WO2011147520A1 - Sicherheitselement mit lichtleitstrukturen - Google Patents

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WO2011147520A1
WO2011147520A1 PCT/EP2011/002119 EP2011002119W WO2011147520A1 WO 2011147520 A1 WO2011147520 A1 WO 2011147520A1 EP 2011002119 W EP2011002119 W EP 2011002119W WO 2011147520 A1 WO2011147520 A1 WO 2011147520A1
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security element
element according
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light
waveguide
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PCT/EP2011/002119
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French (fr)
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Matthias Müller
Gottfried Brandstetter
Jürgen Keplinger
Marco Mayrhofer
Martin Bergsmann
Klaus Schmidegg
Stephan Trassl
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Hueck Folien Ges.M.B.H.
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    • B29D11/00663—Production of light guides
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    • B42D25/378—Special inks
    • B42D25/387—Special inks absorbing or reflecting ultraviolet light

Definitions

  • the invention relates to an optical security element that is visually or mechanically recognizable when excited by light, wherein the location of the coupling and decoupling of the light is not identical.
  • Security elements in particular strip or thread-like security elements, but also security elements of other formats are often provided with visually recognizable security features that have defined optical characteristics.
  • Such security features are, for example, optically active structures, such as diffraction gratings, diffraction structures, surface reliefs, kinegrams and the like, in particular holograms in which only under certain reflection conditions defined, embossed in a lacquer layer structures, images, lines, symbols, letters, numbers, logos and the like become visually recognizable in a characteristic manner.
  • optically active structures such as diffraction gratings, diffraction structures, surface reliefs, kinegrams and the like
  • holograms in which only under certain reflection conditions defined, embossed in a lacquer layer structures, images, lines, symbols, letters, numbers, logos and the like become visually recognizable in a characteristic manner.
  • EP-A 0 330 733 discloses security elements having luminescent features that become detectable upon excitation by light of defined wavelength (e.g., UV or IR radiation). The presence of such a feature can also be demonstrated in the daily handling of value documents with simple aids such as a UV lamp.
  • defined wavelength e.g., UV or IR radiation
  • EP-A 1 558 449 discloses, for example, optically variable security features which, due to a special structure of reflection layers, intermediate layers and, for example, metallic layers, produce different color impressions from different angles. The color change, which usually takes place at a defined angle, can be verified without further aids.
  • Optically active features such as holograms or optically variable elements are visible at the points where the light meets directly on the security feature, so for example in a banknote with a window thread at the points where the thread is not covered with paper, or on the surface of a security element that on a document of value is applied.
  • a security thread containing fluorescent features is excited locally with light of a suitable wavelength (eg, in the ultraviolet or infrared spectral range)
  • the fluorescent effect will be visible, for example, by the emission of visible light at precisely the point where the exciting radiation impinges.
  • WO 2004/062942 discloses a security feature consisting of a transparent layer which has a suitable refractive index and a suitable thickness in order to function as a waveguide and which has at least one photoluminescent component over its entire surface. At least one surface of the waveguide layer is provided with a pattern which inhibits waveguiding in this area and allows the light to exit at the surface. If, for example, light is coupled into the waveguide on the side of the value document, the pattern becomes visible. From WO 03/059643 a diffractive security element is known, which is divided into two sub-areas, which has an optically active structure at interfaces embedded between two layers of a laminate of plastic. In this case, at least the base layer of the layer composite to be illuminated is transparent.
  • the optically active structure has as its basic structure a zero-order diffraction grating with a period length of at most 500 nm.
  • an integrated optical waveguide with a defined layer thickness of a transparent dielectric is embedded between a base layer and an adhesive layer of the layer composite, wherein the profile depth the optically active structure is in a predetermined ratio to the layer thickness.
  • the security element produces diffracted light when illuminated with white incident light in the zeroth diffraction order.
  • EP 0 047 326 A1 discloses an identity card which contains information in holographic form.
  • the badge is layered and includes a substrate having a planar optical waveguide and a photosensitive layer deposited thereon.
  • the photosensitive layer serves to record a plurality of holograms and comprises at least one light coupler. By combining the light guided in the waveguide and an incident light beam, the hologram is exposed, which can only be read out again when the coupler is illuminated with the associated pattern.
  • WO 2006/056089 discloses a security document in which a light source is provided, and a light processing device in the form of a hologram, which processes the light of the light source by deflecting, reflecting, polarizing and / or partially absorbing it.
  • a value or security document comprising a document body with a top, wherein formed in the document body a Lichtleit Cook for guiding light in a plane which is substantially parallel to the top, via total reflection at boundary layers of the Lichtleit Cook is, wherein the boundary layers have local modifications, so that at points of local modifications, a coupling out of guided in the light guide structure light from the light guide structure is promoted, resulting in a light emission through the top of the document body.
  • the object of the invention was to provide a security element in which the location of the excitation and the occurrence of an optical effect are different from each other and which has an increased security against counterfeiting the prior art.
  • the invention therefore provides a security element comprising a carrier substrate, at least one cladding layer and a waveguide layer, characterized in that the waveguide layer has at least one region in which light is guided both laterally and vertically.
  • Three layers form the basic structure of a waveguide.
  • the refractive index of the cladding layers be less than that of the core layer.
  • Fiber optic cables which are used today for data transmission, work on the same principle.
  • FIGS 1 and 2 show the basic structure of the security element.
  • the waveguide layer extends over the entire surface of the substrate, this is referred to as a layer waveguide (FIG. 1 a) in which the light can equally propagate in the plane of the waveguide layer in all directions.
  • a layer waveguide (FIG. 1 a) in which the light can equally propagate in the plane of the waveguide layer in all directions.
  • the cladding layers 2, 4 can also be achieved that the light is guided laterally in the plane of the waveguide layer, so the light propagation is also limited laterally.
  • the lateral guidance of the light takes place in the same way via total reflection on the side walls of the web, which results from the refractive index contrast to the surrounding medium on all sides (FIG. 1 b).
  • the two above cases can be combined as shown in FIG. 1 c), so that the ridge waveguide acts more or less on the waveguide layer rests.
  • the light can, in principle, propagate throughout the entire plane, more specifically However, coupling into the area of the attached ridge waveguide, the light is guided primarily in the region of the ridge waveguide both laterally and vertically. The losses then depend to a great extent on the ratio of the web thickness to the thickness of the remaining waveguide layer. The thinner the waveguide layer outside the web, the better the lateral guidance of the light in the area of the web.
  • a ridge waveguide is illustrated in Fig. 2 in cross section.
  • a cladding layer 2 is applied in a first step and provided with an embossment 6, for example in the form of depressions.
  • the waveguide is completed by the cladding layer 4, which reduces the losses of light upwards.
  • the cladding layer can also, as shown in Fig. 1 c), the waveguide layer be embossed.
  • At least one of the cladding layers or even both cladding layers can be formed by a carrier substrate.
  • the embossing 6 is used in the example of Fig. 2 for the production of the actual ridge waveguide.
  • the cross section of the ridge waveguide can e.g. circular, rectangular, trapezoidal or be designed differently depending on the requirements.
  • embossing is suitably designed, various other, e.g. diffractive, diffuse scattering or steering functions can be realized.
  • a particularly favorable form of embossing is a so-called grating coupler.
  • a grating coupler initially has the task of deflecting incoming light through the upper cladding layer or through the substrate and the lower cladding layer in such a way that it can propagate in the waveguide.
  • a grating coupler works the same way in the opposite direction, ie guided in the waveguide light can be deflected out of the plane of the waveguide by means of a grating coupler and made accessible to the viewer.
  • the grating has fine structures whose structure size is in the range of the wavelength of the light to be transmitted, ie in the range of 200-2000 nm.
  • the grid may, for example, have a periodic structure. It can also consist of several subregions with different periodic structures or with locally changed periodic structures.
  • the active area of the grating may be e.g. be designed in the form of lines, arches, symbols, signs, geometric figures, etc. If the grating is used for decoupling, then this macroscopic structure is visible to the viewer when the security element is verified.
  • an additional layer having a refractive index higher than that of the waveguide layer may be situated between the embossing of the cladding layer and the waveguide layer. This may be necessary, for example, to increase the efficiency of a grating coupler and to increase the amount of light that is coupled into and out of the optical waveguide in the optical waveguide.
  • This layer with a higher refractive index can consist of a lacquer or polymer, a lacquer or polymer with inorganic, high refractive index pigments (for example Ti0 2 or Zr0 2 ), or an inorganic high refractive index (HRI) layer.
  • the layer with a higher refractive index preferably consists of an inorganic layer of metal oxides or sulfides, for example of TiOx, SiO, ZrO 2 , ZnS.
