CN105158835B - 基于单一硅材料的光变防伪薄膜 - Google Patents

基于单一硅材料的光变防伪薄膜 Download PDF

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Abstract

基于单一硅材料的光变防伪薄膜,涉及光学防伪。所述基于单一硅材料的光变防伪薄膜为全介质高反射膜、硅与介质间隔层组成的反射膜、硅与对称F‑P介质组合膜系组成的反射膜;全介质高反射膜的膜系结构表示为A/(HL)s H/G。硅与介质间隔层组成的反射膜的膜系结构分别为A/(4M2.6L)x100M’/G和A/(4M1.85H)y 100M’/G。硅与对称F‑P介质组合膜系组成的反射膜的膜系结构A/4M0.88L(HL)p(LH)p 0.29L100M’/G。只采用硅作为镀膜材料,制备更加环保,成本更低,且原材料来源广。

Description

基于单一硅材料的光变防伪薄膜
技术领域
本发明涉及光学防伪,特别是涉及一种基于单一硅材料的光变防伪薄膜。
背景技术
光变薄膜防伪技术是采用了具有干涉结构的光变薄膜,光变薄膜具有随角异色效应,在入射角度改变的条件下,反射或透射光谱会发生偏移,从而使观察颜色随着人眼视角的改变而发生变化。这种随角异色效应不会被扫描或复印设备所复制或拷贝,基于该原理而获得的光变颜料(OVP)和光变油墨(OVI)已广泛应用于货币、支票、***及证件等重要安全产品的防伪上。
传统的光变防伪薄膜在设计原则上,至少需要使用高、低两种折射率材料,例如全介质材料光变薄膜,通常由氧化钛或氧化钽与二氧化硅材料构成;有时还必须使用到三种、四种甚至更多种材料才能达到设计上的要求,例如由金属和介质材料组成的光变薄膜,通常需要至少三种材料,分别以金属铬做吸收层,二氧化硅材料为介质层,金属银或铝为高反射层。这导致光变防伪薄膜在制备的过程中需要选用的材料偏多,膜系的结构也比较复杂。而且传统的光学防伪薄膜在材料的选择上经常使用铬、镍等重金属材料,使光学防伪薄膜在设计和制备等方面上缺乏环保性。
相关专利US3858977、US4705356、US4779898、CN1152011A等对光变防伪薄膜及由此而产生的光变颜料或光变油墨的原理和制造方法进行了描述,这些专利中所述的光变薄膜都是采用了至少两种的镀膜材料。例如在专利US4779898中,提出采用铝层、氟化镁层及铬层制造光变薄膜,这样使得膜系结构比较复杂,设计繁琐,而且材料中使用铬与氟化镁等材料,对环境造成较大污染。
在专利US6425987中,提出了使用单质硅作为镀膜材料来沉积光学薄膜,通过控制工作气体氧气或氮气去控制薄膜的折射率,这种技术能制作不同折射率的光学薄膜;在参考文献[3]中,提出利用单一镀膜材料硅与氮离子束合成氮化硅材料,这种合成氮化硅折射率范围广,已经成功制作出近红外增透膜以及带通滤光片;以上所述都表明基于单一硅材料能沉积出光学薄膜,但并没有提出这种光学薄膜具有光变效果。
鉴于使用多种材料制备光变薄膜的不足,以及仅使用一种镀膜材料,在膜系的制备过程中,能够通过控制工作气体的方法来产生不同折射率的光学薄膜。除此以外,基于单一镀膜材料镀制光变薄膜可以使成膜机制清楚,重复性高,镀膜过程比较容易控制。
发明内容
本发明的目的在于提供能够克服传统光变防伪薄膜采用多种镀膜材料带来的缺陷与不足的一种基于单一硅材料的光变防伪薄膜。
所述基于单一硅材料的光变防伪薄膜为全介质高反射膜,膜系结构表示为A/(HL)s H/G,其中,A为入射介质空气,G为衬底玻璃,H为高折射率材料氮化硅,L为低折射率材料二氧化硅,S为周期数,可为1,2,3,5,7,其基本结构是由高、低折射率交替的λ/4膜堆组成。为获得同等层数的情况下的最高折射率,通常靠近衬底和最外层的膜层都采用高折射率材料;膜系的中心波长可为530nm。增大S能提高薄膜反射光颜色的饱和度,当S为5和7时,薄膜反射光颜色变化几乎一样。
所述基于单一硅材料的光变防伪薄膜为硅与介质间隔层组成的反射膜,膜系结构分别为A/(4M2.6L)x100M’/G和A/(4M1.85H)y 100M’/G,其中,A为入射介质空气,G为衬底玻璃,H为高折射率材料氮化硅,L为低折射率材料二氧化硅,M为超薄硅层,作为吸收层,M’为较厚硅层,作为高反射层,x为周期数,1,2,3,4,5,6;y为周期数,周期数为1,2;介质隔层两端的反射镜严重不对称,一端全反射,另一端半透半反,所述反射膜可由硅和二氧化硅设计或者硅和氮化硅设计;膜系的中心波长可为510nm。增大x能提高薄膜反射光颜色的饱和度,当x=4、5、6时,薄膜反射光颜色变化几乎一样。
