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EP3317111B1 - Sicherheitselement mit farbfilterndem gitter - Google Patents

Sicherheitselement mit farbfilterndem gitter Download PDF

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Publication number
EP3317111B1
EP3317111B1 EP16733880.5A EP16733880A EP3317111B1 EP 3317111 B1 EP3317111 B1 EP 3317111B1 EP 16733880 A EP16733880 A EP 16733880A EP 3317111 B1 EP3317111 B1 EP 3317111B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
surface elements
security element
dielectric
carrier
regular pattern
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP16733880.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3317111A1 (de
Inventor
Hans Lochbihler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Original Assignee
Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH filed Critical Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Publication of EP3317111A1 publication Critical patent/EP3317111A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3317111B1 publication Critical patent/EP3317111B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B42—BOOKBINDING; ALBUMS; FILES; SPECIAL PRINTED MATTER
    • B42D—BOOKS; BOOK COVERS; LOOSE LEAVES; PRINTED MATTER CHARACTERISED BY IDENTIFICATION OR SECURITY FEATURES; PRINTED MATTER OF SPECIAL FORMAT OR STYLE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; DEVICES FOR USE THEREWITH AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; MOVABLE-STRIP WRITING OR READING APPARATUS
    • B42D25/00—Information-bearing cards or sheet-like structures characterised by identification or security features; Manufacture thereof

Definitions

  • the invention relates to a security element for a document of value, wherein the security element has a two-dimensionally regular pattern of individual cylindrical surface elements of high-refractive, in particular metallic material, which lie in a lattice plane, are spaced apart by gaps and are embedded on all sides in a dielectric, wherein the regular Pattern in at least two directions parallel to the lattice plane has a periodicity of 100 nm to 800 nm, preferably 200 nm to 500 nm.
  • the invention further relates to a method for producing a security element for a document of value, wherein a two-dimensionally regular pattern of individual cylindrical surface elements of high refractive, in particular metallic material is formed, which lie in a lattice plane, are spaced apart by gaps and are embedded on all sides in a dielectric wherein the regular pattern in at least two directions parallel to the lattice plane has a periodicity of 100 nm to 800 nm, preferably 200 nm to 500 nm.
  • the invention also relates to a not yet executable precursor to a document of value.
  • Such a security element or method for producing as well as a non-executable precursor to a value document are known from the WO 2012/156049 A1 , which discloses a security element according to the preamble of claim 1, known.
  • This generic security element has good color filter properties and can be in multiply an embossing process cost-effectively.
  • the security element provides an array of surface elements, also referred to as nanodisks because of their size, arranged above a base surface having a complementary hole pattern. This hole pattern is also referred to as a nanohole array.
  • a structure is embossed in a dielectric which is to surround the nanodisks and nanoholes.
  • the color effect depends very much on the distance between the nanodisks and the nanoholes. This distance is determined by the height of the embossed structure and thus ultimately by an embossing tool. During the embossing process, in particular due to wear of the embossing tool, fluctuations or a continuous decrease in the embossing height over the production period occur. This causes effort, in particular a frequent embossing tool exchange in series production, to ensure a constant color effect.
  • the WO 2011/107782 A1 relates to a Moire Magnifier whose pixels are in the grid 1-100 microns.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a two-dimensional, color-filtering grating, which on the one hand has a good color filter property and on the other hand can be produced by inexpensive duplication methods.
  • security element for a document of value, wherein the security element has a two-dimensional regular pattern of individual cylindrical surface elements of high refractive, in particular metallic material, which lie in a lattice plane, are spaced apart by gaps and are embedded on all sides in a dielectric, wherein the regular pattern in at least two directions, which run parallel to the lattice plane, has a periodicity of 100 nm to 800 nm, preferably of 200 nm to 500 nm, wherein the gaps between the surface elements in a range of at least 1 micron, optionally 5 microns to 50 microns, perpendicular to the lattice plane also only have dielectric.
  • the object is further achieved by a method for producing a security element for a document of value, wherein a two-dimensionally regular pattern of individual cylindrical surface elements of high-refractive, in particular metallic material is formed, which lie in a lattice plane, are spaced apart by gaps and all sides in one Dielectric embedded, wherein the regular pattern in at least two directions, which extend parallel to the lattice plane, a periodicity of 100 nm to 800 nm, preferably from 200 nm to 500 nm, wherein the gaps between the surface elements in a range of at least 1 micron , optionally 5 microns to 50 microns, perpendicular to the lattice plane also have only one dielectric, in particular seen perpendicular to the lattice plane are not covered by high refractive index material.
  • the object is finally also solved by a non-executable precursor to a value document containing a security element according to the invention.
  • the grid provides high-refractive surface elements that are different than in the WO 2012/156049 A1 are no longer arranged over a high-refractive base layer. Rather, there are also the gaps between the surface elements in a range of at least 1 micron (depending on the realization up to 50 microns or more) of dielectric, non-high refractive index material. The area is measured perpendicular to the plane in which the surface elements are located, and extends on both sides of the plane. For the optical effect of the security element no longer depends on a precise distance of the high refractive surface elements to a high refractive base layer. As a result, an embossing depth no longer plays a role in the production process, and the abovementioned wear problem of the embossing tool is avoided.
  • the high refractive property of the surface elements is achieved by a suitable choice of material.
  • metal in addition to metal as a material are in particular silicon, zinc sulfide or titanium dioxide in question.
  • the term “metallic” is taken as an example of "high refractive index", unless expressly described otherwise.
  • the dielectric material which z. B. has a refractive index of about 1.5
  • plastic films for.
  • the actual basic structure is z. B. also in plastic, preferably UV lacquer is formed. After evaporation, the structure is finally filled with UV varnish and laminated with a cover film.
  • the high refractive index material of the surface elements is not limited to simple metallic layers. There are also multiple layers, especially trilayer conceivable. It is known that multi-coated one-dimensional periodic gratings enable strong color filter filtering through the formation of Fabry-Perot resonators both in reflection and in transmission. In trilayer, the following layers are particularly preferred: two semi-transparent metal layers with an intervening dielectric spacer layer or two high-index layers with an intermediate low-refractive layer.
  • the Metal layers are the following materials: Al, Ag, Pt, Pd, Au, Cu, Cr and alloys thereof.
  • Suitable high-index layers are, for example, ZnS, ZnO, TiO 2 , ZnSe, SiO 2 , Ta 2 O 5 or silicon. SiO 2 , Al 2 O 3 or MgF 2 are suitable as low-index layers.
  • the refractive index of the dielectric which fills the gaps between the surface elements, may for example be between 1.4 and 1.6.
  • the color effects depend primarily on the periodicity of the pattern.
  • the color can also be varied by the geometry of the nanodisks. This can be exploited to create colored symbols or images.
  • the surface filling factor and / or the geometry of the surface elements and / or their material can be locally varied.
  • Several subpixels are designed with different color properties by appropriate geometric design and then combined into one pixel. This allows a colored image representation.
  • the different colors can be varied by the corresponding local variation of one or more of the parameters of the grid.
  • Characteristic of the security element is that opposite to the WO 2012/0156049 A1 Known approach the base layer of high refractive index material is missing, since the gaps between the surface elements (the latter in the above range) are formed by a dielectric material. It is not mandatory that it is consistently the same dielectric. What is essential is the refractive index difference between the surface elements and the dielectric material or materials in the gaps and in the vicinity of the surface elements. Particularly preferred is a security element whose gaps seen perpendicular to the ground plane are not covered by high refractive index material.
