EP2225110A1 - Security element - Google Patents

Security element

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EP2225110A1
EP2225110A1 EP08867771A EP08867771A EP2225110A1 EP 2225110 A1 EP2225110 A1 EP 2225110A1 EP 08867771 A EP08867771 A EP 08867771A EP 08867771 A EP08867771 A EP 08867771A EP 2225110 A1 EP2225110 A1 EP 2225110A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
security element
element according
metallic
gratings
elements
Prior art date
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EP08867771A
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German (de)
French (fr)
Other versions
EP2225110B1 (en
Inventor
Michael Rahm
Marius Dichtl
Manfred Heim
Hans Lochbihler
Thomas KÄMPFE
Thomas Pertsch
Jörg PETSCHULAT
Ernst-Bernhard Kley
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Giesecke and Devrient Currency Technology GmbH
Original Assignee
Giesecke and Devrient GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2225110A1 publication Critical patent/EP2225110A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP2225110B1 publication Critical patent/EP2225110B1/en
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    • B42D25/30—Identification or security features, e.g. for preventing forgery
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    • B42D25/373—Metallic materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y10T428/24479—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including variation in thickness

Definitions

  • the invention relates to a security element for security papers, security documents and the like having a feature area that selectively influences incident electromagnetic radiation.
  • the invention further relates to a method for producing such a security element as well as a security paper and a data carrier with such a security element.
  • holograms To secure the authenticity of credit cards, banknotes and other value documents, holograms, holographic grating images and other hologram-like diffraction structures have been used for some years.
  • Metallized embossed holograms which preferably consist of sinusoidal surface profiles with gratings of between about 600 nm and 2 ⁇ m, are nowadays used on innumerable banknotes as a sign of their authenticity.
  • the grating periods of at least 600 nm used in the holograms can be produced not only with electron beam lithography equipment, but also by interferometric direct exposure with the help of a laser, whereby the forgery security of the holograms is significantly reduced.
  • Holographic counterfeiting is most frequently done using dot-matrix systems, whose operation ultimately relies on the interference of laser beams.
  • the object of the invention is to avoid the disadvantages of the prior art and in particular to provide a security element with an attractive visual appearance and high security against counterfeiting.
  • the feature area contains metallic nanostructures in which volume or surface plasmons are excited by the incident electromagnetic radiation and / or resonance phenomena are caused.
  • Plasmons are collective vibrations of the free electrons relative to the ion bodies in metals. In the so-called plasma frequency occurs an increased absorption of the exciting light. Recombination of plasmon into radiation can cause light scattering, especially if the metal is in particulate form.
  • Surface plasmon polaritons SPs are electromagnetic radiation bound to metallic interfaces that spreads along their boundary layer, thereby absorbing. The excitation of surface plasmon polaritons via the Impulse matching of the incident light and the surface plasmon polaritons via a dielectric or via the reciprocal lattice vector of the periodic structuring of the metal surface.
  • the feature area can be designed, in particular, as transparent or translucent.
  • the feature area or the substrate of the security element may also be opaque.
  • the feature area may contain different metallic nanostructures in different subareas, for example to produce areas of different colors within the security element.
  • the feature area has metal nanoparticles as metallic nanostructures which are embedded in a carrier medium.
  • the metallic nanoparticles have a largest dimension between 2 nm and 400 nm, preferably between 5 nm and 300 nm and particularly preferably between 10 nm and 200 nm.
  • the metallic nanoparticles may be substantially spherical in shape, but may also be formed with a preferred direction, in particular as ellipsoids of revolution or in the form of a rod or plate.
  • the metallic nanoparticles are formed from homogeneous metallic particles, in particular from Au, Ag, Cu or Al particles, since in these the described color effects in the visible spectral range are observable.
  • other metals come into consideration, such as Ni, Cr, Wo, Vd, Pd and Pt and alloys of one or more of the metals mentioned.
  • the metallic nano Particles may be formed from core-shell particles in which one of the core and shell materials is a metal, in particular Au, Ag, Cu, Al, another of the above-mentioned metals or a metal alloy.
  • the other of the core and shell materials is also advantageously a metal or dielectric.
  • one of the materials of core and shell is magnetic.
  • the feature region may further comprise a mixture of different metallic nanoparticles, in particular a mixture of nanoparticles of different diameters.
  • the carrier medium is preferably formed within the scope of the invention by a transparent or colored lacquer layer.
  • the feature area has a structured surface with elevations and depressions, wherein the metallic nanoparticles are arranged in the depressions of the structured surface.
  • the structured surface may in particular be formed by a thermoplastically embossable material or an embossed lacquer layer, in particular an embossed UV lacquer layer.
  • the structured surface is suitably metallized.
  • the structured surface can form a diffraction structure which spectrally splits the incident electromagnetic radiation.
  • the structured surface may be formed periodically or stochastically in one or two spatial directions.
  • the feature region may further include a metal layer over which the metallic nanostructures are disposed.
  • the feature region contains a color shift-effect thin-film element which has a metal layer, an absorber layer and a dielectric spacer layer arranged between the reflection layer and the absorber layer, wherein the metallic nanoparticles are arranged in the dielectric spacer layer.
  • the metal layer may be reflective or, if the security element is to be viewed in a transparent manner, also semitransparent.
  • the feature region contains as metallic nanostructures one or more sub-wavelength gratings with grating periods below the wavelength of the visible light.
  • the subwavelength gratings can be designed, for example, as binary structures that contain only flat metallic surface sections at only two different height levels, or as multilevel structures that contain only flat metallic surface sections at n different height levels, where n lies between 3 and 16.
  • the subwavelength gratings have a z-shaped metal profile.
  • the subwavelength gratings can also be combined with a diffraction structure which spectrally splits the incident electromagnetic radiation.
  • the subwavelength gratings can have grating lines of a varying width.
  • subwoofer gratings which have a lateral variation of the grating profiles, in particular a lateral variation of the tread depths, laterally produce different color impressions.
  • any color images such as rasterized color images, which consist of a variety of small and different colored pixel elements.
  • the security element contains a color image of a plurality of pixel elements, wherein the grating profiles within a pixel element are respectively constant and in which the grating profiles of differently colored pixel elements are formed differently according to the respectively desired color impression.
  • the color impression of a pixel element can also be produced by color mixing subregions with different grating profiles. For example, three different types of subregions may be provided for the colors red, green and blue, and the color impression of each pixel element may be determined by the choice of the area proportions of the three subregions corresponding to the desired RGB value of the pixel.
  • the color image generation by subwavelength gratings is particularly suitable for obliquely metallized vapor-deposited dielectric gratings, which exhibit different colors in transmission and reflection, as explained in more detail below. Due to the asymmetric grating profile, an asymmetry of the color appearance in the viewing angle in transmission or in reflection is generally observed as well.
  • the lateral variation of the grating profile may in particular consist of a lateral variation of the trench depth of the metallized dielectric grating. In addition to binary structures, asymmetric multilevel profiles with laterally different depths are also possible.
  • photoresist is applied to a grating substrate with laterally constant trench depth, so that the trenches are completely filled. Then, the substrate is applied with the applied photoresist with laser radiation laterally different intensity and the trenches partially exposed by removing the exposed photoresist.
  • the grating periods of the sub-wavelength gratings are preferably between 10 nm and 500 nm, preferably between 50 nm and 400 nm and particularly preferably between 100 nm and 350 nm.
  • FIG. 10 is a highly schematic representation of the chromaticity of certain subwavelength gratings according to the invention as a function of the embodiment of FIG. vapor angle Q, where (a) the color in reflection and in (b) the color in transmission, each shown in the zeroth order of diffraction,
  • FIG. 11 shows a security element according to the invention whose feature area is provided with a metallized embossed structure with two superposed gratings,
  • FIG. 15 shows in (a) to (c) three embodiments of micromotile elements that appear colored by filling with metallic nanostructures
  • FIG. 16 shows an exemplary embodiment as in FIG. 15, in which both the micromotif elements and the surrounding velin region are nanostructured.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a banknote 10, which is provided with two security elements 12 and 16 according to embodiments of the invention.
  • the first security element is a see-through security element 12, which is arranged above a see-through area 14, for example a window area or a continuous opening, of the banknote 10.
  • the second security element 16 is formed by an opaque, glued transfer element of any shape.
  • Both security elements have metallic nanostructures in a feature area in which volume or surface plasmons are excited by incident visible light or resonance effects are produced which produce novel color effects that are difficult to counterfeit because of the small size of the respective coloring nanostructures.
  • plasmas are the eigenmodes of collective free electron oscillations relative to the ion bodies in metals that can be excited by incident electromagnetic radiation.
  • the freely movable charge carriers are excited to resonant oscillations, so that the light of this wavelength is preferably absorbed and scattered in all spatial directions. Radiation with wavelengths outside the resonance range, however, can pass largely undisturbed.
  • FIG. 2 initially shows a see-through security element 20 having a substrate 22 and a feature area which is formed by a feature layer 24 applied over the entire area.
  • the feature layer 24 includes a plurality of metallic nanoparticles 28 embedded in a carrier medium 26.
  • Such a feature layer 24 can be produced, for example, by printing a transparent lacquer 26 in which prefabricated metallic nanoparticles 28 with desired properties are dissolved.
  • the nanoparticles 28 have a diameter below the wavelength of the visible light, preferably between 300 nm and 5 nm and in particular between 200 nm and 10 nm.
  • the nanoparticles 28 are gold or silver particles.
  • other metals such as copper, aluminum, nickel, chromium, tungsten, vanadium, palladium, platinum or alloys of these metals, albeit partially in attenuated or modified form, show color effects due to plasmon excitation, so that these metals or metals Metal alloys as material for the nanoparticles 28 come into consideration.
  • spherical nanoparticles 28 it is also possible to use particles of a different shape, such as ellipsoids of revolution, any polyhedra or else rod-shaped or platelet-shaped particles. From the spherical shape deviating particles show, if they are in a preferred direction in space are additionally dependent on the polarization direction of the incident light dependent effects.
  • the nanoparticles 28 and the embedding medium 26 are matched to one another such that the resonant frequency of the embedded nanoparticles 28 in the green is at a wavelength of approximately 530 nm.
  • the feature layer 24 When viewed in reflection 32, where the light scattered by the nanoparticles 28 dominates the color impression, the feature layer 24 therefore appears green.
  • Transmission 34 shows the feature layer 24, on the other hand, is in the subtractive complementary color, ie with a red color impression.
  • the feature area of the security element 20 may also be designed in the form of patterns, characters or an encoding. It is also possible to provide different metallic nanostructures in different partial areas of the feature area, for example nanoparticles 28 made of different materials and / or nanoparticles 28 of different shape and size. As a result, different areas of the feature area can be colored differently.
  • the paint 26 provided with the coloring nanoparticles 28 may additionally contain conventional coloring or effect pigments to modify the observable color effects.
  • various types of metallic nanoparticles 28, for example of varying diameter may be mixed together to cooperatively produce a desired color effect.
  • measures can be taken to influence the spatial distribution of nanoparticles 28 initially dispersed homogeneously in a carrier medium or the preferred direction of non-spherical nanoparticles. This can be done, for example, by providing the nanoparticles with a magnetic core, so that they can be concentrated using spatially varying magnetic fields at the intended locations of the feature area.
  • the nanoparticles 28 are initially still movable in the carrier medium 26.
  • Functionalized surfaces of nanoparticles offer additional possibilities to influence the arrangement of nanoparticles. For example, it can be achieved by suitable functionalization of the surface that the particles are arranged at a specific distance and / or in a defined grid. In addition, appropriately selected functionalization can prevent clustering of the nanoparticles.
  • the distribution of the nanoparticles 28 is specifically influenced by a structuring of the surface to which they are applied.
