JP2018511845A - 物理的実体の認証に関する改善 - Google Patents

物理的実体の認証に関する改善 Download PDF

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Abstract

認証デバイス（２０）は、実質的二次元材料（１４）の一つ以上のフレークを含む。実質的二次元材料（１４）の一つ以上のフレークは作動エリアを有し、該作動エリアは、非共振フォトルミネセンスによって、作動エリアの位置によって変化する特性を有する電磁放射線を放出するように構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、認証デバイスを用いる、通貨または商品などの物理的実体の認証の分野に関する。
以前から、認証マークとして、例えばホログラフィックまたは紫外線のウォーターマークの使用を含んでいる、通貨または商品などの物理的実体の認証のための多くの技術が提案されている。しかしながら、そのような技術は、コピーに対して比較的影響を受けやすいことが証明されており、それによって認証マークの効果を無効にし、偽造の通貨または商品を本物としてまかり通らせることを受け入れる。さらなる提案された技術は、供給が困難であるか、または製造が困難な材料で形成される認証マークに依拠されるが、これらの認証マークは、関連する材料を得ることができれば依然としてコピーされる可能性がある。さらに、ミクロン規模の製造技術がますます安価になるにつれて、これまで製造が困難であった多くの認証マークが偽造され易くなってきている。
物理的に複製が困難である関数（Physical unclonable functions：ＰＵＦｓ（またはＰＵＦ））は、評価して製造するのが簡単な物理的構造である反面、製造プロセスが分かっている場合でも、予測し複製することが難しいものである。ＰＵＦは、チャレンジレスポンス認証プロトコルを使用して作動することができる。ＰＵＦは、チャレンジレスポンス認証プロトコルを使用して作動することができる。特に、ＰＵＦに物理的誘因（すなわちチャレンジ）が適用される場合、ＰＵＦは、誘因とＰＵＦの物理的構造との相互作用のために、予測不可能な（しかし反復可能な）方法で反応する（すなわち応答する）。したがって、ＰＵＦは、ＰＵＦの構造を明らかにすることなくＰＵＦの構造の直接的な結果であるその応答によって認証され得、その結果、ＰＵＦをコピー耐性（すなわち、複製不可能）にする。
したがって、物理的に複製が困難である関数は、商品の認証に有望なアプローチを提供する。しかしながら、物理的実体の認証にＰＵＦを使用する従来技術は、例えば製造及び／または認証プロセスの複雑さのために完全には満足のいくものではなかった。
セキュリティ目的のための発光効果の使用は、それぞれが一つ以上の三次元物体を含む、様々な機器からの共振光学モードを使用する方法を開示する米国特許出願公開第２０１２／１６８，５０６号から知られている。このような方法の欠点には、デバイスの製造の複雑さ、構造安定性の欠如、及び関連する環境に対する敏感さ、が含まれる。
本発明では、先行技術に関連する上述の及び／またはその他の欠点を克服または実質的に緩和する認証デバイス及び認証方法が提供される。
本発明の第１の態様によれば、作動エリアと一体で実質的二次元材料の一つ以上のフレークを含み、非共振フォトルミネッセンスによって、前記作動エリア内の位置と共に変化する特性を有する電磁放射線を放出するように該作動エリアが構成された、認証デバイスが提供される。
本発明のさらなる態様によれば、
（ａ）本発明による認証デバイスを提供するステップと、
（ｂ）非共振フォトルミネッセンスによって、作動エリアの位置と共に変化する特性を有する電磁放射線が放出されるように、認証デバイスの作動エリアの少なくとも一部に入射電磁放射線を照射するステップと、
（ｃ）放出電磁放射線を検出するステップと、
（ｄ）前記検出した電磁放射線から、認証を可能にする認証マップを提供するステップと、
を含む認証方法が提供される。
本発明のさらなる態様によれば、本発明による認証デバイスと、非共振フォトルミネセンスにより、作動エリアの位置によって変化する特性を有する電磁放射線が放出されるように、認証デバイスの作動エリアの少なくとも一部に入射電磁放射線を照射する手段と、放出電磁放射線を検出する手段と、検出された電磁放射線から認証マップを提供する手段と、を含む認証装置が提供される。
本発明の第１の態様によるデバイス、装置及び方法は、物品が本物であることを確認するために放出電磁放射線が使用され得る関連物品のための固有の認証マップを提供し得るので有益であり得る。特に、放出電磁放射線は、入射電磁放射線による励起時に、二次元材料の非共振フォトルミネッセンスによって生成されるので、放出電磁放射線の特性及びそれ故に認証マップの形式を決定するのは、二次元材料のバンド構造である。二次元材料のバンド構造は、原子スケールで二次元材料の構造に大きく依存するため、不可能ではないにせよ、複製されたデバイスで再現（複製）するのが難しい認証マップを作成する。