  • the security element may in particular be integrated in a security thread, tear-open thread, security strip, security strip, patch or label.
  • the security element can span transparent areas or recesses.
  • the security element can in particular be part of a not yet executable precursor to a value document, which additionally may have further authenticity features.
  • value documents on the one hand documents are understood, which with the security element are provided.
  • value documents can also be other documents or objects that are provided with the security element, so that the value documents have non-copyable authenticity features in order to enable authenticity verification and to prevent undesired copies.
  • Chip or security cards such as bank or credit cards or ID cards, are further examples of a value document.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a security element 1. It has on a support 2 surface elements 3. There are gaps 4 between the surface elements 3.
  • the carrier 2 is made of a dielectric material, the surface elements of a high refractive index material, for example a metallic coating.
  • the surface elements 3 are covered with a cover layer 5, so that they are surrounded on all sides by dielectric.
  • the arrangement of the surface elements 3 with the intervening gaps 4 forms a pattern 6, so that a total of a two-dimensional periodic sub-wavelength grating is formed by the periodic arrangement of surface elements.
  • the surface elements 3 consist of a high refractive index material with a refractive index v. Due to the arrangement and the embedding in dielectric with the refractive index n (in the embodiment according to FIG Fig.
  • the refractive indices of the carrier 2 and the cover layer 5 are identical; this is not mandatory) results for incident radiation E a color effect for transmitted radiation T and reflected radiation R. This will be explained below, as well, that the color effect of an angle of incidence ⁇ to the surface normal, here registered as an optical axis OA depends.
  • the shape of the surface elements 3 can be designed differently.
  • Fig. 2 shows an embodiment with in plan view circular surface elements.
  • the surface elements 3 are cylindrical (not necessarily circular cylindrical) and have a width w 1 and a depth w 2 .
  • the arrangement of the surface elements 3 in the pattern 6 is periodic.
  • Fig. 1 and Fig. 2 show a period d. It may be different in other embodiments in the two spatial directions of the basic or lattice plane 7.
  • the security element 1 If the security element 1 is incident at the angle ⁇ radiation E, the reflection R in the glancing angle shows the zeroth order of diffraction and, at the same time, a zeroth diffraction order in transmission.
  • the structure of the surface elements 3, so the nanodisks is not limited to homogeneous, metallic or semi-metallic layers. There are also multi-layers, especially so-called trilayer conceivable, for example, show a color shift effect.
  • multi-coated, one-dimensionally periodic gratings enable strong color filter filtering through the formation of Fabry-Perot resonators both in reflection and in transmission.
  • the following layers are particularly preferred: two semi-transparent metal layers with an intervening dielectric spacer layer or two high-index layers with an intermediate low-refractive layer.
  • the following materials are suitable for the metal layers: Al, Ag, Pt, Pd, Au, Cu, Cr and alloys thereof.
  • Suitable high-index layers are, for example, ZnS, ZnO, TiO 2 , ZnSe, SiO 2 , Ta 2 O 5 or silicon.
  • SiO 2 , Al 2 O 3 or MgF 2 are suitable as low-index layers.
  • the periodicity d lies in the sub-wavelength range, ie in the range between 100 nm and 800 nm, preferably between 200 nm and 450 nm or 600 nm.
  • the fill factors u 1 / d 1 and u 2 / d 2 are between 0.2 and 0.8 , preferably between 0.3 and 0.7.
  • the periodicity directions are perpendicular to each other. This too is optional. Also spatially asymmetrical arrangements of the profile and the periodicity are conceivable. In other words, the pattern 6 does not have to, as in Fig. 1 shown to be a Cartesian pattern.
  • Fig. 2 shows a security element 1, the surface elements 3 are formed circular-cylindrical. This form is suitable as the construction of the Fig. 1 or 2 especially for color filters for unpolarized light.
  • Other mathematically cylindrical geometries are provided for the surface elements in embodiments. For example, variations of the square shape are the Fig. 1 or the circular shape of the Fig. 2 provided, z. B. by rounded corners.
  • These security elements have different periods at about the same filling factor w / d.
  • the transmission spectra show a resonant minimum, which is shifted into the long-wave range for increasing periods.
  • the color properties of these security elements in the CIE 1931 color space were examined.
  • the transmission spectra were folded with the emission curve of a standard D65 lamp and the sensitivity of the human eye and from this the color coordinates X, Y, Z were calculated.
  • the D65 lighting corresponds approximately to the daylight.
  • Fig. 4b shows the calculated color values in CIE 1931 color space.
  • the white point is marked with the symbol "O”.
  • the triangle limits the color range, which can usually be displayed with screens.
  • the diagram shows the x, y color coordinates as trajectories. It turns out that a large color range can be realized by varying the period.
  • the calculated color values of the Fig. 5b x, y demonstrate that the color is barely changed by the tilt, only the color saturation decreases for increasing angles.
  • the brightness L * was calculated from the color coordinates X, Y, Z, which corresponds approximately to the intensity perceived by the viewer.
  • the brightness L * here is about 25 and is almost constant for an angle change from 0 ° to 30 °.
  • the reflection of the security element 1 shows Fig. 6a in (non-normalized) values as a function of wavelength. This shows that these spectra each contain a pronounced resonant maximum whose position approximately corresponds to the position of the minima of the transmission spectra. These spectra were also converted to the x, y color values shown in the CIE 1931 color diagram of Fig. 6b are shown. By the illustrated security element red, yellow and green shades can be generated. For blue or violet colors (not shown), a grating period of the nanodisk arrays ⁇ 240 nm must be selected.
  • the From this calculated color values x, y demonstrate that the hue in reflection is hardly changed by the change of the angle of incidence. However, the color saturation becomes weaker for increasing angles ⁇ .
  • Fig. 8a and b show three regions of different geometry (d R , w R ), (d G , w G ) and (d B , w B ) of the pattern 6, which appear in the colors red, green and blue. These different colors can be caused by the corresponding variation of one or more profile parameters.
  • the three regions 11, 12, 13 correspond to RGB subpixels and together form a pixel 14.
  • the respective geometry ensures that the corresponding colors red, green and blue are effected.
  • the proportion of the color of the respective RGB subpixel in the pixel 14 can be set by the choice of geometry.
  • the pixel 14 can be given a desired color.
  • the color mixing of the primary colors effected in the pixel 16 by the regions 11, 12, 13 of the RGB subpixels thus makes true color images possible.
  • the advantage of such a structure over a conventional printing technique is that a very fine structuring down to the micrometer range is possible, which is advantageous in particular with magnification arrangements.
  • the security element 8a, b according to Fig. 12 allows micro images in which the pattern changes laterally to achieve a color or an intensity contrast in the microimage.
  • the structure described here is preferred for this, since their optical properties are very angle-tolerant, ie their color hardly changes with a variation of the angle of incidence. This property is advantageous in a combination with microlens arrays, since the light perceived by a viewer comes from different light paths, which have different angles of incidence.
  • the intensity in the individual color pixels can be adjusted via the area ratios of the nanodisk arrays to surrounding unstructured areas.
  • the unstructured areas are either completely metallized or completely transparent and appear neutral in color.
  • This lateral arrangement of a region filled with a nanodisk array in the vicinity of an unstructured region can also serve to form a motif against a color-neutral background.
  • Fig. 9 shows side by side different patterns 6 of the nanodisks, which are arranged orthogonally or hexagonally.