  • a transparent UV-curing lacquer layer 40 can be provided in a conventional manner with a desired relief embossing, so that a structured surface with elevations 42 and depressions 44 is formed.
  • a fluid medium 46, in which the nanoparticles 48 are dissolved, is then applied, for example printed, to the surface structured in this way. Subsequently, the fluid medium 46 is laced or wiped from the coated surface so that the nanoparticles 48 remain only in the depressions 44 but not on the raised surface areas 42.
  • micro-gravure printing technology provides a tool mold whose surface has an arrangement of elevations and depressions in the form of a desired microstructure.
  • the depressions of the mold are filled with a curable colored or colorless lacquer containing the nanoparticles, and the support to be printed is pretreated for a good anchoring of the lacquer.
  • the surface of the mold is brought into contact with the carrier, and the paint in contact with the carrier is hardened in the recesses of the mold while being connected to the carrier.
  • the surface of the tool mold is removed from the support again, so that the cured paint associated with the support is pulled out of the depressions of the mold with the nanoparticles.
  • the visual impression can not only be generated by the effects of the plasmon excitation in the nanoparticles 48, but can also be influenced by diffraction effects on the structures given by the elevations 42 and depressions 44.
  • FIG. 6 (a) shows a plan view of the feature region 60 of a security element according to the invention, in which the depressions 44 with the nanoparticles 48 are arranged periodically in two spatial directions. It is understood that the period lengths denoted px and py may be the same or different, so that the same or different diffraction color effects occur in the x-direction and the y-direction.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment 70 of a further variant of the invention, in which the nanoparticles 78 are integrated into a thin-film element 72 with a color-tilting effect.
  • a reflective metal layer 74 for example an aluminum layer with a thickness of at least 10 nm
  • a dielectric intermediate layer 75 made of a UV-curable material and a semitransparent absorber layer 76 are applied to a substrate 22, for example by an approximately 8 nm thick chromium layer can be formed.
  • the interlayer dielectric layer 75 is preferably formed of a high refractive index support medium. It also contains the desired metallic nanoparticles 78, which can be achieved, for example, by mixing the nanoparticles 78 with the intermediate layer material before application. Overall, in the case of the reflection element 70 designed for reflection, the filter effect of the nanoparticles 78 is combined with the color filter effect of the color-shifting thin-layer system 72.
  • the semitransparent absorber layer 76 may also be dispensed with. If the security element 70 is to be used in transmission, that is to say, for example, in the see-through window of a banknote, the lower metal layer 74 is expediently designed to be semitransparent. It is understood that the feature area can also be embodied in the exemplary embodiments of FIGS. 3 to 7 in the form of patterns, characters or a coding and that different metallic nanostructures can also be provided here in different subareas.
  • the substrate 22 is both transparent and non-transparent
  • the substrate 22 can be formed, for example, by a transparent or opaque plastic film remaining in the finished security element or by a transfer film which is removed after the security element has been transferred to the banknote 10 becomes.
  • the substrate 22 may also be formed by the banknote paper itself.
  • the nanoparticles can be suspended, for example, before printing in a primer and printed directly on the banknote paper.
  • the preparation of the metallic nanoparticles themselves can be carried out by physical or chemical methods known to the person skilled in the art.
  • a physical method is, for example, laser ablation.
  • FIG. 8 shows a cross section through a security element 80 with a transparent carrier foil 82 onto which a UV embossing lacquer layer 84 is printed and embossed in the form of a rectangular profile which has a period length p, for example 300 nm, a ridge width b, for example 100 nm, and a pitch h, for example 100 nm.
  • a metallic binary structure 86 embedded in the lacquer layers 84, 88 results, which exclusively produces flat metallic surface patterns. cuts at only two different height levels (metallic bi- grating).
  • the width of the metal deposition in the lower plane is predetermined by the geometrical shading during vapor deposition, and that the thickness d of the metal film 90 is identical on the upper and lower planes.
  • the regions 92, 94 and 96 below, inside and above the z-shaped metal profile may, in the general case, have different refractive indices m, n 2 and 113, respectively.
  • the color values X (curve 100-R), Y (curve 102-R), and Z (curve 104-R) of the reflected light in the zeroth diffraction order are shown in dependency of the deposition angle Q.
  • Fig. 10 (b) shows the color values X (curve 100-T), Y (curve 102-T) and Z (curve 104-T) of the transmitted light also in the zeroth diffraction order.
  • the reflection of an object is at least 20%, so that the color spectrum reflected on the object stands out from the reflected light of the surrounding medium.
  • the transmission may be lower for the perception of color since Usually only the transmitted light of the object is observed and the scattered light of the environment is obscured.
  • a reflection of 30% to 60% and a transmission between 5% and 45% are obtained for the vapor deposition angle Q in the range between 30 ° and 90 °. At oblique Bedampf ungswinkeln thereby increases the transmission, while reducing the reflection.
  • the color effect changes in the sub-wavelength gratings according to the invention when viewed in polarized light.
  • inventive colorizing feature areas differ from colored surfaces produced by conventional means.
  • the intensity of the color value Z blue
  • the described subwavelength gratings may be combined with a diffraction structure which spectrally splits incident electromagnetic radiation.
  • a security element 110 whose feature area is provided with a metallized embossed structure 112 with two superposed gratings.
  • the grating with the smaller grating period p s forms a subwavelength grating of the type described above.
  • This subwavelength grating is superposed with a second grating of a much larger period pi, which serves to produce a multiplication or spectral broadening of the above-described resonances of the subwavelength grating ,
  • the plasmon resonances can be spectrally broadened. As a result, a wider range of the visible light spectrum can be influenced in its intensity than would be the case with a strictly periodic lattice.
  • FIG. 12 shows a schematic plan view of a feature area 120 with a rectangular cross grid 122 that is periodic in two spatial directions.
  • the sequence of hatched and non-hatched rectangles 124, 126 represents higher or lower metallized areas, as in cross section, for example are shown in Fig. 8.
  • the period lengths in the x-direction and y-direction, px and py are generally different.
  • the cross grating 122 produces a different color impression in the polarized light, depending on whether the light is polarized vertically or horizontally. For viewing With unpolarized light, the viewer perceives a mixed color.
  • the period lengths px and py are the same, then the cross lattice when viewed with unpolarized light looks just as if viewed with vertically or horizontally polarized light.
  • the arbitrarily shaped elements can be distributed statistically or stochastically on the surface that should appear in color.
  • the variants described in the one-dimensional subwavelength gratings in particular the use of wood anomalies and the combination of the subwavelength gratings with diffraction gratings, can also be used for two-dimensional cross gratings and the one- or two-dimensional structural element arrangements.
  • a particular advantage of the metallic nanostructures according to the invention is that they can be arranged even in small microstructures with dimensions of a few micrometers in a sufficient number of periods or quasi-periods.
  • Typical examples of such microstructures are letters and symbols that form the micromotif images of a moiré magnification device.
  • the mode of operation and advantageous arrangements for such moire magnification arrangements are described in the publications DE 10 2005 062132 A1 and WO 2007/076952 A2, the disclosure content of which is incorporated in the present application in this respect. If such microstructures are filled with nanostructures according to the invention, they can be imparted a sparklingness, which is difficult or impossible to achieve otherwise, in particular with a plurality of colors in a very small space.
  • the color generation or blackening is accomplished by the excitation of plasmons in the respective nanostructures 152, 156, 158, as described above.
  • the line grating 156 whose period should be significantly smaller than the wavelength of visible light, in addition to the color effect, a polarizing effect will be observed.
  • the color that emerges in detail depends on the nature of the nanostructures and the nature of the dielectric embedding, as already explained in detail.
  • the deterministic structures 156, 158 of FIGS. 15 (b) and (c) can be obtained by embossing in UV varnish and subsequent application. vaporizing a metal layer of suitable thickness can be produced. If necessary, instead of a simple metal layer, a layer system can additionally be applied, as described above, in order to additionally reinforce the plasmonic color effects.
  • the surface areas provided with nanostructures may be located at the level of the vellum area or offset downwards or upwards relative to that level.
  • Typical embossing depths are in the range between 10 nm and 500 nm for the nanostructures and up to a maximum of 10 ⁇ m for the microstructures.
  • the velin region consists of an unstructured, smooth surface, while the surfaces forming the microstructures are provided with nanostructures.
  • the reversed case is also possible in which the microstructures do not undergo additional structuring, but the surrounding vein area is nanostructured.
  • a combination of both options is also possible, in which both the micromotif elements 160 and the surrounding velin region 162 are provided with nanostructures 164, 166, which each achieve different color effects.

Abstract

The invention relates to a security element (20) for security papers, value documents and the like, comprising a feature section (24) that selectively influences incident electromagnetic radiation (30). The security element according to the invention is characterized in that the feature section (24) contains metallic nano-structures (28) in which the incident electromagnetic radiation (30) excites volume or surface plasmons and/or produces resonance phenomena.

Description

Sicherheitselement security element
Die Erfindung betrifft ein Sicherheitselement für Sicherheitspapiere, Wert- dokumente und dergleichen mit einem Merkmalsbereich, der einfallende elektromagnetische Strahlung selektiv beeinflusst. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Sicherheitselements sowie ein Sicherheitspapier und einen Datenträger mit einem solchen Sicherheitselement.The invention relates to a security element for security papers, security documents and the like having a feature area that selectively influences incident electromagnetic radiation. The invention further relates to a method for producing such a security element as well as a security paper and a data carrier with such a security element.
Zur Echtheitsabsicherung von Kreditkarten, Banknoten und anderen Wertdokumenten werden seit einigen Jahren Hologramme, holographische Gitterbilder und andere hologrammähnliche Beugungsstrukturen eingesetzt. Metallisierte Prägehologramme, die vorzugsweise aus sinusförmigen Ober- flächenprofilen mit Gitter per ioden zwischen etwa 600 ran und 2 μm bestehen, dienen heutzutage auf unzähligen Banknoten als Zeichen ihrer Echtheit.To secure the authenticity of credit cards, banknotes and other value documents, holograms, holographic grating images and other hologram-like diffraction structures have been used for some years. Metallized embossed holograms, which preferably consist of sinusoidal surface profiles with gratings of between about 600 nm and 2 μm, are nowadays used on innumerable banknotes as a sign of their authenticity.
Um die Attraktivität und Fälschungssicherheit weiter zu steigern, wurde eine Vielzahl von optisch variablen Effekten entwickelt: Sobald die Banknote relativ zum Betrachter und/ oder zur Lichtquelle bewegt wird, verändert das Hologramm sein Erscheinungsbild drastisch. Besonders typisch sind Farbänderungen, die sich in sogenannten Lauf-, Kipp- oder Morph-Effekten manifestieren. Diese optische Variabilität sowie der metallische Glanz der metallisierten Hologrammfolien sorgen dafür, dass sich echte Banknoten deut- lieh von Fälschungen unterscheiden, die mithilfe von Farbdruckern erstellt wurden. Vergleichbare optische Variabilität kann mit handelsüblichen Farben nicht erreicht werden. Beugungsgitter, die Grundbausteine derartiger Hologramme, erzeugen grundsätzlich eine spektrale Farbaufspaltung.In order to further increase the attractiveness and security against counterfeiting, a large number of optically variable effects has been developed: as soon as the banknote is moved relative to the observer and / or to the light source, the hologram drastically changes its appearance. Particularly typical are color changes that manifest themselves in so-called run, tilt or morph effects. This optical variability as well as the metallic luster of the metallized hologram films make genuine banknotes clearly distinguishable from counterfeits created with the help of color printers. Comparable optical variability can not be achieved with commercially available colors. Diffraction gratings, the basic building blocks of such holograms, basically produce spectral color splitting.
