KR20200060448A - 얇은 광학 보안 요소 및 이를 디자인하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 얇은 광학 보안 요소에 관한 것으로서, 광원으로부터의 입사광을 방향전환시켜서 투사면 위에 이미지를 형성하도록 조작가능한 릴리프 패턴을 갖는, 광-방향전환 반사면 또는 굴절면을 포함하고, 영상이 사람에 의해 시각적으로 인식가능한 기준 패턴을 재현하는 초면 패턴을 포함한다. 본 발명은 또한, 얇은 광학 보안 요소의 광-방향전환 표면의 릴리프 패턴을 디자인하는 방법에 관한 것이다.

Description

얇은 광학 보안 요소 및 이를 디자인하는 방법
본 발명은 적절한 조명 하에서 초면(caustic) 패턴을 투사하도록 조작가능한 반사성 또는 굴절성 광학 보안 요소 및 이러한 광학 보안 요소를 디자인하는 방법의 기술 분야에 관한 것이다.
일반적으로 입수가능한 수단을 사용하여, 소위 "보통 사람"에 의해 인증될 수 있는, 물체에 대한 보안 피처(security feature)에 대한 요구가 있다. 이러한 수단들은 오감, 주로 시각과 촉각을 사용하는 것과 더불어 예를 들어 휴대폰과 같은, 널리 보급된 도구(tool)를 사용하는 것을 포함한다.
보안 피처의 몇 가지 일반적인 예는 은행권(banknote), 신용카드, 신분증, 티켓, 인증서, 문서, 여권 등의 위에서 발견될 수 있는 포렌식 섬유, 스레드(thread) 또는 포일(예를 들어, 종이와 같은 기재(substrate)에 내포됨), 워터마크, 오목판 프린팅 또는 마이크로프린팅(가능하면 광학적 가변성 잉크로 기재 위에 인쇄됨)이다. 이러한 보안 피처는, 광학적 가변성 잉크, 보이지않는 잉크(invisible ink) 또는 발광 잉크(특정한 여기광(excitation light)을 사용한 적절한 조명 하에서 발광 또는 인광함), 홀로그램 및/또는 촉감 피처를 포함할 수 있다. 보안 피처의 주요 양태는 위조하기가 매우 어려운 일부 물리적 특성(광학 효과, 자기 효과, 물질 구조 또는 화학 성분)을 가져서 이러한 보안 피처로 마킹된 물체는 (시각적으로 또는 특정한 장치에 의해서) 상기 특성이 관찰되거나 드러날 수 있다면 진품으로서 신뢰가능하게 간주될 수 있다.
그러나, 물체가 투명하거나 부분적으로 투명할 때, 이러한 특징은 적합하지 않을 수 있다. 실제로, 투명 물체는, 요구되는 보안 피처를 갖는 보안 요소가 미적 또는 기능적인 이유로, 이들의 투명성이나 이들의 외형을 변경하지 않는 것을 요구한다. 주목할 만한 예로는 약학 제품용 블리스터 및 바이알을 포함할 수 있다. 최근, 예를 들어, 중합체 및 하이브리드 은행권은 그들의 디자인에 투명한 윈도우를 도입하여, 그와 상용가능한 보안 피처에 대한 요구를 발생시킨다.
문서, 은행권, 보안 티켓, 여권 등을 위한 보안 요소의 가장 최근의 보안 피처 대부분은 투명 물체/영역을 위해 특별히 개발되지 않았으며, 그래서 이러한 적용례에는 적합하지 않다. 예를 들어, 보이지 않은 잉크 및 형광 잉크로 얻은 다른 피처들은 특정한 여기 도구 및/또는 검출 수단을 요구하고, 이는 "보통 사람"이 손쉽게 이용 가능하지 않을 수 있다.
반(semi)-투명 광학 가변성 피처(예를 들어, 액정 코팅물, 또는 표면 구조체로부터의 잠상(latent images))가 공지되어 있으며, 이러한 종류의 기능을 제공할 수 있다. 불행하게도, 이러한 보안 피처를 포함하는 마킹은 일반적으로, 효과가 잘 보이도록 어두운/균일한 배경과 대비되어 관찰되어야만 한다.
다른 공지된 피처는 비-금속화된 표면 홀로그램과 같은, 회절 광학 요소이다. 이러한 피처의 단점은, 직접 관찰할 때 이들이 매우 낮은 콘트라스트(contrast) 시각 효과를 나타낸다는 것이다. 더욱이, 패턴을 투사하기 위해서는 단색성 광원과 함께 사용될 때, 이들은 만족스런 결과를 제공하기 위해서 전형적으로 레이저를 요구한다. 아울러, 명확하게 가시적인 광학 효과를 제공하기 위해서는 광원, 회절 광학 요소 및 사용자 눈의 상당히 정밀한 상대적 공간 배치가 요구된다.
예를 들어, 유리 바이알에는 레이저 음각된 마이크로-텍스트 및/또는 마이크로-코드가 사용되어 왔다. 그러나 이들은 이들의 구현을 위한 고가의 도구 및 이들의 검출을 위한 특정한 확대 도구를 요구한다.
따라서, 본 발명의 목적은, 추가 수단을 사용하지 않거나(즉, 육안으로) 또는 일반적이며 쉽게 입수가능한 수단(예를 들어 단순 확대경)을 사용하여, 사람에 의해, 시각적으로 쉽게 인증될 수 있는 보안 피처를 갖는, 투명 또는 부분적으로 투명한 물체(또는 기재)를 위한 광학 보안 요소를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 대량 제조에 용이하거나 양산(mass-production) 제조 공정과 상용가능한 광학 보안 요소를 제공하는 것이다. 더욱이, 광학 보안 요소의 조명은 쉽게 입수가능한 수단(예를 들어, 휴대폰의 LED 또는 태양과 같은 광원)으로도 가능해야 하고, 사용자에 의한 우수한 시각적 관찰을 위한 조건이 광원, 광학 보안 요소 및 사용자의 눈의 너무 엄격한 상대적 공간 배치를 필요로 하지 않아야만 한다.
또한, 상기 열거된 대부분의 물체는 적어도 하나의 치수에서 감소된 크기를 갖는다(예를 들어, 은행권은 두께가 100 ㎛ 미만일 수 있음). 따라서, 본 발명의 추가 목적은 감소된 치수(예를 들어, 300 ㎛ 미만의 두께)의 물체와 상용가능한 얇은 광학 보안 요소를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은, 선택된 목표(target) 시각 효과에 따라, 조명 하에서 시각 효과를 제공하도록 조작가능한 매우 얇은 광학 보안 요소를 디자인하는 효율적인 방법을 제공하는 것이다. 더욱이, 이러한 방법은 이러한 얇은 광학 보안 요소의 대량 생산과 상용가능해야 한다.
하나의 양태에 따르면, 본 발명은, 광원으로부터의 입사광을 방향전환시켜 투사면(projection surface) 위에 투사 이미지를 형성하도록 작동가능한 릴리프 패턴(relief pattern)을 갖는 광-방향전환 반사면(reflective light-redirecting surface) 또는 투명하거나 부분적으로 투명한 광-방향전환 굴절면을 포함하는 광학 보안 요소로서, 상기 투사 이미지가, 어떠한 추가 수단도 사용하지 않거나(즉, 육안으로) 또는 일반적이고 쉽게 입수가능한 수단을 사용하여, 사람에 의해 쉽게 인식가능한 기준 패턴을 재현하는 초면 패턴(caustic pattern)을 포함하여, 이러한 광학 보안 요소로 마킹된 물체가 사람에 의해 시각적으로 쉽게 인증될 수 있는, 광학 보안 요소에 관한 것이다. 광학 보안 요소의 릴리프 패턴의 감소된 두께는, 예를 들어 은행권 또는 보안 문서(예를 들어, 신원 서류, 여권, 카드 등)와 같은 감소된 치수의 물체를 마킹하는 것에 특히 적합하다. 본 발명에 따르면, 짧은 깊이(depth) δf 및 그의 급격한 편차(variation)를 갖는 기계가공된 외곽선(profile)을 갖는 릴리프 패턴을 갖는 매우 얇은 광학 보안 요소는, 불연속부(discontinuity)를 갖는 계산된(calculated) 릴리프 외곽선을 재현하도록 기계가공 공정을 제어함으로써 수득된다. 사실상, 수많은 테스트는, 불연속부를 갖는 계산된 릴리프 외곽선이 앞서 언급된 인식가능한 초면 패턴을 갖는 이미지의 투사와 상용가능한 점을 확인하였다. 굴절성 광학 보완 요소의 투명한 양태는 적어도 부분적으로 투명한 기재(예를 들어, 유리 또는 플라스틱 병, 병뚜껑, 시계 유리, 장신구, 보석 등)를 마킹하는 것을 특히 적합하게 한다. 바람직하게는, 굴절성 광학 보안 요소는 가시광(약 380 nm 내지 약 740 nm의 광 파장)에 대해 투명(또는 부분적으로 투명)하다.