  • the individual nanodisks can have different geometries such as squares, rectangles, circles, ellipses or triangles. Such a lateral variation of the arrangement can also produce a variation in the color.
  • hexagonal arrangement other arrangements such as octagonal arrangements are possible, as in Figure 9 illustrated.
  • the security element 1 can be combined with other embossing structures such as holograms, micromirror arrangements and known subwavelength structures for the production of security features. On the one hand, this increases the counterfeiting security of such features.
  • safety features can be visually upgraded by the color attractiveness of the nanodisk arrays described here.
  • the nanodisk arrays described here are particularly suitable for see-through elements, as they show colors in reflection and in transmission. An additional security against forgery of this structure is provided by the first diffraction order, which is observable for grating periods of approximately> 330 nm at an oblique angle of incidence.
  • the security element 1 can be produced by a dielectric having two-dimensionally periodically arranged recesses according to the pattern 6 is vapor-deposited vertically with high refractive index material, for example one of said metals or metal alloys. Then a coating with holes on the upper level is created. In addition, the bottoms of the periodically arranged depressions are coated in a high-refractive index and form the nanodisk array, ie the pattern 6 of the surface elements 3.
  • the top metallic hole structure can then be removed by known methods so that the pattern 6 of the surface elements 3 remains in the depressions , A carrier treated in this way can subsequently be embedded in a dielectric or laminated with a cover film. For this purpose, preference is given to using a photopolymer which has the same refractive index as possible, ideally even the same refractive index as the carrier material into which the depressions have been embossed.
  • Fig. 10a shows the carrier 15, in which the recesses 16 have been introduced in the arrangement according to the pattern 6, for example by an embossing process in an embossable medium of the carrier 15, for example an embossing lacquer which is part of the carrier 15. Subsequently, the coating 17 was applied, which in Fig. 10a hatched is registered.
  • Fig. 10b shows the subsequent state after the removal of the coating 17 on the upper side 18 of the carrier 15, ie at all portions except the depressions 16.
  • the high refractive coating such as metallization, thus remains exclusively in the depressions 16 and forms the surface elements 3.
  • the top 18th is now without coating 17.
  • the original for the production of an embossing tool which is used in the stamping process according to 10a and 10b can be used, for example, photolithographically getting produced. This can be done using an e-beam system, focused ion beam or interference lithography.
  • the written in photoresist structure is then developed, while the photoresist partially removed.
  • the resulting structure is then preferably etched into a quartz wafer so that as far as possible vertical flanks of the profile are formed.
  • the quartz mask can now be copied eg in Ormocer or replicated by galvanic impressions. It is also a direct impression of the photolithographically produced original in Ormocer or nickel in a galvanic process conceivable.
  • the original structure often has to be joined together on one level and finally galvanically molded.
  • This galvanic impression can then be clamped onto a cylinder and used as embossing cylinder.
  • the structure can now be replicated in UV varnish on film, eg PET film.
  • the thus structured films are then directed under high vacuum with the desired coating evaporated. So that the combination of a nanodisk array and a nanohole array is formed (see Fig. 10a ), from which the coating 17 with the nanohole arrays is removed again.
  • the generation of the sub-waveguide structure of the surface elements 3 according to the pattern 6 is also possible with a transfer method.
  • an intermediate carrier 19 is embossed so that it has elevations 20, which are arranged according to the pattern 6.
  • the embossing process is essentially the same as that of the 10a and 10b
  • the embossing tool for this manufacturing technique is negative to that of 10a and 10b educated.
  • the intermediate carrier 19 embossed in this way is then provided with the coating 17, so that, as a result, a coating also remains on the elevations 20.
  • This coating is then combined with a Metal transfer method, as it is, for example, from the DE 102012018774 A1 or DE 102013005839 A1 is known, transferred to the carrier 15, optionally by using an intermediate transfer to another temporary carrier.
  • the carrier 15 thus provided with the pattern 6 of the surface elements 3 is then coated or laminated with a dielectric in the form of the cover layer 5.
  • a further production method (not shown in the figures) provides directly for a structuring of a metal layer 17 on the still planar carrier 5, for example by a photolithographic etching process or ablation with laser irradiation.
  • the security element according to the invention can be combined with other security elements.
  • An example of this shows the Fig. 12 , which provides an area II, in which the security element 1 according to the invention is formed and a region I with a further security element 21, for example, the construction according to WO 2012/156049 A1 equivalent.
  • This can for example be made particularly simple by the fact that in the region II, the coating 17 in the manufacturing process according to Fig. 10a, 10b not removed.
  • the areas I and II or the security elements 21 and 1 then show different colors with otherwise identical geometry of the pattern 6.
  • the front and back of the area I appear differently in reflection, while the reflection of the front and back of the area II identical is.

Landscapes

  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Sicherheitselement für ein Wertdokument, wobei das Sicherheitselement ein zweidimensional regelmäßiges Muster aus einzelnen zylindrischen Flächenelementen aus hochbrechendem, insbesondere metallischem Material aufweist, die in einer Gitterebene liegen, durch Lücken voneinander beabstandet sind und allseitig in ein Dielektrikum eingebettet sind, wobei das regelmäßige Muster in mindestens zwei Richtungen, die parallel zur Gitterebene verlaufen, eine Periodizität von 100 nm bis 800 nm, bevorzugt von 200 nm bis 500 nm hat.
  • Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Herstellen eines Sicherheitselements für ein Wertdokument, wobei ein zweidimensional regelmäßiges Muster aus einzelnen zylindrischen Flächenelementen aus hochbrechendem, insbesondere metallischem Material ausgebildet wird, die in einer Gitterebene liegen, durch Lücken voneinander beabstandet sind und allseitig in ein Dielektrikum eingebettet sind, wobei das regelmäßige Muster in mindestens zwei Richtungen, die parallel zur Gitterebene verlaufen, eine Periodizität von 100 nm bis 800 nm, bevorzugt von 200 nm bis 500 nm hat.
  • Die Erfindung betrifft auch eine noch nicht umlauffähige Vorstufe zu einem Wertdokument.
