DE102019008021A1

DE102019008021A1 - Herstellverfahren für ein Sicherheitselement und Sicherheitselement

Info

Publication number: DE102019008021A1
Application number: DE102019008021.1A
Authority: DE
Inventors: Tobias Sattler; Thomas Gerhardt; Udo Schaumburger; Maik Rudolf Johann Scherer
Original assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2021-05-20

Abstract

Es wird beschrieben ein Herstellungsverfahren für ein Sicherheitselement (4) zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten (2), Schecks oder dergleichen, wobei das Herstellungsverfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines Polymerfilms (12) und Bilden einer lateral strukturierten Mikrofibrillenstruktur (13) in dem Polymerfilm (12) durch Einwirken von stehenden Lichtwellen (16, 16, 16b) durch Interferenz einer Referenzstrahlung mit einer modulierten Objektstrahlung zu einer ortsabhängigen Vernetzung im Polymerfilm (12) und Entwickeln mit einem Lösungsmittel, so dass der Polymerfilm (12) in Draufsicht auf das Sicherheitselement (4) ein buntes optisch variables Motiv erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellverfahren für ein Sicherheitselement, das ein buntes, optisch variables Motiv erzeugt. Die Erfindung betrifft weiter solches Sicherheitselement.
Im Stand der Technik sind fotosensitive Schichten, die ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften ändern, wenn sie der Bestrahlung durch Licht ausgesetzt sind, bekannt. Sie werden vor allem für die Herstellung von Mikro- und Nanostrukturen eingesetzt. Die Strukturen werden mithilfe von UV-Lacken oder sogenannten Photoresists erzeugt, also letztlich mit Methoden der Mikrolithographie.
Eine Möglichkeit, Schichten mit irisierenden Farben herzustellen, sind sogenannte Color-Shift-Schichtaufbauten. Sie können zwar über ein Bedampfungsverfahren vollflächig auf ein Substrat aufgebracht werden, mehrfarbige Strukturen erfordern jedoch viele Arbeitsgänge und sind damit aufwändig herzustellen. Insbesondere sind Registerhaltigkeitsprobleme bei einzelnen Arbeitsschritten zu beachten.
Ebenfalls bekannt sind Volumenhologramme, die durch Lichtbeugung und Interferenz beim Betrachter ein dreidimensional wirkendes Bild erzeugen. Volumenhologramme speichern sowohl Intensität als auch Phasen einfallender Lichtstrahlen in einem lichtsensitiven Medium. Die großtechnische Herstellung von Volumenhologrammen ist kompliziert und teuer, da für die Belichtung eine aufwändige Apparatur erforderlich ist und in der Regel sehr teure Photoresists zur Herstellung verwendet werden müssen.
Aus der Publikation M. Ito et al., „Structural colour using organized microfibrillation in glassy polymer films", Nature, 20. Juni 2019, Vol. 570, Seiten 363-367, ist es bekannt, ein Polymer durch stehende Lichtwellen zu vernetzen und somit eine Struktur aus Mikrofibrillen zu bilden, die ein buntes Motiv erzeugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren zur einfachen Produktion eines Sicherheitselements, das ein buntes, optisch variables Motiv erzeugt, sowie ein solches Sicherheitselement anzugeben.
Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert; die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen.
Das optisch variable Sicherheitselement zur Absicherung bzw. Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen weist einen Polymerfilm und optional eine unter dem Polymerfilm angeordnete Reflektorschicht auf. Im Polymerfilm sind lateral strukturierte Mikrofibrillen gebildet, die dem Polymerfilm einen Farbeffekt verleihen, der als ein buntes Motiv erscheint. Die Mikrofibrillen sind dabei gemäß dem Prinzip erzeugt, wie es im genannten Nature-Artikel beschrieben ist. Sie sind folglich gemäß stehenden Lichtwellen organisiert. Diese stammen z.B. aus der Interferenz kohärenter Lichtstrahlen, die zu Orten konstruktiver Interferenz im Polymerfilm führen und so eine (i.d.R. lokal variierende) Kreuzvernetzung im Polymer erzeugen, die dann mittels geeigneter Lösungsmittel freigelegt wird.
Dieses, in Nature beschriebene Mikrofibrillierungsverfahren wird in einer Variante 1 mit einer Reflektorschicht ausgeführt, die lateral strukturiert ist hinsichtlich Reflexionsgrad und/oder Profilierung, so dass dadurch bei Belichtung im Auflicht über der Reflektorschicht die Interferenz zwischen einfallender und rückreflektierter Strahlung und so letztlich die Mikrofibrillenstruktur für das bunte Motiv entsteht. Die Reflektorschicht sorgt für die Vernetzung derart, dass die Mikrofibrillen die laterale Struktur haben, die zum bunten Motiv führt. Die Reflektorschicht kann z. B. als metallische Spiegelschicht ausgebildet sein und nach dem Mikrofibrillierungsverfahren auch entfernt werden. In einer Variante 2 wird im Polymerfilm Interferenz zwischen zwei einfallenden Strahlen erzeugt. Dann benötigt man keine Reflektorschicht und kann z.B. ein Volumenhologramm direkt in den Polymerfilm einschreiben.
Der Polymerfilm ist somit durch Mikrofibrillation hinsichtlich eines Farbeffektes, insbesondere als Volumenhologramm, ausgestaltet und weist eine schwammartige Struktur auf, in der einzelne Ebenen und/oder Löcher periodisch angeordnet sind. Hierdurch werden Strukturfarben erzeugt.