특히, 광학 보안 요소의 릴리프 패턴이 매우 얇아야 하는 경우(즉, 전형적으로 250 ㎛ 미만의 릴리프 깊이 δf를 가질 때), 사람에 의해서 시각적으로 인식가능하도록, 투사면 위에 투사된 초면 패턴에 의해 편의상 재현될 수 있는 기준 패턴을 결정하는 것이 크게 어렵고 적합한 광-방향전환 표면을 형성하기 위해 광학 재료편의 표면 위에 기계가공될 매우 얇은 해당 릴리프 패턴을 계산하는 것의 어려움의 측면에서, 본 발명의 또다른 양태는, 광학 보안 요소의 광-방향전환 표면의 릴리프 패턴을, 하기 단계에 의해, 효율적으로 디자인하는 방법에 관한 것이다:
- δf보다 긴 깊이 δi의 릴리프 패턴을 갖는, 즉 목표 기준 패턴을 알맞게 재현하면서 해당 릴리프 패턴 연속적 외곽선을 결정하도록 대처하기에는 보다 용이한 깊이 제한을 갖지만 목표 δf를 고려하면 더 두꺼운 광학 보안 요소를 제공하는, 모델 광-방향전환 표면의 초기 연속적인(또는 구분적으로(piecewise) 연속적인) 외곽선으로부터 출발하는, 단계; 및
- 초기 연속적인(또는 구분적으로 연속적인) 외곽선을 면으로 분명하게 붕괴(collapsing)시킴과 동시에, 이를 박형화(thinning)함으로써, 상기 초기 외곽선을, 불연속부를 갖는 릴리프 외곽선으로 변형하고, 목표 기준 패턴에 해당하면서 사람에 의해 시각적으로 인식가능한 초면 패턴을 투사면 위에 투사할 수 있는 기계가공된 릴리프 패턴을 제공하는 그의 능력을 보존하는 단계.
이 방법은 목표 기준 패턴의 선택에 보다 유연성을 허용하면서, 마킹된 물체의 시각적 인증에 알맞은 매우 얇은 릴리프 패턴(즉, 250㎛ 이하, 또는 심지어 30 ㎛ 이하의 깊이)을 디자인하는 데에 특히 효율적이며 광학 보안 요소의 디자인 공정 작업을 상당히 가속화하게 한다.
따라서, 하나의 양태에 따르면, 본 발명은 깊이 δf의 릴리프 패턴을 갖는 광-방향전환 반사면 또는 투명하거나 부분적으로 투명한 광-방향전환 굴절면을 포함하는 광학 보안 요소에 관한 것으로서, 이는 점-유사 광원(point-like source)으로부터 받은 입사광을 방향전환시켜 투사면 위에 초면 패턴을 포함하는 투사된 이미지를 형성하도록 조정되어 있고, 상기 초면 패턴은 기준 패턴을 재현하면서 시각적으로 인식가능하고, 여기서 릴리프 패턴의 외곽선이, 불연속부를 갖는 계산된 릴리프 패턴 외곽선에 따라 광학 재료편의 표면을 기계가공함으로써 형성된 급격한 편차를 가지며, 상기 기계가공된 급격한 편차가 불연속부에 해당한다.
바람직하게는, 계산된 릴리프 패턴 외곽선은 하기 단계에 의해 수득된다:
i) 모델 광-방향전환 표면의 초기(가능하게는 연속적인) 릴리프 패턴 외곽선을 보다 작은 인접한 외곽선 부분으로 슬라이싱(slicing)하는 단계로서, 상기 초기 릴리프 패턴 외곽선은 δf 보다 긴 깊이 δi를 갖고 점-유사 광원에 의한 조명 하에서 투사면 위에 상기 초면 패턴을 광 경로 시뮬레이션에 의해 재현하도록 조작가능하고, 상기 슬라이싱 단계가 임의의 두 개의 인접한 외곽선 부분들 사이에 상기 모델 광-방향전환 표면의 광축에 평행하게 연장되는 경계면(boundary surface)을 만드는 단계, 및
ii) 두 개의 연이은 경계면 사이를 차지하는 각각의 외곽선 부분을 광축을 따라 붕괴시킴으로써 각각의 경계면을 따라 불연속부를 갖는 계산된 릴리프 외곽선을 형성하는 단계.
본 발명에 따르면, 상기 모델 광-방향전환 표면의 광축에 대해 높이가 측정되고 상기 광축에 수직인 밑면(base plane) 위로 연장되는 초기 릴리프 패턴 외곽선의 외곽선 부분을 붕괴시키는 조작은, 상기 외곽선 부분을, 경계면이 상기 외곽선 부분과 교차하는 최소 높이에 해당하는 거리 값만큼, 광축에 평행하면서 밑면을 향해 옮겨(translate), δi보다 작은 감소된 깊이의 릴리프 패턴을 갖는 계산된 릴리프 외곽선을 수득하는 단계에 의해 수득된다.
따라서, 초기 두꺼운 릴리프 패턴에 따라, 기준 패턴을 재현하면서 사람에 의해 시각적으로 인식가능한 (투사면 위의) 초면 패턴을 투사하는 능력은 보존하면서, 더 얇은 릴리프 패턴이 기계가공될 수 있고, 더 얇은 광학 보안 요소가 형성될 수 있다.
매우 얇은 광학 보안 요소를 제공하기 위해, 릴리프 패턴의 깊이 δf의 값은 250 ㎛ 이하, 또는 심지어 30 ㎛ 이하일 수 있다. 더욱이, 광학 보안 요소는 편평한 밑판(base substrate) 위에 배치된 그의 릴리프 패턴을 추가로 가질 수 있고, 광학 보안 요소의 전체 두께는 100 ㎛ 이하이다.
바람직하게는, 투사된 초면 패턴으로부터 기준 패턴의 시각적 인식에 의한 인증 작업을 보다 쉽게 하기 위해, 광학 보안 요소는 그의 릴리프 패턴을 추가로 가질 수 있는데, 상기 릴리프 패턴은 광-방향전환 표면으로부터 거리 ds에 있는 점-유사 광원으로부터 받은 입사광을 방향전환시켜 광-방향전환 표면으로부터 거리 di에 있는 투사면 위에 초면 패턴을 포함하는 투사된 이미지를 형성하도록 조정되어 있고, 여기서, di의 값이 30 cm 이하이고, ds/di 비율의 값이 5 이상이다. 또한, 투사면은 바람직하게는 편평하다.
본 발명에 따른 광학 보안 요소는 많은 상이한 유형의 물체를 마킹하기 위해 사용될 수 있고, 특히 소비재, 납세필 인지, 아이디 카드, 여권, 신용카드 및 은행권을 포함하는 군으로부터 선택되는 물체를 마킹할 수 있다.
다른 양태에 따르면, 본 발명은, 점-유사 광원으로부터 받은 입사광을 방향전환시켜 투사면 위에 초면 패턴을 포함하는 투사된 이미지를 형성하도록 조정되어 있고, 상기 초면 패턴이 기준 패턴을 재현하면서 시각적으로 인식가능한 것인 광학 보안 요소의, 깊이 δf의 릴리프 패턴을 갖는, 광-방향전환 반사면 또는 투명하거나 부분적으로 투명한 광-방향전환 굴절면을 디자인하는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법이 하기 단계를 포함한다:
a) 불연속부를 갖는 릴리프 외곽선을 계산하는 단계; 및
b) 단계 a)에서 계산된 불연속부를 갖는 릴리프 외곽선에 따라 광학 재료편의 표면을 기계가공함으로써, 단계 a)에서 계산된 릴리프 외곽선의 불연속부에 해당하는 급격한 편차를 갖는 릴리프 패턴의 기계가공된 외곽선을 갖는 단계.
바람직하게는, 본 발명에 따른 광-방향전환 표면을 디자인하는 방법 중 단계 a)에서, 불연속부를 갖는 릴리프 패턴 외곽선을 계산하는 단계는 하기의 추가 단계에 의해 수행된다:
- 모델 광-방향전환 표면의 초기 릴리프 패턴 외곽선을 더 작은 인접한 외곽선 부분으로 슬라이싱하는 단계로서, 상기 초기 릴리프 패턴 외곽선은 δf보다 큰 깊이 δi를 갖고 점-유사 광원에 의한 조명 하에서 투사면 위에 상기 초면 패턴을 광 경로 시뮬레이션에 의해 재현하도록 조작가능한 것이고, 상기 슬라이싱하는 단계가 상기 모델 광-방향전환 표면의 광축에 평행하게 연장되는 경계면을, 임의의 두 개의 인접한 외곽선 부분들 사이에 만드는, 단계; 및
- 두 개의 연이은 경계면 사이를 차지하는 각각의 외곽선 부분을 광축을 따라 붕괴시킴으로써 각각의 경계면을 따라 불연속부를 갖는 계산된 릴리프 외곽선을 형성하는 단계.