  • Ein solches Sicherheitselement bzw. Verfahren zum Herstellen sowie eine nicht umlauffähige Vorstufe zu einem Wertdokument sind aus der WO 2012/156049 A1 , die ein Sicherheitselement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart, bekannt. Dort finden sich weitere Fundstellen zum Stand der Technik hinsichtlich Subwellenlängengittern. Dieses gattungsgemäße Sicherheitselement hat gute Farbfiltereigenschaften und lässt sich in einem Prägeprozess kostengünstig vervielfältigen. Das Sicherheitselement sieht ein Array aus Flächenelementen, die aufgrund ihrer Größe auch als Nanodisks bezeichnet werden, vor, die über einer Grundfläche mit einem komplementären Lochmuster angeordnet sind. Dieses Lochmuster wird auch als Nanohole-Array bezeichnet. Zur Herstellung wird üblicherweise eine Struktur in ein Dielektrikum geprägt, welches die Nanodisks und Nanoholes umgeben soll. Der Farbeffekt, insbesondere in Transmission, hängt sehr stark vom Abstand zwischen den Nanodisks und den Nanoholes ab. Dieser Abstand ist durch die Höhe der Prägestruktur und damit letztlich durch ein Prägewerkzeug vorgegeben. Beim Prägeprozess kommt es insbesondere durch Verschleiß des Prägewerkzeugs zu Schwankungen bzw. zu einer kontinuierlichen Abnahme der Prägehöhe über die Fertigungsdauer. Dies verursacht Aufwand, insbesondere einen häufigen Prägewerkzeugtausch in der Serienfertigung, um einen konstanten Farbeffekt sicherzustellen. Die WO 2011/107782 A1 betrifft einen Moire-Magnifier, dessen Bildelemente im Rastermaß 1-100 µm liegen.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein zweidimensionales, farbfilterndes Gitter anzugeben, das zum einen eine gute Farbfiltereigenschaft aufweist und sich zum anderen durch kostengünstige Vervielfältigungsverfahren herstellen lässt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Sicherheitselement für ein Wertdokument, wobei das Sicherheitselement ein zweidimensional regelmäßiges Muster aus einzelnen zylindrischen Flächenelementen aus hochbrechendem, insbesondere metallischem Material aufweist, die in einer Gitterebene liegen, durch Lücken voneinander beabstandet sind und allseitig in ein Dielektrikum eingebettet sind, wobei das regelmäßige Muster in mindestens zwei Richtungen, die parallel zur Gitterebene verlaufen, eine Periodizität von 100 nm bis 800 nm, bevorzugt von 200 nm bis 500 nm hat, wobei die Lücken zwischen den Flächenelementen in einem Bereich von mindestens 1 µm, optional 5 µm bis 50 µm, senkrecht zur Gitterebene ebenfalls nur Dielektrikum aufweisen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiter gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Sicherheitselements für ein Wertdokument, wobei ein zweidimensional regelmäßiges Muster aus einzelnen zylindrischen Flächenelementen aus hochbrechendem, insbesondere metallischem Material ausgebildet wird, die in einer Gitterebene liegen, durch Lücken voneinander beabstandet sind und allseitig in ein Dielektrikum eingebettet sind, wobei das regelmäßige Muster in mindestens zwei Richtungen, die parallel zur Gitterebene verlaufen, eine Periodizität von 100 nm bis 800 nm, bevorzugt von 200 nm bis 500 nm hat, wobei die Lücken zwischen den Flächenelementen in einem Bereich von mindestens 1 µm, optional 5 µm bis 50 µm, senkrecht zur Gitterebene ebenfalls nur ein Dielektrikum aufweisen, insbesondere senkrecht zur Gitterebene gesehen nicht von hochbrechendem Material überdeckt werden.
  • Die Aufgabe wird schließlich ebenfalls gelöst durch eine nicht umlauffähige Vorstufe zu einem Wertdokument, das ein erfindungsgemäßes Sicherheitselement enthält.
  • Das Gitter sieht hochbrechende Flächenelemente vor, die anders als in der WO 2012/156049 A1 nun nicht mehr über einer hochbrechenden Grundschicht angeordnet sind. Vielmehr bestehen auch die Lücken zwischen den Flächenelementen in einem Bereich von mindestens 1 µm (je nach Realisierung bis zu 50 µm oder mehr) aus dielektrischem, nicht-hochbrechendem Material. Der Bereich ist dabei senkrecht zu der Ebene gemessen, in der sich die Flächenelemente befinden, und erstreckt sich beiderseits der Ebene. Für die optische Wirkung des Sicherheitselementes kommt es nicht mehr auf einen präzisen Abstand der hochbrechenden Flächenelemente zu einer hochbrechenden Grundschicht an. Im Ergebnis spielt beim Herstellverfahren eine Prägetiefe keine Rolle mehr, und die eingangs genannte Verschleißproblematik des Prägewerkzeugs ist vermieden.
  • Die hochbrechende Eigenschaft der Flächenelemente wird durch eine geeignete Materialwahl erreicht. Neben Metall als Material kommen dabei insbesondere Silizium, Zinksulfid oder Titandioxid in Frage. In dieser Beschreibung wird der Begriff "metallisch" als Beispiel für "hochbrechend" aufgefasst, soweit nicht ausdrücklich anderes beschrieben ist.
  • Für das dielektrische Material, welches z. B. eine Brechzahl von etwa 1,5 aufweist, eignen sich besonders Kunststofffolien, z. B. PET-Folien, als Substrat. Die eigentliche Basisstruktur ist z. B. ebenfalls in Kunststoff, bevorzugt UV-Lack, ausgebildet. Nach der Bedampfung wird schließlich die Struktur mit UV-Lack aufgefüllt und mit einer Deckfolie kaschiert. Somit liegt ein Schichtaufbau vor, bei dem die Ober- und die Unterseite im Wesentlichen dieselbe Brechzahl besitzt.
  • Ferner ist das hochbrechende Material der Flächenelemente nicht nur auf einfache metallische Schichten beschränkt. Es sind auch Mehrfachschichten, insbesondere Trilayer denkbar. Es ist bekannt, dass mehrfach beschichtete eindimensional periodische Gitter eine starke Farbfilterfilterung durch die Ausbildung von Fabry-Perot-Resonatoren sowohl in Reflexion als auch in Transmission ermöglichen. Bei Trilayer sind folgende Schichten besonders bevorzugt: zwei halbtransparente Metallschichten mit einer dazwischen liegenden dielektrischen Abstandsschicht bzw. zwei hochbrechende Schichten mit einer dazwischen liegenden niedrigbrechenden Schicht. Für die Metallschichten kommen folgende Materialien in Frage: Al, Ag, Pt, Pd, Au, Cu, Cr und Legierungen davon. Als hochbrechende Schichten eignen sich beispielsweise ZnS, ZnO, TiO2, ZnSe, SiO, Ta2O5 oder Silizium. Als niedrigbrechende Schichten bieten sich SiO2, Al2O3 bzw. MgF2 an.
  • Die Brechzahl des Dielektrikums, welches die Lücken zwischen den Flächenelementen füllt, kann beispielsweise zwischen 1,4 und 1,6 liegen.
  • Die Farbeffekte hängen in erster Linie von der Periodizität des Musters ab. Die Farbe kann ferner durch die Geometrie der Nanodisks variiert werden. Dies kann dazu ausgenutzt werden, farbige Symbole bzw. Bilder zu erzeugen. Dazu kann der Flächenfüllfaktor und/oder die Geometrie der Flächenelemente und/oder deren Material lokal variiert werden. Insbesondere ist es möglich, Gruppen mehrerer Flächenelemente mit identischen Abmessungen so zu gestalten, dass ein gewünschter Farbeffekt eintritt. Eine Gruppe bildet dann ein Subpixel. Mehrere Subpixel werden mit unterschiedlichen Farbeigenschaften durch entsprechende geometrische Gestaltung ausgestaltet und dann zu einem Pixel zusammengefasst. Dies erlaubt eine farbige Bilddarstellung. Die unterschiedlichen Farben können dabei durch die entsprechende lokale Variation eines oder mehrerer der Parameter des Gitters variiert werden.
  • Durch die pixelweise Farbmischung von Basisfarben, z. B. RGB-Farben, in Subpixelbereichen können Echtfarbenbilder hergestellt werden. Der Vorteil von solchen Strukturen gegenüber der herkömmlichen Drucktechnik ist, dass hierbei eine sehr feine Strukturierung bis in den Mikrometerbereich vorgenommen werden kann. Diese Feinstrukturierung eignet sich besonders für Anwendungen in Moire-Vergrößerungsanordnungen, z. B. indem das Gitter so ausgebildet ist, dass es Mikrobilder für Moire-Vergrößerungsanordnungen bereitstellt. Bei Mikrolinsenanordnungen wirkt sich die große Winkeltoleranz der oben beschriebenen zweidimensional periodischen Gitter sehr vorteilhaft aus, denn die Mikrolinsen haben bei Moiré-Vergrößerungsanordnungen eine kleine Brennweite bei einem relativ großen Öffnungsverhältnis. Daher zeigen die hier beschriebenen Strukturen eine größere Farbsättigung in der Kombination mit Mikrolinsen als bisher bekannte eindimensional periodische Subwellenlängenstrukturen.