  • Carrier foils for example preferably come as flexible carrier films, for example from PI, PP, MOPP, PE, PPS, PEEK, PEK, PEI, PSU, PAEK, LCP, PEN, PBT, PET, PA, PC, COC, POM as carrier substrate for the security element according to the invention , ABS, PVC, PTFE, ETFE (ethylene tetrafluoroethylene), PFA (tetrafluoroethylene-perfluoropropyl vinyl ether-fluorocopolymer), MFA (tetrafluoromethylene-perfluoropropylvinylether- Fluorocopolymer), PTFE (polytetrafluoroethylene), PVF (polyvinyl fluoride), PVDF (polyvinylidene fluoride), and EFEP (ethylene-tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene fluoropolymer).
  • the carrier films preferably have a thickness of 5 to 700 ⁇ m, preferably 5 to 200 ⁇ m, particularly preferably 5 to 50 ⁇ m.
  • a first cladding layer is first applied to the carrier foil. Above all, this layer must have a very smooth surface in order to avoid losses in the finished waveguide due to scattering at a roughness or waviness of the interfaces as far as possible.
  • the refractive index of the cladding layer must be matched to the refractive index of the core layer.
  • the cladding layer is made of a material that has a lower refractive index compared to the waveguide layer.
  • the absolute refractive index of the cladding layer is of subordinate importance, but is preferably in the range of 1.3 to 2.0, more preferably in the range of 1.4 to 1.7.
  • radiation-curable coating systems based on a polyester, an epoxy or polyurethane system which have one or more layers are used for the embossed cladding layer 2 and possibly the second cladding layer 4
  • Photoinitiators may contain, which may optionally initiate a curing of the paint system to varying degrees, even at different wavelengths, in question.
  • the thickness of the cladding layers is preferably in the range 1 to 100 ⁇ , particularly preferably in the range 1 to 10 ⁇ .
  • the embedded waveguide layer or waveguide structure makes it possible to direct the light in the security element in such a way that it exits again at a location of the security element that is different from the entry location.
  • FIG. 3 shows the cross section of an exemplary embodiment of the security element according to the invention, which has the above-described waveguide structure consisting of substrate 1, lower cladding layer 2 with embossings 6, waveguide layer 3 and upper cladding layer 4.
  • the embossments form at mutually different locations a coupling grating coupler 7 and a decoupling grating coupler 8.
  • the lamp 9 emits, for example, light of a certain wavelength, which lies in the visible spectral range.
  • Fig. 4 is shown in plan view.
  • the macroscopic structure in the case of the example in FIG. 4 shows the number "100" and can represent, for example, the denomination of a banknote in which the security element is embedded or on which the security element 11 is applied.
  • Fig. 5 shows an embodiment in which the security element 1 1 is applied to the surface of a banknote 12 and in which the grating coupler 7 is overprinted with a printing ink 13, which has the properties of a color filter. If one illuminates the banknote 12 with polychromatic (eg white) light at the location of the grating coupler 7, the light passes First, the color filter 13, so that only a certain spectral range of the incident light (eg, red light) reaches the grating coupler.
  • polychromatic eg white
  • the color filter is designed so that the resulting color is exactly the base color of the Banknote (eg red) and thus a clear assignment of the feature to the value of the respective banknote is possible. This effect can also be quickly verified by non-professionals using a simple tool (lamp) .
  • the color filter effect can also be achieved by the grating coupler itself, when it filters out a limited wavelength range by special design of incident polychromatic light.
  • locally fluorescent elements are integrated in the waveguide layer. If the fluorescent element 14 is now excited by light having a wavelength ⁇ , the fluorescent element emits light having the wavelength ⁇ 2 . In this case, ⁇ 2 depending on the material used be greater or smaller than ⁇ . The emitted light is now guided within the waveguide structure and strikes the fluorescent element 15, which is in turn excited by ⁇ 2 to fluoresce and emits light having a wavelength ⁇ 3 , which is visible to the viewer 10. Since the upper cladding layer is generally made of a transparent material, the fluorescence of the fluorescent element 14 ( ⁇ 2 ) is also visible at the same time. With appropriate design, it is even conceivable that a local excitation of the fluorescent element 15 with ⁇ leads to no fluorescence, whereby the security can be further increased.
  • Both up-conversion ( ⁇ 2 > ⁇ ) and down-conversion ( ⁇ 2 ) materials can be used as the fluorescent material in the range of 14 and 15. It is also possible to use fluorescent material which can be used in the case of Excitation with different wavelengths shows different fluorescences, for example, one of these fluorescences excites in the decoupling range no further fluorescence of the element 15, the other fluorescence, however, shows a fluorescent effect.
  • the fluorescent elements can either be generated directly when the waveguide layer is applied, for example by printing a corresponding color, or subsequently by applying or impressing at defined positions.
  • scattering elements pigments, powders, glass beads, etc.
  • the efficiency of these scattering centers is lower than that of specially prepared grating couplers and the scattering is diffuse.
  • Security features are usually in the form of threads or strips, ie one side (parallel to the direction of travel) is significantly longer than the second.
  • the waveguide regions are therefore present in the longitudinal direction of the security feature, but other orientations are also possible at any angle to the longitudinal direction.
  • the more the waveguide region is oriented in the longitudinal direction of the security feature the greater the possible maximum distance between the point of entry and exit of the light.
  • the design may be chosen so that the light spans exactly one length or width of the value document.
  • the incident light can also be coupled in or out over the side edge of the thread when the thread is exposed on at least one side edge of the paper.
  • the decoupling can take place on both sides of the value document. This will be achieved either by a single grating coupler deflecting the light on both sides, or by two grating couplers attached to respective opposite interfaces of the waveguide layer, or by scattering or fluorescent elements passing through the transparent support film (FIG. n) are visible (Fig.10).
  • the window area is suitable as the exit area for the two-sided extraction of the light.
  • the decoupling can be done, for example, by any of the methods already mentioned, which can be arranged in the form of letters, characters, symbols, images, lines, logos and the like.
  • the coupling elements are preferably completely or almost completely transparent in the unlit state.
  • the waveguide layer is made of a material that has a higher refractive index compared to the cladding layers.
  • the refractive index contrast may be in the range of 0.001 to 2.0, preferably in the range of 0.01 to 0.5.
  • the Waveguide layer can on the one hand consist of highly transparent lacquer layers, but in special cases also of inorganic layers, which are produced for example by vapor deposition.
  • These inorganic layers may be, for example, oxides or fluorides of metals such as such compounds of Ta, Zr, Ti, Al, Mg, Ba, Ca or Si, and the like.
  • the waveguide varnish may be a high-index varnish.
  • any systems in which the binders are completely dissolved and therefore highly transparent and purely representable suitable are known to the person skilled in the art, among others also soluble paint systems based on polyester or nitrocellulose and the like.
  • the ridge waveguide can be formed by a local modification of the refractive index.
  • Such local modifications can be made for example by laser treatment, electron beam or UV exposure.
  • the photochemical reaction of thiocyanates to isothiocyanates is used for surface modification of polymers.
  • This reaction is due to the isomerization of SCN groups to NCS groups.
  • the gas phase reaction with amines eg with propylamine
  • This reaction transforms the reactive NCS groups into stable thiourea groups.
  • the absolute refractive index of the waveguide layer is of subordinate importance, but is preferably in the range of 1.5 to 2.5, more preferably in the range of 1.5 to 1.8.
  • the layer thickness of the waveguide layer is 0.1 to 100 ⁇ m, preferably 0.1 to 50 ⁇ m, particularly preferably 0.1 to 10 ⁇ m.
  • the waveguide layer can also be embossed.
  • the structure can optionally be laminated by means of a laminating adhesive against a further carrier substrate 1a.
  • a laminating adhesive against a further carrier substrate 1a.
  • the functionality of the security element essentially corresponds to the structure shown in FIG.
  • the laminating adhesive in this embodiment can perform the function of either the waveguide layer 3 or a cladding layer (2 or 4), if its optical properties meet the above requirements. Otherwise, the laminating adhesive may be an additional layer in the film structure, which lies for example between the carrier substrate 1 and the embossed cladding layer 2 or between the carrier substrate 1a and the second cladding layer 4.
  • the layer thickness of the laminating adhesive is 1 to 100 ⁇ m, preferably 1 to 10 ⁇ m.
  • connection of the two carrier substrates can take place by means of a register-precise laminating process.
  • a suitable method is described in EP-A 1 318 016.
  • FIG. 8 shows the top view of a value document in which a security element 16 is partially embedded.
  • the security element is visible in two windows 17, 18 of the value document on its surface.
  • a grating coupler in the form of a rectangle over which light can be coupled into the security element.
  • a second grating coupler 8 in the form of a lettering "100" can be seen, via which the light is decoupled again.
  • the cross-sectional view of the value document in the region of the window 17 is shown in FIG. 9.
  • the security element is unilaterally exposed in this window, ie the security element is not covered on the exposed side with paper fibers. On this page 9 light can be coupled with a light source.