더욱 바람직하게는, 본 발명에 따른 광-방향전환 표면을 디자인하는 상기 방법에서,
- 단계 a)에서, 상기 모델 광-방향전환 표면의 광축에 대해 높이가 측정되며 상기 광축에 수직인 밑면 위로 연장된 초기 릴리프 패턴 외곽선의 외곽선 부분을 붕괴시키는 추가 단계가, 외곽선 부분을, 광축에 평행하면서 밑면을 향해, 경계면이 상기 외곽선 부분과 교차하는 최소 높이에 해당하는 거리 값만큼 옮겨, δi보다 작은 감소된 깊이의 릴리프 패턴을 갖는 계산된 릴리프 외곽선을 수득하는 단계에 의해 수행되고;
- 단계 b)에서, 광학 재료편의 표면은 δi보다 작은 감소된 깊이의 계산된 릴리프 패턴 외곽선에 따라 기계가공되어,
δi보다 작은 감소된 깊이 δf의 릴리프 패턴을 갖는 광학 보안 요소의 광-방향전환 표면을 수득한다.
상기 방법의 단계 b)에서, 광학 재료편 표면의 기계가공은 초정밀 절삭(ultra-precision machining)(UPM), 레이저 어블레이션(laser ablation) 및 리소그래피(lithography) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 방법에 따라 기계가공된 광-방향전환 표면은, 몰딩법에 의해, 광-방향전환 표면의 복제품(또는 광학 보안 요소의 대량-생산을 위한 복제품)을 만들기 위해 사용될 마스터(master) 광-방향전환 표면일 수 있고, 기재 위에 (예를 들어, 물체 위에 적용가능한 마킹을 형성하도록) 복제될 수 있다. 기계가공된 광-방향전환 표면의 복제는 (예를 들어, 롤-투-롤(roll-to-roll)이나 포일-투-포일(foil-to-foil) 제조 공정에서) UV 캐스팅 및 엠보싱(embossing) 중 임의의 하나를 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명할 것이며, 상기 도면에서 유사한 참조 번호는 유사한 요소를 나타내고, 여기에서 본 발명의 중요한 측면들 및 특징들이 도시되어 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 초면 패턴의 투사를 위한 굴절성 광학 요소의 광학적 구성의 모식도이다.
도 2의 (A)는 2차원 초기 릴리프 패턴 외곽선의 단면도를 도시한다.
도 2의 (B)는 본 발명에 따라, 불연속부를 가지면서 도 2의 (A)의 초기 릴리프 패턴으로부터 수득되는 계산된 2차원 릴리프 패턴 외곽선의 단면도를 도시한다.
도 3은 기준 패턴(어두운 배경 위에 숫자 100을 나타내는 패턴을 가짐)의 예를 도시한다.
도 4a는 해당하는 투사된 초면 패턴(배경)과 함께, 포일(전경) 위에 디자인된 얇은 투명 굴절성 광학 보안 요소의 도면이다.
도 4b는 도 4a의 전경에 나타낸 광학 보안 요소에 의해 투사된 초면 패턴의 사진이다.
도 5a는 도 3의 기준 패턴에 대해 계산된 릴리프 패턴 외곽선의 불연속부에 해당하는 등고선(contours)을 갖는 릴리프 패턴의 사시도이다.
도 5b는 도 5a의 릴리프 패턴에 해당하는 투사된 초면 패턴의 도면이다.
도 6a는 타원형 실린더로 초기 릴리프 패턴을 슬라이싱하는 단계에 의해 형성된 절단부(cut)에 해당하는 등고선을 갖는 릴리프 패턴의 사시도이다.
도 6b는 도 6a의 릴리프 패턴에 해당하는 투사된 초면 패턴의 도면이다.
광학에서, 용어 "초면(caustic)"은, 적어도 하나가 휘어진, 하나 이상의 표면에 의해 반사되거나 굴절된 광선의 인벨로프(envelope) 뿐만 아니라, 이러한 광선을 다른 표면 위로 투사하는 것을 지칭한다. 더욱 구체적으로, 초면이란, 집중된 광의 곡선으로서 광선들의 인벨로프의 경계를 정의하는, 각 광선에 접선인 곡면 또는 표면이다. 예를 들어, 수영장 바닥에 태양 광선에 의해 형성된 광 패턴은 단일 굴절성 광-방향전환 표면(물결 모양의 공기-물 계면)에 의해 형성된 초면 "이미지" 또는 패턴인 반면에, 유리 컵의 곡면을 통해 통과하는 빛은 그의 경로를 방향전환시키는 둘 이상의 표면(예를 들어, 공기-유리, 유리-물, 공기-물...)을 가로지를 때, 유리 컵이 놓인 테이블 위에서 컵(cusp) 유사 패턴을 만든다.
이하에서는, (굴절성) 광학 (보안) 요소가 하나의 곡면 및 하나의 편평한 표면에 의해 결합되는 가장 일반적인 구성이, 보다 일반적인 경우를 제한하지 않으면서, 예로서 사용될 것이다. 본 출원인은 적절히 성형된 광학 표면(즉, 적절한 릴리프 패턴을 갖는 광학 표면)이 광원으로부터 빛을 방향전환시켜 이를 스크린의 몇몇 영역으로부터 전향시켜 이미-결정된 광 패턴으로 스크린의 다른 영역 위에 이를 집중시킬 때(따라서, 상기 "초면 패턴"을 형성할 때), 스크린(투사면)에 형성된 광 패턴으로서 더 일반적인 "초면 패턴"(또는 "초면 이미지")으로 본 명세서에서 지칭할 것이다. 방향전환이란, 광학 요소가 부재한 경우의 광원으로부터 스크린까지의 경로에 대해, 광학 요소가 존재하는 경우의 광원으로부터 광선 경로의 변화를 지칭한다. 다시 말해서, 휘어진 광학 표면은 "릴리프 패턴"으로 지칭될 것이고, 이러한 표면에 결합된 광학 요소는 광학 보안 요소로서 지칭될 것이다. 비록 증가한 복잡성의 대가일 수 있으나, 초면 패턴이 하나 초과의 곡면 및 하나 초과의 물체에 의한 광의 방향전환의 결과일 수 있음에 주목해야 한다. 더욱이, 초면 패턴을 만들기 위한 릴리프 패턴은 회절 패턴(예를 들어, 보안 홀로그램에서와 유사)과 혼동해서는 안된다.
본 발명에 따르면, 이러한 개념이 예를 들면 소비재, 아이디 카드/신용카드, 은행권 등과 같은 일반적인 물체에 적용될 수 있음이 발견되었다. 그러기 위해서는, 광학 보안 요소의 크기를 철저하게 줄이고, 특히 허용가능한 수치 미만의 릴리프 깊이를 수반하는 것이 요구된다. 그러나, 릴리프는 깊이 측면에서 강하게 제한되기는 하지만, 여전히 (기준 패턴을 나타내는) 선택된 (디지털) 이미지의 근사체(approximation)가 충분한 품질로 투사면 위에서 구현될 수 있어서, 투사면(또는 스크린) 위의 시각적으로 관찰되는 초면 패턴으로부터 선택된 이미지의 시각적 인식을 허용한다는 점이 발견되었다. 디자인 및 기계가공이 매우 까다로운 광학 보안 요소로부터 투사되기 때문에(따라서 위조가 매우 어려움), 이처럼 스크린 위의 단순한 가시적인 초면 패턴으로부터 직접적으로 기준 패턴을 인식하는 것은, 이러한 광학 보안 요소로 마킹된 물체의 신뢰가능한 인증을 허용하는 가치있는 보안 테스트를 구성한다.
본 명세서에서, 아래의 "릴리프"는 골짜기의 밑바닥과 산의 정상 사이의 고도차(즉, "고저간(peak to valley)" 스케일)와 흡사하게, 표면의 최고점과 최저점 사이 높이차(광학 보안 요소의 광축을 따라 측정됨)의 존재로 이해되어야 한다. 본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 광학 보안 요소의 릴리프 패턴의 최대 깊이는, 초정밀절삭(UPM) 및 복제화 공정에 의해 강제되는 한계, 즉 0.2 ㎛ 초과이지만, ≤ 250 ㎛, 또는 더욱 바람직하게는 ≤ 30 ㎛ 이다. 본 명세서에 따르면, 광-방향전환 표면 위의 릴리프 패턴에서의 최고점과 최저점 사이의 높이차는 릴리프 깊이 δ로 지칭된다.