Der Polymerfilm wird durch Licht, das in Form stehender Wellen aufgebracht wird, quasi „belichtet“, wobei in Variante 1 die laterale Strukturierung der Reflektorschicht auch die Belichtung strukturiert, und nachfolgend durch lösungsmittelbasiertes Entfernen der nicht vernetzten Bestandteile entwickelt. Dadurch dass die lateral strukturierte Reflektorschicht für den Belichtungsschritt wirkt, ist das Motiv sehr einfach herzustellen.
Besonders vorteilhaft und umweltschonend ist die Verwendung von wasserlöslichen Polymeren, wie beispielsweise PVA, PA, PVP, PAA oder PAM. Bei diesen können die nichtvernetzten Bereiche nur mittels Wasser und somit ohne Lösungsmittel entfernt werden.
In Ausführungsformen ist die Reflektorschicht lateral reflexionsgradmoduliert, insbesondere pixeliert. Dies kann beispielsweise in Form einer Pixelstruktur erfolgen. Zusätzlich/alternativ kann auch der Abstand der Reflektorschicht zur Polymerschicht lateral moduliert sein. Der Reflexionsgrad kann zum Beispiel über die Dicke einer metallischen Schicht variiert werden, die zwischen einer maximal reflektierenden Schichtdicke und Null schwanken kann. Als Materialien für die Reflektorschicht kommen bevorzugt Metalle wie Al, Cu, Cr, Ni, Au, Ag etc. sowie deren Legierungen infrage, ebenso wie ZnS, SiO₂, MgF₂ oder aus dem Stand der Technik bekannte Dünnfilm-Interferenzschicht-Systeme. Auch spezielle Dielektrika oder Schichtsysteme aus den genannten Materialien sind möglich.
Die Reflektorschicht erzeugt bei der Mikrofibrillierungsbildung eine Intensitätsmodulation eines dargestellten Motivs im Polymer, die wiederum während des Entwicklungsprozesses zur Bildung lateral strukturierter Mikrofibrillen führt. Diese können als lateral strukturierte Braggebenen betrachtet werden, die eine Farbkomponente bewirken. Insbesondere kann dann auf eine lateral variierende Strukturierung des Polymerfilms verzichtet werden. Da eine Reflektorschicht relativ einfach hergestellt und lateral strukturiert werden kann, haben diese Ausführungsformen besondere Vorteile hinsichtlich einfacher Herstellbarkeit. Dennoch sind sie schwer nachzuahmen oder gar zu fälschen.
Natürlich ist es als Alternative oder als zusätzliche Weiterbildung gleichermaßen möglich, den Polymerfilm hinsichtlich des Farbeffektes lateral zu strukturieren. Dies kann z. B. durch entsprechende Belichtung mit stehenden Lichtwellen erreicht werden, die lateral, spektral und/oder in der Intensität unterschiedlich sind.
Die Mikrofibrillenstruktur stellt in Ausführungsformen eine Art Volumenhologramm bereit. Dazu wird in Ausführungsformen der Polymerfilm belichtet, wie dies für Reflexions-, Transmissions- oder Denisjuk-Hologramme bekannt ist. In anderen Ausführungsformen wird die Reflektorschicht als Reliefstruktur ausgebildet, welche ein entsprechendes Relief zum Darstellen eines Motivs aufweist, so dass beim Belichten das von dieser lateral strukturierten Oberfläche reflektierte Licht im Sinne eines Objektstrahls mit dem einfallenden Strahl, der als Referenz dient, in der Polymerschicht zur Überlagerung und damit Interferenz kommt. Das Oberflächenrelief sorgt für eine Phasenmodulation des von der Reflexionsschicht reflektierten Lichts, so dass diese Reliefstruktur sich auf den Farbeffekt auswirkt.
Die Reliefstruktur kann insbesondere einen lateral variierenden Abstand zwischen Polymerschicht und Reflektorschicht bewirken. Sie kann mit den Methoden der Mikro- und Nanolithographie hergestellt und durch diverse Prägeverfahren übertragen oder vervielfacht werden. Insbesondere kann die Reliefstruktur aufweisen: Plateaus in verschiedenen, den Farbeffekt beeinflussenden Höhenniveaus unterschiedlichen Abstandes zur Polymerstruktur, Mikrospiegel, eine geblazede Gitterstruktur, eine Fresnelstruktur, eine Mottenaugenstruktur, ein Subwellenlängengitter, eine Sinusgitterstruktur, eine Säulenstruktur oder eine Stufengitterstruktur mit schrägen oder senkrechten Flanken. In nebeneinander liegenden Bereichen können auch verschiedene dieser Gitterstrukturen zur Anwendung kommen. Die genannten Strukturen können sich auch überlagern, vor allem, wenn die mittleren Perioden oder Quasiperioden bzw. die Einzelstrukturgrößen unterschiedliche Größenordnungen aufweisen. Ganz allgemein kann die Reliefstruktur als Freiformfläche ausgeführt sein. Beispielsweise können banknotentypische Motive dargestellt werden, wobei auch dreidimensionale Motive möglich sind. Die optisch variable Wirkung ist bei geeigneter Beleuchtung auch ohne lateral strukturierte Reflexionsschicht beobachtbar.