  • the security element In the region of the window 18, the security element is exposed on both sides, as shown in Fig. 10. That is, a viewer can see in this area from both sides directly to the security element.
  • the light exiting can be seen on both sides of the value document by an observer (10 or 10a).
  • the window appears almost completely transparent due to the high transparency of the core or antelope layers and the suitable matching of the refractive indices.
  • the security feature is inserted into the substrate in register with the windows, so that the coupling and decoupling areas always lie in the region of the window.
  • Such a method is described for example in WO 2004/050991.
  • a plurality of waveguides may be arranged in parallel, or lie in different planes of the security element and reappear at different locations (eg in different windows) of the security feature.
  • Fig. 1 1 shows such an expression of the security element according to the invention, in which case instead of a single ridge waveguide 5, two separate ridge waveguides 5a and 5b are introduced in the security element. Both ridge waveguides guide the light from the coupling-in region 7 to different outcoupling regions 8a and 8b, which lie in different windows (18 and 19 respectively) of the value document. If you now illuminate the coupling region 7, then for a viewer is the Light is visible in both area 8a and area 8b, creating an easily verifiable, stunning visual effect.
  • individual waveguides can be subsequently deactivated, for example by means of a laser, mechanically or chemically by local obstruction of the waveguide and the light can appear as a code in the form of images, symbols, characters, letters, lines, codes.
  • this coding can be carried out individually for each individual value document.
  • FIG. 12 Such an embodiment is shown in FIG. 12 using the example of a security element with three ridge waveguides (5a, 5b, 5c), which conduct the light coupled in in region 7 to the outcoupling areas 8a, 8b and 8c.
  • the ridge waveguide 5c was interrupted in FIG. 12 by irradiation with a laser beam, which melts the polymeric material and thus leads to a local interruption of the light pipe. If light is now coupled in region 7, the light becomes visible to a viewer only in regions 8a and 8b, but region 8c remains dark.
  • the security element according to the invention can have further functional layers.
  • the functional layers may have, for example, defined magnetic, chemical, physical and also optical or optically active properties.
  • paramagnetic, diamagnetic and also ferromagnetic substances such as iron, nickel and cobalt or their compounds or salts (for example oxides or sulfides) can be used.
  • Particularly suitable are agnet pigment pigments with pigments based on iron oxides, iron, nickel cobalt and their alloys, barium or cobalt ferrites, hard and soft magnetic iron and steel grades in aqueous or solvent-containing dispersions.
  • suitable solvents are i-propanol, ethyl acetate, methyl ethyl ketone, methoxypropanol and mixtures thereof.
  • the pigments are preferably incorporated in acrylate polymer dispersions having a molecular weight of from 150,000 to 300,000, in nitrocellulose, acrylate-urethane dispersions, acrylate-styrene or PVC-containing dispersions or in solvent-containing dispersions of this type.
  • the optical properties of the layer can be visualized by visible dyes or pigments, luminescent dyes or pigments which fluoresce or phosphoresce in the visible, in the UV region or in the IR region, effect pigments, such as liquid crystals, pearlescent, bronzes and / or multilayers - Color change pigments and heat-sensitive colors or pigments influence. These can be used in all possible combinations.
  • phosphorescent pigments can also be used alone or in combination with other dyes and / or pigments.
  • a brown magnetic ink can be adjusted to metallic, for example silvery, by adding metals in their color shade.
  • electrical properties such as conductivity, for example, graphite, carbon black, conductive organic or inorganic polymers.
  • Metal pigments for example copper, aluminum, silver, gold, Iron, chromium and the like
  • metal alloys such as copper-zinc or copper-aluminum or amorphous or crystalline ceramic pigments such as ITO and the like may be added.
  • doped or non-doped semiconductors such as, for example, silicon, germanium or ionic conductors, such as amorphous or crystalline metal oxides or metal sulfides, as an additive.
  • polar or partially polar compounds such as surfactants or nonpolar compounds such as silicone additives or hygroscopic or non-hygroscopic salts can be used or added to adjust the electrical properties of the layer.
  • the security element according to the invention can also have features with optically active properties, such as diffraction structures, diffraction gratings, holograms, surface reliefs and the like.
  • optically active properties such as diffraction structures, diffraction gratings, holograms, surface reliefs and the like.
  • This adhesive coating can be carried out either in the form of a heat-seal, cold-seal or self-adhesive coating.
  • the adhesive may also be pigmented, using as pigments all known pigments or dyes, for example TiO 2 , ZnS, kaolin, ATO, FTO, aluminum, chromium and silicon oxides or, for example, organic pigments such as pthalocyanine blue, i-indolide yellow, dioxazine violet and the like can.
  • organic pigments such as pthalocyanine blue, i-indolide yellow, dioxazine violet and the like can.
  • luminescent dyes or pigments which fluoresce or phosphoresce in the visible, in the UV range or in the IR range, effect pigments such as liquid crystals, pearlescent, bronzes and / or multilayer color change pigments and heat-sensitive inks or pigments can be added. These can be used in all possible combinations.
  • luminescent pigments can also be used alone or in combination with other dyes and / or pigments.
  • the adhesive layer may be applied over the whole area or partially, preferably the adhesive layer is recessed in the region of the input and output structures.
  • the security element can also be protected by a protective lacquer layer, which may be pigmented or unpigmented, and may be applied over the entire surface or partially and is also preferably omitted in the region of the input and output structures.
  • the security elements or the film material are therefore optionally suitable for assembly as security features in data carriers, in particular documents of value such as identity cards, cards, banknotes or labels, seals and the like, but also as packaging material, for example in the pharmaceutical, electronics and / or food industry, For example, as blister films, cartons, covers, film packaging and the like.
  • the substrates are preferably cut into strips, threads or patches, wherein the width of the strips or threads may preferably be 0.5-20 mm and the patches preferably have average widths or lengths of 1-50 mm.
  • the security element may be formed as a transfer element, wherein after the application to the object to be secured, the carrier substrate is withdrawn. If appropriate, the release capability can be adjusted by a known release layer applied to the carrier substrate.
  • Suitable release layers are known poorly adhering compositions, for example those based on cycloolefin copolymers, nitrocellulose, acrylates, polyvinyl chloride, ethylene acrylate copolymers or styrene acrylates in a suitable solvent.
  • chlorinated polyolefins are added.
  • even very thinly applied polyamide, polyethylene, fluoropolymer wax layers or silicone coatings can be used as a release layer.
  • FIG. 13 Such an embodiment is shown in FIG. 13, wherein the carrier substrate 1 is removed again after application of the security element to the value document 12 and the remaining layer structure with the cladding layers 2 and 4 and the waveguide layer 3 and the adhesive layer 21 remains on the value document 12.
  • the cladding layer 2 is produced in such a way that its adhesion to the carrier substrate 1 is sufficient for the processing of the security element, but a detachment upon application to the value document 12 without an additional release layer is possible if the adhesive force of the adhesive layer 21 on the security layer Value document 12 and the liabilities of the other layers are large enough with each other.
  • the layers are so thin that, in the case of a manipulation, the attempt to detach the layers from the value document again leads with high certainty to the destruction of the waveguide function.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitselement aufweisend ein Trägersubstrat (1), mindestens eine Mantelschicht (2) und eine Wellenleiterschicht (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiterschicht (3) mindestens einen Bereich aufweist, in dem Licht sowohl lateral als auch vertikal geführt wird.

Description

Sicherheitselement mit Lichtleiterstrukturen
Die Erfindung betrifft ein optisches Sicherheitselement, das bei Anregung durch Licht visuell oder maschinell erkennbar wird, wobei der Ort der Ein- und Auskopplung des Lichts nicht identisch ist.
Sicherheitselemente, insbesondere streifen- oder fadenförmige Sicherheitselemente, aber auch Sicherheitselemente anderer Formate werden häufig mit visuell erkennbaren Sicherheitsmerkmalen, die definierte optische Charakteristika aufweisen, versehen.
Derartige Sicherheitsmerkmale sind beispielsweise optisch aktive Strukturen, wie Beugungsgitter, Beugungsstrukturen, Oberflächenreliefs, Kinegramme und dergleichen, im Besonderen auch Hologramme, bei denen erst unter bestimmten Reflexionsbedingungen definierte, in eine Lackschicht geprägte Strukturen, Bilder, Linien, Symbole, Buchstaben, Ziffern, Logos und dergleichen in einer charakteristischen Art und Weise visuell erkennbar werden.
Ebenso sind z. B. aus der EP-A 0 330 733 Sicherheitselemente mit lumineszierenden Merkmalen bekannt, die bei Anregung durch Licht definierter Wellenlänge (z.B. UV- oder IR-Strahlung) erkennbar werden. Die Präsenz eines solchen Merkmals lässt sich mit einfachen Hilfsmitteln wie einer UV-Lampe auch im täglichen Umgang mit Wertdokumenten nachweisen.