非共振フォトルミネッセンスの使用は、放出電磁放射線が認証マップを読み取るために使用される入射電磁放射線から容易に区別されることを可能にし、したがって、デバイスの認証に対して少なくとも一つの固有の二次元マップの容易かつ効率的な検出を可能にするので有益である。さらに、非共振フォトルミネセンスは、放出電磁放射線の強度が入射電磁放射線の強度に線形的に依存するという点で線形プロセスであり、したがって比較的低い強度の入射電磁放射線が使用され得、それによって認証プロセスのコスト及び複雑さを低減する。
二次元材料は、通常、比較的弱い光散乱特性を有するので、二次元材料の使用はまた、有益であり得る。したがって、二次元材料は、正常な作動条件において肉眼では実質的に見えないことがある。これは、デバイスが、外観が重要な物品、例えば貴重な消費財に組み込まれることが意図されている場合に、有益であり得る。さらに、十分な感度の検出器及び／または正しいフィルタなしには放出電磁放射線が見えないように、二次元材料によって放出される電磁放射線の強度は十分に弱くてよく、及び／または放出電磁放射線の波長範囲は十分に狭くてよい。
本発明のさらなる態様によれば、入射電磁放射線による励起時に、作動エリア内の位置と共に変化し、入射電磁放射線の対応する特性とは異なる特性を有する電磁放射線を放出するように構成される実質的二次元材料の一つ以上のフレークを含む認証デバイスが提供される。
本発明のさらなる態様によれば、入射電磁放射線による励起時に、作動エリア内の位置と共に変化する特性を有しかつ入射電磁放射線に線形に依存する強度を有する電磁放射線を放出するように構成された作動エリアを有して、実質的に二次元の材料を含み、該材料の少なくとも一つのフレークを含む認証デバイスが提供される。
「実質的二次元材料」とは、数ナノメートル以下の厚さを有する材料を意味し、例えば、二次元平面の内部および外部への電子の動きは、量子力学的作用によって支配される。
「ユニーク（固有の）」とは、少なくとも同一の認証マップがランダムに生成されることは統計的には不可能である程度のもので、比類ないことを意味する。
非共振フォトルミネセンスにおいて、実質的二次元材料は、電子を価電子帯から伝導帯へと促進させる、特定の波長のあるいは選択波長のまたは波長範囲の光子を吸収することができる。電子が伝導帯から価電子帯に緩和されると、電子は正孔と再結合し、実質的にバンドギャップのエネルギーに対応する波長を有する光子の放出を引き起こす。
電磁放射線が放出される作動エリア内の位置と共に変化する電磁放射線の特性は、例えば、波長（または周波数）または偏波であり得る。
実質的二次元材料は、非ゼロのバンドギャップを有し、非共振フォトルミネセンスが可能な任意の材料とすることができる。実質的二次元材料は、直接遷移材料（直接ギャップ材料）であってもよいし、間接遷移材料（間接ギャップ材料）であってもよい。二次元材料は、直接遷移材料であることが最も好ましい。二次元材料は、固体状態にあってもよく、認証デバイスは、固体デバイスであってもよい。
放出電磁放射線の波長は、二次元材料のバンドギャップに対応することができ、例えば、実質的二次元材料の非共振フォトルミネセンスによって放出された光子は、作動エリア内の関連位置において二次元材料のバンドギャップエネルギーに実質的に対応するエネルギーを有することができる。
認証マップは、単一の波長または偏波の電磁放射線、もしくは単一の波長範囲または偏波範囲の電磁放射線を検出して、バイナリ認証マップを生成することによって提供され得る。あるいは、認証マップは、複数の異なる波長または偏波の電磁放射線、もしくは複数の異なる波長範囲または偏波範囲の電磁放射線を検出して、多層認証マップを生成することによって提供され得る。
二次元材料のバンドギャップは、実質的二次元材料の作動エリアにわたって空間的に変化し得る。例えば、実質的二次元材料のバンドギャップは、格子欠陥、エッジ欠陥、二次元材料の形状及び／またはサイズ、二次元材料の幾何学的性質、及び二次元材料とデバイスの他の層との相互作用のいずれかによって変化し得る。したがって、バンドギャップの空間的変動は、複雑な認証マップの生成をもたらし、それによって、複製へのデバイスの耐性を増加させることができる。
実質的二次元材料のバンドギャップは、０ｅＶ〜４ｅＶの範囲内であり得る。実質的二次元材料のバンドギャップは、その材料にわたって０ｅＶと４ｅＶの間で変化し得る。したがって、二次元材料は、可視または赤外線スペクトルの電磁放射線を放出することができる。
実質的二次元材料は、入射電磁放射線の波長または波長の範囲に応じて、複数の異なる認証マップを提供する電磁放射線を放出するように構成され得る。複数の異なる認証マップは、認証デバイスの複雑さを増加させるために利用され得、それによって、該デバイスを複製に対して脆弱にしにくくすることができる。例えば、異なる波長の認証マップを組み合わせて、より複雑な認証マップを作成することができる。