In weiteren Ausführungsformen erzeugt die Mikrobrillenstruktur ein mehrfarbiges Pixelbild, wobei eine Pixelstruktur, die das Pixelbild bewirkt, in der Reflektorschicht (soweit nicht entfernt), der Polymerschicht oder beiden ausgebildet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Polymerschicht elastisch oder plastisch verformbar ausgeführt. Hierdurch kann durch mechanischen Druck auf einen Teil oder die gesamte Oberfläche der Polymerschicht durch eine Veränderung der Schichtdicke der Polymerschicht eine reversible oder irreversible Änderung der Farbe der Polymerschicht erzeugt werden. Die Farbe bzw. die reflektierte (oder transmittierte) Wellenlänge der Polymerschicht wird durch die Änderung ihrer Schichtdicke verändert, je dicker die Schicht, desto „rötlicher“ ist der Farbeindruck. Weist die Polymerschicht beispielsweise die Farbe Rot auf und wird mit einem Finger mechanischer Druck auf sie ausgeübt, dann wird die Polymerschicht in diesem Bereich zusammengedrückt, die Schichtdicke wird kleiner und die Strukturfarbe kann sich dadurch beispielsweise von Rot über Gelb und Grün bis zu Blau ändern.
Ein plastisches und damit dauerhaftes Verformen der Polymerschicht erfolgt beispielsweise mit einem Prägeverfahren, bevorzugt mittels Stichtiefdruck.
Die schwammartige Struktur des Polymerfilms besteht aus Mikrofibrillen und Hohlräumen. Sind diese Hohlräume mindestens teilweise offenporig, können sie gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einem flüssigen oder gasförmigen Medium befüllt werden. Wird beispielsweise ein Teil der Hohlräume mit Wasser befüllt und verbleibt in einem anderen Teil Luft, weisen diese Hohlräume unterschiedliche Farben auf, da Luft einen Brechungsindex von 1 und Wasser von 1,33 hat. Es ist auch möglich, dass die Polymerschicht transparent wird, wenn der Brechungsindex der Mikrofibrillen und des Mediums in den Hohlräumen gleich groß ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform verbleibt die Reflektorschicht auf der Polymerschicht. Hierbei ergibt sich bevorzugt ein satter bzw. verstärkter Farbeindruck der Polymerschicht. Alternativ kann die Polymerschicht auf der der Betrachtung abgewandten Oberfläche mit einer dunklen oder schwarzen Farbe beschichtet werden. Alternativ kann die Polymerschicht durch Zugabe von Ruß oder Carbon Black modifiziert werden, um die Interferenzfarben optimal zur Geltung zu bringen. Zu einer weiteren Erhöhung der Farbintensität werden transparente hochbrechende Partikel, zum Beispiel aus TiO₂, dem Polymer zugegeben, damit die Brechzahldifferenz zwischen den fibrillierten Schichten und durchgehenden Schichten weiter gesteigert wird. Auch ein Unterdrucken mit einer diffus streuenden Farbe führt zu unterschiedlichen, insbesondere komplementären Farben bei spekularer bzw. nichtspekularer Betrachtung.
Die zum Sicherheitselement genannten Aspekte gelten natürlich gleichermaßen auch für das Herstellverfahren, das hinsichtlich der Erzeugung der Mikrofibrillen dem aus dem genannten Nature-Artikel genannten Prinzip folgt. Insbesondere ist ein Sicherheitselement vorgesehen, das mit einem der genannten Herstellverfahren hergestellt oder erhältlich ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Polymerschicht in einem nachfolgenden Prozessschritt ausgehärtet. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Beständigkeit der Polymerschicht beispielsweise gegen mechanischen Abrieb, nachträglichen mechanischen Druck, Lösemittel oder andere Umwelteinflüsse erhöht wird. Das Aushärten erfolgt besonders bevorzugt durch Bestrahlen der Polymerschicht mit Ultravioletter-Strahlung. Eine weitere Erhöhung der Beständigkeit der Polymerschicht und der auf der Polymerschicht verbleibenden Reflektorschicht ergibt sich durch Einbetten der Polymerschicht zwischen Schutzschichten und/oder Folien.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Wertdokument mit einem Sicherheitselement der genannten Art. In einer Ausgestaltung ist das Wertdokument beispielsweise als Banknote oder Scheck ausgeführt.
Das erfindungsgemäße Sicherheitselement kann mit beliebigen anderen Sicherheitselementen des Wertdokuments kombiniert werden, beispielsweise Hologrammen, Mikrospiegeln, z.B. mit Laufeffekten oder 3D-Oberflächen (Fresnel-artig), Mikrohohlspiegeln oder Subwellenlängenstrukturen. Dies erfolgt jeweils bevorzugt so, dass die reflektierende Schicht die Reflexion zur Erzeugung der stehenden Welle erzeugt und in anderen lateralen Teilbereichen die beschriebenen anderen Merkmale erzeugt. Optional wird der Teil, der die stehende Welle erzeugt, nach der Belichtung entfernt, was beispielsweise durch Ätzen geschehen kann. Weiterhin ist die Kombination mit folgenden Merkmalen möglich: Magnet, Leitfähigkeit, Fluoreszenz, Phosphoreszenz. Diese beliebigen anderen Sicherheitselemente werden dabei besonders bevorzugt lateral neben den Mikrofibrillen angeordnet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. In den Figuren zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Banknote mit mehreren Sicherheitselementen,
2 eine Schnittdarstellung durch eines des Sicherheitselemente der 1,
3 eine schematische Schnittdarstellung einer Polymerschicht im Sicherheitselement der 2,
3A bis 3D verschiedene Möglichkeiten zur Belichtung der Polymerschicht, um die Struktur gemäß 3 auszubilden,
4 ein Sicherheitselement ähnlich dem der 2, jedoch mit Pixel-artig strukturierter Reflektorschicht,
5 eine Schnittdarstellung ähnlich der 2, jedoch mit Pixel-artig strukturierter Polymerschicht,
6 eine Darstellung ähnlich der 4 und 5, wobei sowohl Reflektorschicht als auch Polymerschicht Pixel-artig strukturiert sind,
7 eine Ausführungsform des Sicherheitselementes mit einer Reflektorschicht, die verschiedene Plateaus aufweist,
8 eine Darstellung einer Ausführungsform ähnlich der 2 zur Bereitstellung eines Sicherheitsmerkmals in Art eines Volumenhologramms und
9 eine Darstellung einer Ausführungsform zur Bereitstellung eines Sicherheitsmerkmals in Art eines Volumenhologramms wobei bei der Herstellung zwei interferierende Strahlen verwendet werden.