Ferner sind beispielsweise aus der EP-A 1 558 449 optisch variable Sicherheitsmerkmale bekannt, die durch einen speziellen Aufbau von Reflexionsschichten, Zwischenschichten und beispielsweise metallischen Schichten unter unterschiedlichen Blickwinkeln unterschiedliche Farbeindrücke hervorrufen. Der Farbumschlag, der üblicherweise bei einem definierten Winkel stattfindet, lässt sich ohne weitere Hilfsmittel verifizieren.
Diesen Sicherheitsmerkmalen ist gemeinsam, dass der Ort, an dem Licht auf das Sicherheitsmerkmal auftrifft, also eingekoppelt wird, auch gleichzeitig der Ort ist, an dem der optische Effekt erzeugt wird, also das Licht ausgekoppelt wird. Optisch aktive Merkmale wie Hologramme oder optisch variable Elemente sind dabei an den Stellen sichtbar, an denen das Licht direkt auf das Sicherheitsmerkmal trifft, also beispielsweise bei einer Banknote mit einem Fensterfaden an den Stellen, an denen der Faden nicht mit Papier bedeckt ist, oder auf der Oberfläche eines Sicherheitselements, das auf einem Wertdokument appliziert ist. Wird beispielsweise ein Sicherheitsfaden, der fluoreszierende Merkmale enthält, mit Licht geeigneter Wellenlänge (z.B. im ultravioletten oder infraroten Spektralbereich) lokal angeregt, wird der fluoreszierende Effekt beispielsweise durch die Emission von sichtbarem Licht genau an der Stelle sichtbar, an der die anregende Strahlung auftrifft.
Aus WO 2004/062942 ist ein Sicherheitsmerkmal bekannt, bestehend aus einer transparenten Schicht, die einen geeigneten Brechungsindex und eine geeignete Dicke aufweist, um als Wellenleiter zu fungieren und die vollflächig zumindest eine photolumineszierende Komponente aufweist. Mindestens eine Oberfläche der Wellenleiterschicht ist mit einem Muster ausgerüstet, das die Wellenleitung in diesem Bereich unterbindet und das Licht an der Oberfläche austreten lässt. Wird nun z.B. an der Seite des Wertdokuments Licht in den Wellenleiter eingekoppelt, wird das Muster sichtbar. Aus WO 03/059643 ist ein diffraktives Sicherheitselement bekannt, das in zwei Teilflächen eingeteilt ist, die eine optisch wirksame Struktur an Grenzflächen eingebettet zwischen zwei Schichten eines Schichtverbunds aus Kunststoff aufweist. Dabei ist wenigstens die zu beleuchtende Basisschicht des Schichtverbunds transparent. Die optisch wirksame Struktur besitzt als Grundstruktur ein Beugungsgitter nullter Ordnung mit einer Periodenlänge von höchstens 500 nm. In wenigstens einer der Teilflächen ist ein integrierter optischer Wellenleiter mit einer definierten Schichtdicke aus einem transparenten Dielektrikum zwischen einer Basisschicht und einer Kleberschicht des Schichtverbunds eingebettet, wobei die Profiltiefe der optisch wirksamen Struktur in einem vorbestimmten Verhältnis zur Schichtdicke steht. Das Sicherheitselement erzeugt bei Beleuchtung mit weißem einfallendem Licht in der nullten Beugungsordnung gebeugtes Licht. Aus der EP 0 047 326 A1 ist eine Ausweiskarte, die Information in holographischer Form enthält, bekannt. Die Ausweiskarte ist schichtweise aufgebaut und umfasst ein Substrat, auf dem ein planarer optischer Wellenleiter und eine photoempfindliche Schicht aufgebracht sind. Die photoempfindliche Schicht dient der Aufzeichnung mehrerer Hologramme und umfasst mindestens einen Lichtkoppler. Durch Kombination des im Wellenleiter geführten Lichts und eines einfallenden Lichtstrahls erfolgt eine Belichtung des Hologramms, das nur bei Beleuchtung des Kopplers mit dem zugehörigen Muster wieder ausgelesen werden kann.
Aus WO 2006/056089 ist ein Sicherheitsdokument bekannt, bei dem eine Lichtquelle vorgesehen ist, sowie eine Lichtverarbeitungsvorrichtung in Form eines Hologramms, die das Licht der Lichtquelle verarbeitet, indem sie es ablenkt, reflektiert, polarisiert und/oder teilweise absorbiert.
Aus DE 10 2008 033716 ist ein Wert- oder Sicherheitsdokument bekannt, umfassend einen Dokumentenkörper mit einer Oberseite, wobei in dem Dokumentenkörper eine Lichtleitstruktur zum Leiten von Licht in einer Ebene, die im Wesentlichen parallel zu der Oberseite verläuft, über Totalreflexionen an Grenzschichten der Lichtleitstruktur ausgebildet ist, wobei die Grenzschichten lokale Modifizierungen aufweisen, so dass an Stellen der lokalen Modifizierungen eine Auskopplung von in der Lichtleitstruktur geleitetem Licht aus der Lichtleitstruktur begünstigt wird, was zu einer Lichtemission durch die Oberseite des Dokumentenkörpers führt.
Aufgabe der Erfindung war es, ein Sicherheitselement bereitzustellen, bei dem der Ort der Anregung und des Auftretens eines optischen Effekts voneinander verschieden sind und das eine erhöhte Fälschungssicherheit gegenüber dem Stand der Technik aufweist.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Sicherheitselement aufweisend ein Trägersubstrat, mindestens eine Mantelschicht und eine Wellenleiterschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiterschicht mindestens einen Bereich aufweist, in dem Licht sowohl lateral als auch vertikal geführt wird.
Drei Schichten (Mantel - Kern - Mantel) bilden die Grundstruktur eines Wellenleiters. Um Licht leiten zu können, ist es notwendig, dass der Brechungsindex der Mantelschichten geringer als der der Kernschicht ist. Wird in einen solchen Aufbau Licht annähernd parallel zu den Grenzflächen (z.B. über eine freiliegende Seitenkante) in die Kernschicht eingestrahlt, so wird der Lichtstrahl an den Grenzflächen zwischen Kern und Mantel aufgrund des flachen Einfallswinkels totalreflektiert und somit in der Kernschicht transportiert. Glasfaserkabel, die heute zur Datenübertragung eingesetzt werden, funktionieren nach demselben Prinzip.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.
Die Figuren 1 und 2 zeigen den Grundaufbau des Sicherheitselements.
Erstreckt sich die Wellenleiterschicht über die gesamte Fläche des Substrats, so spricht man von einem Schichtwellenleiter (Fig. 1 a), in dem sich das Licht in der Ebene der Wellenleiterschicht in alle Richtungen gleichermaßen ausbreiten kann. Durch eine Strukturierung der Wellenleiterschicht 3, einer oder beider Mantelschichten 2, 4 kann darüber hinaus erreicht werden, dass das Licht auch in der Ebene der Wellenleiterschicht lateral geführt wird, also die Lichtausbreitung seitlich ebenfalls eingeschränkt wird. Die seitliche Führung des Lichts erfolgt dabei gleichermaßen über Totalreflexion an den Seitenwänden des Steges, die sich aus dem Brechungsindexkontrast zum allseits umgebenden Medium ergibt (Fig. 1 b). Ist es z.B. aus fertigungstechnischen Umständen nicht möglich, einen vollständig ummantelten Steg herzustellen, soll aber dennoch eine laterale Führung des Lichts erzielt werden, so kann man die beiden obigen Fälle wie in Fig. 1 c) abgebildet kombinieren, sodass der Stegwellenleiter quasi auf der Wellenleiterschicht aufliegt. Das Licht kann sich in diesem Fall prinzipiell in der gesamten Ebene ausbreiten, bei gezielter Einkopplung in den Bereich des aufgesetzten Stegwellenleiters wird das Licht jedoch in erster Linie im Bereich des Stegwellenleiters sowohl lateral als auch vertikal geführt. Die Verluste hängen dann in hohem Maße vom Verhältnis der Stegdicke zur Dicke der übrigen Wellenleiterschicht ab. Je dünner die Wellenleiterschicht außerhalb des Steges ist, desto besser ist die laterale Führung des Lichts im Bereich des Steges.
Die Herstellung eines solchen Stegwellenleiters ist in Fig. 2 im Querschnitt veranschaulicht. Auf ein Trägersubstrat 1 wird in einem ersten Schritt eine Mantelschicht 2 aufgebracht und mit einer Prägung 6, beispielsweise in Form von Vertiefungen, versehen. Auf diesen Aufbau wird im Anschluss die Wellenleiterschicht 3 aufgebracht, die die im vorigen Schritt entstandenen Prägung wieder auffüllt und so den Stegwellenleiter 5 bildet. Der Wellenleiter wird ggf. durch die Mantelschicht 4 vervollständigt, die Verluste des Lichts nach oben vermindert. Anstelle der Mantelschicht kann auch, wie in Fig. 1 c) dargestellt, die Wellenleiterschicht geprägt sein.