Trotz des hohen Entwicklungsstandes, den die zum Schutz von Banknoten gegen Fälschung eingesetzten Hologramme mittlerweile erreicht haben, ge- langen immer bessere Fälschungen auf den Markt. Die in den Hologrammen verwendeten Gitterperioden von mindestens 600 nm sind nicht nur mit Elektronenstrahllithographie- Anlagen, sondern auch durch interferometri- sche Direktbelichtung mithilfe eines Lasers herstellbar, wodurch die Fäl- schungssicherheit der Hologramme deutlich vermindert wird. Besonders häufig werden Hologrammfälschungen mithilfe von Dot-Matrix-Systemen angefertigt, deren Funktionsweise letztlich ebenfalls auf der Interferenz von Laserstrahlen beruht.Despite the fact that the holograms used to protect banknotes against counterfeiting have now reached long better and better fakes on the market. The grating periods of at least 600 nm used in the holograms can be produced not only with electron beam lithography equipment, but also by interferometric direct exposure with the help of a laser, whereby the forgery security of the holograms is significantly reduced. Holographic counterfeiting is most frequently done using dot-matrix systems, whose operation ultimately relies on the interference of laser beams.
Seit einiger Zeit werden auch sogenannte Moire-Vergrößerungsanordnungen als Sicherheitsmerkmale eingesetzt. Die prinzipielle Funktionsweise derartiger Moire- Vergrößerungsanordnungen ist in dem Artikel „The moire magnifier", M.C. Hutley, R. Hunt, R.F. Stevens and P. Savander, Pure Appl. Opt. 3 (1994), pp. 133-142, beschrieben. Kurz gesagt bezeichnet Moire- Ver- größerung danach ein Phänomen, das bei der Betrachtung eines Rasters aus Bildobjekten durch ein Linsenraster mit annähernd demselben Rastermaß auftritt. Wie bei jedem Paar ähnlicher Raster ergibt sich dabei ein Moire- Muster, wobei in diesem Fall jeder der Moirestreifen in Gestalt eines vergrößerten und gedrehten Bildes der Elemente des Bildrasters erscheint.For some time, so-called Moire magnification arrangements are used as security features. The principal operation of such moiré magnification arrangements is described in the article "The Moire Magnifier", MC Hutley, R. Hunt, RF Stevens and P. Savander, Pure Appl. Opt. 3 (1994), pp. 133-142 After that, moire magnification refers to a phenomenon that occurs when viewing a raster of image objects through a lenticular of approximately the same pitch: as with any pair of similar rasters, this results in a moiré pattern, in which case each of the moire fringes in Shape of an enlarged and rotated image of the elements of the image grid appears.
Aufgrund der geringen Strichstärke der in derartigen Moire- Vergrößerungsanordnungen eingesetzten Buchstaben und Symbole von etwa einem Mikrometer war es bisher nicht möglich, farbige Buchstaben durch fein strukturierte metallische Oberflächen zu erzeugen. Beugungseffekte kommen für die Farbgebung kaum infrage, weil Gitter mit den üblichen Perioden nicht oder nur in Spezialfällen in den Linien, aus denen die Buchstaben bzw. Symbole des Mikrostrukturarrays bestehen, untergebracht werden können. Darüber hinaus egalisiert das zur Betrachtung eingesetzten Linsenarray die Winkelaufspaltung einzelner Spektralfarben, so dass klassische Gitterbeu- gung in der ersten Beugungsordnung zur Farbgebung in Moire- Vergrößerungsanordnungen oder in den allgemeineren Modulo- Vergrößerungsanordnungen wenig geeignet ist.Due to the low line width of the letters and symbols of about one micrometer used in such Moire magnification arrangements, it has hitherto not been possible to produce colored letters through finely structured metallic surfaces. Diffraction effects hardly come into question for the color scheme, because gratings with the usual periods can not be accommodated, or only in special cases, in the lines that make up the letters or symbols of the microstructure array. In addition, the lens array used for viewing equalizes the angle splitting of individual spectral colors, so that classical grating reflection In the first diffraction order for coloration in moiré magnification arrangements or in the more general modulo magnification arrangements is less suitable.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und insbesondere ein Sicherheitselement mit einem attraktiven visuellen Erscheinungsbild und hoher Fälschungssicherheit zu schaffen.Based on this, the object of the invention is to avoid the disadvantages of the prior art and in particular to provide a security element with an attractive visual appearance and high security against counterfeiting.
Diese Aufgabe wird durch das Sicherheitselement mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Sicherheitselements, ein Sicherheitspapier und ein Datenträger sind in den nebengeordneten Ansprüchen angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by the security element having the features of the main claim. A method for producing such a security element, a security paper and a data carrier are specified in the independent claims. Further developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Nach der Erfindung ist bei einem gattungsgemäßen Sicherheitselement vorgesehen, dass der Merkmalsbereich metallische Nanostrukturen enthält, in denen durch die einfallende elektromagnetische Strahlung Volumen- oder Oberflächenplasmonen angeregt und/ oder Resonanzerscheinungen hervor- gerufen werden.According to the invention, it is provided in a generic security element that the feature area contains metallic nanostructures in which volume or surface plasmons are excited by the incident electromagnetic radiation and / or resonance phenomena are caused.
Plasmonen sind kollektive Schwingungen der freien Elektronen relativ zu den Ionenrümpfen in Metallen. Bei der sogenannten Plasmafrequenz tritt eine erhöhte Absorption des anregenden Lichtes auf. Durch Rekombination von Plasmonen in Strahlung kann Lichtstreuung auftreten, vor allem, wenn das Metall in Partikelform vorliegt. Oberflächenplasmon-Polaritonen (SPs) sind an metallische Grenzflächen gebundene elektromagnetische Strahlung, die sich entlang ihrer Grenzschicht ausbreitet und dabei eine Absorption erleidet. Die Anregung von Oberflächenplasmon-Polaritonen erfolgt über die Impulsanpassung des einfallenden Lichtes und den Oberflächenplasmon- Polaritonen über ein Dielektrikum bzw. über den reziproken Gittervektor der periodischen Strukturierung der Metalloberfläche.Plasmons are collective vibrations of the free electrons relative to the ion bodies in metals. In the so-called plasma frequency occurs an increased absorption of the exciting light. Recombination of plasmon into radiation can cause light scattering, especially if the metal is in particulate form. Surface plasmon polaritons (SPs) are electromagnetic radiation bound to metallic interfaces that spreads along their boundary layer, thereby absorbing. The excitation of surface plasmon polaritons via the Impulse matching of the incident light and the surface plasmon polaritons via a dielectric or via the reciprocal lattice vector of the periodic structuring of the metal surface.
Ferner können an Subwellenlängengittern außergewöhnliche Intensitätsänderungen in der Transmission bzw. in der Reflexion auftreten, wenn das einfallende Licht zu Resonanzen in den Zwischenräumen bzw. in den Hohlräumen der Gitterstruktur führt. Auch derartige Resonanzeffekte können durch die Anregung von Oberflächenplasmonen bzw. Oberflächenpolarito- nen durch die einfallende Strahlung erklärt werden. Man kann bei Transmissionsgittern hierbei eine starke Intensitätsumverteilung zwischen Reflexion und Transmission für bestimmte Wellenlängenbereiche beobachten. Diese sogenannten Hohlraumresonanzen führen ebenso zu einer erhöhten Absorption des Lichtes. Erwähnenswert ist, dass dieser Effekt auch eine außerge- wohnliche Transmissionserhöhung hervorrufen kann.Furthermore, extraordinary intensity changes in the transmission or in the reflection can occur at subwavelength gratings if the incident light leads to resonances in the interspaces or in the cavities of the grating structure. Such resonance effects can also be explained by the excitation of surface plasmons or surface polarities by the incident radiation. In the case of transmission gratings, a strong intensity redistribution between reflection and transmission can be observed for certain wavelength ranges. These so-called cavity resonances also lead to increased absorption of the light. It is worth noting that this effect can also cause an extraordinary increase in transmission.
Auch wenn die genannten physikalischen Effekte gegenwärtig als die korrekte Beschreibung der auftretenden Phänomene angesehen werden, ist die vorliegende Erfindung durch die räumlich-körperliche Ausgestaltung der vorgeschlagenen Sicherheitselemente definiert und nicht an die gegebene Erklärung der Phänomene durch Anregung von Volumen- oder Oberflächenplasmonen oder dem Auftreten von Resonanzerscheinungen gebunden.Although the physical effects mentioned are currently considered to be the correct description of phenomena occurring, the present invention is defined by the physical design of the proposed security elements and not by the explanation of the phenomena by excitation of bulk or surface plasmons or the occurrence of Tied resonance phenomena.
Im Rahmen der Erfindung ist bevorzugt, wenn der Merkmalsbereich des Sicherheitselements einfallende elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich selektiv beeinflusst. Insbesondere kann der Merkmalsbereich einfallende elektromagnetische Strahlung selektiv reflektieren und/ oder transmittieren. Beispielsweise kann der Merkmalsbereich bestimmte Spektralanteile des sichtbaren Lichts reflektieren und andere Spektralanteile des sichtbaren Lichts transmittieren und so in Reflexion und Transmission mit unterschiedlichen Farben erscheinen.Within the scope of the invention, it is preferred if the feature region of the security element selectively influences incident electromagnetic radiation in the visible spectral range. In particular, the feature region may selectively reflect and / or transmit incident electromagnetic radiation. For example, the feature region may reflect certain spectral components of visible light and other spectral components of the visible light transmit visible light and so appear in reflection and transmission with different colors.
Zur Ausbildung eines Durchsichtssicherheitselements kann der Merkmals- bereich insbesondere transparent oder transluzent ausgebildet sein. Bei Sicherheitselementen, die auf Betrachtung in Reflexion ausgelegt sind, kann der Merkmalsbereich oder das Substrat des Sicherheitselements auch opak sein.In order to form a see-through security element, the feature area can be designed, in particular, as transparent or translucent. For security elements that are designed to be viewed in reflection, the feature area or the substrate of the security element may also be opaque.
Der Merkmalsbereich kann in verschiedenen Teilbereichen verschiedene metallische Nanostrukturen enthalten, beispielsweise um verschiedenfarbige Bereiche innerhalb des Sicherheitselements zu erzeugen.The feature area may contain different metallic nanostructures in different subareas, for example to produce areas of different colors within the security element.
In einer bevorzugten Erfindungsvariante weist der Merkmalsbereich als me- tallische Nanostrukturen metallische Nanopartikel auf, die in ein Trägermedium eingebettet sind. Vorteilhaft weisen die metallischen Nanopartikel eine größte Abmessung zwischen 2 nm und 400 nm, bevorzugt zwischen 5 nm und 300 nm und besonders bevorzugt zwischen 10 nm und 200 nm auf.In a preferred variant of the invention, the feature area has metal nanoparticles as metallic nanostructures which are embedded in a carrier medium. Advantageously, the metallic nanoparticles have a largest dimension between 2 nm and 400 nm, preferably between 5 nm and 300 nm and particularly preferably between 10 nm and 200 nm.