実質的二次元材料は、該実質的二次元材料の作動エリアの特定の領域におけるバンドギャップを変更し得る不純物でドープされ得る。これは、結果として実質的二次元材料によって提供される認証マップの複雑さを増大させる可能性がある。
実質的二次元材料は、単一シート材料を含むことができ、または例えば複数のフレーク材料を含むことができる。実質的二次元材料が複数のフレーク材料を含む場合、複数のフレークは、単一シートより製造が容易にでき、したがって製造コストを低減し得る。実質的二次元材料の複数のフレークは、フレークを溶媒中に懸濁させた後、溶媒を蒸発させることによって、デバイスに組み込むことができる。
放出電磁放射線によって提供される認証マップは、アナログ信号であってもよい。認証マップは、デジタル、すなわちバイナリ信号に変換可能であってよい。アナログ−デジタル変換は、例えば、１ビットまたは複数ビットの値のアレイを生成するために、アナログ信号の分解能を低下させるなどの従来の手段によって達成することができる。
認証マップは、認証リーダによって読み取り可能であり、したがって、デバイスの認証を可能にする。認証リーダは、作動エリア内の複数の位置から放出される電磁放射線を検出することができる任意の装置であってよい。認証リーダは、例えば入射電磁放射線を提供するための電磁放射線源を含むこともできる。認証リーダはまた、検出された電磁放射線から認証マップまたは関連するデジタル署名を生成するための処理手段、例えばマイクロプロセッサを含むことができる。
認証リーダは、作動エリア内の複数の位置から放出された電磁放射線を検出する手段と、検出された電磁放射線から認証マップを生成する手段と、を含むことができる。例えば、認証リーダは、イメージセンサ、例えば、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）イメージセンサを含むことができる。適切な場合には、分光計などの、より複雑な認証リーダが使用できることも認識される。
認証リーダは、少なくとも一つの読み取られた認証マップを、例えばインターネットを使用してリモートで（間接的に）アクセス可能な真正マップのデータベースと比較するように構成することができる。この比較によって、デバイスの認証が可能になり得る。あるいは、認証リーダは、認証マップのデータベースにアクセスすることなく、認証用に構成され得る。
認証リーダは、同じ認証マップを読んでいる間、放出電磁放射線のわずかな変動に対する許容差を持つことができる。これらの変動は、例えば、実質的二次元材料と外部環境との時間の経過による相互作用によって引き起こされ得る。
認証リーダは、認証マップの大部分またはすべてを並行して読み取るように構成されてもよく、単一の読み取りを行うように構成されてもよい。あるいは、認証リーダは、一度に認証マップの一部分のみを読み取るように構成されてもよく、複数の読み取りを行うように構成されてもよい。認証リーダは、複数の読み取り値を取得するために一定期間にわたって認証マップをスキャンするように構成され得る。
放出電磁放射線を検出する手段の分解能は、認証マップのデジタル信号のビット深度を決定し得る。デジタル信号は、好ましくは、少なくとも１２８ビットのキー（鍵長）、少なくとも２５６ビットのキー、または少なくとも５１２ビットのキーである。認証リーダは、少なくとも６４×６４ピクセルのピクセルアレイを有してよく、最も好ましくは有する。
認証リーダは、電磁放射線の単一の波長または偏波、もしくは狭い範囲の波長または偏波の通過を可能にするようにそれぞれ構成された一つ以上のフィルタを備えてもよい。したがって、認証リーダは、必要に応じて、単一の波長または偏波もしくは狭い範囲の波長または偏波で、単一の認証マップのみを読み取るように、あるいは、複数の区別可能な異なる波長または偏波もしくは複数の区別可能な狭い範囲の波長または偏波で、複数の認証マップを読み取るように構成することができる。一つ以上フィルタは、実質的二次元材料の作動エリアを照射するために使用される入射電磁放射線の通過を防止するように構成されてもよい。
偏波フィルタが使用される場合、複数の認証マップは、単一の波長または単一の狭い波長範囲で認証リーダによって読み取られ得る。認証リーダは、円偏波を検出するように構成することができる。したがって、認証リーダは、認証デバイスの向きとは無関係に向けられてもよい。
認証デバイスは、オプションとして、認証マップの決定を容易にするための少なくとも一つのレジストレーションマークを含むことができる。例えば、レジストレーションマークは、認証マップの偏波の方向に関する情報など、認証マップの決定を容易にする情報を提供することができる。