Erfindungsgemäß kann aber auch zumindest eine der Mantelschichten oder können auch beide Mantelschichten von einem Trägersubstrat gebildet sein.
Die Prägung 6 dient im Beispiel von Fig. 2 zur Herstellung des eigentlichen Stegwellenleiters. Der Querschnitt des Stegwellenleiters kann z.B. kreisförmig, rechteckig, trapezförmig oder je nach Anforderung auch andersförmig ausgebildet sein.
Bei geeigneter Auslegung der Prägung können auch verschiedene andere, z.B. diffraktive, diffus streuende oder lenkende Funktionen realisiert werden.
Eine besonders günstige Form der Prägung ist ein sogenannter Gitterkoppler. Ein Gitterkoppler hat zunächst die Aufgabe, von außen durch die obere Mantelschicht oder durch das Substrat und die untere Mantelschicht eintreffendes Licht so umzulenken, dass es sich im Wellenleiter ausbreiten kann. Ein Gitterkoppler funktioniert aber genauso in die umgekehrte Richtung, d.h. im Wellenleiter geführtes Licht kann mittels eines Gitterkopplers wieder aus der Ebene des Wellenleiters herausgelenkt werden und so für den Betrachter zugänglich gemacht werden. Das Gitter besitzt Feinstrukturen, deren Strukturgröße im Bereich der Wellenlänge des zu leitenden Lichts liegt, also im Bereich von 200 - 2000 nm.
Das Gitter kann beispielsweise eine periodische Struktur aufweisen. Es kann auch aus mehreren Teilbereichen mit unterschiedlichen periodischen Strukturen oder mit örtlich veränderten periodischen Strukturen bestehen.
Makroskopisch kann die aktive Fläche des Gitters z.B. in Form von Linien, Bögen, Symbolen, Zeichen, geometrischen Figuren etc. gestaltet sein. Wird das Gitter zum Auskoppeln verwendet, so ist diese makroskopische Struktur für den Betrachter sichtbar, wenn das Sicherheitselement verifiziert wird.
Gegebenenfalls kann zwischen der Prägung der Mantelschicht und der Wellenleiterschicht eine zusätzliche Schicht mit einem Brechungsindex, der höher ist, als der der Wellenleiterschicht, situiert sein. Dies kann z.B. notwendig sein, um die Effizienz eines Gitterkopplers zu steigern und die Lichtmenge zu erhöhen, die in den Lichtleiter ein- bzw. aus dem Lichtleiter ausgekoppelt wird. Diese Schicht mit einem höheren Brechungsindex kann zum einen aus einem Lack oder Polymer, einem Lack oder Polymer mit anorganischen, hochbrechenden Pigmenten (beispielsweise aus Ti02 oder Zr02), oder aus einer anorganische high-refractive-index (HRI) Schicht bestehen. Bevorzugt besteht die Schicht mit einem höheren Brechungsindex aus einer anorganischen Schicht aus Metalloxiden oder -sulfiden, beispielsweise aus TiOx, SiO, Zr02, ZnS.
Als Trägersubstrat für das erfindungsgemäße Sicherheitselement kommen beispielsweise Trägerfolien vorzugsweise flexible Kunststofffolien, beispielsweise aus PI, PP, MOPP, PE, PPS, PEEK, PEK, PEI, PSU, PAEK, LCP, PEN, PBT, PET, PA, PC, COC, POM, ABS, PVC, PTFE, ETFE (Ethylentetrafluorethylen), PFA (Tetrafluorethylen-Perfluorpropylvinylether- Fluorcopolymer), MFA (Tetrafluor-methylen-Perfluorpropylvinylether- Fluorcopolymer), PTFE (Polytetra-fluorethylen), PVF (Polyvinylfluorid), PVDF (Polyvinylidenfluorid), und EFEP (Ethylen-Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen- Fluorterpolymer) in Frage.
Die Trägerfolien weisen vorzugsweise eine Dicke von 5 - 700 μηι, bevorzugt 5 - 200 μΐη, besonders bevorzugt 5 - 50 μητι auf.
Auf die Trägerfolie wird ggf. zunächst eine erste Mantelschicht aufgebracht. Diese Schicht muss vor allem eine sehr glatte Oberfläche aufweisen, um im fertigen Wellenleiter Verluste durch Streuung an einer Rauhigkeit oder Welligkeit der Grenzflächen möglichst zu vermeiden. Der Brechungsindex der Mantelschicht muss auf den Brechungsindex der Kernschicht abgestimmt sein.
Die Mantelschicht besteht aus einem Material, das im Vergleich zur Wellenleiterschicht einen niedrigeren Brechungsindex aufweist. Der absolute Brechungsindex der Mantelschicht ist dabei von untergeordneter Bedeutung, liegt jedoch bevorzugt im Bereich von 1 ,3 - 2,0, besonders bevorzugt im Bereich von 1 ,4 - 1 ,7.
Grundsätzlich sind für diese Schicht alle Materialien geeignet, die die obigen Anforderungen hinsichtlich Oberflächengüte und Brechungsindex erfüllen. Um Stegwellenleiter herzustellen, muss jedoch auch die Verarbeitbarkeit des Materials in einem nachfolgenden Prägeprozess gewährleistet sein, was am ehesten durch thermoplastische Lacksysteme und einen nachfolgenden Heißprägeprozess oder über strahlungshärtbare Lacksysteme und einen nachfolgenden UV-Prägeprozess gegeben ist. Ein geeigneter UV-Prägeprozess und geeignete Lacksysteme sind z.B. in der EP-A 1 310 381 beschrieben, ein geeigneter Heißprägeprozess und dafür geeignete Lacksysteme sind beispielsweise in EP-A 1 352 732 beschrieben. So kommen für die geprägte Mantelschicht 2 und ggf. die zweite Mantelschicht 4 beispielsweise strahlungshärtbare Lacksysteme auf Basis eines Polyester-, eines Epoxy- oder Polyurethansystems, die einen oder mehrere Photoinitiatoren enthalten können, die gegebenenfalls auch bei unterschiedlichen Wellenlängen eine Härtung des Lacksystems in unterschiedlichem Ausmaß initiieren können, in Frage.
Die Dicke der Mantelschichten liegt vorzugsweise im Bereich 1 - 100 μιη, besonders bevorzugt im Bereich 1 - 10 μηι.
Durch die eingebettete Wellenleiterschicht bzw. Wellenleiterstruktur ist es möglich, das Licht im Sicherheitselement so zu lenken, dass es an einer zur Eintrittstelle unterschiedlichen Stelle des Sicherheitselements wieder austritt.
Fig. 3 zeigt den Querschnitt einer beispielhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Sicherheitselements, das den oben beschriebenen Wellenleiteraufbau, bestehend aus Substrat 1 , unterer Mantelschicht 2 mit Prägungen 6, Wellenleiterschicht 3 und oberer Mantelschicht 4, aufweist. Die Prägungen bilden an voneinander verschiedenen Orten einen einkoppelnden Gitterkoppler 7 und einen auskoppelnden Gitterkoppler 8. Die Lampe 9 emittiert beispielsweise Licht einer bestimmten Wellenlänge, die im sichtbaren Spektralbereich liegt. Dieses Licht wird nun über den Gitterkoppler 7 in die Wellenleiterschicht 3 eingekoppelt, dort geführt (Pfeil) und über den Gitterkoppler 8 so ausgekoppelt, dass ein Beobachter 10 die makroskopische Struktur des Gitterkopplers 8 in der Farbe des von der Lampe 9 emittierten Lichts wahrnimmt, wie in Fig. 4 in der Aufsicht dargestellt ist. Die makroskopische Struktur zeigt im Falle des Beispiels in Fig. 4 die Zahl „100" und kann beispielsweise die Denomination einer Banknote repräsentieren, in der das Sicherheitselement eingebettet oder auf der das Sicherheitselement 1 1 appliziert ist.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, in der das Sicherheitselement 1 1 auf die Oberfläche einer Banknote 12 appliziert ist und in der der Gitterkoppler 7 mit einer Druckfarbe 13, die die Eigenschaften eines Farbfilters aufweist, überdruckt ist. Wenn man die Banknote 12 mit polychromatischem (z.B. weißem) Licht an der Stelle des Gitterkopplers 7 beleuchtet, passiert das Licht zunächst den Farbfilter 13, sodass nur ein bestimmter Spektralbereich des einfallenden Lichts (z.B. rotes Licht) den Gitterkoppler erreicht. Das Licht mit reduziertem Spektrum wird nun im Wellenleiter geführt und die Zahl„100" im Bereich des Gitterkopplers 8 leuchtet in der entsprechenden Farbe (z.B. rot). Es ist denkbar, dass der Farbfilter so ausgelegt wird, dass die resultierende Farbe genau der Grundfarbe der Banknote (z.B. rot) entspricht und so eine eindeutige Zuordnung des Merkmals zum Wert der jeweiligen Banknote möglich ist. Dieser Effekt kann auch von Laien unter Verwendung eines einfachen Hilfsmittels (Lampe) rasch verifiziert werden. Der Farbfiltereffekt kann auch durch den Gitterkoppler selbst erzielt werden, wenn dieser durch besondere Auslegung aus einfallendem polychromatischem Licht einen begrenzten Wellenlängenbereich herausfiltert.