所述基于单一硅材料的光变防伪薄膜为硅与对称F-P介质组合膜系组成的反射膜,其膜系结构A/4M0.88L(HL)p(LH)p 0.29L100M’/G,其中,A为入射介质空气,G为衬底玻璃,H为高折射率材料氮化硅,L为低折射率材料二氧化硅,M为超薄硅层,作为吸收层,M’为较厚硅层,作为高反射层,p为周期数,设计p分别为1、2、3等三个膜系,提高周期数p能够提高膜系色纯度。所述反射膜主要由超薄膜层和对称F-P介质组合膜系组成;膜系的中心波长可为510nm。
本发明只采用硅作为镀膜材料,这不仅充分展现了单一镀膜材料制备光变薄膜的优点,而且用硅替代了传统薄膜设计经常采用的铬、镍等重金属材料,使得制备更加环保,成本更低,而且原材料来源广,具有广泛的应用市场。
本发明最大的特点在于:打破传统光变防伪薄膜需要两种或多种镀膜材料的设计原则,首次采用硅作为单一镀膜材料,通过控制工作气体生成二氧化硅或氮化硅,以此作为基础材料进行膜系设计,并成功制备出具有很好光变效果的光变防伪薄膜;硅作为镀膜材料,取代了传统薄膜设计经常采用的铬、镍等重金属材料,使得薄膜制备更加环保;硅材料来源广泛,使得光变防伪薄膜的制造成本低,具有良好发展前景。
附图说明
图1为实施例1中S=1时膜层结构示意图。
图2为实施例2中x=1或y=1时膜层结构示意图。
图3为实施例3中p=1时膜层结构示意图。
图4为实施例1中S=5时膜系0°与60°的反射光谱图。
图5为实施例1中S=5时膜系0°到60°的色度坐标图。
图6为实施例2中x=1时膜系0°与60°的反射光谱图。
图7为实施例2中x=1时膜系0°到60°的色度坐标图。
图8为实施例3中p=1时膜系0°与60°的反射光谱图。
图9为实施例3中p=1时膜系0°到60°的色度坐标图。
具体实施方式
下面结合附图,通过每个实施例中的具体一个示例详细说明本发明的实施方式及所实现的目的及效果。
请参阅图1~3,是本发明基于单一硅材料的光变防伪薄膜的3个实施例的膜层结构示意图,本实施方式中,示意图中的周期数都取1。膜层1为高折射率材料氮化硅,光学厚度为1/4中心波长;膜层2为低折射率材料二氧化硅,光学厚度为1/4中心波长;膜层3为超薄硅层,物理厚度为4nm,可作为吸收层;膜层4为较厚硅层,物理厚度为100nm,可作为高反射层;膜层5为二氧化硅或氮化硅,其光学厚度为2.6倍1/4中心波长或1.85倍1/4中心波长;膜层6为二氧化硅材料,其光学厚度为0.88倍1/4中心波长,主要作用补偿超薄硅膜层3的相移;膜层7为二氧化硅材料,其光学厚度为0.29倍1/4中心波长,主要作用补偿高反射层4的相移。所有膜层采用等离子体溅射沉积***进行镀制,以硅最为单一镀膜材料,控制工作气体氧气和氮气,反应生成高折射率材料氮化硅以及低折射率材料二氧化硅进行膜层沉积。
请参阅图4,是本发明基于单一硅材料的光变防伪薄膜实施例1膜系0°与60°的反射光谱图,在本实施例中,取周期数S=5。横坐标为波长,单位为nm,纵坐标为反射率。由图可以看出0°时反射颜色为绿色,60°时反射颜色为蓝色。
请参阅图5,是本发明基于单一硅材料的光变防伪薄膜实施例1膜系0°到60°的色度坐标图,在本实施例中,取周期数S=5。横坐标为x色度坐标,纵坐标为y色度坐标。可以看出0°到60°色坐标具有明显差别,与反射光谱颜色变化相一致。
请参阅图6,是本发明基于单一硅材料的光变防伪薄膜实施例2膜系0°与60°的反射光谱图,在本实施例中,取周期数x=1。横坐标为波长,单位为nm,纵坐标为反射率。由图可以看出0°时反射颜色为绿色,60°时反射颜色为蓝色。
请参阅图7,是本发明基于单一硅材料的光变防伪薄膜实施例2膜系0°到60°的色度坐标图,在本实施例中,取周期数x=1。横坐标为x色度坐标,纵坐标为y色度坐标。可以看出0°到60°色坐标具有明显差别,与反射光谱颜色变化相一致。
请参阅图8,是本发明基于单一硅材料的光变防伪薄膜实施例3膜系0°与60°的反射光谱图,在本实施例中,取周期数p=1。横坐标为波长,单位为nm,纵坐标为反射率。由图可以看出0°时反射颜色为绿色,60°时反射颜色为蓝色。
请参阅图9,是本发明基于单一硅材料的光变防伪薄膜实施例2膜系0°到60°的色度坐标图,在本实施例中,取周期数p=1。横坐标为x色度坐标,纵坐标为y色度坐标。可以看出0°到60°色坐标具有明显差别,与反射光谱颜色变化相一致。
在本实施例中,以上所述色度坐标的计算均采用国际标准CIE1931,十字符号代表实例膜系中的色度坐标,十字符号的变化轨迹代表光变防伪薄膜颜色的变化轨迹。