実質的二次元材料の作動エリアに照射するために使用される電磁放射線は、少なくとも作動エリアの一部における実質的二次元材料のバンドギャップのエネルギーと少なくとも同じ高さの、そして最も好ましくはそれより高い光子エネルギーを有することができる。入射電磁放射線の光子は、コヒーレントであってもよく、また非コヒーレントであってもよい。光子は、任意の適切な光源によって生成されてもよく、例えば、ＬＥＤまたはレーザ光源によって生成され得る。異なる光源を使用して、複数の認証マップを生成することができる。 例えば、異なる波長を有するレーザ光源を使用して、複数の異なる波長範囲内の放射電磁放射線を生成することができ、それによって複数の認証マップを読み取ることができる。その光源は例えば、２ｅＶ緑色レーザ光源であってもよい。
実質的二次元材料は、光学的に透過性の、例えば透明な材料の少なくとも一つの層内に封入されてもよく、またはその層で被せられてもよい。光学的透過性材料は、実質的二次元材料より高い剛性を有することができる。したがって、実質的二次元材料は、周辺環境から保護され得、依然として認証マップを提供する電磁放射線を放出させるために使用することができる。光学的透過性材料は、デバイスの残りの部分及びデバイスが適用される物品と実質的に同じ剛性を有し、それにより、デバイスの機能を阻害することなく物品の構造に容易に組み込むことができる。
光学的透過性材料は、実質的二次元材料のバンドギャップが経時的に変化するリスクを低減することができる。例えば、光学的透過性材料は、実質的二次元材料の表面に他の原子及び／または分子が結合することを防止し得る。光学的透過性材料は、好ましい実施形態においては実質的に防水性であってよい。
認証デバイス、または認証デバイスが適用される物品は、さらなる認証マーク、例えばバーコードまたはＱＲコード（登録商標）を含むことができる。さらなる認証マークは、例えば、暗号鍵または署名の秘密コンポーネントを使用して、実質的二次元材料の作動エリアの放出電磁放射線によって提供される認証マップから導出され得る。例えば、認証マップは、さらなる認証マークを生成するために、暗号鍵または署名の秘密コンポーネントを使用して暗号化されてもよく、そのようなさらなる認証マーク及び認証マップの両方の読み取りは、暗号鍵または署名の公開コンポーネントとの比較によって認証され得る鍵を提供する。したがって、暗号鍵または署名の公開コンポーネントの知識は、さらなる認証マークおよび認証マップの両方の読み取りとともに、認証デバイスまたはその認証デバイスが適用される物品を認証することを可能にする。さらなる識別マークの導入は、認証デバイスまたはその認証デバイスが適用される物品の認証に関連する更なるレベルのセキュリティを導入することができる。しかも、さらなる識別マークは、例えば真正な承認マップのデータベースへのアクセスを必要とせずに、デバイスのオフライン認証を可能にすることができ、安価にかつインターネット接続からリモートで認証を実行することを可能にする。
実質的二次元材料は、バンドギャップを有する任意のそのような材料、またはドーピング、歪み、モフォロジーなどを介してバンドギャップが誘導され得る任意の材料であり得る。実質的二次元材料は半導体であってもよい。実質的二次元材料は、例えば、酸化グラフェン、グラフェン、シリセン、ゲルマナン、またはホスホレンのいずれか、または任意の組合せであり得る。実質的二次元材料は、例えば、遷移金属ダイカルコゲナイド、例えば、二硫化モリブデン、二セレン化モリブデン、二硫化タングステン、または二セレン化タングステンのいずれか、または任意の組合せであり得る。実質的二次元材料は、例えば、III族カルコゲナイド、例えば、Ｇａ２Ｘ２またはＩｎ２Ｘ２（ここでＸ＝Ｓ、Ｓｅ、またはＴｅ）のいずれか、または任意の組合せであり得る。
認証デバイスは、認証が望まれる物品、例えば価値のある物品の一部を形成してもよいし、一体化してもよい。その物品は、認証が望まれる任意の物理的実体であってもよく、例えば銀行券（紙幣）などであってもよい。
本発明のさらなる態様によれば、上記のような認証デバイスを含む物品が提供される。
認証デバイスは、物品と一体的に形成されてもよく、例えば、同じ製造プロセスで形成されてもよく、あるいは物品の製造後に適用されてもよい。
認証デバイスの作動エリアは、入射電磁放射線、例えば認証リーダの照射を可能にするために、露出されるか、または露出可能であり得る。また一方、認証デバイスの作動エリアは、光学的透過性材料によって覆われていてもよい。
物品は、最終製品、すなわちエンドユーザによって購入された商品、例えば家庭で購入された消費財、または機械など、企業によって購入された資本財であってもよい。物品は、データキャリアであってもよい。物品は、通貨、例えば銀行券（紙幣）またはバンクカード（クレジットカード等）であってもよい。