본 명세서에서 몇 가지 용어가 사용되고, 이는 이하에서 추가로 정의된다.
디지털 이미지의 근사체를 형성하는, 초면 패턴(이미지)은 적합한 광원(바람직하게는, 필수적이지는 않지만, 점-유사 광원)에 의해 조명되었을 때, 광학 보안 요소에 의해 투사된 광 패턴으로서 이해되어야 한다. 앞서 언급된 바와 같이, 광학 (보안) 요소는 초면 이미지 형성에 원인인 굴절성 물질의 슬래브(slab)로서 이해되어야 한다.
광-방향전환 표면(들)은, 광원으로부터의 입사광(incoming light)을, 초면 패턴이 형성되어 있는, 스크린 또는 (바람직하게는 편평한) 투사면으로 방향전환시키는 것을 담당하는 광학 보안 요소의 표면(또는 표면들)이다.
광학 (보안) 요소를 만들기 위해 사용되는 광학 물질 기재는, 릴리프 패턴을 갖고 이에 따라 광-방향전환 표면을 형성하도록 표면이 특별히 기계가공된 원료 기재이다. 광-방향전환 반사면의 경우, 광학 물질 기재는 필수적으로 균일하거나 투명하지 않는다. 예를 들어, 물질은 가시광에 대해 불투명할 수 있다(기계가공된 표면의 고전적인 금속화에 의해 반사율이 얻어진다). 광-방향전환 굴절면의 경우, 원료 기재는 (인간 눈에 가시적인 스펙트럼의 광자에 대한) 굴절률 n을 가지면서 투명(또는 부분적으로 불투명)하고 균일하고, 해당하는 광-방향전환 표면은 "굴절률 n의 투명하거나 부분적으로 투명한 광-방향전환 굴절면"으로 명명된다.
본 명세서에 따른 마스터는, 계산된 외곽선(특히, 계산된 릴리프 패턴)으로부터의 광-방향전환 표면의 첫 번째 물리적 실현물이다. 이것은 여러 복제본(도구)으로 복제된 후 대량 복제에 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같은 점-유사 광원은, 광이 광-방향전환 표면으로부터의 거리 ds에 있는 단일 점에서 발생하는 것으로 간주될 수 있을 정도로, (광학 보안 요소의 관점으로부터의) 각크기(angular size)가 충분히 작은 광원이다. 경험상으로, 이는 (광원 직경) x di/ds의 양이 광-방향전환 표면으로부터의 거리 di에서 투사면 위의 이미지에서 목표 초면 패턴의 원하는 해상도(예를 들어, 0.05-0.1 mm)보다 작다는 것을 의미한다(도 1 참조). 스크린은 초면 패턴이 투사되는 표면으로 이해되어야 한다. 또한, 광원과 광-방향전환 표면 사이의 거리는 광원 거리 ds로 명명되고, 광-방향전환 표면과 스크린 사이의 거리는 이미지 거리 di로서 명명된다.
도구(또는 모호성(ambiguity)을 제거하는 것이 필요한 경우, 복제 도구)라는 용어는, 주로 대량 복제에 사용되는 광-방향전환 표면의 외곽선을 갖는 물리적 물체를 위해 주로 사용된다. 이는, 예를 들어 마스터 표면의 사본을 생성하는 것일 수 있다(원본 릴리프는 엠보싱 또는 주입에 의해, 해당하는 반전 릴리프(inverted relief)를 갖는 마스터로부터 재현됨). 광-방향전환 표면의 릴리프 패턴을 기계가공하기 위해 사용되는 도구의 경우, 기계가공 도구라는 용어가 모호성을 제거하기 위해 사용된다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면, 점-유사 광원(S)으로부터의 광을 방향전환시키며 적합한 스크린(3) 위로 투사하기 위한, 반사성 또는 굴절성 표면을 갖는 광학 보안 요소(1)가 제공되며, 상기 스트린(3)은 도 1에 도시된 바와 같이, 의미 있는 이미지가 형성되는 임의의 (주로 편평한) 표면 또는 임의의 물체(그 중 편평한 부분) 등일 수 있다. 광-방향전환 표면의 특별한 디자인은 곡면 위에 (인식 가능한) 초면 패턴을 투사하게 할 수 있다. 이미지는 예를 들어 로고, 사진, 숫자 또는 특별한 전후사정과 관련될 수 있는 임의의 다른 정보일 수 있다. 바람직하게는, 스크린은 편평한 투사면이다.
도 1의 구성은 광원(S)으로부터의 광이 릴리프 패턴(2)을 갖는 적절한 형태의 광학 표면에 의해 방향전환되는 것을 보여준다. 이러한 일반적인 아이디어는 예를 들어 자동차 헤드라이트용 반사성 표면, LED 조명용 반사체 및 렌즈; 레이저 광학(optics), 프로젝터 및 카메라의 광학 시스템으로부터 알려져 있다. 그러나, 일반적으로, 목표는 광의 불균일한 분포를 균일한 것으로 변환하는 것이다. 대조적으로, 본 발명의 목적은, ((디지털) 기준 이미지 위에 나타내는 바와 같은) 기준 패턴의 상대 휘도의 일부 영역을 (대략적으로) 재현하는, 불균일한 광 패턴, 즉 초면 패턴을 수득하는 것이다: 만약 광학 요소의 조명받은 릴리프 패턴(2)이, 공지된 기준 패턴(5)을 (가능하게는 전체적 세기 축척 계수(overall intensity scaling factor)에 의해 달라지는) 충분한 품질로 재현하여, 스크린(3) 위에 초면 패턴(4)을 형성하면, 그 후 스크린 위의 초면 패턴을 시각적으로 관찰하는 사람은, 그것이 기준 패턴의 유효한 재현을 구성하는지 아닌지를 쉽게 확인할 것이고, 초면 패턴이 기준 패턴과 충분히 유사한 경우에는, (가장 가능성있게) 광학 보안 요소로 마킹된 물체가 진품이라고 생각할 것이다.
도 1의 실시양태에 따르면, 본 예에 따른 점-유사 광원인, 광원(S)로부터의 광선(6)은, 광원 거리 ds에서 릴리프 패턴(2)를 갖는 광-방향전환 표면을 갖는 (굴절성) 광학 보안 요소(1)로 전파된다. 본 명세서에서, 광학 보안 요소는 굴절률 n의 투명하거나 부분적으로 투명한 균일한 물질로 제조된다. 소위 초면 패턴(4)은 광학 보안 요소(1)의 광-방향전환 표면으로부터 이미지 거리 di에 있는 스크린(3) 위에 투사된다. 광학 보안 요소의 진본성(authenticity)(따라서 이러한 보안 요소로 마킹된 물체의 진본성)은 투사된 초면 패턴과 기준 패턴 사이의 유사 정도를 시각적으로 확인함으로써 직접 평가될 수 있다.
바람직하게는, 먼저 릴리프 패턴(2)은 기준 패턴인 구체화된 목표 디지털 이미지로부터 시작하여 계산된다. 이러한 계산법은, 예를 들어, 유럽 특허 출원 EP 2 711 745 A2 및 EP 2 963 464 A1에 개시된다. 계산된 릴리프 패턴으로부터, 해당 물리적 릴리프 패턴은, 초정밀절삭(UPM)을 이용하여, 적절한 광학 물질 기재(예를 들어, 굴절률 n의 투명하거나 부분적으로 투명한 물질, 또는 불투명한 물질의 반사면)의 표면 위에 구현할 수 있다. 반사면을 형성하기 위해 불투명한 광학 물질 기재의 표면 위에 릴리프를 기계가공하는 경우, 우수한 반사율은, 릴리프 위의 금속의 얇은 층을 증착(금속화)하는 추가의 통상적인 조작에 의해 수득될 것이다. 공차(tolerance)가 "1 미크론 미만" 수준 또는 심지어 "나노-스케일" 수준에 도달할 수 있도록, UPM은 매우 높은 정확도를 달성되도록 다이아몬드 기계가공 도구 및 나노테크놀로지 도구를 사용한다. 이와 달리, 전통적인 기계가공에서 "고정밀"이란, 한 자리 수의 미크론 공차를 지칭한다. 물리적인 릴리프 패턴을 표면 위에 구현하기 위한 다른 잠재적으로 적합한 기법은 레이저 어블레이션 및 그레이스케일 리소그래피이다. 마이크로-제조 분야에서 알려진 바와 같이, 이들 기법 각각은 비용, 정밀성, 속도, 해상도 등의 관점에서 상이한 강도 및 한계를 갖는다. 일반적으로, 초면 패턴을 만들기 위한 계산된 릴리프 패턴은 전체 크기가 10 cm x 10 cm인 경우, 적어도 2 mm의 전형적인 깊이를 갖는 매끄러운 외곽선(즉, 불연속부 없음)을 갖는다.