  • Kennzeichnend für das Sicherheitselement ist es, dass gegenüber dem aus WO 2012/0156049 A1 bekannten Ansatz die Grundschicht aus hochbrechendem Material fehlt, da die Lücken zwischen den Flächenelementen (letztere im oben genannten Bereich) von einem dielektrischen Material gebildet werden. Es ist dabei nicht zwingend erforderlich, dass es sich durchgängig um dasselbe Dielektrikum handelt. Wesentlich ist der Brechzahlunterschied zwischen den Flächenelementen und dem dielektrischen Material bzw. den dielektrischen Materialien in den Lücken und in der Umgebung der Flächenelemente. Besonders bevorzugt ist ein Sicherheitselement, dessen Lücken senkrecht zur Grundebene gesehen gar nicht von hochbrechendem Material überdeckt werden.
  • Das Sicherheitselement kann insbesondere in einem Sicherheitsfaden, Aufreißfaden, Sicherheitsband, Sicherheitsstreifen, Patch oder Etikett integriert sein. Insbesondere kann das Sicherheitselement transparente Bereiche oder Ausnehmungen überspannen.
  • Das Sicherheitselement kann insbesondere Teil einer noch nicht umlauffähigen Vorstufe zu einem Wertdokument sein, das zusätzlich noch weitere Echtheitsmerkmale aufweisen kann. Unter Wertdokumenten werden einerseits Dokumente verstanden, welche mit dem Sicherheitselement versehen sind. Andererseits können Wertdokumente auch sonstige Dokumente oder Gegenstände sein, die mit dem Sicherheitselement versehen werden, damit die Wertdokumente nicht kopierbare Echtheitsmerkmale aufweisen, um eine Echtheitsüberprüfung zu ermöglichen und unerwünschte Kopien zu verhindern. Chip- oder Sicherheitskarten, wie z.B. Bank- oder Kreditkarten oder Ausweise, sind weitere Beispiele für ein Wertdokument.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Nachfolgend wird die Erfindung beispielshalber anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine perspektivische Schemadarstellung einer ersten Ausfüh-rungsform eines Sicherheitselementes,
    Fig. 2
    eine Abwandlung des Sicherheitselementes der Fig. 1,
    Fig. 3
    eine weitere Abwandlung des Sicherheitselementes der Fig. 2,
    Fig. 4-7
    Diagramme hinsichtlich der Filtereigenschaften verschiedener Sicherheitselemente,
    Fig. 8-9
    Schemadarstellungen zur Ausbildung des Sicherheitselementes zur Bilddarstellung,
    Fig. 10-11
    Schemadarstellungen verschiedener Herstellungsstufen des Sicherheitselementes für verschiedene Herstelltechniken, und
    Fig. 12
    ein Sicherheitselement mit einem weiteren Sicherheitsmerkmal.
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sicherheitselementes 1. Es weist auf einem Träger 2 Flächenelemente 3 auf. Zwischen den Flächenelementen 3 befinden sich Lücken 4. Der Träger 2 ist aus einem dielektrischen Material, die Flächenelemente aus einem hochbrechenden Material, beispielsweise einer metallischen Beschichtung. Die Flächenelemente 3 sind mit einer Deckschicht 5 abgedeckt, so dass sie allseitig von Dielektrikum umgeben sind. Die Anordnung der Flächenelemente 3 mit den dazwischen liegenden Lücken 4 bildet ein Muster 6, so dass insgesamt ein zweidimensionales periodisches Subwellenlängengitter durch die periodische Anordnung von Flächenelementen gebildet ist. Die Flächenelemente 3 bestehen aus einem hochbrechenden Material mit einem Brechungsindex v. Durch die Anordnung sowie die Einbettung in Dielektrikum mit der Brechzahl n (in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 sind die Brechzahlen des Trägers 2 und der Deckschicht 5 identisch; dies ist nicht zwingend) ergibt sich für einfallende Strahlung E eine Farbwirkung für transmittierte Strahlung T sowie reflektierte Strahlung R. Dies wird nachfolgend noch erläutert, ebenso, dass die Farbwirkung von einem Einfallswinkel Θ zur Oberflächennormalen, hier als optische Achse OA eingetragen, abhängt.
  • Die Form der Flächenelemente 3 kann unterschiedlich ausgebildet sein. Fig. 2 zeigt eine Ausgestaltung mit in Draufsicht kreisförmigen Flächenelementen. Im Allgemeinen sind die Flächenelemente 3 zylindrisch (nicht notwendigerweise kreiszylindrisch) und haben eine Breite w1 sowie eine Tiefe w2. Die Anordnung der Flächenelemente 3 im Muster 6 ist periodisch. Fig. 1 und Fig. 2 zeigen eine Periode d. Sie kann in weiteren Ausführungsformen in den beiden Raumrichtungen der Grund- oder Gitterebene 7 unterschiedlich sein.
  • Hinsichtlich der Geometrie der Flächenelemente 3, die Nanodisks bilden, sind auch Zwischenformen zwischen kreis- und quadratförmigen Grundriss möglich. Eine symmetrische Form hat besonders gute Farbfilterung für unpolarisiertes Licht. Für die praktische Umsetzung eignen sich insbesondere Quadrate mit abgerundeten Ecken.
  • Fällt auf das Sicherheitselement 1 unter dem Winkel Θ Strahlung E ein, zeigt die Reflexion R im Glanzwinkel die nullte Beugungsordnung und zugleich in Transmission eine nullte Beugungsordnung. Der Aufbau der Flächenelemente 3, also der Nanodisks, ist nicht auf homogene, metallische oder halbmetallische Schichten beschränkt. Es sind auch Mehrfachschichten, insbesondere sogenannte Trilayer denkbar, die beispielsweise einen Color-Shift-Effekt zeigen.
  • Es ist bekannt, dass mehrfach beschichtete, eindimensional periodische Gitter eine starke Farbfilterfilterung durch die Ausbildung von Fabry-Perot-Resonatoren sowohl in Reflexion als auch in Transmission ermöglichen. Bei Trilayer sind folgende Schichten besonders bevorzugt: zwei halbtransparente Metallschichten mit einer dazwischen liegenden dielektrischen Abstandsschicht bzw. zwei hochbrechende Schichten mit einer dazwischen liegenden niedrigbrechenden Schicht. Für die Metallschichten kommen folgende Materialien in Frage: Al, Ag, Pt, Pd, Au, Cu, Cr und Legierungen davon. Als hochbrechende Schichten eignen sich beispielsweise ZnS, ZnO, TiO2, ZnSe, SiO, Ta2O5 oder Silizium. Als niedrigbrechende Schichten bieten sich SiO2, Al2O3 bzw. MgF2 an.