1 zeigt in Draufsicht schematisch eine Banknote 2, die mehrere Sicherheitselemente aufweist. Ein Sicherheitselement 4 ist in Form eines Patches gestaltet, ein anderes Sicherheitselement in Form eines Sicherheitsstreifens oder Sicherheitsfadens 6. Die konkrete flächige Ausgestaltung des Sicherheitselementes kann applikationsabhängig gewählt werden. Nachfolgend bezieht sich die Beschreibung rein exemplarisch auf das Sicherheitselement 4.
2 zeigt eine Schnittdarstellung durch das Sicherheitselement 4. Es ist auf einem Substrat 8, beispielsweise Banknotenpapier der Banknote 2 aufgebracht, wobei als Substrat 8 auch ein Zwischenträger verwendet werden kann, der dann auf ein Banknotenpapier der Banknote 2 aufgebracht wird, so dass das Sicherheitselement 4 dann als sogenanntes Transferelement ausgebildet ist.
Auf dem Substrat 8 befindet sich eine Polymerschicht 12, die von ihrer Oberseite 14 her mit dem in dem genannten Nature-Artikel geschilderten Prozess mit einer Mikrofibrillenstruktur 13 versehen wurde. Diese ist schematisch in 3 dargestellt und gemäß stehender Wellen organisiert, die aus einer Interferenz eines Objekt- mit einem Referenzstrahl entstanden. Zur Bereitstellung dieser Strahlen gibt es zwei Varianten: Eine Variante 1 arbeitet mit einer Reflektorschicht unter der Polymerschicht. Dann ist ein einfallender Strahl der Referenzstrahl, der an der Reflektorschicht reflektierte Strahl ist der Objektstrahl. Bei einer alternativen Variante 2 werden Objekt- und Referenzstrahl eigenständig eingestrahlt.
Die Mikrofibrillenstruktur 13 umfasst Mikrofibrillen 13a sowie Hohlräume 13b (vgl. 3). Sie wird in Variante 1 dadurch erzeugt, indem ein handelsübliches, flächiges Polymer, wie beispielsweise eine Polystyrol- oder Polycarbonatfolie oder ein entsprechender Film, (bevorzugt parallel zu ihrer Flächennormale) mit Strahlung bestrahlt wird, deren Kohärenzlänge größer als die Dicke der Polymerschicht 12 ist. Bevorzugt wird UV-Strahlung verwendet. Während dieser Bestrahlung befindet sich unter der Polymerschicht 12 eine Reflektorschicht (vgl. 3-8), so dass in Rückreflexion der Objektstrahl entsteht. In Variante 2 (9) werden Objekt- und Referenzstrahl eigenständig eingestrahlt. In beiden Fällen ist die Dicke der Polymerschicht 12 geringer als die Kohärenzlänge der verwendeten Strahlung(en), wodurch sich stehende Wellen innerhalb der Polymerschicht 12 ausbilden. An Wellenbäuchen, an denen die Intensität der stehenden Wellen maximal ist, wird das Polymer vernetzt, und es bildet sich ein periodisch-mechanisches Spannungsfeld zwischen vernetzten und nicht-vernetzten Bereichen, wobei letztere an Knotenpunkten der stehenden Wellen liegen. Bevorzugt ist das Polymer mit einem zusätzlichen Fotoinitiator versetzt.
Durch Einsatz eines passenden Lösungsmittels wird die derart belichtete Mikrofibrillenstruktur 13 dann gemäß 3 ausgebildet, wobei einzelne Ebenen der Mikrobrillen 13a und die Hohlräume 13b sich automatisch periodisch gemäß der stehenden Wellenstruktur anordnen. Hinsichtlich der Details der Herstellung wird auf den Nature-Artikel samt zugehörigem, in Nature publiziertem Ergänzungsmaterial verwiesen. Diese Veröffentlichungen sind hiermit inhaltlich hier vollumfänglich eingebunden.
Die Polymerschicht 12 erzeugt, wenn sie derart belichtet und entwickelt wurde, einen lateral modulierten Farbeffekt, der in Variante 1 durch eine laterale Strukturierung der bei der Belichtung darunterliegenden Reflektorschicht 10 beeinflusst wird - dies auch dann, wenn die Polymerschicht 12 im Sicherheitselement ohne darunterliegende Reflektorschicht 10 eingesetzt wird.
Bei der Belichtung kann eine Strukturierung erfolgen, d. h. die Mikrofibrillenstruktur 13 bestehend aus Mikrofibrillen 13a und Hohlräumen 13b kann lateral, also quer zur Oberfläche 14, strukturiert sein. 3A zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Weitfeldbelichtung 16 die gesamte Polymerschicht 12 gleichmäßig belichtet. Durch eine zusätzlich lateral strukturierte Reflektorschicht 10 entsteht eine lateral strukturierte Mikrofibrillenstruktur 13 und damit das bunte Motiv.
Das Substrat 10, auf dem sich die Polymerschicht 12 befindet, ist hier und im Folgenden nicht dargestellt. Es kann zwischen der Polymerschicht 12 und der Reflektorschicht 10 oder auf der Oberseite bzw. der der Belichtung 16 zugewandten Seite der Polymerschicht 12 angeordnet sein. In beiden Fällen muss das Substrat 10 transparent für die zur Strukturierung der Polymerschicht 12 erforderlichen Wellenlängen der Beleuchtung sein.