認証デバイスは、物品上で目立たないように、または裸眼では見えないほどに、十分に小さくなっていてもよい。これは、外見が重要な商品、例えば高価な消費財に特に有利である。したがって、認証デバイスは、１０−４ｍ２（１ｃｍ２）未満、１０−６ｍ２（１ ｍｍ２）未満、１０−８ｍ２未満、または１０−９ｍ２未満の、最大の断面積または作動エリアを有することができる。このような小さな作動エリアを読み取るには高価な光学系が必要とされると考えられるが、最小の作動エリアは１０−１０ｍ２程度、例えば１０×１０μｍ程度であると考えられる。頑丈で摩損に耐えなければならない物品、例えば通貨、例えば銀行券（紙幣）またはバンクカードの場合、認証デバイスはより大きい可能性があり、したがって、少なくとも１ｍｍ２、少なくとも１０ｍｍ２、または少なくとも３０ｍｍ２、例えば約１ｃｍ２の最大の断面積または作動エリアを有することができる。
放出電磁放射線は、実質的には肉眼で見えない。放出電磁放射線は、電磁放射線が実質的に肉眼では見えないほど十分に低い強度を有することができる。放出電磁放射線は、電磁放射線が実質的に肉眼では見えないように、波長及び／または狭い波長範囲を有することができる。
本発明のさらなる態様によれば、上記のような認証デバイスを物品に組み込むステップを含む、物品を製造する方法が提供される。
認証デバイスは、物品の製造中に形成されてもよい。しかし、現在の好ましい実施形態において、認証デバイスは物品とは別に製造され、物品の製造方法は、物品に認証デバイスを固着するステップを含む。
物品に認証デバイスを固着するステップは、物品の形成における一体的なステップであってもよく、例えば、認証デバイスが物品の表面に埋め込まれてもよい。あるいは、認証デバイスは、物品の形成後に物品の表面に固着されてもよい。
本発明の態様の任意の優先的特徴は、適切な場合には、本発明の他の態様にも適用することができる。
本発明の実用的な実施形態は、添付の図面を参照して以下により詳細に説明される。
図１は、本発明による認証デバイス及び関連する物品の第１の実施形態の概略図である。 図２は、図１の認証デバイスを読み取るように構成された認証リーダの概略図である。 図３は、図１のデバイスの二次元材料の原子構造の概略図である。 図４は、図３の二次元材料によって生成された認証マップの概略図である。 図５は、図４の認証マップのデジタル化されたバージョンの概略図である。 図６は、本発明によるデバイス及び関連する物品の第２の実施形態の概略図である。
図１において、本発明による認証デバイス２０を含む物品１０が示されている。物品１０は、ここでは銀行券（紙幣）として表されているが、本発明の範囲は、認証が必要とされる物品を包含するものと認識される。
物品１０は、銀行券（紙幣）の形態を有する本体１２を備え、認証デバイス２０は、実質的二次元材料１４と、二つの光学的に透明な層１６，１８とを含む。物品１０の本体１２は、現在、英国で流通しているような典型的な紙幣であり、世界中の多くの他の地域で流通しているものと同様である。実質的二次元材料１４は、バンドギャップが固有のまたはドーピングなどを経て誘導されているかどうかにかかわらず、バンドギャップを有する任意の材料の原子厚格子である。
現時点での好ましい実施形態において、実質的二次元材料は酸化グラフェンである。酸化グラフェンのバンドギャップは、格子欠陥、エッジ欠陥、二次元材料の形状及び／またはサイズ、二次元材料の配列（幾何学的形状）、及び二次元材料と他の層との相互作用のいずれかに非常に敏感であるので、酸化グラフェンは、二次元材料のための良好な選択肢の典型となる。したがって、酸化グラフェンは、二次元材料１４の全域でランダムかつ制御不能に空間的に変化するバンドギャップを有し、それにより、電磁放射線による二次元材料への照射の際に独特な非共振フォトルミネッセンスマップの生成を可能にする。さらに、酸化グラフェンのバンドギャップは０−２ｅＶの間で変化し、それによって近赤外および可視スペクトルの両方に重なる。これは、物品１０の認証のために比較的安価なＣＣＤおよびフィルタの使用を可能にするので有益であり得る。
酸化グラフェンは、任意の従来の手段によって製造することができる。二次元材料１４は、図１において単一のシートとして示されているが、二次元材料１４は二次元材料の複数のフレークを含んでもよいことも認識されるであろう。
二つの光学的に透明な層１６，１８は、任意の光学的に透明な材料（すなわち、電磁放射線の通過を可能にする材料）で形成され得、典型的には、二次元材料１４の長さ及び幅と同じかそれより大きくなく、実質的に同じ長さ及び幅である。光学的に透明な層１６，１８は、二次元材料１４よりも実質的により剛性の高い材料から形成され、したがって、二次元材料１４のための支持構造を提供することができる。光学的に透明な層１６，１８はまた、二次元材料１４の厚さよりも大きい厚さを有する。現在の好ましい実施形態では、光学的に透明な層１６，１８は、窒化ホウ素の内側層と、プラスチック材料の外側層とを含む。
二次元材料１４は、光学的に透明な層１６，１８内に封入され、認証デバイス２０を形成する。認証デバイス２０は、物品１０の本体１２に組み込まれる。
図２において、図１の認証デバイス２０を読み取るように構成された認証リーダ２４が示されている。この装置は、二次元材料１４へ照射するための、光の形態の電磁放射線２８を生成するように構成された光源２６と、二次元材料１４によって生成された固有の非共振フォトルミネッセンスマップを検出するためのセンサ３２とを含む。