굴절성 광-방향전환 광학 요소를 위한 적합한 광학 물질 기재는 광학적으로 깨끗하거나, 투명하거나 적어도 부분적으로 투명하며 기계적으로 안정적이어야 한다. 본 발명의 목적, 즉, 시각적으로 인식가능한 초면 패턴을 생성할 수 있는 얇은 광학 보안 요소를 제공하기 위해, 투명하거나 부분적으로 불투명한 물질은 실제로 낮은 헤이즈(H) 및 높은 투과율(T) 물질에 해당하여, 광확산(light diffusion)이 시각적으로 인식가능한 초면 패턴을 형성하는 것을 저해하지 않도록 한다. 전형적으로, 투과율 T ≥ 50%이 바람직하고, T ≥ 90%이 가장 바람직하다. 또한, 낮은 헤이즈 H ≤ 10%가 이용될 수 있되, H ≤ 3%가 바람직하고, H ≤ 1%가 가장 바람직하다. 매끄럽고 결함이 없는 표면을 제공하기 위해서, 적절한 광학 물질 기재는 또한 기계가공 공정 동안 정확하게 거동해야 한다. 적절한 기재의 예는 PMMA(Plexiglas, Lucite, Perspex 등의 상표명으로 알려짐)의 광학적으로 투명한 슬라브이다. 반사성 초면 광-방향전환 광학 요소의 경우, 적합한 광학 물질 기재는 기계적으로 안정해야하며, 이것에 거울-유사 마감을 제공하는 것이 가능해야 한다. 적합한 기재의 예는 금속, 예컨대 규정 격자(ruled grating) 및 레이저 거울의 마스터로서 사용되는 것들 또는 추가로 금속화될 수 있는 비-반사성 기재이다.
대규모 생산을 위해, 도구 구현 및 목표 물체 위에서의 광학 보안 요소의 대량 복제의 추가 단계가 요구된다. 마스터로부터의 도구 구현에 적합한 공정은, 예를 들어, 전주법(electroforming)이다. 대량 복제에 접합한 공정은, 예를 들어, 중합체 필름의 핫 엠보싱, 또는 광중합체의 UV 캐스팅(casting)이다. 주목할 것은, 대량 복제의 목적을 위해, 마스터나 이로부터 유도되는 도구가 광학적으로 투명할 필요가 없으며, 따라서 심지어 최종 제품이 굴절성 광학 요소일지라도 불투명한 물질(특히, 금속)도 사용될 수 있다는 것이다. 그럼에도 불구하고, 도구화 및 대량 복제로 진행하기 전에 초면 이미지의 품질을 확인할 수 있기 때문에, 일부 경우에는 마스터가 투명한 것이 유리할 수 있다.
보안 피처로서 (릴리프 패턴을 갖는 광-방향전환 표면을 갖는) 광학 요소를 사용하기 위한 중요한 측면은, 목표 물체와 상용가능해야 하는 물리적 스케일 및 초면 이미지를 투사하기 위해 요구되는 광학적 구성이다.
일반적으로, 이러한 종류의 용도를 위해, 최대 측방향 크기는 물체의 전체 크기로 제한되며, 덜 유리한 경우에, 일반적으로 수 cm에서 1 cm 미만의 범위일 수 있다. 예를 들어 은행권과 같은 특정 용도의 경우, 목표하는 전체 두께는 극도로 작을 수 있다(100 ㎛ 이하 단위). 더욱이, 용인가능한 두께 편차(릴리프)는, 기계적인 제약(얇은 영역과 관련된 약점) 및 작업 고려사항(예를 들어, 은행권을 적층하면, 빌(bill)의 보다 두꺼운 부분에 해당하게 더미가 불룩해질 것이며, 이는 취급과 저장을 복잡하게 함)을 포함하는, 다양한 이유 때문에, 훨씬 더 작다. 전형적으로, 전체 두께가 약 100 ㎛인 은행권의 경우, 이 은행권에 포함될 광학 보안 요소의 릴리프 패턴을 위한 목표 두께는 약 30 ㎛일 수 있다. 약 1 mm 두께의 신용 카드 또는 아이디 카드의 경우, 이러한 신용/아이디 카드에 포함될 광학 보안 요소의 릴리프 패턴의 목표 두께는 약 400 ㎛ 미만, 바람직하게는 약 250 ㎛ 이하일 수 있다.
또한, 광원 거리 및 이미지 거리는 일반적으로, 사용자의 편의에 의해 수십 센티미터로 제한된다. 주목할 만한 예외는 태양이나 천장에 설치된 조사등(spot light)인데, 다만 이들은 특정 상황에서 덜 쉽게 입수가능하다. 또한, 인식하기 보다 쉬운, 선명한(그리고 콘트라스트가 우수한) 이미지를 얻기 위해서, 두 거리 사이의 비율 ds/di는 전형적으로 5 내지 10 초과이다. 더욱이, 바람직하게는 점-유사 광원(예를 들어, 통상적인 휴대폰의 LED 조명)이 되는 광원(S)과 함께 비율 ds/di ≥ 5는, 광원이 사실상 거의 "무한히" 먼 곳에 있는 것으로 생각하게 하고, 따라서, 대략적으로 광학 보안 요소로부터 초점 거리에서의 투사면이 투사된 초면 패턴의 명확한 시인을 위해 적합할 것이다. 결과적으로, 사용자에 의한 우수한 시각적 관찰 조건은 광원, 광학 보안 요소 및 사용자의 눈의 지나치게 엄격한 상대적 공간 배치는 요구하지 않는다.
일반적으로, 두께 및 릴리프는 가장 중요한 매개변수 중 하나이다. 임의의 목표 이미지(기준 패턴) 및 광학적 기하학적 구성(즉, 조명/투사된 초면 패턴의 관찰을 위한 기하학적 조건)을 고려하면, 계산된 광학 표면이 규정된 한계 미만의 릴리프 패턴을 가질 것이라는 보장은 없다. 사실, 일반적인 경우에는, 그 반대 상황이 발생하기 쉽다. 이는 전술한 광학 보안 요소에 대한 엄격한 강제된 제한 조건에서 특히 그렇다. 광학 표면을 최적화하기 위한 수치 시뮬레이션이 시간과 자원 측면에서 고가인 것을 고려하면, 과도한 시행 착오는 실행 가능한 옵션이 아니며, 첫 번째 시도에서- 또는 적어도 단지 적은 시도 횟수만으로도 유용한 결과를 얻을 수 있음을 보장하는 것이 매우 바람직하다. 또한, 모든 목표 이미지가 낮은 깊이의 매끄러운 릴리프 패턴과 상용가능한 것이 아니므로, 목표 이미지의 선택 측면에서 제한되지 않는 것이 매우 바람직하다.
따라서, 입사광을 방향전환하고 (광-방향전환 표면으로부터 특정 거리 di에 있는) 투사면 위에 초면 패턴을 포함하는 투사 이미지를 형성하되, 이러한 초면 패턴이 단지 육안 또는 최소한 일반적이고 쉽게 입수가능한 수단(예를 들어, 확대 렌즈)으로, 사람에 의해 시각적으로 인식가능하도록 충분한 정밀도로 소정의 기준 패턴을 재현하기 위해서, 광-방향전환 표면으로부터 특정 거리 ds에 있는 광원(바람직하게는 점-유사 광원)에 의한 적절한 조명 하에서, 생성되는 광학 보안 요소가 수용해야만 하는 추가 엄격한 제약 하에서, 얇은 광학 보안 요소(예를 들어, 250 ㎛ 미만의 릴리프 패턴을 가짐)의 광-방향전환 표면에 도달하도록, 광학 재료편의 표면 위에, 깊이 δf의 해당 릴리프 패턴의 기계가공을 제어하기 위해 매우 얇은 깊이의 릴리프 패턴을 직접 계산하는 것이 매우 어렵다는 점을 고려할 때, 이러한 릴리프 패턴을 계산하는 신규한 방법이 제안된다.