  • Die Periodizität d liegt im Subwellenbereich, d. h. im Bereich zwischen 100 nm und 800 nm, bevorzugt zwischen 200 nm und 450 nm oder 600 nm. Die Füllfaktoren u1/d1 und u2/d2 liegen zwischen 0,2 und 0,8, bevorzugt zwischen 0,3 und 0,7. Um eine polarisationsunabhängige Farbfilterung zu erzielen, werden die Profilparameter für die beiden Raumrichtungen möglichst identisch gewählt, also w1 = w2. Dies ist jedoch optional. Ebenso sind im beschriebenen Ausführungsbeispiel die Periodizitätsrichtungen senkrecht zueinander. Auch dies ist optional. Auch räumlich asymmetrische Anordnungen des Profils und der Periodizität sind denkbar. Mit anderen Worten, das Muster 6 muss nicht, wie in Fig. 1 dargestellt, ein kartesisches Muster sein.
  • Fig. 2 zeigt ein Sicherheitselement 1, dessen Flächenelemente 3 kreiszylindrisch ausgebildet sind. Diese Form eignet sich wie die Bauweise der Fig. 1 oder 2 besonders für Farbfilter für unpolarisiertes Licht. Andere im mathematischen Sinne zylindrische Geometrien sind für die Flächenelemente in Ausführungsformen vorgesehen. Z. B. sind Abwandlungen von der Quadrat form der Fig. 1 bzw. der Kreisform der Fig. 2 vorgesehen, z. B. durch abgerundete Ecken.
  • Je nach Variation der Gitterperiode und des Füllfaktors ergeben sich unterschiedlich gesättigte Farben in Reflexion und Transmission, insbesondere für Füllfaktoren über 0,35 und ganz besonders oberhalb von 0,45. Exemplarische Parameter solcher Strukturen sind in folgender Tabelle 1 zusammengefasst. Die Form der Flächenelemente (Nanodisks) ist im Wesentlichen quaderförmig mit einer einheitlichen Seitenlänge w sowie der Höhe t, in den nachfolgend diskutierten Fällen exemplarisch für t = 80 nm. Tabelle 1: Parameter von Sicherheitselementen 1
    Struktur d [nm] w [nm] Füllfaktor
    a) 242 162 0,67
    b) 261 173 0,7
    c) 281 184 0,65
    d) 320 219 0,68
    e) 362 250 0,69
  • Alle oben aufgeführten Gitter wurden auf PET-Folien in UV-Lack abgeformt, nur in den Vertiefungen mit einer 80 nm dicken Aluminiumschicht versehen und anschließend mit einer PET-Folie kaschiert. Die Brechzahl der PET-Folie sowie des UV-Lacks beträgt im Sichtbaren etwa 1,56.
  • Fig. 4 zeigt die gemessene Transmission (auf der Hochachse) bei senkrechtem Lichteinfall Θ = 0° für das Sicherheitselement von Tabelle 1 für verschiedene Wellenlängen (auf der Querachse in nm). Diese Sicherheitselemente haben unterschiedliche Perioden bei etwa gleich bleibendem Füllfaktor w/d. Die Transmissionsspektren zeigen ein resonantes Minimum, das für zunehmende Perioden in den langwelligen Bereich verschoben wird. Um den Farbeindruck eines Betrachters wiederzugeben, wurden die Farbeigenschaften dieser Sicherheitselemente im CIE-1931-Farbraum untersucht. Dazu wurden die Transmissionsspektren mit der Emissionskurve einer D65-Norm-lampe und der Empfindlichkeit des menschlichen Auges gefaltet und daraus die Farbkoordinaten X, Y, Z errechnet. Die D65-Beleuchtung entspricht etwa dem Tageslicht. Die X, Y, Z-Koordinaten wurden anschließend normiert und es ergeben sich schließlich die Farbkoordinaten x und y. Diese Werte können direkt dem menschlichen Empfinden bei der Farbwahrnehmung eines Betrachters zugeordnet werden. Fig. 4b zeigt die so errechneten Farbwerte im CIE-1931-Farbraum. Der Weißpunkt ist mit dem Symbol "O" gekennzeichnet. Das Dreieck begrenzt den Farbbereich, der üblicherweise mit Bildschirmen dargestellt werden kann. Im Diagramm sind die x,y-Farbkoordinaten als Trajektorien dargestellt. Es zeigt sich, dass durch die Variation der Periode ein großer Farbbereich realisiert werden kann.
  • Die Winkelabhängigkeit der Farben in Transmission werden exemplarisch für die Struktur (c) mit der Periode d = 281 nm demonstriert. Fig. 5b zeigt drei Transmissionsspektren bei den Einfallswinkeln Θ = 0°, 15° und 30°. Hier ist charakteristisch, dass beim Kippen keine Verschiebung des Minimums auftritt. Die daraus errechneten Farbwerte der Fig. 5b x, y demonstrieren, dass der Farbton durch das Kippen kaum verändert wird, nur die Farbsättigung nimmt für zunehmende Winkel ab. Zusätzlich wurde die Helligkeit L* aus den Farbkoordinaten X, Y, Z berechnet, welche etwa der vom Betrachter wahrgenommenen Intensität entspricht. Die Helligkeit L* beträgt hier etwa 25 und ist nahezu konstant für eine Winkeländerung von 0° bis 30°.
  • Die Reflexion des Sicherheitselementes 1 zeigt Fig. 6a in (nicht normierten) Werten als Funktion der Wellenlänge. Hier zeigt sich, dass diese Spektren jeweils ein ausgeprägtes resonantes Maximum enthalten, dessen Position etwa der Position der Minima der Transmissionsspektren entspricht. Diese Spektren wurden ebenfalls in die Farbwerte x, y umgerechnet, welche im CIE-1931-Farbdiagramm von Fig. 6b dargestellt sind. Durch das dargestellte Sicherheitselement können rote, gelbe und grüne Farbtöne erzeugt werden. Für blaue bzw. violette Farben (nicht dargestellt) muss eine Gitterperiode der Nanodisk-Arrays < 240 nm gewählt werden.
  • Die Farbkonstanz bei einer Variation zeigt Fig. 7a als spektrale Reflexion des Sicherheitselementes (c) der Tabelle 1 für die Winkel Θ = 0°, 15° und 30°. Die daraus errechneten Farbwerte x, y demonstrieren, dass der Farbton in Reflexion kaum durch die Änderung des Einfallswinkels verändert wird. Jedoch wird die Farbsättigung für zunehmende Winkel Θ schwächer.
  • Die oben beschriebene geometrieabhängige Farbgebung kann benutzt werden, um farbige Symbole bzw. Bilder zu erzeugen. Fig. 8a und b zeigen drei Bereiche mit unterschiedlicher Geometrie (dR, wR), (dG, wG) und (dB, wB) des Musters 6, welche in den Farben Rot, Grün und Blau erscheinen. Diese unterschiedlichen Farben können durch die entsprechende Variation eines oder mehrerer Profilparameter hervorgerufen werden. Die drei Bereiche 11, 12, 13 entsprechen RGB-Subpixeln und bilden zusammen ein Pixel 14. In jedem Bereich 11, 12, 13 sorgt die jeweilige Geometrie dafür, dass die entsprechenden Farben Rot, Grün bzw. Blau bewirkt werden. Gleichzeitig kann durch die Geometriewahl der Anteil der Farbe des jeweiligen RGB-Subpixels im Pixel 14 eingestellt werden. Somit kann dem Pixel 14 eine gewünschte Farbe verliehen werden. Durch die im Pixel 16 bewirkte Farbmischung der Grundfarben durch die Bereiche 11, 12, 13 der RGB-Subpixel werden somit Echtfarbenbilder möglich. Der Vorteil einer solchen Struktur gegenüber einer herkömmlichen Drucktechnik ist, dass eine sehr feine Strukturierung bis in den Mikrometerbereich möglich ist, was insbesondere mit Vergrößerungsanordnungen vorteilhaft ist. Das Sicherheitselement 8a, b gemäß Fig. 12 erlaubt Mikrobilder, bei denen sich das Muster lateral ändert, um einen farblichen bzw. einen Intensitätskontrast im Mikrobild zu erzielen. Die hier beschriebene Struktur eignet sich dafür bevorzugt, da ihre optischen Eigenschaften sehr winkeltolerant sind, d. h. ihre Farbe ändert sich kaum bei einer Variation des Einfallswinkels. Diese Eigenschaft ist bei einer Kombination mit Mikrolinsenarrays vorteilhaft, da das von einem Betrachter wahrgenommene Licht aus unterschiedlichen Lichtpfaden, welche verschiedene Einfallswinkel haben, stammt.