3B zeigt, dass durch Einsatz einer Maske 18 zusätzlich eine strukturierte Belichtung erfolgen kann. Die Maske 18 blockiert die Weitfeldbelichtung 16 an einzelnen Stellen, so dass bloß an den Lücken der Maske 18 Licht auf die Polymerschicht 12 einfallen kann. Entsprechend kann auch nur in diesen Bereichen Licht an der Reflektorschicht gespiegelt werden und mit dem einfallenden Licht interferieren, sofern in diesen beleuchteten Bereichen eine Reflexionswirkung vorhanden ist. Nur an den Stellen, an denen Licht durch die Maske fällt und gleichzeitig auch an der Reflektorschicht reflektiert wird, entsteht dann auch der Farbeffekt. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, zusätzlich oder alternativ zur Strukturierung, die durch die Reflektorschicht 10 bewirkt wird, eine Strukturierung, z. B. Pixelierung in der Polymerschicht 12 auszubilden, wobei diese Pixelierung sich auf die Farbe auswirkt. Die Belichtung kann auch mit verschiedenen Wellenlängen erfolgen, so dass der durch die Polymerschicht 12 erzeugte Farbton lateral unterschiedlich, z. B. mit dreifarbigen Pixeln, die aus Subpixeln in Grundfarben (z. B. Rot, Grün, Blau) ausgebildet sind, sein kann. Dazu werden zeitlich hintereinander mehrere Weitfeldbelichtungen 16a, 16b bei unterschiedlichen Wellenlängen oder in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen eingesetzt. Die zusätzliche laterale Strukturierung erfolgt dabei durch verschiedene Masken 18a, 18b, die jeweils auf die entsprechende Weitfeldbelichtung 16a, 16b wirken. 3C veranschaulicht diese sequentiell nacheinander erfolgenden Belichtungen in einer gemeinsamen Darstellung. Die Mehrfarbigkeit ist natürlich nicht auf zwei Farben eingeschränkt; gleichermaßen können auch drei, vier oder mehr verschiedene Belichtungsschritte erfolgen, wobei jeder Belichtungsschritt einen anderen Teilflächenbereich der Polymerschicht 12 belichtet und mit einem Farbeffekt versieht. Derart mehrfach belichtet wird die Polymerschicht 12 durch Anwendung des Lösungsmittels entwickelt, um die dann lateral strukturierte Mikrofibrillenstruktur 13 auszubilden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform verbleibt die Maske auf dem Sicherheitsmerkmal, beispielsweise um in bestimmten Bereichen Hologramme oder andere optisch variable Merkmale zu bilden. Bevorzugt wird dafür eine bereichsweise bestehende Metallschicht als Maske verwendet. Die Maske wird bevorzugt nach dem Belichten bereichsweise von der Polymerschicht entfernt.
Die auf dem Substrat verbleibende Maske ist besonders bevorzugt im sichtbaren Spektralbereich transparent (also im Endprodukt nicht sichtbar oder zumindest unauffällig) und im UV-Bereich opak oder zumindest semitransparent. Hierbei besteht die Maske beispielsweise aus einer 50 nm dicken Schicht aus TiO₂. Diese ist im sichtbaren Bereich weitgehend transparent, zeigt im UV-Bereich bei Wellenlängen um bzw. unter 300 nm aber nur eine sehr geringe Transmission.
Alternativ kann die Maske von der Folienbahn getrennt sein.
Es ist zu beachten, dass beim fertigen Sicherheitselement 4, 6 die kippwinkelabhängige Farbwirkung bei Beleuchtung ebenfalls durch Interferenz entsteht - ggf. auch ohne Reflektorschicht 10. Bei der Entwicklung der Polymerschicht entstehen die Mikrofibrillen, wobei deren Abstand voneinander durch den Entwicklungsprozess vom ursprünglichen Abstand der Wellenbäuche bei der Einbelichtung abweichen kann. Auf diese Weise ist es möglich, dass bei Belichtungswellenlängen im UV-Bereich nach der Entwicklung der Polymerschicht die Braggmaxima bei der Beobachtung im sichtbaren Bereich des Spektrums liegen.
Eine Alternative zu einer Weitfeldbelichtung ist die Belichtung mit einem gerasterten Lichtstrahl 20 (z. B. aus einem Laser oder einer LED), der die erforderliche Kohärenzlänge hat und gemäß einem Scanmuster 22 über die Polymerschicht 12 abgelenkt wird. Dies zeigt 3D. Dabei kann die Wellenlänge der Laserstrahlung an den einzelnen Orten unterschiedlich gestaltet werden, um eine laterale Strukturierung der Polymerschicht 12 hinsichtlich des Farbeffektes zu erzeugen.
Diese zusätzlichen Strukturierungsoptionen erlauben es z. B., die Reflektorschicht 10 mit einer Pixelstruktur für das Motiv bereitzustellen, die sich auf die Helligkeit bezieht, und durch die zusätzliche Strukturierung (Masken oder -raster) jedes Pixel mit dessen Farbe einstellenden Subpixeln zu versehen.
Die lateral strukturierte Reflektorschicht 10 unterhalb der Polymerschicht 12 kann sowohl vollflächig vorliegen, wie dies in den 2 und 3 gezeigt ist, als auch teilflächig. 4 zeigt eine Pixelierung der Reflektorschicht 10 bestehend aus Reflektorpixeln 24 mit hoher Reflexion und Reflektorpixeln 26 mit niederer Reflexion oder ohne Reflexion. Die stehende Welle bildet sich dann nur an den Pixeln aus, an denen die Reflektorschicht 10 eine ausreichende Reflexion hat, oder die Intensität hängt von Pixelreflexionsgrad und/oder - flächenbedeckung ab. Auf diese Weise kann ein farbiges, gerastertes Pixelbild erzeugt werden.