光源２６は、二次元材料１４における電子を価電子帯から伝導帯へ励起させるのに十分なエネルギーを有する任意の光源であってよい。現在の好ましい実施形態において、光源２６は、酸化グラフェンのバンドギャップエネルギーに実質的に対応する波長を有するように選択されるレーザ光源である。 特に、現在好ましい実施形態における光源２６は、２ｅＶの範囲のエネルギーを有する緑色レーザである。
センサ３２は、二次元材料１４によって生成された固有の非共振フォトルミネッセンスマップを検出することができる任意のセンサである。現在の好ましい実施形態において、センサ３２はシリコンＣＣＤである。ＣＣＤ３２の解像度は、二次元材料１４によって生成された固有の非共振フォトルミネッセンスマップを検出するのに十分でなければならず、現時点の好ましい実施形態において、ＣＣＤ３２は、少なくとも６４×６４ピクセルの解像度を有する。これにより、二次元材料１４によって生成された固有の非共振フォトルミネセンスマップが少なくとも５１２ビットのキー（鍵長）を提供することが可能になる。
装置２４は、場合によってはフィルタ３０を含む。フィルタ３０は、二次元材料１４のバンドギャップに実質的に対応する波長の光の通過のみを可能にするように選択され得る。したがって、二次元材料１４によって生成された特有の非共振フォトルミネセンスマップは、二次元材料１４を照射するために使用される光２８から容易かつ効率的に識別され、分離され得る。
二次元材料１４を含む物品１０を認証することが望まれる場合、光源２６は、認証装デバイス２０の二次元材料１４に光２８を照射するために使用される。現在の好ましい実施形態において、光２８による二次元材料１４の少なくとも一部のスキャンは、必要に応じて使用することもできることが認識されるが、二次元材料１４の可視表面の全体に同時に光２８が照射される。
図２は、分かりやすくするために、物理的に分離された光源２６とセンサ３２を示しているが、実際にはこれらは単一の物理的デバイスに組み込むことができる。
光２８は、二次元材料１４の価電子帯の電子を伝導帯に励起させる。励起された電子は素早く緩和し、続いて価電子帯の正孔と再結合し、再結合が起こった二次元材料１４の領域におけるバンドギャップのエネルギーに近いエネルギーを有する光子の放出を引き起こす。バンドギャップが二次元材料１４にわたって空間的に変化すると、異なる波長の光子が二次元材料１４の異なる領域から放出され、それによってフォトルミネセンスマップ（または２Ｄスペクトル）が生成される。二次元材料１４の構造、そして結果としてバンドギャップが原子レベルで変化するから、同一のマップがランダムに生成されることは統計的にはあり得ないので、マップは固有であると言うことができる。
図３に二次元材料１４の例示的な構造３４を示し、対応するマップ３６を図４に示す。
二次元材料１４によって生成されたフォトルミネッセンスマップ３６は、センサ３２によって読み取られ、次いで、物品１０を認証するために、真正マップのデータベースと比較される。
真正マップのデータベースは、各物品１０の製造時またはセキュリティデバイス２０の取り付け時に製造業者によって更新されることが理解されよう。
図４からわかるように、マップ３６はアナログ信号であり、現時点の好ましい実施形態において、マップ３６は、図５に示すようにデジタル署名３８を生成するために解像度において低減される。デジタル署名３８は、物品１０を認証するために、マップ３６を真正マップのデータベースと比較するのではなく、真正な信号のデータベースと比較することができる。これは、例えば、経時的な環境との相互作用による二次元材料１４の改変によって引き起こされる可能性がある、マップ３６の変化に対して、デジタル署名３８がより大きな耐性を有するので、有益であり得る。
図６において、本発明による装置２０及び関連する物品１０の第２の実施形態を示す。第２の実施形態は、物品１０の第２の実施形態がＱＲコード（登録商標）の形態のさらなる認証マーク４０を含む点を除いて、第１の実施形態と同一である。さらなる認証マーク４０が図６のＱＲコードとして示されているが、バーコードのような他の形態の認証マークまたは識別マークも使用できることが認識されるであろう。
ＱＲコード４０を生成するために、マップ３６は秘密の暗号鍵と組み合わされ、結果として得られるＱＲコード４０は、認証デバイス２０の製造時および／または適合時に物品１０上に印刷される。次いで、ＱＲコード４０は、マップ３６またはデジタル署名３８と並行して、もしくは、マップ３６またはデジタル署名３８と組み合わせて読み取られ得る。暗号鍵の公開コンポーネントを使用して、ＱＲコード４０に格納された情報を二次元材料１４によって生成されたマップ３６と相関させることができ、それによって、物品１０を認証することができる。本発明の第２の実施形態は、例えば、暗号鍵の公開コンポーネントを使用して、物品１０を認証するために、インターネット接続の必要性を除去するなどして物品１０のオフライン認証を可能にするので、有益であり得る。