본 발명에 따르면, 해당 릴리프 패턴을 재현하고 입사광을 방향전환하여 투사면 위에 초면 패턴을 포함하는 투사 이미지를 형성하되, 상기 초면 패턴이 사람에 의해 시각적으로 인식가능하도록 충분히 정밀성을 갖는 소정의 기준 패턴을 재현할 수 있는 광-방향전환 표면에 이르도록, 광학 재료편의 표면의 기계가공을 제어(가이드)하기 위해, 불연속부를 갖는 계산된 릴리프 패턴 외곽선을 사용하는 것이 가능함이 관찰되었다. 많은 테스트는 도입된 불연속부가 실제로는 인식가능한 초면 패턴을 형성하는 능력에 중대하게 영향을 주지는 않는 것을 확인하였다: 투사되는 초면 패턴의 나머지에는 영향을 미치지 않는 불연속부에 의해 단지 약간의 그림자가 나타날 수 있다. 더욱이, 상기 테스트는 불연속부를 갖는 릴리프 외곽선이 목표 기준 패턴의 선택에 대해 더 많은 자유를 준다는 것을 확인하였다. 기계가공 공정(예를 들어, UPM)의 결과는, 기계가공 도구의 제한된 정밀성으로 인해, 수득된 외곽선이 불연속부를 엄격하게 재현할 수 없고 따라서 다소 "매끈"하지만, 계산된 것의 불연속부에 해당하는 급격한 편차를 갖는 기계가공된 릴리프 외곽선이다. 이러한 종류의 계산된 릴리프 패턴 외곽선은, 초기(두꺼운) 플라노 콘벡스 렌즈(plano convex lens) 외곽선으로부터 얇은 렌즈(즉, "프레넬 렌즈(Fresnel lens)")를 생성하는 프레넬(Fresnel) 이래로 알려진 방법을 적용함으로써 감소된 두께의 광학 보안 요소를 형성하는 데 큰 이점을 가지는데 반하여, 초기 외곽선과 관련된 광학적 특성은 거의 보존한다(즉, 콜리메이트 빔(collimated beam)이 동일한 초점으로 수렴되도록 함). 프레넬의 방법에 따르면, 렌즈 광축 및 렌즈 광학 중심부에 대해 정확히 원형의 동심원인 불연속부는 렌즈 외곽선에 형성되어, 외곽선의 몇몇 원형 동심원 대역(concentric zone)을 생성하고, 그 후, 상기 대역 위의 외곽선 부분이 동심원 불연속부를 따라 붕괴되어, 동일한 광학 특성, 즉, 동일한 광축, 동일한 광학 중심부, 동일한 초점 거리를 가지면서 동일한 광속(light beam) 균일성을 (대략적으로) 전달하되, 두께는 감소된 "등가 렌즈(equivalent lens) 외곽선"을 형성한다.
광속 균일성을 유지하려고 하는 전통적인 프레넬 방법과는 대조적으로, 본 발명에 따른 방법에서는 초면 패턴을 생성하는 광의 불균일성을 유지하게 하는 것으로 테스트되었다. 더욱이, 본 발명에 따르면, 프레넬 방법에서의 제약 대부분이 완화된다: 특히, 광학 중심부을 고려하지 않고, 외곽선에 형성된 대역이 광축에 대해 반드시 동심원(또는 원형)이 아니어서, 따라서 릴리프 패턴 윤곽을 인접하는 영역으로 자유롭게 분할하고 광학 재료편의 표면에서 해당 영역을 기계가공하여, 광-방향전환 표면을 제공하는 것을 허용한다. 이러한 자유도는 여전히 두께 감소를 허용하면서 소정의 기준 패턴을 재현하기 위해 릴리프 패턴 외곽선의 개조를 훨씬 더 용이하게 한다. 특히, 이러한 접근법은 매우 낮은 목표 깊이 δf의 광학 보안 요소을 생성하기에 너무 두꺼운 깊이 δi를 갖는, 초기에 계산된 (일반적으로 연속적인, 즉, 매끄러운) 릴리프 외곽선을 개질하도록 조정되지만, 그럼에도 불구하고 투사면 위에 (시각적으로 인식가능한) 소정의 기준 패턴을 재현하는 초면 패턴을 포함하는 투사된 이미지를 형성할 수 있는 광학 요소의 광-방향전환 표면을 제공하기 위한 모든 요구조건을 만족한다. 광-방향전환 표면의 기계가공을 위한 상기 초기 릴리프 외곽선은 도 2의 (A)에 도시된다.
도 2의 (A)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 밑면 위에서 연장된 (2차원의) 초기 릴리프 패턴 외곽선(8)의 단면은 좌표계(X, Y)로 표시되는데, 여기서 높이 축 Y(세로 좌표)는 광-방향전환 표면의 광축에 해당하고 가로 좌표 X는 밑면에 있다. 상기 단면은 초기 릴리프 패턴의 최대 깊이 δi를 나타내는 (1 차원의) 곡선(8)에 해당한다. 초기 릴리프 패턴 외곽선의 슬라이싱은 다음 단계로 수행된다: 여기서, 슬라이싱은, 광축 Y에 대해 수직인 면에 해당하며, 상기 면은 (축 Y를 따라 증가하는 값의 높이로 바람직하게는 동일하게 이격되어 있는) 소정의 높이 h1, h2, h3 및 h4에서 릴리프 패턴과 교차하고 이를 따라 단면 외곽선(8)에서의 개별적인 흔적선(trace)이 일부 교차점 P1, P'1, P2, P2', P2'', P2''', P3, P3', P4 및 P4'을 결정한다. 점 P0 및 P0'은 밑면과의 교차점에 해당한다. 초기 릴리프 패턴 외곽선과, Y축에 따르는 축을 갖는, 원통면(즉, 일자형 원기둥과 형태적으로 동등한)의 교차에 의해 수득되는 것과 같이, (초기 릴리프 패턴 외곽선 위의 생성되는 교차선의 위치에 관련된 선택에 따라) 다른 슬라이싱도 가능하다.
각각의 슬라이싱 면은, 외곽선(8) 밑에 있으면서 후속적인 슬라이싱 면 사이를 차지하는 대역(zone)들을 한정한다: 여기서,
- 밑면 위의 대역, 즉, 교차점 P0 및 P0'를 갖는, 높이 h0 = 0에서의 슬라이싱 면, 이는 밑면과, 교차점 P1 및 P1'를 갖는 (다음의) 제1 슬라이싱 면(높이 h1) 사이에서의 외곽선 곡선(8)의 두 개의 부분에 해당하는 두 개의 파트를 가짐, 즉, 제1 파트는 점 P0과 P1 사이의 외곽선 곡선(8)의 제1 부분에 해당하고, 제2 파트는 점 P0'와 P1' 사이의 제2 부분에 해당함;
- 높이 h1에서 교차점 P1 및 P1'를 갖는, 제1 슬라이싱 면 위의 대역, 이는 제1 슬라이싱 면과, 교차점 P2, P2', P2'' 및 P2'''를 갖는 (다음의) 제2 슬라이싱 면(높이 h2) 사이에서 외곽선 곡선(8)의 세 부분에 해당하는 세 개의 파트를 가짐, 즉, 제1 파트는 점 P1과 P2 사이의 외곽선 곡선(8)의 제1 부분에 해당하고, 제2 파트는 점 P2'과 P2'' 사이의 외곽선 곡선(8)의 제2 부분에 해당하며, 제3 파트는 점 P1'과 P2''' 사이의 외곽선 곡선(8)의 제3 부분에 해당함;
- 높이 h2에서 교차점 P2, P2', P2'' 및 P2'''를 갖는, 제2 슬라이싱 면 위의 대역, 이는 제2 슬라이싱 면과, 교차점 P3 및 P3'를 갖는, (다음의) 제3 슬라이싱 면(높이 h3) 사이에서 외곽선 곡선(8)의 세 부분에 해당하는 세 개의 파트를 가짐, 즉, 제1 파트는 점 P2와 P2' 사이의 외곽선 곡선(8)의 제1 부분에 해당하고, 제2 파트는 점 P2''과 P3 사이의 외곽선 곡선(8)의 제2 부분에 해당하며, 제3 파트는 점 P2'''과 P3' 사이의 외곽선 곡선(8)의 제3 부분에 해당함;
- 높이 h3에서, 교차점 P3 및 P3'를 갖는, 제3 슬라이싱 면 위의 대역, 이는 제3 슬라이싱 면과, 교차점 P4 및 P4'를 갖는, (다음의) 제4 슬라이싱 면(높이 h4) 사이에서 외곽선 곡선(8)의 두 부분에 해당하는 두 개의 파트를 가짐, 즉, 제1 파트는 점 P3과 P4 사이의 외곽선 곡선(8)의 제1 부분에 해당하고, 제2 파트는 점 P3'과 P4' 사이의 제2 부분에 해당함; 및
- 높이 h4에서 교차점 P4 및 P4'를 갖는, 제4 슬라이싱 면 위의 대역, 이는 제4 슬라이싱 면 위의 외곽선 곡선(8)의 하나의 부분에만 해당하는 단지 하나의 파트를 가짐, 즉, 상기 파트가 점 P4와 P4' 사이의 외곽선 곡선(8)의 부분에 해당함.