Claims (6)

1.基于单一硅材料的光变防伪薄膜,其特征在于为硅与介质间隔层组成的反射膜,膜系结构分别为A/(4M2.6L)x100M’/G和A/(4M1.85H)y100M’/G,其中,A为入射介质空气,G为衬底玻璃,H为高折射率材料氮化硅,L为低折射率材料二氧化硅,M为超薄硅层,作为吸收层,M’为较厚硅层,作为高反射层,x为周期数,1,2,3,4,5,6;y为周期数,周期数为1,2;介质隔层两端的反射镜,一端全反射,另一端半透半反。
2.如权利要求1所述基于单一硅材料的光变防伪薄膜,其特征在于所述反射膜由硅和二氧化硅设计或硅和氮化硅设计。
3.如权利要求1所述基于单一硅材料的光变防伪薄膜,其特征在于膜系结构的中心波长为510nm。
4.基于单一硅材料的光变防伪薄膜,其特征在于为硅与对称F-P介质组合膜系组成的反射膜,其膜系结构A/4M0.88L(HL)p(LH)p0.29L100M’/G,其中,A为入射介质空气,G为衬底玻璃,H为高折射率材料氮化硅,L为低折射率材料二氧化硅,M为超薄硅层,作为吸收层,M’为较厚硅层,作为高反射层,p为周期数,设计p分别为1、2、3三个膜系。
5.如权利要求4所述基于单一硅材料的光变防伪薄膜,其特征在于所述反射膜由超薄膜层和对称F-P介质组合膜系组成。
6.如权利要求4所述基于单一硅材料的光变防伪薄膜,其特征在于所述膜系结构的中心波长为510nm。
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