  • Die Intensität in den einzelnen Farbpixeln kann über die Flächenverhältnisse der Nanodisk-Arrays zu umgebenden, unstrukturierten Bereichen eingestellt werden. Die unstrukturierten Bereiche sind entweder komplett metallisiert oder vollkommen transparent und erscheinen farbneutral. Diese laterale Anordnung eines mit einem Nanodisk-Array gefüllten Bereichs in der Umgebung eines unstrukturierten Bereiches kann auch zur Ausgestaltung eines Motivs vor einem farbneutralen Hintergrund dienen.
  • Fig. 9 zeigt nebeneinander verschiedene Muster 6 der Nanodisks, welche orthogonal oder hexagonal angeordnet sind. Dabei können die einzelnen Nanodisks unterschiedliche Geometrien wie Quadrate, Rechtecke, Kreise, Ellipsen oder Dreiecke besitzen. Durch eine solche laterale Variation der Anordnung kann auch eine Variation in der Farbe erzeugt werden. Neben der hexagonalen Anordnung sind auch weitere Anordnungen wie oktagonale Anordnungen möglich, wie in Fig.9 veranschaulicht.
  • Das Sicherheitselement 1 kann mit anderen Prägestrukturen wie Hologrammen, Mikrospiegelanordnungen und bekannten Subwellenlängenstrukturen zur Herstellung von Sicherheitsmerkmalen kombiniert werden. Dies erhöht einerseits die Fälschungssicherheit solcher Merkmale. Außerdem können Sichermerkmale durch die farbliche Attraktivität der hier beschriebenen Nanodisk-Arrays optisch aufgewertet werden. Die hier beschriebenen Nanodisk-Arrays eignen sich besonders für Durchsichtselemente, da sie Farben in Reflexion und in Transmission zeigen. Eine zusätzliche Fälschungssicherheit dieser Struktur bietet die erste Beugungsordnung, welche für Gitterperioden von etwa > 330 nm unter schrägem Einfallswinkel beobachtbar ist.
  • Das Sicherheitselement 1 kann dadurch hergestellt werden, dass ein Dielektrikum mit zweidimensional periodisch angeordneten Vertiefungen gemäß dem Muster 6 senkrecht mit hochbrechendem Material, z.B. einem der genannten Metalle bzw. Metalllegierungen bedampft wird. Dann entsteht eine Beschichtung mit Löchern an der oberen Ebene. Zudem sind die Böden der periodisch angeordneten Vertiefungen hochbrechend überzogen und bilden das Nanodisk-Array, d.h. das Muster 6 der Flächenelemente 3. Die oben liegende metallische Lochstruktur kann dann durch bekannte Verfahren entfernt werden, so dass das Muster 6 der Flächenelemente 3 in den Vertiefungen verbleibt. Ein derart behandelter Träger kann anschließend in ein Dielektrikum eingebettet oder mit einer Deckfolie kaschiert werden. Bevorzugt wird hierzu ein Fotopolymer verwendet, das möglichst denselben Brechungsindex, idealerweise sogar denselben Brechungsindex wie das Trägermaterial besitzt, in welches die Vertiefungen geprägt wurden.
  • Die Fig. 10a und 10b zeigen zwei verschiedene Stufen während dieses Herstellverfahrens. Fig. 10a zeigt den Träger 15, in den die Vertiefungen 16 in der Anordnung gemäß dem Muster 6 eingebracht wurden, beispielsweise durch einen Prägeprozess in ein prägbares Medium des Trägers 15, beispielsweise einen Prägelack, der Bestandteil des Trägers 15 ist. Anschließend wurde die Beschichtung 17 aufgebracht, die in Fig. 10a schraffiert eingetragen ist. Fig. 10b zeigt den darauffolgenden Zustand nach dem Entfernen der Beschichtung 17 an der Oberseite 18 des Trägers 15, d.h. an allen Abschnitten außer den Vertiefungen 16. Die hochbrechende Beschichtung, beispielsweise Metallisierung, verbleibt damit ausschließlich in den Vertiefungen 16 und bildet die Flächenelemente 3. Die Oberseite 18 ist hingegen nun ohne Beschichtung 17.
  • Das Original für die Herstellung eines Prägewerkzeugs, das im Prägeprozess gemäß Fig. 10a und 10b verwendet wird, kann beispielsweise photolithographisch hergestellt werden. Dies kann mit Hilfe einer e-Beam Anlage, Focused Ion Beam oder durch Interferenzlithographie erfolgen. Die in Photolack geschriebene Struktur wird anschließend entwickelt und dabei der Photolack bereichsweise entfernt. Die entstandene Struktur wir dann bevorzugt in einen Quarzwafer geätzt, so dass möglichst senkrechte Flanken des Profils ausgebildet werden. Die Quarzmaske kann nun z.B. in Ormocer umkopiert oder durch galvanische Abformungen repliziert werden. Es ist ebenso eine direkte Abformung des photolithographisch hergestellten Originals in Ormocer bzw. in Nickel in einem galvanischen Verfahren denkbar. Zur Herstellung eines Prägezylinders muss die Originalstruktur vielfach auf einer Ebene aneinandergefügt und schließlich galvanisch abgeformt werden. Diese Galvanikabformung kann dann auf einen Zylinder aufgespannt und als Prägezylinder verwendet werden. Ausgehend von einem solchen Prägemaster kann die Struktur nun in UV-Lack auf Folie, z.B. PET-Folie, repliziert werden. Die so strukturierten Folien werden dann unter Hochvakuum mit der gewünschten Beschichtung gerichtet bedampft. So dass sich die Kombination eines Nanodisk-Arrays und eines Nanohole-Arrays ausbildet (siehe Fig. 10a), von der die Beschichtung 17 mit den Nanohole-Arrays wieder entfernt wird.
  • Das Erzeugen der Subwellengitterstruktur der Flächenelemente 3 gemäß dem Muster 6 ist auch mit einem Transferverfahren möglich. Dazu wird ein Zwischenträger 19 so geprägt, dass er Erhöhungen 20 hat, die gemäß dem Muster 6 angeordnet sind. Der Prägeprozess entspricht im Wesentlichen dem, wie er anhand der Fig. 10a und 10b beschrieben wurde, jedoch ist das Prägewerkzeug für diese Herstellungstechnik negativ zu dem der Fig. 10a und 10b ausgebildet. Der derart geprägte Zwischenträger 19 wird dann mit der Beschichtung 17 versehen, so dass im Ergebnis auch auf den Erhöhungen 20 eine Beschichtung verbleibt. Diese Beschichtung wird dann mit einem Metalltransferverfahren, wie es beispielsweise aus der DE 102012018774 A1 oder DE 102013005839 A1 bekannt ist, auf den Träger 15 übertragen, gegebenenfalls durch Verwendung einer Zwischenübertragung auf einen weiteren temporären Träger. Der derart mit dem Muster 6 der Flächenelemente 3 versehene Träger 15 wird dann mit einem Dielektrikum in Form der Deckschicht 5 beschichtet oder kaschiert.