슬라이싱 면의 수 및 그들의 상이한 높이는, 외곽선 깊이 δi의 목표 감소를 고려하여 선택된다. 예를 들어, 고정밀 기계가공의 사용 측면에서, 10과 같은 감소 인자를 쉽게 얻을 수 있다.
원통면과 릴리프 패턴 외곽선의 교차로 인한 슬라이싱의 경우, 교차의 흔적선에 해당하는 각 선은 분명하게 일정한 높이 값이 아니므로, 밑면으로 옮기기 위해 고려할 해당 높이 값은, 상기 선을 따라 가장 작은 값이다.
그 후, 밑면 위로의 "붕괴"는, 높이 hi(i = 0,…, 4)에서의 슬라이싱 면 위 대역의 해당 파트 위에 구성된 외곽선 곡선(8)의 각 부분을 (단일 단위로, 그리고 광축 Y와 평행하게) hi 값의 거리만큼 밑면을 향해 옮김으로써 구현된다. 결과는 도 2의 (B)에 도시된 바와 같이, 감소된 깊이 δ의 "붕괴된"(또는 감소된) 릴리프 패턴 외곽선(9)이며, 여기서,
- 높이 h0 = 0의 슬라이싱 면 위에 있는, 각각의 점 P0과 P1, P0'과 P1' 사이의 외곽선 곡선(8)의 부분들이 거리 값 0만큼 옮겨져서, 점 M0과 M1 사이를 차지하거나, 각각 점 M0'과 M1' 사이를 차지하는 감소된 외곽선(9)의 부분들을 수득하되, M1과 M1'에서의 외곽선 불연속부를 갖고 각각의 점 N1 및 N1'에서의 밑면 위에 해당 불연속부 흔적선을 갖고;
- 높이 h1의 슬라이싱 면 위에 있는, 각각의 점 P1과 P2, P2'과 P2'', P1'과 P2''' 사이의 외곽선 곡선(8)의 부분들은, 거리 값 h1만큼 옮겨져서, 각각의 점 N1과 M2, M2'과 M2'', N1'과 M2''' 사이를 차지하는 감소된 외곽선(9)의 부분들을 수득하되, M2, M2', M2'' 및 M2'''에서 외곽선 불연속부를 갖고 각각의 점 N2, N2', N2'' 및 N2'''에서의 밑면 위에 해당 흔적선을 갖고;
- 높이 h2의 슬라이싱 면 위에 있는, 각각의 점 P2와 P2', P2''과 P3, P2'''과 P3' 사이의 외곽선 곡선(8)의 부분들은 거리 값 h2만큼 옮겨져서, 각각의 점 N2와 N2', N2''과 M3, N2'''과 M3'사이를 차지하는 감소된 외곽선(9)의 부분들을 수득하되, M3 및 M3'에서 외곽선 불연속부를 갖고 각각의 점 N3 및 N3'의 밑면 위에 해당 흔적선을 갖고;
- 높이 h3의 슬라이싱 면 위에 있는, 각각의 점 P3과 P4, P3'과 P4' 사이의 외곽선 곡선(8)의 부분들은 거리 값 h3만큼 옮겨져서, 각각의 점 N3과 M4, N3'과 M4' 사이를 차지하는 감소된 외곽선(9)의 부분들을 수득하되, 여기서 M4 및 M4'에서 외곽선 불연속부를 갖고 각각의 점 N4 및 N4'의 밑면 위에 해당하는 불연속부 흔적선을 갖고;
- 높이 h4의 슬라이싱 면 위에, 점 P4와 P4' 사이의 외곽선 곡선(8)의 부분은 거리 값 h4만큼 옮겨져서, 점 N4 및 N4' 사이를 차지하는 감소된 외곽선(9)의 부분을 수득한다.
릴리프 외곽선을 계산하는 상기 방법에서 슬라이싱 면의 갯수 및 이들의 높이 관한 제한은, 밑면 위의 점 M0과 N1, N1과 N2, N2와 N2', N2'과 N2'', N2''과 N3, N3과 N4, N4와 N4', N4'과 N3', N3'과 N2''', N2'''과 N1', N1'과 M0 사이를 차지하는 상이한 외곽선 부분들의 개별적인 크기와 관련되며, 이들 크기는 투사된 초면 패턴이 여전히 시각적으로 인식가능하도록(즉, 예를 들어 색수차(chromatic aberrations)에 의해 저해되지 않도록), (가시광에 대한) 회절 한계치를 넘어야만 한다. 추가적인 제한은, 기계가공된 릴리프 외곽선의 해당 미완성 가공면(draft facet) 위의 입사에 의해 야기되는 입사광 손실로 인해, 불연속부 수준에서의 미완성 단계-손실(draft-loss)에 관한 것이다.
"절삭 및 붕괴" 조작의 결과로서, 불연속부를 갖는 계산된 릴리프 외곽선(9)은 δi보다 훨씬 작은 감소된 릴리프 패턴 깊이 δ를 갖고, 따라서 해당 기계가공된 릴리프 패턴도 감소된 깊이 δf를 가질 것이고 계산된 릴리프 외곽선(9)의 불연속부에 해당하는 급격한 편차를 나타낼 것이다.
따라서, 본 발명에 따르면, (소정의 기준 패턴에 대한) 전술한 시각적 인식 기준을 만족시킬 수 있는 광학 보안 요소를 제공하도록, 광학 물질 기재 위에 광-방향전환 표면을 형성하기 위해 매우 작은 깊이 δf의 릴리프 패턴을 디자인하는 조작이, 훨씬 용이해지는데, 그 이유는, δi ≫ δf인, 즉 광학 보안 요소를 위한 엄격한 두께 요구조건을 준수하지는 않지만 그 외에는 초면 패턴의 시각적으로 인식가능한 투사를 (광학 물질의 표면의 기계가공을 통해서) 발생시킬 수 있는, 두꺼운 초기 릴리프 패턴 외곽선과 함께 상기 공정을 시작하여 감소된 깊이의 해당 불연속 릴리프 패턴 윤곽선을 형성하는 것이 가능하고; 광학 물질의 기계가공이 적합한 광학 보안 요소를 제공할 것임을 입증하기 위한 몇몇 테스트를 수행하는 것을 필요로 하지 않으면서 또한 이에 따라 계산된 릴리프 패턴 윤곽선이 실로 해당 초면 패턴의 시각적으로 인식가능한 투사와 상용가능하도록 후보 기준 패턴을 개질해야만 하는 것(또는 거절해야만 하는 것)을 피하면서 (소정의 목표 깊이의) 얇은 광학 보안 요소를 제공할 수 있기 때문이다.
도 3은 어두운 배경 위에 숫자 100을 나타내는 기준 패턴의 예이다.
도 4a는, 본 발명에 따라 투명한 굴절성 포일 물질 위에 UV 캐스팅되어 있는, 깊이 δ = 30 ㎛의 릴리프 패턴을 갖는 광-방향전환 굴절면을 갖는, 본 발명에 따른 매우 얇은 광학 보안 요소(즉, 도면에서 가장 앞에 있는 물체의 투명한 부분)의 구현의 사진을 보여준다. 광학 보안 요소의 전체 깊이는 100 ㎛이고, 이의 면적 A는 1 cm2이다. 포일의 굴절성 물질은 약 1.5의 굴절률 n을 가지며, 폴리에스터로 구성되어 있다. 릴리프 패턴을 형성하기 위해 사용되는 수지의 굴절율도 약 1.5이다. 스크린 위의 투사된 초면 패턴(즉, 숫자 100)이 또한 (배경에) 보여지는데(도 4b 참고), 그림자 선은 기계가공된 릴리프 패턴의 급격한 편차에 해당한다. 기준 패턴은 도 3의 것이다.
도 4b는 도 4a의 광학 보안 요소에 의해 투사된 초면 패턴의 세부 형상을 보여주는 사진이다. 여기서, 점-유사 광원은 광-방향전환 표면으로부터 ds = 30 cm 거리에 있는 LED이고, 초면 패턴이 투사되는 편평한 스크린은 di = 40 mm 거리에 있다. 초면 패턴은 도 3의 기준 패턴의 숫자 100의 패턴을 깔끔하게 재현한다.
도 5a는 30 ㎛ 높이를 유지하는 수평 절단면에 해당하는 등고선, 즉, 도 3의 기준 패턴(즉, 숫자 100)을 위한 계산된 릴리프 외곽선의 불연속부에 해당하는 등고선을 갖는 릴리프 패턴의 사시도이다.