Die metallischen Nanopartikel können im Wesentlichen kugelförmig ausgebildet sein, können aber auch mit einer Vorzugsrichtung, insbesondere als Rotationsellipsoide oder in Stäbchen- oder Plättchenform ausgebildet sein.The metallic nanoparticles may be substantially spherical in shape, but may also be formed with a preferred direction, in particular as ellipsoids of revolution or in the form of a rod or plate.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die metallischen Nanopartikel aus homogenen metallischen Partikeln gebildet, insbesondere aus Au-, Ag-, Cu- oder AI-Partikeln, da bei diesen die beschriebenen Farbeffekte im sichtbaren Spektralbereich beobachtbar sind. Daneben kommen auch andere Metalle in Betracht, wie etwa Ni, Cr, Wo, Vd, Pd und Pt sowie Legierungen eines oder mehrere der genannten Metalle. Alternativ können die metallischen Nano- partikel aus Kern-Hülle-Partikeln gebildet sein, bei denen eines der Materialien von Kern und Hülle ein Metall, insbesondere Au, Ag, Cu, Al, ein anderes der oben genannte Metalle oder eine Metalllegierung ist. Das andere der Materialien von Kern und Hülle ist vorteilhaft ebenfalls ein Metall oder ein Dielektrikum.In an advantageous embodiment, the metallic nanoparticles are formed from homogeneous metallic particles, in particular from Au, Ag, Cu or Al particles, since in these the described color effects in the visible spectral range are observable. In addition, other metals come into consideration, such as Ni, Cr, Wo, Vd, Pd and Pt and alloys of one or more of the metals mentioned. Alternatively, the metallic nano Particles may be formed from core-shell particles in which one of the core and shell materials is a metal, in particular Au, Ag, Cu, Al, another of the above-mentioned metals or a metal alloy. The other of the core and shell materials is also advantageously a metal or dielectric.
Um die Nanopartikel nach dem Aufbringen durch ein Magnetfeld anordnen oder ausrichten zu können, kann vorgesehen sein, dass eines der Materialien von Kern und Hülle magnetisch ist. Der Merkmalsbereich kann weiter eine Mischung verschiedener metallischer Nanopartikel enthalten, insbesondere eine Mischung von Nanopartikeln unterschiedlichen Durchmessers.In order to be able to arrange or align the nanoparticles after application by a magnetic field, it may be provided that one of the materials of core and shell is magnetic. The feature region may further comprise a mixture of different metallic nanoparticles, in particular a mixture of nanoparticles of different diameters.
Das Trägermedium ist im Rahmen der Erfindung vorzugsweise durch eine transparente oder gefärbte Lackschicht gebildet.The carrier medium is preferably formed within the scope of the invention by a transparent or colored lacquer layer.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Merkmalsbereich eine strukturierte Oberfläche mit Erhebungen und Vertiefungen auf, wobei die metallischen Nanopartikel in den Vertiefungen der strukturierten Oberfläche angeordnet sind. Die strukturierte Oberfläche kann insbesondere durch ein thermoplastisch prägbares Material oder eine geprägte Lackschicht, insbesondere eine geprägte UV-Lackschicht, gebildet sein. In manchen Ausgestaltungen ist die strukturierte Oberfläche zweckmäßig metallisiert.In one development of the invention, the feature area has a structured surface with elevations and depressions, wherein the metallic nanoparticles are arranged in the depressions of the structured surface. The structured surface may in particular be formed by a thermoplastically embossable material or an embossed lacquer layer, in particular an embossed UV lacquer layer. In some embodiments, the structured surface is suitably metallized.
Zur Kombination der Farbeffekte der Nanopartikel mit Beugungseffekten kann die strukturierte Oberfläche eine Beugungsstruktur bilden, die die einfallende elektromagnetische Strahlung spektral aufspaltet. Je nach gewünschter Farbwirkung kann die strukturierte Oberfläche in einer oder zwei Raumrichtungen periodisch oder auch stochastisch ausgebildet sein.To combine the color effects of the nanoparticles with diffraction effects, the structured surface can form a diffraction structure which spectrally splits the incident electromagnetic radiation. Depending on the desired color effect, the structured surface may be formed periodically or stochastically in one or two spatial directions.
Der Merkmalsbereich kann weiter eine Metallschicht enthalten, über der die metallischen Nanostrukturen angeordnet sind. In einer Weiterbildung der Erfindung enthält der Merkmalsbereich ein Dünnschichtelement mit Farb- kippeffekt, das eine Metallschicht, eine Absorberschicht und eine zwischen der Reflexionsschicht und der Absorberschicht angeordnete dielektrische Abstandsschicht aufweist, wobei die metallischen Nanopartikel in der dielektrischen Abstandsschicht angeordnet sind. Die Metallschicht kann spiegelnd oder, falls das Sicherheitselement in Durchsicht betrachtet werden soll, auch semitransparent ausgebildet sein.The feature region may further include a metal layer over which the metallic nanostructures are disposed. In a further development of the invention, the feature region contains a color shift-effect thin-film element which has a metal layer, an absorber layer and a dielectric spacer layer arranged between the reflection layer and the absorber layer, wherein the metallic nanoparticles are arranged in the dielectric spacer layer. The metal layer may be reflective or, if the security element is to be viewed in a transparent manner, also semitransparent.
Nach einer weiteren ebenfalls vorteilhaften Erfindungsvariante enthält der Merkmalsbereich als metallische Nanostrukturen ein oder mehrere Subwel- lenlängengitter mit Gitterperioden unterhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Die Subwellenlängengitter können beispielsweise als Binärstrukturen ausgebildet sein, die ausschließlich ebene metallische Flächenabschnitte auf nur zwei verschiedenen Höhenstufen enthalten, oder als Multilevelstruktu- ren, die ausschließlich ebene metallische Flächenabschnitte auf n verschiedenen Höhenstufen enthalten, wobei n zwischen 3 und 16 liegt. In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Subwellenlängengitter ein z-förmiges Metallprofil auf.According to a further likewise advantageous variant of the invention, the feature region contains as metallic nanostructures one or more sub-wavelength gratings with grating periods below the wavelength of the visible light. The subwavelength gratings can be designed, for example, as binary structures that contain only flat metallic surface sections at only two different height levels, or as multilevel structures that contain only flat metallic surface sections at n different height levels, where n lies between 3 and 16. In a preferred embodiment, the subwavelength gratings have a z-shaped metal profile.
Auch die Subwellenlängengitter können mit einer Beugungsstruktur kombiniert sein, die die einfallende elektromagnetische Strahlung spektral aufspaltet. Zur spektralen Verbreiterung der auftretenden Resonanzen können die Subwellenlängengitter Gitterlinien einer variierenden Breite aufweisen. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden durch Subwel- lenlängengitter, die eine laterale Variation der Gitterprofile, insbesondere eine laterale Variation der Profiltiefen, aufweisen, lateral unterschiedliche Farbeindrücke erzeugt. In die Sicherheitselemente können auf diese Weise beliebige farbige Bilder eingebracht werden, beispielsweise gerasterte Farbbilder, die aus einer Vielzahl kleiner und verschiedenfarbiger Pixelelemente bestehen.The subwavelength gratings can also be combined with a diffraction structure which spectrally splits the incident electromagnetic radiation. For spectral broadening of the occurring resonances, the subwavelength gratings can have grating lines of a varying width. In an advantageous development of the invention, subwoofer gratings which have a lateral variation of the grating profiles, in particular a lateral variation of the tread depths, laterally produce different color impressions. In the security elements can be introduced in this way any color images, such as rasterized color images, which consist of a variety of small and different colored pixel elements.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung enthält das Sicherheitselement ein far- biges Bild aus einer Mehrzahl von Pixelelementen, wobei die Gitterprofile innerhalb eines Pixelelements jeweils konstant sind und bei dem die Gitterprofile verschiedenfarbiger Pixelelemente entsprechend dem jeweils gewünschten Farbeindruck unterschiedlich ausgebildet sind. Alternativ kann der Farbeindruck eines Pixelelements auch durch Farbmischung von Unter- bereichen mit unterschiedlichen Gitterprofilen erzeugt sein. Beispielsweise können drei verschiedene Arten von Unterbereichen für die Farben Rot, Grün und Blau vorgesehen sein und der Farbeindruck jeden Pixelelements durch die Wahl der Flächenanteile der drei Unterbereiche entsprechend dem gewünschten RGB-Wert des Pixels festgelegt sein.In an advantageous embodiment, the security element contains a color image of a plurality of pixel elements, wherein the grating profiles within a pixel element are respectively constant and in which the grating profiles of differently colored pixel elements are formed differently according to the respectively desired color impression. Alternatively, the color impression of a pixel element can also be produced by color mixing subregions with different grating profiles. For example, three different types of subregions may be provided for the colors red, green and blue, and the color impression of each pixel element may be determined by the choice of the area proportions of the three subregions corresponding to the desired RGB value of the pixel.
Die Farbbilderzeugung durch Subwellenlängengitter eignet sich insbesondere für schräg metallisch bedampfte dielektrische Gitter, die in Transmission und Reflexion unterschiedliche Farben zeigen, wie weiter unten genauer erläutert. Aufgrund des asymmetrischen Gitterprofils ist dabei in der Regel auch eine Asymmetrie der Farberscheinung im Betrachtungswinkel in Transmission bzw. in Reflexion zu beobachten. Die laterale Variation des Gitterprofils kann insbesondere in einer lateralen Variation der Grabentiefe des metallisierten dielektrischen Gitters bestehen. Neben Binärstrukturen kom- men auch schräg bedampfte asymmetrische Multilevelprof ile mit lateral unterschiedlichen Tiefen in Betracht.The color image generation by subwavelength gratings is particularly suitable for obliquely metallized vapor-deposited dielectric gratings, which exhibit different colors in transmission and reflection, as explained in more detail below. Due to the asymmetric grating profile, an asymmetry of the color appearance in the viewing angle in transmission or in reflection is generally observed as well. The lateral variation of the grating profile may in particular consist of a lateral variation of the trench depth of the metallized dielectric grating. In addition to binary structures, asymmetric multilevel profiles with laterally different depths are also possible.
Um Subwellenlängengitter mit unterschiedlicher Profiltiefe zu erzeugen, kann beispielsweise wie folgt vorgegangen werden: Zunächst wird auf ein Gittersubstrat mit lateral konstanter Grabentiefe Photolack aufgebracht, so dass die Gräben komplett gefüllt sind. Dann wird das Substrat mit dem aufgebrachten Photolack mit Laserstrahlung lateral unterschiedlicher Intensität beaufschlagt und die Gräben durch Entfernen des belichteten Photolacks teilweise freigelegt.In order to produce subwavelength gratings with different tread depths, it is possible, for example, to proceed as follows: First of all, photoresist is applied to a grating substrate with laterally constant trench depth, so that the trenches are completely filled. Then, the substrate is applied with the applied photoresist with laser radiation laterally different intensity and the trenches partially exposed by removing the exposed photoresist.
Für die Farberzeugung kommt als zugrunde liegender physikalischer Effekt insbesondere die Polarisationskonversion durch Resonanzanregung an Gittern infrage, die zu einer selektive Transmission bzw. Reflexion bei Anord- nung eines Subwellenlängengitter s zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren führt.For the color production, the underlying physical effect is, in particular, the polarization conversion by resonance excitation at gratings, which leads to a selective transmission or reflection when a sub-wavelength grating is arranged between two crossed polarizers.
Die Gitterperioden der Subwellenlängengitter liegen vorzugsweise zwischen 10 nm und 500 nm, bevorzugt zwischen 50 nm und 400 nm und besonders bevorzugt zwischen 100 nm und 350 nm.The grating periods of the sub-wavelength gratings are preferably between 10 nm and 500 nm, preferably between 50 nm and 400 nm and particularly preferably between 100 nm and 350 nm.