Claims (45)

  1. 作動エリアと一体で実質的二次元材料の一つ以上のフレークを含み、非共振フォトルミネッセンスによって、前記作動エリア内の位置と共に変化する特性を有する電磁放射線を放出するように該作動エリアが構成された、認証デバイス。
  2. 前記電磁放射線が放出される前記作動エリア内の位置と共に変化する該電磁放射線の特性が波長である、請求項１に記載の認証デバイス。
  3. 前記電磁放射線が放出される前記作動エリア内の位置と共に変化する該電磁放射線の特性が偏波である、請求項１に記載の認証デバイス。
  4. 前記放出電磁放射線は、入射電磁放射線の波長とは異なる波長を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の認証デバイス。
  5. 前記放出電磁放射線は、入射電磁放射線に線形に依存する強度を有する、請求項１〜４のいずれかに記載の認証デバイス。
  6. 前記二次元材料は、直接遷移材料である、請求項１〜５のいずれかに記載の認証デバイス。
  7. 前記実質的二次元材料の、非共振フォトルミネセンスによって放出された光子は、前記作動エリアの関連する位置における前記二次元材料のバンドギャップエネルギーに実質的に対応するエネルギーを有する、請求項１〜６のいずれかに記載の認証デバイス。
  8. 前記二次元材料の前記バンドギャップは、前記実質的二次元材料の前記作動エリアにわたって空間的に変化する、請求項１〜７のいずれかに記載の認証デバイス。
  9. 前記実質的二次元材料のバンドギャップは、格子欠陥、エッジ欠陥、前記二次元材料の形状及び／またはサイズ、前記二次元材料の幾何学的性質、及び前記二次元材料とデバイスの他の層との相互作用のいずれかによって変化する、請求項１〜８のいずれかに記載の認証デバイス。
  10. 前記実質的二次元材料のバンドギャップが、その材料にわたって０ｅＶと４ｅＶの範囲内で変化する、請求項１〜９のいずれかに記載の認証デバイス。
  11. 前記実質的二次元材料は、可視スペクトルの電磁放射線を放出する、請求項１〜１０のいずれかに記載の認証デバイス。
  12. 前記実質的二次元材料は、該実質的二次元材料の作動エリアの特定の領域においてバンドギャップを変える不純物でドープされる請求項１〜１１のいずれかに記載の認証デバイス。
  13. 前記実質的二次元材料は、該材料の複数のフレークを含む、請求項１〜１２のいずれかに記載の認証デバイス。
  14. 前記実質的二次元材料は、光学的に透過性の、例えば透明な材料の少なくとも一つの層の中に封入されているか、またはその層により積層されている、請求項１〜１３のいずれかに記載の認証デバイス。
  15. 前記光学的に透過性の材料は、前記実質的二次元材料より高い剛性を有する、請求項１４に記載の認証デバイス。
  16. 前記実質的二次元材料は、酸化グラフェン、グラフェン及びホスホレンのいずれか一つまたは任意の組み合わせである、請求項１〜１５のいずれかに記載の認証デバイス。
  17. 前記実質的二次元材料は、遷移金属ダイカルコゲナイド、例えば、二硫化モリブデン、二セレン化モリブデン、二硫化タングステン、または二セレン化タングステンのいずれか一つまたは任意の組み合わせである、請求項１〜１６のいずれかに記載の認証デバイス。
  18. 前記実質的二次元材料は、III族カルコゲナイド、例えば、Ｇａ２Ｘ２またはＩｎ２Ｘ２（ここでＸ＝Ｓ、Ｓｅ、またはＴｅ）のいずれか一つまたは任意の組合せである、請求項１〜１７のいずれかに記載の認証デバイス。
  19. 前記認証デバイスは、認証が望まれる物品の一部を形成する、もしくは認証が望まれる物品と一体化される請求項１〜１８のいずれかに記載の認証デバイス。
  20. 請求項１〜１９のいずれかに記載の認証装置を含む物品。
  21. 前記物品は、例えばバーコードまたはＱＲコードなどのさらなる認証マークを含む、請求項２０に記載の物品。
  22. 前記さらなる認証マークは、例えば、暗号鍵または署名の秘密コンポーネントを使用して、前記実質的二次元材料の前記作動エリアの放出電磁放射線によって提供される認証マップから導出される、請求項２１に記載の物品。
  23. 前記認証マップは、さらなる認証マークを生成するために、暗号鍵または署名の秘密コンポーネントを使用して暗号化され、そのようなさらなる認証マーク及び認証マップの両方の読み取りは、暗号鍵または署名の公開コンポーネントとの比較によって認証され得る鍵を提供する、請求項２１または２２に記載の物品。
  24. 前記物品は、最終製品、データキャリア、通貨またはバンクカードである、請求項２０〜２３のいずれか一つに記載の物品。
  25. 認証方法であって、
    （ａ）請求項１〜１９のいずれか一つに記載の認証デバイスを提供するステップと、