도 5b는 도 5a의 릴리프 패턴에 해당하는 투사된 초면 패턴의 도면이다: 수평 절단면에 해당하는 그림자 선은 숫자 100 주위에서 명확하게 가시적이다.
도 6a는 대략 30 ㎛ 높이를 유지하는 타원형 실린더로 초기 릴리프 패턴을 슬라이싱함으로써 형성된 절단면에 해당하는 등고선, 즉, 도 3의 기준 패턴(즉, 숫자 100)을 위한 릴리프 외곽선의 불연속부에 해당하는 등고선을 갖는 릴리프 패턴의 사시도이다.
도 6b는 도 6a의 릴리프 패턴에 해당하고 타원형 절단면에 해당하는 그림자 선을 나타내는 투사된 초면 패턴의 도면이다.
상기 개시된 발명의 대상은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 간주되어야하며, 독립항에 의해 정의된 본 발명의 더 나은 이해를 제공하는 데에 기여한다.

Claims (15)

  1. 점-유사 광원(point-like source)으로부터 받은 입사광을 방향전환시켜 투사면(projection surface) 위에 초면 패턴(caustic pattern)을 포함하는 투사 이미지를 형성하도록 조정된, 깊이 δf의 릴리프 패턴(relief pattern)을 갖는 것인 광-방향전환 반사면(reflective light-redirecting surface) 또는 투명하거나 부분적으로 투명한 광-방향전환 굴절면(refractive transparent or partially transparent light-redirecting surface)
    을 포함하고,
    상기 초면 패턴이 기준 패턴을 재현하면서 시각적으로 인식가능하며,
    릴리프 패턴의 외곽선(profile)이, 불연속부(discontinuity)를 갖는 계산된 릴리프 패턴 외곽선에 따라 광학 재료편의 표면을 기계가공하여 형성된 급격한 편차(abrupt variation)를 가지며, 상기 기계가공된 급격한 편차가 불연속부에 해당하는 것
    을 특징으로 하는, 광학 보안 요소.
  2. 제1항에 있어서,
    불연속부를 갖는 계산된 릴리프 패턴 외곽선이,
    모델 광-방향전환 표면의 초기 릴리프 패턴 외곽선을 더 작은 인접한 외곽선 부분으로 슬라이싱(slice)하는 단계에 의해 얻어지되, 상기 초기 릴리프 패턴 외곽선이 δf보다 큰 깊이 δi를 갖고 점-유사 광원에 의한 조명 하에서 투사면 위에 상기 초면 패턴을 광 경로 시뮬레이션에 의해 재현하도록 조작가능하고, 상기 슬라이싱하는 단계가 임의의 두 개의 인접한 외곽선 부분들 사이에 상기 모델 광-방향전환 표면의 광축에 평행하게 연장되는 경계면을 만드는 것인, 단계, 및
    두 개의 연이은 경계면 사이를 차지하는 각각의 외곽선 부분을 광축을 따라 붕괴시킴으로써, 각각의 경계면을 따라 불연속부를 갖는 계산된 릴리프 외곽선을 형성하는 단계
    에 의해 수득되는, 광학 보안 요소.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 모델 광-방향전환 표면의 광축에 대해 높이가 측정되며 상기 광축에 수직인 밑면 위로 연장된 초기 릴리프 패턴 외곽선의 외곽선 부분을 붕괴시키는 조작은, 외곽선 부분을, 그의 경계면이 상기 외곽선 부분과 교차하는 최소 높이에 해당하는 거리 값까지 그의 광축에 평행하면서 밑면을 향해 옮겨(translate), δi보다 작은 감소된 깊이의 릴리프 패턴을 갖는 계산된 릴리프 외곽선을 수득하는 단계에 의해 수득되는, 광학 보안 요소.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    릴리프 패턴의 외곽선이 30 ㎛ 이하의 낮은 깊이 δf를 갖는, 광학 보안 요소.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    릴리프 패턴의 외곽선이 250 ㎛ 이하의 낮은 깊이 δf를 갖는, 광학 보안 요소.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    광-방향전환 반사면 또는 투명하거나 부분적으로 투명한 광-방향전환 굴절면이 편평한 밑판(base substrate) 위에 배치되고, 광학 보안 요소의 전체 두께가 100 ㎛ 이하인, 광학 보안 요소.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    릴리프 패턴이, 광-방향전환 표면으로부터 거리 ds에 있는 점-유사 광원으로부터 받은 입사광을 방향전환시켜 광-방향전환 표면으로부터 거리 di에 있는 투사면 위에 초면 패턴을 포함하는 투사 이미지를 형성하도록 조정되고, di의 값이 30 cm 이하이고, ds/di 비율의 값이 5 이상인, 광학 보안 요소.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    소비재, 납세필 인지, 아이디 카드, 여권, 신용카드 및 은행권을 포함하는 군에서 선택되는 물체를 마킹하는, 광학 보안 요소.
  9. 점-유사 광원으로부터 받은 입사광을 방향전환시켜 투사면 위에 초면 패턴을 포함하는 투사 이미지를 형성하도록 조정되되, 상기 초면 패턴이 기준 패턴을 재현하면서 시각적으로 인식가능한 것인 광학 보안 부재의, 깊이 δf의 릴리프 패턴을 갖는, 광-방향전환 반사면 또는 투명하거나 부분적으로 투명한 광-방향전환 굴절면을 디자인하는 방법으로서,
    a) 불연속부를 갖는 릴리프 패턴 외곽선을 계산하는 단계; 및
    b) 단계 a)에서 계산된 불연속부를 갖는 릴리프 패턴 외곽선에 따라 광학 재료편의 표면을 기계가공함으로써, 단계 a)에서 계산된 릴리프 패턴 외곽선의 불연속부에 해당하는 급격한 편차를 갖는 릴리프 패턴의 기계가공된 외곽선을 갖는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광-방향전환 반사면 또는 투명하거나 부분적으로 투명한 광-방향전환 굴절면을 디자인하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    단계 a)에서, 불연속부를 갖는 릴리프 패턴 외곽선을 계산하는 단계가,
    모델 광-방향전환 표면의 초기 릴리프 패턴 외곽선을 더 작은 인접한 외곽선 부분으로 슬라이싱하는 단계로서, 상기 초기 릴리프 패턴 외곽선이 δf보다 큰 깊이 δi를 갖고 점-유사 광원에 의한 조명 하에서 투사면 위에 상기 초면 패턴을 광 경로 시뮬레이션에 의해 재현하도록 조작가능하고, 상기 슬라이싱하는 단계가 임의의 두 개의 인접한 외곽선 부분들 사이에 상기 모델 광-방향전환 표면의 광축에 평행하게 연장되는 경계면을 만드는, 단계; 및
    두 개의 연이은 경계면 사이를 차지하는 각각의 외곽선 부분을 광축을 따라 붕괴시킴으로써 각각의 경계면을 따라 불연속부를 갖는 계산된 릴리프 외곽선을 형성하는 단계
    인 추가 단계에 의해 수행되는 것인, 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    단계 a)에서, 상기 모델 광-방향전환 표면의 광축에 대해 높이가 측정되며 상기 광축에 수직인 밑면 위로 연장되는 초기 릴리프 패턴 외곽선의 외곽선 부분을 붕괴시키는 조작이, 외곽선 부분을, 광축에 평행하면서 밑면을 향해, 그의 경계면이 상기 외곽선 부분과 교차하는 최소 높이에 해당하는 거리 값까지 옮겨(translate), δi보다 작은 감소된 깊이의 릴리프 패턴을 갖는 계산된 릴리프 외곽선을 수득하고,
    단계 b)에서, 광학 재료편의 표면이 δi보다 작은 감소된 깊이의 계산된 릴리프 패턴 외곽선에 따라 기계가공되어,
    δi보다 작은 감소된 깊이 δf의 릴리프 패턴을 갖는 광학 보안 요소의 광-방향전환 표면을 수득하는 것인, 방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    광학 재료편 표면의 기계가공이 초정밀 절삭(ultra-precision machining), 레이저 어블레이션(laser ablation) 및 리소그래피(lithography) 중 어느 하나를 포함하는 것인, 방법.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    기계가공된 광-방향전환 표면이 광-방향전환 표면의 복제품을 만들기 위해 사용될 마스터 광-방향전환 표면인 것을 추가로 포함하는 것인, 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    기재 위에 기계가공된 광-방향전환 표면을 복제함을 추가로 포함하는 것인, 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    복제가 UV 캐스팅 및 엠보싱(embossing) 중 하나를 포함하는 것인, 방법.
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