Wie bereits mit Bezug auf die 3B, 3C und 3D erläutert, kann sich auch durch die Belichtung eine zusätzliche Rasterung der Polymerschicht 12 ergeben, so dass diese Polymerschichtpixel 28 und 30 aufweist, wie 5 zeigt, in denen sich nach dem Entwickeln mit dem Lösungsmittel der Farbeindruck unterscheidet. Dadurch wird ein buntes Pixelbild möglich. Natürlich sind auch mehr als zwei verschiedene Pixelarten möglich.
Das Prinzip der 4 und 5 kann natürlich auch kombiniert werden, wie 6 zeigt. Dabei muss das Pixelraster von Reflektorpixeln und Polymerschichtpixeln nicht zwingend identisch sein, auch wenn dies von Vorteil sein kann. Insbesondere kann durch eine sehr hohe Pixeldichte in der Reflektorschicht die Helligkeit einer einzelnen Farbe innerhalb eines Farbpixels, das durch ein Polymerschichtpixel gebildet ist, ortsabhängig eingestellt werden. Somit kann letztlich die Helligkeit für jeden Farbpunkt zum Erzeugen eines Motivs frei gewählt werden.
Es ist deshalb in besonderen Ausführungsformen vorgesehen, dass sowohl die Polymerschicht 12 als auch die Reflektorschicht 10 eine Pixelstruktur haben, wobei die Pixeldichte in der Reflektorschicht 10 mindestens das Doppelte der Pixeldichte der Polymerschicht 12 beträgt. Damit kann die Tatsache, dass die Reflektorschicht 10 für die Intensität an einer Stelle und die Polymerschicht 12 für die Farbe verantwortlich ist, besonders günstig ausgenützt werden.
Die genannten Effekte sind in der Mikrofibrillenstruktur verkörpert und bleiben nach Entwicklung auch ohne die Reflektorschicht 10 erhalten.
7 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Reflektorschicht 10 auf unterschiedlicher Höhe liegende Plateaus 32, 34, 36 hat. Dies nutzt die Tatsache aus, dass die Weglänge der reflektierten Strahlung für die Platzierung der Knoten und Wellenbäuche der stehenden Wellen innerhalb der Polymerschicht relevant ist. Durch die unterschiedlichen Höhenniveaus, also Abstände der Plateaus 32, 34, 36 zur Polymerschicht 12, erzeugt jedes Plateau 32, 34, 36 eine andere Farbintensität bei ansonsten unveränderter Polymerschicht 12. Dieser Ansatz kommt insbesondere bei einer nicht strukturierten Polymerschicht 12, wie sie beispielsweise mit der Weitfeldbelichtung 16 gemäß 3A erhalten wird, in Frage, um unterschiedliche Farbintensitäten lateral strukturiert zu verteilen.
8 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Reflektorschicht 10 an ihrer der Polymerschicht 12 zugewandten Seite eine Reliefstruktur hat. Auf diese Weise kann, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits erläutert, besonders einfach ein einem Volumenhologramm ähnliches Sicherheitselement erzeugt werden, indem die Reliefstruktur so ausgebildet ist, dass sie beispielsweise einen dreidimensionalen optischen Eindruck widerspiegelt. Aufgrund der Belichtung mit dieser Reflektorschicht 10 entsteht dann ein entsprechender Objektstrahl und insgesamt ein Mikrofibrillen enthaltendes Polymer, wobei die Mikrofibrillen ähnlich den Braggebenen in einem Volumenhologramm fungieren, das eine dreidimensionale Darstellung auch aus verschiedensten Blickwinkeln bietet.
Beim Herstellverfahren in der Variante 2 werden gemäß 9 Objekt-und Referenzstrahl als getrennte, zur Interferenz fähigen Strahlen 42, 44 eingestrahlt. Der Objektstrahl 44 stammt nicht aus der Rückreflexion des Referenzstrahls, wie es bei Variante 1 der Fall war. Es ist deshalb keine Reflektorschicht vorgesehen. Vielmehr ist der Objektstrahl 44 wie bei einer holografischen Aufnahme von einem Objekt 46 moduliert. Alternativ wird die Modulation mittels optischer Strahlformungselemente (z.B. DMD o.ä.) erzeugt. Die zwei (oder mehr) Strahlen können von derselben oder von gegenüberliegenden Seiten der Polymerschicht 12 eingestrahlt werden.
Insbesondere sind folgende Ausführungen und Ausgestaltungen möglich:
Lichtquellen
Voll-/teilflächige Belichtung:
Die Lichtquelle kann die als Polymerfilm ausgebildete Polymerschicht voll- und teilflächig belichten. Für eine vollflächige Belichtung sind z. B. LEDs ausreichend (3A), deren Kohärenzlänge genügt. Wenn der Film pixelbeziehungsweise bereichsweise belichtet werden soll, kann ein ablenkbarer, stark fokussierter Lichtstrahl (z. B. Laser) benutzt werden (3D), oder aber direkt modulierbare Lichtquellen (Micro-LED) bzw. optische Elemente, wie SLM (spatial light modulator), DMD (digital micromirror device) oder DOE (diffractive optical element). Eine weitere Möglichkeit, eine teilflächige Belichtung zu erzeugen, ist die Benutzung einer Maske (3B, 3C).
Eine voll- oder zumindest teilflächige Beleuchtung kann auch durch ein selbstleuchtendes Display bzw. einen selbstleuchtenden Bildschirm erfolgen. Das Display bzw. der Bildschirm beleuchtet hierbei die gesamte Fläche oder musterförmig den Polymer.