Die Subwellenlängengitter können durch lineare, eindimensionale Gitter gebildet sein oder auch durch zweidimensionale Kreuzgitter, die in einer oder zwei Raumrichtungen periodisch sind. In einer weiteren Variante sind die Subwellenlängengitter durch ein- oder zweidimensionale wiederholte Anordnung von metallischen Strukturelementen gebildet, wobei die Strukturelemente insbesondere in Form von Quadraten, Rechtecken, Kreisflächen, Ringstrukturen, Streifen oder einer Kombination dieser Elemente oder eine beliebige andere Form gebildet sind. Als weitere Formen kommen insbeson- dere Kugeln, Rhomben oder Stäbchen, aber auch stark asymmetrische Formen, wie etwa offene Ringe, in Betracht. Alle genannten Anordnungen können in einer oder zwei Raumrichtungen periodisch sein.The subwavelength gratings can be formed by linear, one-dimensional grids or by two-dimensional cross gratings, which are periodic in one or two spatial directions. In a further variant, the subwavelength gratings are formed by one or two-dimensional repeated arrangement of metallic structural elements, wherein the structural elements are formed in particular in the form of squares, rectangles, circular areas, ring structures, stripes or a combination of these elements or any other shape. As other forms, especially spheres, diamonds or rods, but also strongly asymmetric shapes, such as open rings, into consideration. All said arrangements may be periodic in one or two spatial directions.
Neben ein- oder zweidimensionalen linearen Gittern können erfindungsgemäß auch ein- oder zweidimensionale gekrümmte Gitter vorgesehen sein. Bei diesen gekrümmten Gittern verändert sich der Azimutwinkel der Gitterlinien ohne abrupte Sprünge kontinuierlich. Der Azimutwinkel gibt dabei den lokalen Winkel zwischen den Gitterlinien (genauer einer Tangente an die Gitterlinien) und einer Referenzrichtung an, beschreibt also die lokale Orientierung der Gitterlinien in der Ebene.In addition to one-dimensional or two-dimensional linear gratings, one or two-dimensional curved gratings can also be provided according to the invention. In these curved gratings, the azimuth angle of the grating lines continuously changes without abrupt jumps. The azimuth angle indicates the local angle between the grid lines (more precisely a tangent to the grid lines) and a reference direction, thus describing the local orientation of the grid lines in the plane.
Die Subwellenlängengitter können in ein Interferenzschichtsystem integriert sein, um ihre optische Wirkung zu modifizieren oder zu verstärken.The subwavelength gratings may be integrated into an interference layer system to modify or enhance their optical effect.
In allen Erfindungsvarianten kann der Merkmalsbereich in Form von Mustern, Zeichen oder einer Codierung vorliegen.In all variants of the invention, the feature area may be in the form of patterns, characters or a code.
Aufgrund der Kleinheit der metallischen Nanostrukturen können diese mit besonderem Vorteil in Sicherheitselementen eingesetzt werden, deren Merkmalsbereiche Mikrostrukturen mit einer Strichstärke zwischen etwa 1 μm und etwa 10 μm enthalten. Beispiele derartiger Sicherheitselemente stellen mikrooptische Moire- Vergrößerungsanordnungen dar, wie sie in den Druckschriften DE 10 2005 062 132 Al und WO 2007/076952 A2 beschrieben sind, mikrooptische Vergrößerungsanordnung vom Moiretyp, wie sie in den Anmeldungen DE 10 2007029203.3 und PCT/EP2008/005173 beschrieben sind, sowie Modulo-Vergrößerungsanordnungen, wie sie in der Anmeldung PCT/EP2008/005172 beschrieben sind. Alle diese mikrooptischen Vergrößerungsanordnungen enthalten ein Motivbild mit Mikrostrukturen, das bei Betrachtung mit einem geeignet abgestimmten Betrachtungsraster ein vorgegebenes Sollbild rekonstruiert. Wie in den oben genannten Druckschriften und Anmeldungen genauer erläutert, lassen sich dabei eine Vielzahl visuell attraktiver Vergrößerungs- und Bewegungseffekte erzeugen, die zu einem hohen Wiedererkennungswert und einer hohen Fälschungssicherheit der erzeugten Sicherheitselemente führen.Due to the small size of the metallic nanostructures, these can be used with particular advantage in security elements whose feature areas contain microstructures with a line width between about 1 μm and about 10 μm. Examples of such security elements are micro-optical moiré magnification arrangements, as described in the publications DE 10 2005 062 132 A1 and WO 2007/076952 A2, moiré-type micro-optical magnification arrangement, as described in the applications DE 10 2007029203.3 and PCT / EP2008 / 005173 and modulo magnification arrangements as described in application PCT / EP2008 / 005172. All of these micro-optical magnification arrangements contain a motif image with microstructures Viewing reconstructed with a suitably coordinated viewing grid a predetermined target image. As explained in more detail in the abovementioned publications and applications, a multiplicity of visually attractive enlargement and movement effects can be generated, which lead to a high recognition value and a high security against forgery of the generated security elements.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bilden die Mikrostrukturen dazu ein Motivbild, das in eine Mehrzahl von Zellen eingeteilt ist, in de- nen jeweils abgebildete Bereiche eines vorgegebenen Sollbilds angeordnet sind. Die lateralen Abmessungen der abgebildeten Bereiche liegen vorzugsweise zwischen etwa 5 μm und etwa 50 μm, insbesondere zwischen etwa 10 μm und etwa 35 μm. Bei den oben zuerst genannten mikrooptischen Moire-Vergrößerungsanordnungen stellen die abgebildeten Bereiche der Zellen des Motivbilds jeweils verkleinerte Abbilder des vorgegebenen Sollbilds dar, die vollständig innerhalb einer Zelle Platz finden. Bei den mikrooptischen Vergrößerungsanordnungen vom Moiretyp stellen die abgebildeten Bereiche mehrerer beabstandeter Zellen des Motivbilds zusammengenommen jeweils ein verkleinertes Abbild des Sollbilds dar, dessen Ausdehnung größer als eine Zelle des Motivbilds ist. Im allgemeinsten Fall stellt die Vergrößerungsanordnung eine Modulo-Vergrößerungsanordnung dar, bei der die abgebildeten Bereiche der Zellen des Motivbilds jeweils durch eine Modulo-Opera- tion abgebildete, nicht vollständige Ausschnitte des vorgegebenen Sollbilds darstellen.In an advantageous development of the invention, the microstructures form a motif image, which is divided into a plurality of cells, in each of which imaged regions of a predetermined target image are arranged. The lateral dimensions of the imaged regions are preferably between about 5 μm and about 50 μm, in particular between about 10 μm and about 35 μm. In the micro-moire micro magnification arrangements first mentioned above, the imaged areas of the cells of the motif image each represent downsized images of the predetermined target image that are completely accommodated within a cell. In the moiré-type micro-optical magnification arrangements, the imaged areas of a plurality of spaced-apart cells of the motif image taken together constitute a reduced image of the target image whose extent is larger than a cell of the motif image. In the most general case, the magnification arrangement represents a modulo magnification arrangement, in which the imaged regions of the cells of the motif image in each case represent incomplete sections of the predetermined reference image imaged by a modulo operation.
Das Sicherheitselement weist vorzugsweise weiter ein Betrachtungsraster aus einer Mehrzahl von Betrachtungsrasterelementen zur Rekonstruktion des vorgegebenen Sollbilds bei der Betrachtung des Motivbilds mithilfe des Betrachtungsrasters auf. Die lateralen Abmessungen der Betrachtungsraster- elemente liegen dabei mit Vorteil zwischen etwa 5 μm und etwa 50 μm, insbesondere zwischen etwa 10 μm und etwa 35 μm.The security element preferably further comprises a viewing grid of a plurality of viewing grid elements for reconstructing the predetermined target image when viewing the motif image using the viewing grid. The lateral dimensions of the viewing grid Elements are advantageously between about 5 microns and about 50 microns, in particular between about 10 microns and about 35 microns.
Im Spezialf all einer mikrooptischen Moire- Vergrößerungsanordnung wird als Mikrostruktur vorzugsweise ein Motivbild aus einer planaren periodischen oder zumindest lokal periodischen Anordnung einer Mehrzahl von Mikromotivelementen aufgebracht. Die lateralen Abmessungen der Mikro- motivelemente liegen dabei mit Vorteil zwischen etwa 5 μm und etwa 50 μm, vorzugsweise zwischen etwa 10 μm und etwa 35 μm. Zusätzlich wird die gegenüberliegende Seite des Trägers zweckmäßig mit einer planaren periodischen oder zumindest lokal periodischen Anordnung einer Mehrzahl von Mikrofokussierelementen zur Moire-vergrößerten Betrachtung der Mikro- motivelemente des Motivbilds versehen. In manchen Ausgestaltungen bietet es sich an, die Mikrofokussierelemente und die Mikromotivelemente auf derselben Seite des Trägers anzuordnen. Auch beidseitige Gestaltungen, bei denen eine Mikromotivelement- Anordnung durch zwei gegenüberliegende Mikrof okussierelement- Anordnungen betrachtet werden kann, kommen infage.In the special case of a micro-optical moire magnification arrangement, a motif image of a planar periodic or at least locally periodic arrangement of a plurality of micromotif elements is preferably applied as the microstructure. The lateral dimensions of the microparticles are advantageously between about 5 μm and about 50 μm, preferably between about 10 μm and about 35 μm. In addition, the opposite side of the carrier is expediently provided with a planar periodic or at least locally periodic arrangement of a plurality of microfocusing elements for moire-magnified viewing of the micro-motif elements of the motif image. In some embodiments, it is appropriate to arrange the microfocusing elements and the micromotif elements on the same side of the carrier. Also bilateral designs in which a Mikromotivelement- arrangement can be considered by two opposing microfine okussierelement- arrangements come infage.
Die Erfindung enthält auch ein Verfahren zum Herstellen eines Sicherheitselements der beschriebenen Art, bei dem das Sicherheitselement in einem Merkmalsbereich mit metallischen Nanostrukturen versehen wird, in denen durch die einfallende elektromagnetische Strahlung Volumen- oder Oberflä- chenplasmonen angeregt und/ oder Resonanzerscheinungen hervorgerufen werden.The invention also includes a method for producing a security element of the type described, in which the security element is provided in a feature area with metallic nanostructures in which volume or surface plasmons are excited by the incident electromagnetic radiation and / or resonance phenomena are produced.
In einer vorteilhaften Verfahrensvariante werden als metallische Nanostrukturen dabei in ein Trägermedium eingebettete metallische Nanopartikel auf ein Substrat aufgebracht, insbesondere aufgedruckt. Sind die metallischen Nanopartikel magnetisch, so können sie nach dem Aufbringen auf das Substrat durch ein externes Magnetfeld ausgerichtet und/ oder angeordnet werden. Zweckmäßig werden die Nanopartikel nach dem Ausrichten und/ oder Anordnen durch Trocknen oder Härten des Trä- germediums immobilisiert.In an advantageous variant of the method, metallic nanoparticles embedded in a carrier medium are applied to a substrate, in particular printed, as metallic nanostructures. If the metallic nanoparticles are magnetic, they can be aligned and / or arranged by an external magnetic field after application to the substrate. After being aligned and / or arranged, the nanoparticles are expediently immobilized by drying or hardening of the carrier medium.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird das Substrat mit einer strukturierten Oberfläche mit Erhebungen und Vertiefungen versehen und es werden metallische Nanopartikel in die Vertiefungen der strukturierten Oberfläche eingebracht. Dazu kann mit Vorteil ein fluides Trägermedium mit den metallischen Nanopartikeln auf die strukturierte Oberfläche aufgebracht, beispielsweise aufgedruckt werden, und die strukturierte Oberfläche dann geräkelt oder gewischt werden, so dass die metallischen Nanopartikel nur in den Vertiefungen der strukturierten Oberfläche zurückbleiben. Danach wird die strukturierte Oberfläche mit den in den Vertiefungen eingebrachten Nanopartikeln vorteilhaft mit einer Lackschicht abgedeckt.In an advantageous development, the substrate is provided with a structured surface with elevations and depressions, and metallic nanoparticles are introduced into the depressions of the structured surface. For this purpose, a fluid carrier medium with the metallic nanoparticles can advantageously be applied to the structured surface, for example printed, and the structured surface can then be knurled or wiped so that the metallic nanoparticles remain only in the depressions of the structured surface. Afterwards, the structured surface with the nanoparticles introduced in the depressions is advantageously covered with a lacquer layer.