Es ist auch möglich, weißes Licht einzukoppeln und beim Austritt das Licht über ein Gitter oder einen Farbfilter zu filtern.
In einer weiteren Ausführungsform, die in Fig. 6 dargestellt ist, sind anstatt der Gitterkoppler lokal fluoreszierende Elemente (14, 15) in der Wellenleiterschicht integriert. Regt man nun das fluoreszierende Element 14 durch Licht mit einer Wellenlänge λι an, emittiert das fluoreszierende Element Licht mit der Wellenlänge λ2. Dabei kann λ2 je nach verwendetem Material größer oder kleiner als λι sein. Das emittierte Licht wird nun innerhalb der Wellenleiterstruktur geführt und trifft auf das fluoreszierende Element 15, das durch λ2 wiederum zu einer Fluoreszenz angeregt wird und Licht mit einer Wellenlänge λ3 emittiert, das für den Betrachter 10 sichtbar ist. Da die obere Mantelschicht im Allgemeinen aus einem transparenten Material besteht, ist auch die Fluoreszenz des fluoreszierenden Elements 14 (λ2) gleichzeitig sichtbar. Bei entsprechender Auslegung ist es sogar denkbar, dass eine lokale Anregung des fluoreszierenden Elements 15 mit λι zu keiner Fluoreszenz führt, wodurch die Sicherheit nochmals gesteigert werden kann.
Als fluoreszierendes Material können im Bereich 14 und 15 sowohl up- conversion (λ2 > λι) als auch down-conversion (λ2 < Materialien verwendet werden. Es ist auch möglich, fluoreszierendes Material zu verwenden, das bei Anregung mit unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedliche Fluoreszenzen zeigt, wobei beispielsweise eine dieser Fluoreszenzen im auskoppelnden Bereich keine weitere Fluoreszenz des Elements 15 anregt, die andere Fluoreszenz jedoch einen fluoreszierenden Effekt zeigt.
Die fluoreszierenden Elemente können entweder beim Auftragen der Wellenleiterschicht direkt erzeugt werden, beispielsweise durch Drucken einer entsprechenden Farbe, oder nachträglich durch Auf- oder Eindrucken an definierten Positionen. Anstatt fluoreszierender Elemente können auch streuende Elemente (Pigmente, Pulver, Glasperlen, etc.) lokal in die Wellenleiterschicht eingebracht werden, z.B. durch Ein- oder Aufdrucken, und so das im Wellenleiter geführte Licht für den Betrachter sichtbar machen. Die Effizienz dieser Streuzentren ist jedoch geringer als die von speziell angefertigten Gitterkopplern und die Streuung erfolgt diffus.
Die oben genannten Möglichkeiten zur Ein- und Auskopplung können je nach Ausführungsform beliebig kombiniert werden. Grundsätzlich ist davon auszugehen, dass das Licht in allen beschriebenen Ausführungsformen auch in der entgegengesetzten Richtung geleitet werden kann.
Sicherheitsmerkmale liegen üblicherweise in Form von Fäden oder Streifen vor, d.h. eine Seite (parallel zur Laufrichtung) ist deutlich länger als die zweite. Vorteilhafterweise sind die Wellenleiterbereiche daher in Längsrichtung des Sicherheitsmerkmals vorhanden, es sind aber auch andere Orientierungen in jedem beliebigen Winkel zur Längsrichtung möglich. Je mehr der Wellenleiterbereich in Längsrichtung des Sicherheitsmerkmals orientiert ist, desto größer ist die mögliche maximale Entfernung zwischen Ein- und Austrittsort des Lichts. Das Design kann beispielsweise so gewählt sein, dass das Licht genau eine Länge oder Breite des Wertdokuments überbrückt. Bei einem in ein Substrat, beispielsweise eine Banknote, eingebetteten Sicherheitsfaden kann das einfallende Licht auch über die Seitenkante des Fadens aus- oder eingekoppelt werden, wenn der Faden an zumindest einer Seitenkante des Papiers freiliegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Auskopplung auf beiden Seiten des Wertdokuments erfolgen. Dies wird entweder durch einen einzelnen Gitterkoppler erreicht werden, der das Licht auf beide Seiten ablenkt, oder durch zwei Gitterkoppler, die an jeweils gegenüberliegenden Grenzflächen der Wellenleiterschicht angebracht sind, oder durch Streuzentren bzw. fluoreszierende Elemente, die durch die transparente(n) Trägerfolie(n) sichtbar sind (Fig.10). Bei einem Wertdokument mit Fenster, durch das ein eingebettetes Sicherheitsmerkmal auf beiden Seiten des Wertdokuments freiliegt und sichtbar ist, eignet sich insbesondere der Fensterbereich als Austrittsbereich für die beidseitige Auskopplung des Lichts.
Die Auskopplung kann dabei beispielsweise durch alle bereits genannten Methoden erfolgen, die in Form von Buchstaben, Zeichen, Symbolen, Bildern, Linien, Logos und dergleichen angeordnet sein können. Die Koppelelemente sind bevorzugt im unbeleuchteten Zustand vollständig oder annähernd vollständig transparent. Die Wellenleiterschicht besteht aus einem Material, das im Vergleich zu den Mantelschichten einen höheren Brechungsindex aufweist. Der Brechungsindexkontrast kann dabei im Bereich von 0,001 bis 2,0 liegen, bevorzugt im Bereich von 0,01 bis 0,5. Besonders wichtig ist, dass das Material für die Wellenleiterschicht eine möglichst geringe Eigenabsorption und Streuung durch Defekte (Luftblasen, Risse, etc.) oder Einschlüsse (Dispersionspartikel, Agglomerate, Verunreinigungen, etc.) aufweist, sowie eine möglichst glatte Grenzfläche zu den Mantelschichten bildet. Die Wellenleiterschicht kann einerseits aus hochtransparenten Lackschichten bestehen, in besonderen Fällen aber auch aus anorganischen Schichten, die beispielsweise durch Aufdampfen hergestellt werden. Diese anorganischen Schichten können beispielsweise Oxide oder Fluoride von Metallen, wie beispielsweise derartige Verbindungen von Ta, Zr, Ti, AI, Mg, Ba, Ca oder Si und dergleichen, sein.
Ferner kann der Wellenleiterlack ein hochbrechender Lack sein.
Ferner sind als Lacksysteme jegliche Systeme, in denen die Bindemittel völlig gelöst sind und daher hochtransparent und rein darstellbar sind, geeignet. Beispiele für derartige Lacksysteme sind dem Fachmann bekannt, besonders geeignet sind unter anderem auch lösliche Lacksysteme auf Basis von Polyester oder Nitrocellulose und dergleichen.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Stegwellenleiter durch eine lokale Modifikation des Brechungsindex gebildet sein.
Derartige lokale Modifikationen können beispielsweise durch Laserbehandlung, Elektronenstrahl- oder UV-Belichtung erfolgen.
Es ist aber auch möglich, die lokale Modifikation durch chemische Gasphasenreaktion zu erzielen.
Die photochemische Reaktion von Thiocyanaten zu Isothiocyanaten wird zur Oberflächenmodifizierung von Polymeren genützt.
So führt z.B. die UV-Bestrahlung (λ = 254 nm) von Poly(4-vinyl- benzylthiocyanat-co-styrol) (P(VBT-co-ST)) zu einer Veränderung des Brechungsindex von n = 1 ,616 auf n = 1 ,630. Diese Reaktion ist auf die Isomerisierung der SCN Gruppen zu NCS Gruppen zurückzuführen. Die Gasphasenreaktion mit Aminen (z.B. mit Propylamin) führt zu einer weiteren Brechungsindexänderung und einer Schichtdickenänderung des Polymerfilmes. Durch diese Reaktion werden die reaktiven NCS Gruppen in stabile Thioharnstoffgruppen überführt. Der absolute Brechungsindex der Wellenleiterschicht ist dabei von untergeordneter Bedeutung, liegt jedoch bevorzugt im Bereich von 1 ,5 - 2,5, besonders bevorzugt im Bereich von 1 ,5 - 1 ,8.
Die Schichtdicke der Wellenleiterschicht beträgt 0,1 - 100 pm, bevorzugt 0,1 - 50 μητι, besonders bevorzugt 0,1 - 10 pm.
Anstelle der Mantelschicht kann auch die Wellenleiterschicht geprägt sein.