    （ｂ）非共振フォトルミネッセンスによって、作動エリアの位置と共に変化する特性を有する電磁放射線が放出されるように、認証デバイスの作動エリアの少なくとも一部に入射電磁放射線を照射するステップと、
    （ｃ）放出電磁放射線を検出するステップと、
    （ｄ）前記検出した電磁放射線から、認証を可能にする認証マップを提供するステップと、
    を含む認証方法。
  26. 前記認証マップは、電磁放射線源と、前記作動エリア内の複数の位置から放出される前記電磁放射線を検出するためのセンサと、前記検出された電磁放射線からの認証マップ及び／または関連するデジタル署名を生成するためのプロセッサとを含む認証リーダによって読み取られる、請求項２５に記載の方法。
  27. 実質的二次元材料の前記作動エリアに照射するために使用される電磁放射線は、少なくとも該作動エリアの一部における該実質的二次元材料のバンドギャップのエネルギーと少なくとも同じ高さの、そして最も好ましくはそれより高い光子エネルギーを有する、請求項２５または請求項２６に記載の方法。
  28. 認証マップは、複数の異なる波長または偏波の電磁放射線、もしくは複数の異なる波長範囲または偏波範囲の電磁放射線を検出して、多層認証マップを生成することによって提供される、請求項２５〜２７のいずれか一つに記載の方法。
  29. 前記認証マップがデジタル信号に変換される、請求項２５〜２８のいずれか一つに記載の方法。
  30. 前記認証マップが真正マップのデータベースと比較される、請求項２５〜２９のいずれか一つに記載の方法。
  31. 前記真正マップの前記データベースがリモートでアクセスされる、請求項２５〜３０のいずれか一つに記載の方法。
  32. 請求項１〜１９のいずれか一つに記載の認証デバイスと、非共振フォトルミネセンスにより、作動エリアの位置によって変化する特性を有する電磁放射線が放出されるように、認証デバイスの作動エリアの少なくとも一部に入射電磁放射線を照射する手段と、放出電磁放射線を検出する手段と、検出された電磁放射線から、認証を可能にする認証マップを提供する手段と、を含む認証装置。
  33. 前記認証マップは、認証リーダによって読み取り可能であり、該認証リーダは、電磁放射線源と、前記作動エリア内の複数の位置から放出される前記電磁放射線を検出するためのセンサと、検出された電磁放射線から認証マップ及び／または関連するデジタル署名を生成するためのプロセッサと含む、請求項３２に記載の認証装置。
  34. 前記実質的二次元材料の作動エリアに照射するために使用される電磁放射線は、少なくとも該作動エリアの一部における該実質的二次元材料のバンドギャップのエネルギーと少なくとも同じ高さの光子エネルギーを有する、請求項３２または３３に記載の認証装置。
  35. 前記認証装置は、電磁放射線の単一の波長または偏波、もしくは狭い範囲の波長または偏波の通過を可能にするようにそれぞれ構成された一つ以上のフィルタを備える、請求項３２〜３４のいずれか一つに記載の認証装置。
  36. 前記一つ以上のフィルタは、前記実質的二次元材料の作動エリアを照射するために使用される前記入射電磁放射線の通過を防止するように構成される、請求項３５に記載の認証装置。
  37. 認証マップは、複数の異なる波長または偏波の電磁放射線、もしくは複数の異なる波長範囲または偏波範囲の電磁放射線を検出して、多層認証マップを生成することによって提供される、請求項３２〜３６のいずれか一つに記載の認証装置。
  38. 複数の認証マップが、単一の波長または単一の狭い波長範囲で前記認証リーダによって読み取られる、請求項３２〜３６のいずれか一つに記載の認証装置。
  39. 前記認証装置は、ＣＣＤ（電荷結合デバイス）イメージセンサを含む、請求項３２〜３８のいずれか一つに記載の認証装置。
  40. 前記認証マップは、デジタル信号に変換されることを特徴とする請求項３２〜３９のいずれか一つに記載の認証装置。
  41. 前記少なくとも一つの読み取られた認証マップを真正マップのデータベースと比較するように構成されている、請求項３２〜４０のいずれか一つに記載の認証装置。
  42. 前記認証マップの前記データベースは、リモートでアクセス可能である、請求項３２〜４１のいずれか一つに記載の認証装置。
  43. 物品の製造方法であって、請求項１〜１９のいずれか一つに記載の認証デバイスを物品に組み込むステップを含む方法。
  44. 前記認証デバイスは、前記物品とは別個に製造され、前記物品の製造方法は、前記物品に前記認証デバイスを固着するステップを含む、請求項４３に記載の方法。
  45. 前記認証デバイスを前記物品に固着するステップは、前記物品の形成における一体的なステップであるか、または前記物品の形成後に前記物品の表面に前記認証デバイスが固着される、請求項４３または請求項４４に記載の方法。

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