In einer anderen ebenfalls vorteilhaften Verfahrensvariante werden als metallische Nanostrukturen ein oder mehrere Subwellerüängengitter mit Git- terperioden unterhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichts auf ein Substrat aufgebracht. Dazu kann beispielsweise in eine Prägelackschicht eine Reliefstruktur in Form der gewünschten Subwellenlängengitter eingeprägt werden und auf diese Reliefstruktur eine Metallisierung aufgebracht, insbesondere aufgedampft werden. Die Metallisierung wird zweckmäßig in einem Auf- dampfwinkel Q aufgedampft, der zwischen 0° und 90°, vorzugsweise zwischen 30° und 80° liegt. Die metallisierte Reliefstruktur wird dann vorteilhaft mit einer weiteren Lackschicht abgedeckt. AIs Subwellenlängengitter kann auch eine ein- oder zweidimensionale wiederholte Anordnung von metallischen Strukturelementen auf das Substrat aufgebracht, insbesondere aufgedampft werden, wie weiter unten genauer beschrieben.In another likewise advantageous variant of the method, one or more subweller-entry gratings with grating periods below the wavelength of the visible light are applied to a substrate as metallic nanostructures. For this purpose, for example, a relief structure in the form of the desired sub-wavelength gratings can be embossed into an embossing lacquer layer and a metallization applied to this relief structure, in particular by vapor deposition. The metallization is expediently evaporated in a vapor deposition angle Q which lies between 0 ° and 90 °, preferably between 30 ° and 80 °. The metallized relief structure is then advantageously covered with a further lacquer layer. As a sub-wavelength grating, a one or two-dimensional repeated arrangement of metallic structural elements can also be applied to the substrate, in particular vapor-deposited, as described in more detail below.
In einem weiteren vorteilhaften Herstellungsverfahren werden die Nano- strukturen durch Laserbestrahlung einer dünnen Metallschicht erzeugt. Die Metallschicht kann dabei auf strukturierten oder unstrukturierten Bereichen eines Substrats angeordnet sein und entweder frei liegen oder eingebettet sein. Die Metallschicht kann sowohl vollflächig sein und mit einem Laser vollflächig beschossen werden, als auch nur bereichsweise ausgebildet sein, so dass die Laserbestrahlung nur in den metallisierten und beleuchteten Bereichen zur Ausbildung von Nanostrukturen führt. In einer weiteren Ausgestaltung kann eine vollflächige Metallschicht nur an vorbestimmten Stellen mit Laserstrahlung, beispielsweise der Strahlung eines fokussierten Lasers, senkrecht oder schräg beleuchtet werden, so dass Nanostrukturen nur an den beleuchteten Stellen entstehen.In a further advantageous production method, the nanostructures are produced by laser irradiation of a thin metal layer. The metal layer can be arranged on structured or unstructured regions of a substrate and can either be exposed or embedded. The metal layer can be both full-surface and be bombarded with a laser over the entire surface, as well as only partially formed, so that the laser irradiation leads to the formation of nanostructures only in the metallized and illuminated areas. In a further embodiment, a full-area metal layer can only be illuminated at predetermined locations with laser radiation, for example the radiation of a focused laser, perpendicularly or obliquely, so that nanostructures arise only at the illuminated locations.
Die Erfindung enthält ferner ein Sicherheitspapier für die Herstellung von Wertdokumenten oder dergleichen sowie einen Datenträger, insbesondere ein Wertdokument, wie eine Banknote, ein Pass, eine Urkunde, eine Ausweiskarte oder dergleichen. Das Sicherheitspapier bzw. der Datenträger sind erfindungsgemäß mit einem Sicherheitselement der beschriebenen Art ausgestattet. Das Sicherheitselement kann, insbesondere wenn es auf einem transparenten oder transluzenten Substrat vorliegt, auch in oder über einem Fensterbereich oder einer durchgehenden Öffnung des Sicherheitspapiers bzw. des Datenträgers angeordnet sein. Weitere Ausführungsbeispiele sowie Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Zur besseren Anschaulichkeit wird in den Figuren auf eine maßstabs- und proportionsgetreue Darstellung verzichtet.The invention further includes a security paper for the production of value documents or the like and a data carrier, in particular a value document, such as a banknote, a passport, a document, an identity card or the like. The security paper or the data carrier are equipped according to the invention with a security element of the type described. The security element can, in particular if it is present on a transparent or translucent substrate, also be arranged in or above a window area or a through opening of the security paper or the data carrier. Further embodiments and advantages of the invention are explained below with reference to the figures. For better clarity, a scale and proportioned representation is omitted in the figures.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Banknote mit einemFig. 1 is a schematic representation of a banknote with a
Durchsichtssicherheitselement und einem aufgeklebten Trans- ferelement, jeweils nach Ausführungsbeispielen der Erfindung,See-through security element and a glued transfer element, in each case according to exemplary embodiments of the invention,
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Durchsichtssicherheitselement imFig. 2 shows an inventive see-through safety element in
Querschnitt,Cross-section,
Fig. 3 bis 5 Ausführungsbeispiele mit strukturierten Oberflächen zur Steuerung der räumlichen Verteilung der metallischen Nanoparti- kel,3 to 5 exemplary embodiments with structured surfaces for controlling the spatial distribution of the metallic nanoparticles,
Fig. 6 in (a) bis (c) Aufsichten auf Merkmalsbereiche weiterer erfin- dungsgemäßer Sicherheitselemente,6 (a) to (c) are plan views of feature areas of further security elements according to the invention,
Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel, bei dem metallische Nanopartikel in ein Dünnschichtelement mit Farbkippeffekt integriert sind,7 shows an exemplary embodiment in which metallic nanoparticles are integrated into a thin-film element with a color-shift effect,
Fig. 8 und 9 schematische Querschnitte durch erfindungsgemäße Sicherheitselemente mit Subwellenlängengitter,8 and 9 are schematic cross sections through security elements according to the invention with subwavelength gratings,
Fig. 10 stark schematisiert die Farbigkeit bestimmter, erfindungsgemäßer Subwellenlängengitter in Abhängigkeit von dem Be- dampfungswinkel Q, wobei in (a) die Farbigkeit in Reflexion und in (b) die Farbigkeit in Transmission, jeweils in der nullten Beugungsordnung gezeigt ist,10 is a highly schematic representation of the chromaticity of certain subwavelength gratings according to the invention as a function of the embodiment of FIG. vapor angle Q, where (a) the color in reflection and in (b) the color in transmission, each shown in the zeroth order of diffraction,
Fig. 11 ein erfindungsgemäßes Sicherheitselement, dessen Merkmalsbereich mit einer metallisierten Prägestruktur mit zwei überlagerten Gittern versehen ist,11 shows a security element according to the invention whose feature area is provided with a metallized embossed structure with two superposed gratings,
Fig. 12 eine schematische Aufsicht auf einen Merkmalsbereich mit ei- nem in zwei Raumrichtungen periodischen, rechteckigen12 is a schematic plan view of a feature area with a rectangular periodic in two spatial directions
Kreuzgitter,Cross grid,
Fig. 13 in (a) und (b) Aufsichten auf Subwellenlängengitter, die aus zweidimensionalen periodischen Anordnungen von Struktur- dementen gebildet sind,13 (a) and (b) show plan views of subwavelength gratings formed from two-dimensional periodic arrays of structural dements.
Fig. 14 ein in ein Interferenzschichtsystem integriertes Subwellenlängengitter,14 shows a sub-wavelength grating integrated in an interference layer system,
Fig. 15 in (a) bis (c) drei Ausführungsformen von Mikromotivelemen- ten, die durch Füllung mit metallischen Nanostrukturen farbig erscheinen, undFIG. 15 shows in (a) to (c) three embodiments of micromotile elements that appear colored by filling with metallic nanostructures, and FIG
Fig. 16 ein Ausführungsbeispiel wie in Fig. 15, bei dem sowohl die Mikromotivelemente als auch der umgebende Velinbereich na- nostrukturiert sind.16 shows an exemplary embodiment as in FIG. 15, in which both the micromotif elements and the surrounding velin region are nanostructured.
Die Erfindung wird nun am Beispiel von Sicherheitselementen für Banknoten erläutert. Fig. 1 zeigt dazu eine schematische Darstellung einer Banknote 10, die mit zwei Sicherheitselementen 12 und 16 nach Ausführungsbeispielen der Erfindung versehen ist. Das erste Sicherheitselement stellt dabei ein Durchsichtssicherheitselement 12 dar, das über einem Durchsichtsbereich 14, etwa einem Fensterbereich oder einer durchgehenden Öffnung, der Bankno- te 10 angeordnet ist. Das zweite Sicherheitselement 16 ist durch ein opakes, aufgeklebtes Transferelement beliebiger Form gebildet.The invention will now be explained using the example of security elements for banknotes. Fig. 1 shows a schematic representation of a banknote 10, which is provided with two security elements 12 and 16 according to embodiments of the invention. In this case, the first security element is a see-through security element 12, which is arranged above a see-through area 14, for example a window area or a continuous opening, of the banknote 10. The second security element 16 is formed by an opaque, glued transfer element of any shape.
Beide Sicherheitselemente weisen in einem Merkmalsbereich metallische Nanostrukturen auf, in denen durch einfallendes sichtbares Licht Volumen- oder Oberflächenplasmonen angeregt bzw. Resonanzeffekte hervorgerufen werden, die neuartige Farbeffekte erzeugen, die aufgrund der Kleinheit der jeweils farbgebenden Nanostrukturen nur schwer zu fälschen sind.Both security elements have metallic nanostructures in a feature area in which volume or surface plasmons are excited by incident visible light or resonance effects are produced which produce novel color effects that are difficult to counterfeit because of the small size of the respective coloring nanostructures.
Wie oben bereits erläutert, stellen Plasmonen die Eigenmoden kollektiver Schwingungen der freien Elektronen relativ zu den Ionenrümpfen in Metallen dar, die durch einfallende elektromagnetische Strahlung angeregt werden können. Bei einer bestimmten Wellenlänge werden die frei beweglichen Ladungsträger zu resonanten Schwingungen anregt, so dass das Licht dieser Wellenlänge bevorzugt absorbiert und in alle Raumrichtungen gestreut wird. Strahlung mit Wellenlängen außerhalb des Resonanzbereichs kann dagegen weitgehend ungestört passieren.As discussed above, plasmas are the eigenmodes of collective free electron oscillations relative to the ion bodies in metals that can be excited by incident electromagnetic radiation. At a certain wavelength, the freely movable charge carriers are excited to resonant oscillations, so that the light of this wavelength is preferably absorbed and scattered in all spatial directions. Radiation with wavelengths outside the resonance range, however, can pass largely undisturbed.
