kaum verschoben. Fig. 14 zeigt die Verhältnisse im CIE-1931 -Farbdiagramm für Stufenhöhen von 150 nm, 180nm und 210 nm. Die drei Farben Blau, Grün und Rot bleiben beim Verkippen im Farbton erhalten. Es zeigt sich eine hohe Winkeltoleranz der reflektierten Farben. Dies ist zum Erzeugen eines Motivs besonders vorteilhaft, insbesondere wenn eine Betrachtung in Umgebungsbedingungen, die üblicherweise diffuses Licht beinhalten, erfolgt. Eine hohe Winkelabhängigkeit der reflektierten Farben würde zu einer unerwünschten Farbmischung und damit zu einem deutlichen Abschwächen eines Farbeffektes führen.
Im Wesentlichen sind die in Reflektion erhaltenen Farben durch die Stufen- höhe t und den Brechungsindex des umgebenden Dielektrikums charakterisiert. Die Stufenbreite b und die einzelnen Abstände haben einen untergeordneten Einfluss, solange eine periodische Anordnung vermieden ist.
Fig. 15 zeigt eine Ausführungsform des Sicherheitselementes 2, das einstufi- ge Erhebungen 7 in der Profilstruktur 6 aufweist, die aperiodisch angeordnet sind, und zwar quasistatistisch verteilt sind. Fig. 16 zeigt dieselben Verhältnisse für zweistufige Erhebungen, wobei zugleich die Stufenbreite innerhalb der Erhebungen variiert ist. Fig. 17 zeigt eine Draufsicht auf das Sicherheitselement 2 der Fig. 1, hier mit einer Profilstruktur gemäß Fig. 15. Die Erhebungen 7 in beiden Raumrichtungen sind aperiodisch angeordnet, wobei für den Stern 3 und den Hintergrund 4 unterschiedliche Stufenhöhen gewählt sind. Dies zeigt die Draufsicht der Fig. 17 natürlich nicht. Die Trennlinie, welche in der Fig. zwischen dem Bereich des Sterns 3 und des Hintergrunds 4 eingetragen ist, dient lediglich der Verdeutlichung der Bereichsgrenzen, da die Stufenhöhe in der Draufsicht nicht erkennbar ist.
Für den Farbeffekt genügt es, wenn eine aperiodische Anordnung der Erhe- bungen in einer Raumrichtung vorgesehen ist, die Aperiodizität in zwei Raumrichtungen gemäß Fig. 17 verbessert die Ergebnisse.
Das Herstellen der Profilstruktur kann erfolgen, wie dies für Reliefstrukturen im Stand der Technik bekannt ist, beispielsweise aus den eingangs genann- ten Patentpublikationen. Erhebungen mit mehreren Stufen erhält man in der Regel durch einen mehrstufigen Ätzprozess oder eine mehrstufige Prägematrize, für den Fall, dass die Profilstruktur durch Prägen in einem zu prägenden Material, beispielsweise einem UV-härtbaren Prägelack, erzeugt wird.
Der Vorteil des Sicherheitsmerkmals liegt darin, dass die Farbigkeit bereits mit einer einfachen Metallbeschichtung erreicht werden kann. Aufwendige mehrschichtige Aufbauten mit unterschiedlichen Brechungsindizes sind nicht mehr erforderlich, wie sie beim Multi-Layer-Schichtsystem benötigt wären. Darüber hinaus können die Profilstrukturen hochaufgelöste Motive bei sehr guter Auflösung realisieren, da die Ortsauflösung durch den Präge- prozess hochpräzise eingestellt werden kann. Damit können insbesondere auch optische Effekte der einzelnen Bereiche in perfektem Register zueinan- der realisiert werden. Auf diese Weise können räumliche Effekte, Bewegungseffekte und farbige Motive in einem einzigen Sicherheitsmerkmal vereinigt werden.
Bezugszeichenliste
1 Banknote
2 Sicherheitselement
3 Stern
4 Hintergrund
5 Substrat
6 Profilstruktur
7 Erhebung
8 Deckfläche
9 Trittfläche
10 Grundfläche
11 Prägelack
12 Metallisierung
14 Kaschierung
15 Deckfolie

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Sicherheitselement mit reflektiven Farbfiltereigenschaften zur Herstel- lung von Wertdokumenten, wie Banknoten (1), Schecks oder dergleichen, das eine Profilstruktur (6) aufweist, die Erhebungen (7) über einer Grundfläche (10) hat und eine metallische Oberseite aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erhebungen (7) eine zur Grundfläche (10) parallele Deckfläche (8) haben und im Querschnitt gesehen jeweils mindestens einstufig mit einer Stufenhöhe (t) ausgebildet sind und hinsichtlich Lage und/ oder Ausdehnung auf der Grundfläche (10) aperiodisch verteilt sind, wobei die Stufenhöhe (t) mindestens bereichs weise einheitlich ist und die Stufenhöhe (t) zwischen 100 nm und 350 nm beträgt.
2. Sicherheitselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Erhebungen (7) zwei bis zwanzig Stufen hat.
3. Sicherheitselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Bereiche (3, 4) gebildet sind, in denen die Erhebungen (7) jeweils hinsichtlich Anzahl der Stufen und Stufenhöhe (t) einheitlich sind, wobei die Bereiche (3, 4) sich hinsichtlich Anzahl der Stufen und/ oder Stufenhöhe (t) und/ oder Stufenbreite (b) unterscheiden.
4. Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstruktur (6) in einem transparenten Material (11) ausgebildet und mit einer Metallschicht (12) überzogen ist. - 2 -
5. Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstruktur (6) in ein transparentes Dielektrikum (14) eingebettet ist.
6. Wertdokument mit einem Sicherheitselement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
7. Herstellungsverfahren für ein Sicherheitselement (S) zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten (1), Schecks oder dergleichen, wobei eine Profilstruktur (6) erzeugt wird, die Erhebungen (7) über einer
Grundfläche (10) hat und eine metallische Oberseite aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erhebungen (7) eine zur Grundfläche (10) parallele Deckfläche (8) haben und im Querschnitt gesehen jeweils mindestens einstufig mit einer Stufen- höhe (t) ausgebildet werden und hinsichtlich Lage und/ oder Ausdehnung auf der Grundfläche (10) aperiodisch verteilt werden, wobei die Stufenhöhe (t) mindestens bereichsweise einheitlich ist und die Stufenhöhe (t) zwischen 100 nm und 350 nm beträgt.
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