  • Ein weiteres Herstellverfahren (nicht in den Figuren gezeigt) sieht direkt eine Strukturierung einer Metallschicht 17 auf dem noch ebenen Träger 5 vor, beispielsweise durch einen photolithographischen Ätzprozess oder Ablation mit Laserbestrahlung.
  • Das erfindungsgemäße Sicherheitselement kann mit weiteren Sicherheitselementen kombiniert werden. Ein Beispiel hierfür zeigt die Fig. 12, die einen Bereich II vorsieht, in dem das erfindungsgemäße Sicherheitselement 1 ausgebildet ist sowie einen Bereich I mit einem weiteren Sicherheitselement 21, das beispielsweise der Bauweise gemäß WO 2012/156049 A1 entspricht. Dies kann beispielsweise besonders einfach dadurch gefertigt werden, dass im Bereich II die Beschichtung 17 beim Herstellverfahren gemäß Fig. 10a, 10b nicht entfernt wird. Die Bereiche I und II bzw. die Sicherheitselemente 21 und 1 zeigen dann unterschiedliche Farben bei ansonsten gleicher Geometrie des Musters 6. Insbesondere erscheinen die Vorder- und Rückseite des Bereichs I unterschiedlich in Reflexion, während die Reflexion der Vorder- und Rückseite des Bereichs II identisch ist.
  • Selbstverständlich ist in vorstehender Beschreibung der Begriff "über" bzw. "unter" lediglich exemplarisch und auf die Darstellung in den Zeichnungen bezogen zu verstehen. Natürlich kann der Aufbau auch dahingehend invertiert werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 1,21
    Sicherheitselement
    2
    Träger
    3
    Flächenelement
    4
    Lücke
    5
    Deckschicht
    6
    Muster
    7
    Grund- oder Gitterebene
    8, 9, 10
    Schicht
    11, 12, 13
    Bereich
    14
    Pixel
    15
    Träger
    16
    Vertiefung
    17
    Beschichtung
    18
    Oberseite
    19
    Zwischenträger
    20
    Erhöhungen
    I, II
    Bereich
    t
    Beschichtungsdicke
    w1
    Breite
    w2
    Tiefe
    d
    Periode
    E
    einfallende Strahlung
    R
    reflektierte Strahlung
    T
    transmittierte Strahlung
    OA
    optische Achse
    Θ
    Winkel

Claims (13)

  1. Sicherheitselement für ein Wertdokument, wobei das Sicherheitselement (1) ein zweidimensional regelmäßiges Muster (6) aus einzelnen zylindrischen Flächenelementen (3) aus hochbrechendem, insbesondere metallischem Material aufweist, die in einer Gitterebene (7) liegen, durch Lücken (4) voneinander beabstandet sind und allseitig in ein Dielektrikum (2, 5) eingebettet sind, wobei das regelmäßige Muster (6) in mindestens zwei Richtungen, die parallel zur Gitterebene verlaufen, eine Periodizität (d) von 100 nm bis 800 nm, bevorzugt von 200 nm bis 500 nm hat,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Lücken (4) zwischen den Flächenelementen (3) in einem Bereich von mindestens 1 µm senkrecht zur Gitterebene (7) ebenfalls nur Dielektrikum (2, 5) aufweisen.
  2. Sicherheitselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Lücken (4) zwischen den Flächenelementen (3), senkrecht zur Gitterebene (7) gesehen nicht von hochbrechendem Material überdeckt sind.
  3. Sicherheitselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenelemente (9) ein Material umfassen, das enthält: Al, Ag, Cu, Cr, Si, Zn, Ti, Pt, Pd, Ta und eine Legierung daraus.
  4. Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (2, 5) eine Brechzahl zwischen 1,4 und 1,6 hat.
  5. Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das regelmäßige Muster (6) der Flächenelemente (3) einen Flächenfüllfaktor von 0,15 bis 0,85, bevorzugt von 0,35 bis 0,8 hat.
  6. Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen farbiger Bildinformation mindestens einer der folgenden Parameter des Musters (6) lokal variiert: Flächenfüllfaktor, die Periode (d), Abmessungen der Flächenelemente (3) und das hochbrechende Material der Flächenelemente (3).
  7. Sicherheitselement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenelemente (3) einen Mehrschichtaufbau (8, 9, 10) haben, insbesondere als Color-Shift-Schichtsystem.
  8. Noch nicht umlauffähige Vorstufe zu einem Wertdokument mit einem Sicherheitselement (1) nach einem der obigen Ansprüche.
  9. Vorstufe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitselement (1) transparente Bereiche oder Ausnehmungen überspannt.
  10. Verfahren zum Herstellen eines Sicherheitselements (1) für ein Wertdokument, wobei ein zweidimensional regelmäßiges Muster (6) aus einzelnen zylindrischen Flächenelementen (3) aus hochbrechendem, insbesondere metallischem Material ausgebildet wird, die in einer Gitterebene (7) liegen, durch Lücken (4) voneinander beabstandet sind und allseitig in ein Dielektrikum (2, 5) eingebettet sind, wobei das regelmäßige Muster (6) in mindestens zwei Richtungen, die parallel zur Gitterebene (7) verlaufen, eine Periodizität (d) von 100 nm bis 800 nm, bevorzugt von 200 nm bis 500 nm hat,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Lücken (4) zwischen den Flächenelementen (3) in einem Bereich von mindestens 1 µm senkrecht zur Gitterebene (7) ebenfalls nur ein Dielektrikum (2, 5) aufweisen, insbesondere senkrecht zur Gitterebene (7) gesehen nicht von hochbrechendem Material überdeckt werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sicherheitselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem das Dielektrikum aufweisenden Träger (R) Vertiefungen (16) ausgebildet, insbesondere geprägt, werden, die gemäß dem regelmäßigen Muster (6) angeordnet sind und die Geometrie der Flächenelemente (3) haben, dass der Träger (R) mit dem hochbrechenden Material der Flächenelemente (3) beschichtet wird, dass die Beschichtung (17) außerhalb der Vertiefungen (16) wieder abgetragen wird und dass dann der Träger (R) und die Flächenelemente (3) mit einer das Dielektrikum aufweisenden Deckschicht überdeckt werden.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Zwischenträger (19) Erhöhungen (20) ausgebildet werden, die gemäß dem regelmäßigen Muster (6) angeordnet sind und in Draufsicht die Geometrie der Flächenelemente (3) haben, dass der Zwischenträger (19) mit dem hochbrechenden Material der Flächenelemente (3) beschichtet wird, dass erhabene Teile der Beschichtung (17) in einem Kontakttransferschritt auf einen das Dielektrikum aufweisenden Träger (R) übertragen werden und dass der Träger (R) und die Flächenelemente (3) mit einer das Dielektrikum aufweisenden Deckschicht überdeckt werden.
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