Der Aufbau kann gegebenenfalls mittels eines Kaschierklebers gegen ein weiteres Trägersubstrat 1a kaschiert sein. Ein derartiger Aufbau ist in Fig. 7 gezeigt. Die Funktionalität des Sicherheitselements entspricht dabei im Wesentlichen der in Fig. 3 gezeigten Struktur. Der Kaschierkleber kann in dieser Ausführungsform die Funktion entweder der Wellenleiterschicht 3 oder einer Mantelschicht (2 oder 4) übernehmen, wenn dessen optische Eigenschaften die oben genannten Anforderungen erfüllen. Ansonsten kann der Kaschierkleber eine zusätzliche Schicht im Folienaufbau sein, die beispielsweise zwischen dem Trägersubstrat 1 und der geprägten Mantelschicht 2 oder zwischen dem Trägersubstrat 1a und der zweiten Mantelschicht 4 liegt. Die Schichtdicke des Kaschierklebers beträgt 1 - 100 pm, bevorzugt 1 - 10 pm.
Sind auf beiden Trägersubstraten Merkmale oder optische Elemente vorhanden, die zueinander ausgerichtet werden sollen, so kann die Verbindung der zwei Trägersubstrate durch einen registergenauen Kaschierprozess erfolgen. Ein geeignetes Verfahren ist in der EP-A 1 318 016 beschrieben.
Fig. 8 zeigt die Aufsicht eines Wertdokuments, in das ein Sicherheitselement 16 teilweise eingebettet ist. Das Sicherheitselement ist dabei in zwei Fenstern 17, 18 des Wertdokuments an dessen Oberfläche sichtbar. Im Fenster 17 befindet sich ein Gitterkoppler in Form eines Rechtecks, über den Licht in das Sicherheitselement eingekoppelt werden kann. Im Fenster 18 ist ein zweiter Gitterkoppler 8 in Form eines Schriftzuges„100" erkennbar, über den das Licht wieder ausgekoppelt wird. Die Querschnittsansicht des Wertdokuments im Bereich des Fensters 17 ist in Fig. 9 gezeigt. Das Sicherheitselement liegt in diesem Fenster einseitig frei, d.h. das Sicherheitselement ist auf der freiliegenden Seite nicht mit Papierfasern bedeckt. Auf dieser Seite kann mit einer Lichtquelle 9 Licht eingekoppelt werden. Im Bereich des Fensters 18 ist das Sicherheitselement beidseitig freiliegend, wie in Fig. 10 dargestellt ist. D.h. ein Betrachter kann in diesem Bereich von beiden Seiten direkt auf das Sicherheitselement sehen. Wird nun Licht über den Gitterkoppler 7 im Fenster 17 eingekoppelt und innerhalb des Sicherheitselements über den Stegwellenleiter 5 zum Gitterkoppler 8 in Fenster 18 geleitet, so kann das austretende Licht auf beiden Seiten des Wertdokuments von einem Beobachter (10 bzw. 10a) gesehen werden. Im unbeleuchteten Zustand erscheint das Fenster jedoch aufgrund der hohen Transparenz der Kern- bzw. antelschichten und der geeigneten Abstimmung der Brechungsindizes annähernd vollständig transparent.
Bei der in Fig. 8 bis 10 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das Sicherheitsmerkmal registergenau zu den Fenstern in das Substrat eingebracht, sodass die Ein- und Auskoppelbereiche immer im Bereich des Fensters zu liegen kommen. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der WO 2004/050991 beschrieben.
In einer weiteren Ausführungsform können mehrere Wellenleiter parallel angeordnet sein, oder in verschiedenen Ebenen des Sicherheitselements liegen und an unterschiedlichen Orten (z.B. in verschiedenen Fenstern) des Sicherheitsmerkmals wieder erscheinen. Fig. 1 1 zeigt eine solche Ausprägung des erfindungsgemäßen Sicherheitselements, wobei hier statt eines einzigen Stegwellenleiters 5 zwei getrennte Stegwellenleiter 5a und 5b im Sicherheitselement eingebracht sind. Beide Stegwellenleiter leiten das Licht vom Einkoppelbereich 7 zu unterschiedlichen Auskoppelbereichen 8a und 8b, die jeweils in verschiedenen Fenstern (18 bzw. 19) des Wertdokuments liegen. Beleuchtet man nun den Einkoppelbereich 7, so wird für einen Betrachter das Licht sowohl im Bereich 8a als auch im Bereich 8b sichtbar und erzeugt so einen einfach verifizierbaren, verblüffenden optischen Effekt.
Sind mehrere Wellenleiter vorhanden, können einzelne Wellenleiter nachträglich, beispielsweise mittels Laser, mechanisch oder chemisch durch lokale Behinderung der Wellenleitung deaktiviert werden und das Licht beim Austritt als Code in Form von Bildern, Symbolen, Zeichen, Buchstaben, Linien, Codes erscheinen lassen.
Diese Codierung kann beispielsweise in einer bevorzugten Ausführungsform für jedes einzelne Wertdokument individuell ausgeführt werden. Eine solche Ausführungsform ist in Fig. 12 am Beispiel eines Sicherheitselements mit drei Stegwellenleitern (5a, 5b, 5c) gezeigt, die das im Bereich 7 eingekoppelte Licht zu den Auskoppelbereichen 8a, 8b bzw. 8c leiten. Der Stegwellenleiter 5c wurde in Fig. 12 durch Bestrahlung mit einem Laserstrahl, der das polymere Material schmilzt und somit zu einer lokalen Unterbrechung der Lichtleitung führt, unterbrochen. Koppelt man nun Licht im Bereich 7 ein, so wird das Licht für einen Betrachter nur in den Bereichen 8a und 8b sichtbar, der Bereich 8c bleibt jedoch dunkel. Das erfindungsgemäße Sicherheitselement kann weitere funktionelle Schichten aufweisen.
Die funktionellen Schichten können beispielsweise definierte magnetische, chemische, physikalische und auch optische oder optisch aktive Eigenschaften aufweisen.
Zur Einstellung der magnetischen Eigenschaften können paramagnetische, diamagnetische und auch ferromagnetische Stoffe, wie Eisen, Nickel und Cobalt oder deren Verbindungen oder Salze (beispielsweise Oxide oder Sulfide) verwendet werden. Besonders geeignet sind agnetpigmentfarben mit Pigmenten auf Basis von Fe-oxiden, Eisen, Nickel Cobalt und deren Legierungen, Barium oder Cobalt- ferrite, hart- und weich magnetische Eisen- und Stahlsorten in wässrigen bzw. lösungsmittelhaltigen Dispersionen. Als Lösungsmittel kommen beispielsweise i-Propanol, Ethylacetat, Methylethylketon, Methoxypropanol und deren Mischungen in Frage.
Vorzugsweise sind die Pigmente in Acrylat- Polymerdispersionen mit einem Molekulargewicht von 150.000 bis 300.000, in Nitrocellulose, Acrylat-Urethan- Dispersionen, Acrylat- Styrol oder PVC-haltigen Dispersionen oder in lösemittelhaltige derartige Dispersionen eingebracht.
Die optischen Eigenschaften der Schicht lassen sich durch sichtbare Farbstoffe bzw. Pigmente, lumineszierende Farbstoffe bzw. Pigmente, die im sichtbaren, im UV-Bereich oder im IR-Bereich fluoreszieren bzw. phosphoreszieren, Effektpigmente, wie Flüssigkristalle, Perlglanz, Bronzen und/oder Multilayer- Farbumschlagpigmente und wärmeempfindliche Farben bzw. Pigmente beeinflussen. Diese sind in allen möglichen Kombinationen einsetzbar. Zusätzlich können auch phosphoreszierende Pigmente allein oder in Kombination mit anderen Farbstoffen und/oder Pigmenten eingesetzt werden.
Es können auch verschiedene Eigenschaften durch Zufügen verschiedener oben genannter Zusätze kombiniert werden. So ist es möglich angefärbte und/oder leitfähige Magnetpigmente zu verwenden. Dabei sind alle genannten leitfähigen Zusätze verwendbar.
Speziell zum Anfärben von Magnetpigmenten lassen sich alle bekannten löslichen und nicht löslichen Farbstoffe bzw. Pigmente verwenden. So kann beispielsweise eine braune Magnetfarbe durch Zugabe von Metallen in ihrem Farbton metallisch, z.B. silbrig eingestellt werden. Zur Einstellung elektrischer Eigenschaften, beispielsweise Leitfähigkeit können beispielsweise Graphit, Ruß, leitfähige organische oder anorganische Polymere. Metallpigmente (beispielsweise Kupfer, Aluminium, Silber, Gold, Eisen, Chrom und dergleichen), Metalllegierungen wie Kupfer-Zink oder Kupfer- Aluminium oder auch amorphe oder kristalline keramische Pigmente wie ITO und dergleichen zugegeben werden. Weiters können auch dotierte oder nicht dotierte Halbleiter wie beispielsweise Silicium, Germanium oder lonenleiter wie amorphe oder kristalline Metalloxide oder Metallsulfide als Zusatz verwendet werden. Ferner können zur Einstellung der elektrischen Eigenschaften der Schicht polare oder teilweise polare Verbindungen, wie Tenside oder unpolare Verbindungen wie Silikonadditive oder hygroskopische oder nicht hygroskopische Salze verwendet oder zugesetzt werden.