Durch diesen Effekt erscheinen die erfindungsgemäßen metallischen Nanostrukturen in Durchsicht mit einem Farbeindruck, der sich aus den WeI- lenlängen des unbeeinflussten, nichtresonanten Anteils des einfallendenAs a result of this effect, the metallic nanostructures according to the invention appear in a transparent manner with a color impression which is formed by the wavelengths of the uninfluenced, non-resonant portion of the incident
Lichts ergibt. Bei Betrachtung in Reflexion, bei der das Streulicht das visuelle Erscheinungsbild dominiert, wird der Farbeindruck der Nanostrukturen dagegen hauptsächlich durch den resonanten Anteil des Spektrums bestimmt. Welche Wellenlängen die resonanten Plasmaschwingungen anregen können, hängt neben dem Material, aus dem die Nanostrukturen bestehen, auch von der Form und Größe der Nanostrukturen und dem einbettenden Medium ab.Light results. When viewed in reflection, in which the scattered light dominates the visual appearance, the color impression of the nanostructures, however, is mainly determined by the resonant portion of the spectrum. Which wavelengths can excite the resonant plasma oscillations, depends not only on the material of which the nanostructures consist, but also on the shape and size of the nanostructures and the embedding medium.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 zeigt zunächst ein Durchsichtssicher- heitselement 20 mit einem Substrat 22 und einem Merkmalsbereich, der durch eine vollflächig aufgebrachte Merkmalsschicht 24 gebildet ist. Die Merkmalsschicht 24 enthält eine Vielzahl von metallischen Nanopartikeln 28, die in ein Trägermedium 26 eingebettet sind. Eine derartige Merkmalsschicht 24 kann beispielsweise durch Aufdrucken eines transparenten Lacks 26 erzeugt werden, in dem vorgefertigte metallische Nanopartikel 28 mit gewünschten Eigenschaften gelöst sind.The exemplary embodiment of FIG. 2 initially shows a see-through security element 20 having a substrate 22 and a feature area which is formed by a feature layer 24 applied over the entire area. The feature layer 24 includes a plurality of metallic nanoparticles 28 embedded in a carrier medium 26. Such a feature layer 24 can be produced, for example, by printing a transparent lacquer 26 in which prefabricated metallic nanoparticles 28 with desired properties are dissolved.
Die Nanopartikel 28 weisen einen Durchmesser unterhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichts, vorzugsweise zwischen 300 ran und 5 nm und insbesondere zwischen 200 nm und 10 nm auf. In einer bevorzugten Erfindungsvariante handelt es sich bei den Nanopartikeln 28 um Gold- oder Silber- Partikel. Allerdings zeigen auch andere Metalle, wie etwa Kupfer, Aluminium, Nickel, Chrom, Wolfram, Vanadium, Palladium, Platin oder Legie- rungen dieser Metalle, wenn auch teilweise in abgeschwächter oder modifizierter Form, Farbeffekte aufgrund von Plasmonenanregung, so dass auch diese Metalle oder Metalllegierungen als Material für die Nanopartikel 28 in Betracht kommen.The nanoparticles 28 have a diameter below the wavelength of the visible light, preferably between 300 nm and 5 nm and in particular between 200 nm and 10 nm. In a preferred variant of the invention, the nanoparticles 28 are gold or silver particles. However, other metals, such as copper, aluminum, nickel, chromium, tungsten, vanadium, palladium, platinum or alloys of these metals, albeit partially in attenuated or modified form, show color effects due to plasmon excitation, so that these metals or metals Metal alloys as material for the nanoparticles 28 come into consideration.
Neben kugelförmigen Nanopartikeln 28 können auch anders geformte Partikel, wie etwa Rotationsellipsoide, beliebige Vielflächler oder auch stäbchen- oder plättchenförmige Partikel eingesetzt werden. Von der Kugelform abweichende Partikel zeigen, wenn sie nach einer Vorzugsrichtung im Raum orientiert sind, zusätzlich von der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts abhängige Effekte.In addition to spherical nanoparticles 28, it is also possible to use particles of a different shape, such as ellipsoids of revolution, any polyhedra or else rod-shaped or platelet-shaped particles. From the spherical shape deviating particles show, if they are in a preferred direction in space are additionally dependent on the polarization direction of the incident light dependent effects.
Neben homogenen metallischen Nanopartikeln 28 kommen auch beschichte- te Kern-Hülle Teilchen für die Farberzeugung in Betracht. Diese können sowohl einen metallischen Kern mit dielektrischer oder metallischer Hülle aufweisen als auch einen dielektrischen Kern mit metallischer Ummantelung. Beispiele für derartige Gestaltungen sind Silber-Partikel mit einer TiCb-Hülle oder Polystyrol-Kerne mit einer Gold-Beschichtung. Der Zahl an Kombinati- onsmöglichkeiten ist hier kaum eine Grenze gesetzt, zumal die Materialien neben der amorphen Phase auch in kristalliner bzw. polykristalliner Form vorliegen können.In addition to homogeneous metallic nanoparticles 28, coated core-shell particles are also suitable for the color production. These may have both a metallic core with a dielectric or metallic sheath and a dielectric core with a metallic sheath. Examples of such designs are silver particles with a TiCb shell or polystyrene cores with a gold coating. The number of combination possibilities is hardly a limit here, especially since the materials can be present in crystalline or polycrystalline form in addition to the amorphous phase.
Im einfachsten Fall wird der transparente Lack 26, in dem die Nanopartikel 28 gelöst sind, vollflächig auf das Substrat 22 aufgetragen, beispielsweise aufgedruckt, wie in Fig. 2 dargestellt. Breitbandiges einfallendes Licht 30 regt in den Nanopartikeln 28 dann je nach Material, Form und Größe der Partikel 28 und ihrem einbettenden Medium 26 bestimmte Plasmaschwingungen (Plasmonen) an. Beispielsweise liegt die Resonanzfrequenz für im Wesentlichen kugelförmige Goldpartikel mit einem Durchmesser von 50 nm bei etwa 520 nm, für Goldpartikel mit einem Durchmesser von 150 nm bei etwa 580 nm.In the simplest case, the transparent lacquer 26, in which the nanoparticles 28 are dissolved, is applied over the entire surface of the substrate 22, for example printed, as shown in FIG. 2. Wideband incident light 30 then excites certain plasma oscillations (plasmon) in the nanoparticles 28, depending on the material, shape and size of the particles 28 and their embedding medium 26. For example, the resonant frequency for substantially spherical gold particles having a diameter of 50 nm is about 520 nm, for gold particles having a diameter of 150 nm about 580 nm.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind die Nanopartikel 28 und das einbet- tende Medium 26 so aufeinander abgestimmt, dass die Resonanzfrequenz der eingebetteten Nanopartikel 28 im Grünen bei einer Wellenlänge von etwa 530 nm liegt. Bei Betrachtung in Reflexion 32, wo das von den Nanopartikeln 28 gestreute Licht den Farbeindruck dominiert, erscheint die Merkmalsschicht 24 daher grün. In Transmission 34 erscheint die die Merkmals- schicht 24 dagegen in der subtraktiven Komplementärfarbe, also mit einem roten Farbeindruck.In the exemplary embodiment of FIG. 2, the nanoparticles 28 and the embedding medium 26 are matched to one another such that the resonant frequency of the embedded nanoparticles 28 in the green is at a wavelength of approximately 530 nm. When viewed in reflection 32, where the light scattered by the nanoparticles 28 dominates the color impression, the feature layer 24 therefore appears green. Transmission 34 shows the feature layer 24, on the other hand, is in the subtractive complementary color, ie with a red color impression.
Anders als bei periodischen Beugungsstrukturen oder Interferenzschichtsys- temen hängt der Farbeindruck der metallischen Nanopartikel nicht vom Einfallswinkel der Strahlung und der Betrachtungsrichtung ab. Die erfindungsgemäßen Sicherheitselemente durchlaufen beim Kippen auch nicht das sichtbare Spektrum oder Ausschnitte davon, sondern weisen einen im Wesentlichen konstanten Farbeindruck auf. Da die Farbeffekte durch Na- nostrukturen, die wesentlich kleiner als die Periode herkömmlicher Beugungsgitter sind, hervorgerufen werden, weisen sie eine besonders hohe Fälschungssicherheit auf, da derart kleine Strukturen mit herkömmlichen Verfahren, wie etwa Direktbelichtung oder Dot-Matrix-Verfahren, kaum herzustellen sind.In contrast to periodic diffraction structures or interference layer systems, the color impression of the metallic nanoparticles does not depend on the angle of incidence of the radiation and the viewing direction. The security elements according to the invention also do not pass through the visible spectrum or sections thereof during tilting, but have a substantially constant color impression. Since the color effects are caused by nanostructures which are substantially smaller than the period of conventional diffraction gratings, they have a particularly high security against forgery since such small structures are hardly to produce by conventional methods such as direct exposure or dot-matrix methods ,
Anstatt vollflächig ausgebildet zu sein, kann der Merkmalsbereich des Sicherheitselements 20 auch in Form von Mustern, Zeichen oder einer Codierung gestaltet sein. Es ist auch möglich, in verschiedenen Teilbereichen des Merkmalsbereichs verschiedene metallische Nanostrukturen vorzusehen, beispielsweise Nanopartikel 28 aus unterschiedlichen Materialien und/ oder Nanopartikel 28 verschiedener Form und Größe. Dadurch können verschiedene Bereiche des Merkmalsbereichs unterschiedlich eingefärbt werden.Instead of being formed over the entire surface, the feature area of the security element 20 may also be designed in the form of patterns, characters or an encoding. It is also possible to provide different metallic nanostructures in different partial areas of the feature area, for example nanoparticles 28 made of different materials and / or nanoparticles 28 of different shape and size. As a result, different areas of the feature area can be colored differently.
Darüber hinaus kann der mit den farbgebenden Nanopartikeln 28 versehene Lack 26 zusätzlich herkömmliche Färb- oder Effektpigmente enthalten, um die beobachtbaren Farbeffekte zu modifizieren. Auch können verschiedene Arten von metallischen Nanopartikeln 28, beispielsweise mit variierendem Durchmesser, miteinander vermischt werden, um in Zusammenwirkung eine gewünschte Farbwirkung zu erzeugen. In einer weiteren Ausgestaltung können Maßnahmen ergriffen werden, um die räumliche Verteilung von zunächst homogen in einem Trägermedium dispergierten Nanopartikeln 28 oder die Vorzugsrichtung nicht-sphärischer Nanopartikel zu beeinflussen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Nanopartikel mit einem magnetischen Kern ausgestattet werden, so dass sie mithilfe räumlich variierender Magnetfelder an den vorgesehenen Orten des Merkmalsbereichs konzentriert werden können. Die Nanopartikel 28 sind dabei zunächst noch im Trägermedium 26 beweglich. Erst nachdem sie mithilfe des Magnetfelds platziert und/ oder ausgerichtet wurden, wer- den sie immobilisiert, indem das Bindemittel des Trägermediums 26, beispielsweise durch Trocknen oder Bestrahlung mit UV-Licht ausgehärtet wird, oder das Trägermedium 26 oder zumindest das darin enthaltene Lösungsmittel durch Wärmezufuhr verdampft wird.In addition, the paint 26 provided with the coloring nanoparticles 28 may additionally contain conventional coloring or effect pigments to modify the observable color effects. Also, various types of metallic nanoparticles 28, for example of varying diameter, may be mixed together to cooperatively produce a desired color effect. In a further embodiment, measures can be taken to influence the spatial distribution of nanoparticles 28 initially dispersed homogeneously in a carrier medium or the preferred direction of non-spherical nanoparticles. This can be done, for example, by providing the nanoparticles with a magnetic core, so that they can be concentrated using spatially varying magnetic fields at the intended locations of the feature area. The nanoparticles 28 are initially still movable in the carrier medium 26. Only after they have been placed and / or aligned by means of the magnetic field are they immobilized by curing the binder of the carrier medium 26, for example by drying or irradiation with UV light, or the carrier medium 26 or at least the solvent contained therein by supplying heat is evaporated.