Bei einem industriellen Herstellungsverfahren nach dem Prinzip Rolle-zu-Rolle (R2R) kann die Belichtung alternativ auch durch zeilenartig angeordnete LEDs erfolgen, wobei die Zeile parallel zur Drehachse einer Rolle ausgerichtet ist. Die Beleuchtung des Polymers erfolgt hierbei direkt durch die LEDs oder durch eine abbildende Optik zwischen LEDs und Polymer.
In allen Fällen ist eine kohärente Überlagerung eines Objektstrahls und eines Referenzstrahls im Polymer erforderlich.
Das Mikrofibrillationsverfahren hat den Vorteil, dass durch die Verwendung von DOE/SLM/DMD in Kombination mit LEDs oder Lasern als Lichtquelle Licht auf Mikrometer-Längenskalen moduliert werden kann. Somit können mit dem Mikrofibrillationsverfahren Auflösungen von bis zu 25000 DPI erreicht werden. Gleichzeitig ist durch die Flexibilität der optischen Elemente ein hoher Grad an Individualisierbarkeit möglich. Da die Mikrofibrillen, die die Braggebenen darstellen, im Polymerfilm eingebettet sind, können keine Abdrücke oder Abformungen für Fälschungszwecke erstellt werden, was zu einer hohen Fälschungssicherheit führt.
Variation der Wellenlänge:
Bestrahlung mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen erzeugt verschiedene Strukturfarben. Somit ist es durch additive Farbmischung von RGB-Pixeln möglich, einen großen Farbraum abzudecken. Die Belichtungen könnten nacheinander oder gleichzeitig durch eine unterschiedlich farbige Anzeige des Displays, monochromatische Laser oder LEDs mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen erzeugt werden. Hierfür könnte der Polymerfilm z.B. nacheinander mit unterschiedlichen Masken 18 bedeckt werden und durch diese hindurch mit monochromatischer Strahlung belichtet werden (3D).
Flächendeckung der reflektierenden Schicht
Die reflektierende Schicht unterhalb des Polymers kann sowohl vollflächig als auch teilflächig vorliegen. Falls die Reflexionsschicht vollflächig ist, könnte eine pixelweise Rasterung der Farbe lediglich über die Modulation der Lichtquelle erfolgen. Falls die Reflexionsschicht gerastert ist, bilden sich stehende Welle nur in den Pixeln aus, unter denen eine Reflexionsschicht vorliegt. Somit ist es möglich, eine Rasterung zu erzeugen.
Reliefstruktur der reflektierenden Schicht
Es ist möglich, eine geprägte, reflektierende Reliefstruktur unter dem Polymerfilm zu platzieren. Die Prägestruktur kann aus allen möglichen Reliefstrukturen wie Mikrospiegeln, Fresnel-artigen Mikrospiegeln, Blazed Gratings, Mottenaugenstrukturen, Subwellenlängengitter, Sinusgittern, Manhattangittern oder Aztekenstrukturen bestehen. Auch eine Strukturierung durch Auftragen einer beispielsweise dunklen Farbe ist möglich, wobei die Farbe auf die Seite der Reliefstruktur aufgebracht wird, die der Beleuchtung zugewendet ist. Diese und weitere Strukturen können auch nebeneinander angeordnet sei oder sich überlagern. So ist es beispielsweise möglich, durch bereichsweise angeordnete Mottenaugenstrukturen oder andere lichtabsorbierende Strukturen die Reflexion bereichsweise zu unterdrücken und in diesen Bereichen keine Mikrofibrillen in der Polymerschicht zu erzeugen.
Der Reliefmaster kann sich entweder

a) direkt auf der Folie befinden und dort verbleiben,
b) direkt auf der Folie befinden und nach der Belichtung in einem Transferschritt abgezogen werden oder zumindest teilweise entfernt werden (zum Beispiel durch vollständiges oder teilweises Wegätzen der metallischen Beschichtung, während die Reliefstruktur zurückbleibt),
c) unterhalb der Folie im Register mitlaufen,
d) sich stationär unter der Folie befinden (nicht mitlaufen), die Belichtung erfolgt im Register z. B. durch eine synchronisierte Blitzlichtquelle.

Folgende Ausführungsformen sind bevorzugt:
Einfarbiges Pixelbild mit Strukturfarben:
Unter Verwendung einer der in 1a. und 2. beschriebenen Techniken kann ein einfarbiges, irisierendes Pixelbild hergestellt werden. Durch Variation der Flächendeckung von farbigen Bereichen können zudem verschiedene Sättigungen des Farbtons hergestellt werden. Die hergestellten Motive weisen eine Auflösung von bis zu 25.000 DPI auf.
Wegen der hohen Auflösung ist die Verwendung des Pixelbildes zudem für Sicherheitsmerkmale mit Mikroabbildungselementen wie Mikrolinsen vorteilhaft, wobei das Pixelbild als Mikrostrukturbild in der Fokusebene der Mikroabbildungselemente fungieren kann.
Mehrfarbiges Pixelbild mit Strukturfarben
Unter Verwendung einer Kombination von der in 1a. und 2. beschriebenen Techniken sowie der in 1b. beschriebenen Benutzung von Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen kann ein mehrfarbiges, irisierendes Pixelbild hergestellt werden. Durch Variation der Flächendeckung von farbigen Bereichen können zudem verschiedene Sättigungen des Farbtons hergestellt werden. Die hergestellten Motive weisen eine Auflösung von bis zu 25000 DPI auf.