Ferner kann das erfindungsgemäße Sicherheitselement auch Merkmale mit optisch aktiven Eigenschaften, wie Beugungsstrukturen, Beugungsgitter, Hologramme, Oberflächenreliefs und dergleichen aufweisen. Um das Sicherheitselement im oder am Wertdokument zu verankern, wird dieses üblicherweise mit einer Klebebesch ichtung versehen. Diese Klebebeschichtung kann entweder in Form einer Heißsiegel-, Kaltsiegel- oder Selbstklebebeschichtung ausgeführt sein. Der Kleber kann auch pigmentiert sein, wobei als Pigmente alle bekannten Pigmente oder Farbstoffe, beispielsweise TiO2, ZnS, Kaolin, ATO, FTO, Aluminium, Chrom- und Siliziumoxide oder beispielsweise organische Pigmente wie Pthalocyaninblau, i- Indolidgelb, Dioxazinviolett und dergleichen verwendet werden können. Ferner können lumineszierende Farbstoffe bzw. Pigmente, die im sichtbaren, im UV- Bereich oder im IR-Bereich fluoreszieren bzw. phosphoreszieren, Effektpigmente wie Flüssigkristalle, Perlglanz, Bronzen und/oder Multilayer- Farbumschlagpigmente und wärmeempfindliche Farben bzw. Pigmente zugegeben werden. Diese sind in allen möglichen Kombinationen einsetzbar. Zusätzlich können auch lumineszierende Pigmente allein oder in Kombination mit anderen Farbstoffen und/oder Pigmenten eingesetzt werden.
Die Klebeschicht kann vollflächig oder partiell aufgebracht sein, bevorzugt ist die Klebeschicht im Bereich der Ein- und Auskopplungsstrukturen ausgespart. Gegebenenfalls kann das Sicherheitselement auch noch durch eine Schutzlackschicht geschützt werden, die pigmentiert oder unpigmentiert sein kann, und vollflächig oder partiell aufgebracht sein kann und ebenfalls bevorzugt im Bereich der Ein- und Auskopplungsstrukturen ausgespart ist.
Die Sicherheitselemente bzw. das Folienmaterial sind gegebenenfalls nach entsprechender Konfektionierung daher als Sicherheitsmerkmale in Datenträgern, insbesondere Wertdokumenten wie Ausweisen, Karten, Banknoten oder Etiketten, Siegeln und dergleichen geeignet, aber auch als Verpackungsmaterial beispielsweise in der pharmazeutischen, der Elektronik- und/oder Lebensmittelindustrie, beispielsweise als Blisterfolien, Faltschachteln, Abdeckungen, Folienverpackungen und dergleichen geeignet.
Für die Anwendung als Sicherheitsmerkmale werden die Substrate bevorzugt in Streifen, Fäden oder Patches geschnitten, wobei die Breite der Streifen oder Fäden vorzugsweise 0,5 - 20 mm betragen kann und die Patches vorzugsweise mittlere Breiten bzw. Längen von 1 - 50 mm aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Sicherheitselement als Transferelement ausgebildet sein, wobei nach der Aufbringung auf den zu sichernden Gegenstand das Trägersubstrat abgezogen wird. Gegebenenfalls kann dabei die Releasefähigkeit durch eine auf das Trägersubstrat aufgebrachte bekannte Releaseschicht eingestellt sein.
Als Releaseschicht kommen bekannte schlecht haftende Zusammensetzungen beispielsweise auf Basis von Cylcloolefincopolymeren, Nitrocellulose, Acrylaten, Polyvinylchlorid, Ethylenacrylatcopolymeren oder Styrolacrylaten in einem geeigneten Lösungsmittel in Frage. Zur Einstellung der Haftung werden dabei vorzugsweise chlorierte Polyolefine zugesetzt. Ferner können auch sehr dünn aufgetragene Polyamid-, Polyethylen-, Fluorpolymerwachsschichten oder Silikonbeschichtungen als Releaseschicht verwendet werden. Eine solche Ausführungsform ist in Fig. 13 gezeigt, wobei das Trägersubstrat 1 nach der Applikation des Sicherheitselements auf das Wertdokument 12 wieder abgezogen wird und der übrige Schichtaufbau mit den Mantelschichten 2 und 4 sowie der Wellenleiterschicht 3 und der Klebeschicht 21 auf dem Wertdokument 12 verbleibt. Die Mantelschicht 2 ist in dieser Ausführungsform so hergestellt, dass ihre Haftung auf dem Trägersubstrat 1 zwar ausreichend für die Prozessierung des Sicherheitselements ist, aber eine Ablösung bei der Aufbringung auf das Wertdokument 12 ohne zusätzliche Releaseschicht möglich ist, wenn die Klebkraft der Klebeschicht 21 auf dem Wertdokument 12 und die Haftungen der übrigen Schichten untereinander groß genug sind. Die Schichten sind dabei so dünn, dass im Falle einer Manipulation der Versuch, die Schichten wieder vom Wertdokument zu lösen, mit hoher Sicherheit zur Zerstörung der Wellenleiterfunktion führt.

Claims

Patentansprüche:
1) Sicherheitselement aufweisend ein Trägersubstrat, mindestens eine Mantelschicht und eine Wellenleiterschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiterschicht mindestens einen Bereich aufweist, in dem
Licht sowohl lateral als auch vertikal geführt wird.
2) Sicherheitselement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat eine Mantelschicht bildet.
3) Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Mantelschicht durch eine Lackschicht oder ein weiteres Trägersubstrat gebildet ist. 4) Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiterschicht eine Lackschicht ist, die einen höheren Brechungsindex als die Mantelschicht(en) aufweist.
5) Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelschicht(en) aus demselben Material bestehen.
6) Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelschicht(en) aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
7) Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Aufbau zusätzlich eine HRI-Schicht enthalten ist. 8) Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht über zumindest eine Seitenkante ein- oder ausgekoppelt wird.
9) Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht an zumindest einer Stelle an der Ober- und/oder Unterseite des Sicherheitselements ein- und/oder ausgekoppelt wird.
10) Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die laterale und vertikale Führung des Lichts durch einen Stegwellenleiter erreicht wird.
11) Sicherheitselement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stegwellenleiter durch eine Prägung in einer der Mantelschichten oder in der Wellenleiterschicht gebildet ist.
12) Sicherheitselement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stegwellenleiter durch eine lokale Modifikation des Brechungsindex der Wellenleiterschicht gebildet ist.
13) Sicherheitselement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Modifikation durch Laser-, Elektronenstrahl- oder UV- Belichtung oder durch chemische Gasphasenreaktion, erzeugt ist.
14) Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Aus- und Einkopplung zumindest in einem Bereich durch eine Prägung in Form eines Gitterkoppler erfolgt.
15) Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Aus- und Einkopplung zumindest in einem Bereich durch eine Prägung in Form einer diffraktiven oder diffus streuenden Struktur erfolgt. 16) Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in einer der Mantel- oder in der Wellenleiterschicht zumindest ein Bereich mit lumineszierenden oder streuenden Elementen vorgesehen ist.
17) Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägung oder die Bereiche mit fluoreszierenden oder streuenden Elementen in Form von Buchstaben, Zeichen, Symbolen, Codes vorliegen.
18) Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitselement gegen ein zweites Trägersubstrat mittels eines Kaschierklebers kaschiert ist.
19) Sicherheitselement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Kaschierkleber als Wellenleiterschicht oder eine der Mantelschichten fungiert.
20) Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens auf einer Seite vollflächig oder partiell mit einer Klebebeschichtung versehen ist.
21) Sicherheitselement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebebeschichtung eine Heißsiegel-, Kaltsiegel-, oder Selbstklebebeschichtung ist.
22) Sicherheitselement, nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass es ein- oder beidseitig mit einer vollflächigen oder partiellen Schutzlackschicht versehen ist. 23) Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest teilweise in einem Wertdokument eingebettet ist.
24) Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass es auf die Oberfläche eines Wertdokuments appliziert ist.
25) Sicherheitselement nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat nach Applikation auf das Wertdokument entfernt wird.
26) Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, das es weitere funktionale Schichten aufweist.
27) Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass es registergenau auf das Wertdokument appliziert oder in das Wertdokument eingebracht ist.
28) Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass es nach der Applikation oder Einbettung überdruckt wird.
29) Wertdokument, enthaltend ein Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 28.
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