Wegen der hohen Auflösung ist die Verwendung des Pixelbildes zudem für Sicherheitsmerkmale mit Mikroabbildungselementen wie Mikrolinsen sinnvoll. Dies würde eine Aufwertung im Banknotenmarkt bereits existierender Mikrolinsenmerkmale ermöglichen, da diese bis dato nur einfarbig sind.
Herstellung von Mikrofibrillationshologrammen
Als Mikrofibrillationshologramme werden Volumenhologramme bezeichnet, die unter Benutzung des Mikrofibrillationsverfahren hergestellt werden. Mit dem Mikrofibrillationsverfahren kann ein Fotoresist durch den Polymerfilm, z.B. handelsübliche, mit geringen Mengen an Fotoinitiatoren versetzte Polymere ersetzt werden. Der Herstellungsprozess ist ansonsten identisch mit der üblichen Herstellung von Volumenhologrammen durch Belichtung mit interferierenden Strahlen. Somit kann das Hologramm in allen bereits beschriebenen Ausprägungen aufgezeichnet werden, wie z. B. als Reflexions, Transmissions- oder Denisjuk-Hologramm.
Alternativ kann das Hologramm auch ohne Verwendung eines materiell vorhandenen Objekts hergestellt werden. So kann der Objektstrahl durch Verwendung eines SLM oder DMD (nur Reflexionshologramm) erzeugt werden.
Bezugszeichenliste

2: Banknote
4: Sicherheitselement
6: Sicherheitsfaden
8: Substrat
10: Reflektorschicht
12: Polymerschicht
13: Mikrofibrillenstruktur
13a: Mikrofibrille
13b: Hohlraum
14: Oberseite
16, 16a, 16b: Weitfeldbelichtung
18, 18a, 18b: Maske
20: Laser
22: Scanmuster
24, 26: Reflektorpixel
28, 30: Polymerschichtpixel
32, 34, 36: Plateau
38: Einbettmedium
40: Reliefschicht
42: Referenzstrahlung
44: Objektstrahlung
46: Objekt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

M. Ito et al., „Structural colour using organized microfibrillation in glassy polymer films“, Nature, 20. Juni 2019, Vol. 570, Seiten 363-367 [0005]

Claims

Herstellungsverfahren für ein Sicherheitselement (4) zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten (2), Schecks oder dergleichen, wobei das Herstellungsverfahren folgende Schritte aufweist - Bereitstellen eines Polymerfilms (12) und - Bilden einer lateral strukturierten Mikrofibrillenstruktur (13) in dem Polymerfilm (12) durch Einwirken von stehenden Lichtwellen (16, 16, 16b) durch Interferenz einer Referenzstrahlung mit einer modulierten Objektstrahlung zu einer ortsabhängigen Vernetzung im Polymerfilm (12) und Entwickeln mit einem Lösungsmittel, so dass der Polymerfilm (12) in Draufsicht auf das Sicherheitselement (4) ein buntes optisch variables Motiv erzeugt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, umfassend weiter die Schritte: - Erzeugen einer unter dem Polymerfilm (12) liegenden Reflektorschicht (10), die eine laterale Strukturierung hinsichtlich Reflexionsgrad und/oder Profilierung hat, und - Einstrahlen von Strahlung mit einer Kohärenzlänge größer als eine Polymerfilmdicke auf den Polymerfilm, zum Bilden der lateral strukturierten Mikrofibrillenstruktur (13), wobei die Referenzstrahlung durch die einfallende Strahlung und die Objektstrahlung durch die an der Reflektorschicht reflektierte Strahlung gebildet ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, wobei die laterale Strukturierung der Reflektorschicht (10) als eine das Pixelbild bewirkende Pixelstruktur ausgebildet wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Reflektorschicht (10) lateral so moduliert bereitgestellt wird, dass sie Abschnitte mit unterschiedlichem Reflexionsgrad aufweist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Mikrofibrillenstruktur (13) hinsichtlich einer von ihr erzeugten Farbe lateral strukturiert wird, insbesondere in Form einer Pixelstruktur.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Reflektorschicht (10) zur lateralen Strukturierung hinsichtlich Profilierung mit einer Reliefstruktur ausgebildet wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 6, wobei die Reliefstruktur mindestens eine der folgenden Strukturen aufweist: - Plateaus (32, 34, 36) in verschiedenen, Höhenniveaus, - Mikrospiegel, - geblazede Gitterstruktur, - Fresnelstruktur, - Sinusgitterstruktur, - Säulen unterschiedlicher Höhe und - Stufengitter mit geraden oder schrägen Flanken.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Polymerfilm (12) so bestrahlt wird, dass lateral strukturierte Mikrofibrillenstruktur (13) ein mehrfarbiges Bild, bevorzugt ein Pixelbild bereitstellt.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Reflektorschicht (10) nach dem Bilden der lateral strukturierten Mikrofibrillenstruktur (13) entfernt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Polymerfilm (12) zum Bilden der lateral strukturierten Mikrofibrillenstruktur (13) mit zwei zueinander interferenzfähigen Strahlen bestrahlt wird, von denen einer den Referenzstrahl bildet und der andere moduliert ist und den Objektstrahl bildet, so dass die lateral strukturierte Mikrofibrillenstruktur (13) ein Volumenhologramm bereitstellt.
Sicherheitselement zur Absicherung von Wertdokumenten, wie Banknoten (2), Schecks oder dergleichen, mit einer lateral strukturierten Mikrofibrillenstruktur (13) erzeugt durch ein Verfahren nach einem der obigen Ansprüche.
Sicherheitselement nach Anspruch 11, wobei die lateral strukturierte Mikrofibrillenstruktur (13) ein Volumenhologramm bereitstellt.