Funktionalisierte Oberflächen von Nanopartikeln bieten zusätzliche Möglichkeiten, die Anordnung der Nanopartikel zu beeinflussen. Beispielsweise kann durch eine geeignete Funktionalisierung der Oberfläche erreicht werden, dass sich die Partikel in einem bestimmten Abstand und/ oder in einem definierten Gitter anordnen. Darüber hinaus kann durch eine geeignet ge- wählte Funktionalisierung eine Clusterbildung der Nanopartikel verhindert werden.Functionalized surfaces of nanoparticles offer additional possibilities to influence the arrangement of nanoparticles. For example, it can be achieved by suitable functionalization of the surface that the particles are arranged at a specific distance and / or in a defined grid. In addition, appropriately selected functionalization can prevent clustering of the nanoparticles.
Auch eine Funktionalisierung der Substratoberfläche kann der Anordnung und periodischen Ausrichtung der Nanopartikel dienen. Durch eine Funkti- onalisierung der Substratoberfläche und gegebenenfalls auch der Oberfläche der Nanopartikel können diese gezielt auf vordefinierten Bereichen des Substrats deponiert werden. Dadurch ist es beispielsweise möglich, die Nanopartikel auf Gitterlinien anzuordnen, um die Beugungseigenschaft des Gitters zu beeinflussen, beispielsweise zu verstärken. Alternativ können auch an sich unmagnetische Nanopartikel 28 durch funktionale Beschichtungen an magnetische Träger-Partikel gekoppelt werden, die dann zusammen mit den farbgebenden Nanopartikeln 28 durch externe Magnetfelder gezielt angeordnet und/ oder ausgerichtet werden.A functionalization of the substrate surface can also serve the arrangement and periodic alignment of the nanoparticles. Through a functionalization of the substrate surface and possibly also the surface of the nanoparticles, they can be deposited in a targeted manner on predefined regions of the substrate. This makes it possible, for example, to arrange the nanoparticles on grid lines in order to influence, for example amplify, the diffraction property of the grid. Alternatively, non-magnetic nanoparticles 28 can also be coupled to magnetic carrier particles by functional coatings, which are then purposefully arranged and / or aligned together with the coloring nanoparticles 28 by external magnetic fields.
Nach einer bevorzugten Erfindungsvariante wird die Verteilung der Nanopartikel 28 durch eine Strukturierung der Oberfläche, auf die sie aufgebracht werden, gezielt beeinflusst. Wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 gezeigt, kann beispielsweise eine transparente UV-härtende Lackschicht 40 in an sich bekannter Weise mit einer gewünschten Reliefprägung versehen werden, so dass eine strukturierte Oberfläche mit Erhebungen 42 und Vertiefungen 44 entsteht. Auf die so strukturierte Oberfläche wird dann ein fluides Medium 46, in dem die Nanopartikel 48 gelöst sind, aufgebracht, beispielsweise aufgedruckt. Anschließend wird das fluide Medium 46 von der beschichteten Oberfläche geräkelt oder gewischt, so dass die Nanopartikel 48 nur in den Vertiefungen 44, nicht aber auf den erhabenen Oberflächenbereichen 42 zurückbleiben.According to a preferred variant of the invention, the distribution of the nanoparticles 28 is specifically influenced by a structuring of the surface to which they are applied. As shown in the embodiment of FIG. 3, for example, a transparent UV-curing lacquer layer 40 can be provided in a conventional manner with a desired relief embossing, so that a structured surface with elevations 42 and depressions 44 is formed. A fluid medium 46, in which the nanoparticles 48 are dissolved, is then applied, for example printed, to the surface structured in this way. Subsequently, the fluid medium 46 is laced or wiped from the coated surface so that the nanoparticles 48 remain only in the depressions 44 but not on the raised surface areas 42.
Um zu verhindern, dass die Nanopartikel 48 während der Weiterverarbei- tung aus den Vertiefungen 44 herausfallen, kann die Struktur mit einer weiteren, in den Figuren nicht dargestellten Lackschicht abgedeckt werden. Umfließt der zur Abdeckung verwendete Lack die Nanopartikel 48, so kann auf diese Weise auch der Brechungsindex des die Partikel einbettenden Mediums definiert werden. Gegenwärtig ist jedoch bevorzugt, dass die Nanopar- tikel 48 im ursprünglichen Trägermedium 46 eingebettet bleiben, das beim Abrakeln der Oberfläche zusammen mit den Nanopartikeln 48 in den Vertiefungen 44 verbleibt. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich eine Metallschicht 50 zwischen Substrat 22 und UV-Lackschicht 40 vorgesehen, um den Farbeindruck der Nanopartikel 48 gezielt zu modifizieren. Alternativ kann auch, wie in Fig. 5 gezeigt, vor dem Auftragen der Nanopartikel 48 eine Me- tallschicht 52 auf die geprägten UV-Lackschicht 40 aufgebracht, beispielsweise aufgedampft werden und dadurch der Farbeindruck der Nanopartikel 48 modifiziert werden.In order to prevent the nanoparticles 48 from falling out of the depressions 44 during the further processing, the structure can be covered with a further lacquer layer, not shown in the figures. If the lacquer used for covering flows around the nanoparticles 48, then the refractive index of the medium embedding the particles can also be defined in this way. At present, however, it is preferred that the nanoparticles 48 remain embedded in the original carrier medium 46, which remains in the depressions 44 when the surface is doctored off together with the nanoparticles 48. In the exemplary embodiment shown in FIG. 4, a metal layer 50 is additionally provided between substrate 22 and UV lacquer layer 40 in order to specifically modify the color impression of nanoparticles 48. Alternatively, as shown in FIG. 5, prior to the application of the nanoparticles 48, a metal layer 52 may be applied to the embossed UV lacquer layer 40, for example by vapor deposition, and the color impression of the nanoparticles 48 thereby modified.
Nach einer vorteilhaften Herstellungsvariante kann auch die in der interna- tionalen Patentanmeldung PCT/ EP2007/ 005200 beschriebene Mikrotief- drucktechnik zum Einsatz kommen, die die Vorteile von Druck- und Prägetechnologien vereint. Kurz zusammengefasst, wird bei der Mikrotiefdruck- technik eine Werkzeugform bereitgestellt, deren Oberfläche eine Anordnung von Erhebungen und Vertiefungen in Gestalt einer gewünschten Mikro- struktur aufweist. Die Vertiefungen der Werkzeugform werden mit einem die Nanopartikel enthaltenden, härtbaren farbigen oder farblosen Lack befüllt, und der zu bedruckende Träger wird für eine gute Verankerung des Lacks vorbehandelt. Dann wird die Oberfläche der Werkzeugform mit dem Träger in Kontakt gebracht und der in Kontakt mit dem Träger stehende Lack in den Vertiefungen der Werkzeugform gehärtet und dabei mit dem Träger verbunden. Anschließend wird die Oberfläche der Werkzeugform wieder von dem Träger entfernt, so dass der mit dem Träger verbundene, gehärtete Lack mit den Nanopartikeln aus den Vertiefungen der Werkzeugform gezogen wird. Für eine ausführlichere Darstellung des Mikrotiefdruck- Verfahrens und der damit verbundenen Vorteile wird auf die genannte Patentanmeldung PCT/ EP2007/ 005200 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt insoweit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird. Bei den oben beschriebenen Sicherheitselementen kann der visuelle Eindruck nicht nur von den Effekten der Plasmonenanregung in den Nanopartikeln 48 erzeugt werden, sondern kann auch durch Beugungseffekte an den Strukturen, die durch die Erhebungen 42 und Vertiefungen 44 vorgegeben sind, be- einflusst werden. Im Falle periodisch angeordneter linearer Gräben kann sich beispielsweise zusätzlich zu den beschriebenen Plasmoneneffekten eine für Beugung an einem linearen Gitter typische spektrale Aufspaltung des Lichts zeigen. Diese Beugungseffekte können gezielt in das Design des Sicherheitselements integriert werden. Sind bei anderen Gestaltungen solche stark farberzeugende Zusatzeffekte unerwünscht, so können die Erhebungen und Vertiefungen 42, 44 auch unregelmäßig angeordnet und beugungsbedingte Farberscheinungen weitgehend unterdrückt werden.According to an advantageous production variant, the micro-deep printing technique described in the international patent application PCT / EP2007 / 005200 can also be used, which combines the advantages of printing and embossing technologies. Briefly summarized, micro-gravure printing technology provides a tool mold whose surface has an arrangement of elevations and depressions in the form of a desired microstructure. The depressions of the mold are filled with a curable colored or colorless lacquer containing the nanoparticles, and the support to be printed is pretreated for a good anchoring of the lacquer. Then, the surface of the mold is brought into contact with the carrier, and the paint in contact with the carrier is hardened in the recesses of the mold while being connected to the carrier. Thereafter, the surface of the tool mold is removed from the support again, so that the cured paint associated with the support is pulled out of the depressions of the mold with the nanoparticles. For a more detailed description of the micro-gravure printing process and the associated advantages, reference is made to the aforementioned patent application PCT / EP2007 / 005200, the disclosure content of which is incorporated in the present application in this respect. In the above-described security elements, the visual impression can not only be generated by the effects of the plasmon excitation in the nanoparticles 48, but can also be influenced by diffraction effects on the structures given by the elevations 42 and depressions 44. In the case of periodically arranged linear trenches, for example, in addition to the described plasmon effects, a spectral splitting of the light typical for diffraction on a linear grating may be exhibited. These diffraction effects can be specifically integrated into the design of the security element. If such strong color-producing additional effects are undesirable in other designs, the elevations and depressions 42, 44 can also be arranged irregularly and diffraction-related color phenomena can be largely suppressed.
Zur Illustration zeigt Fig. 6(a) eine Aufsicht auf den Merkmalsbereich 60 ei- nes erfindungsgemäßen Sicherheitselements, bei dem die Vertiefungen 44 mit den Nanopartikeln 48 in zwei Raumrichtungen periodisch angeordnet sind. Es versteht sich, dass die mit px und py bezeichneten Periodenlängen gleich oder verschieden sein können, so dass in x-Richtung und y-Richtung gleiche oder verschiedene Beugungsfarbeffekte auftreten.By way of illustration, FIG. 6 (a) shows a plan view of the feature region 60 of a security element according to the invention, in which the depressions 44 with the nanoparticles 48 are arranged periodically in two spatial directions. It is understood that the period lengths denoted px and py may be the same or different, so that the same or different diffraction color effects occur in the x-direction and the y-direction.
Bei der Aufsicht auf den Merkmalsbereich 62 der Fig. 6(b) sind die Vertiefungen 44 mit den Nanopartikeln 48 nur in y-Richtung periodisch angeordnet, während sie in x-Richtung zufällig verteilt sind. Beugungseffekte durch die periodische Anordnung der Vertiefungen 44 treten bei einer solchen Ge- staltung nur in y-Richtung auf, während sie in x-Richtung unterdrückt sind. Sollen die farbaufspaltenden Beugungseffekte ganz unterdrückt werden, können die Vertiefungen 44 auch in beiden Raumrichtungen zufällig angeordnet sein, wie in dem Merkmalsbereich 64 der Fig. 6(c) gezeigt. Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel 70 einer weiteren Erfindungsvariante, bei dem die Nanopartikel 78 in ein Dünnschichtelement 72 mit Farbkippef- fekt integriert sind. Dazu ist auf einem Substrat 22 eine spiegelnde Metallschicht 74, beispielsweise eine Aluminiumschicht mit einer Dicke von min- destens 10 nm, eine dielektrische Zwischenschicht 75 aus einem UV-härtbaren Material und eine semitransparente Absorberschicht 76 aufgebracht, die beispielsweise durch eine etwa 8 nm dicke Chromschicht gebildet sein kann. Die dielektrische Zwischenschicht 75 ist vorzugsweise aus einem Trägermedium mit hohem Brechungsindex gebildet. Sie enthält auch die ge- wünschten metallischen Nanopartikel 78, was beispielsweise dadurch erreicht werden kann, dass die Nanopartikel 78 dem Zwischenschichtmaterial vor dem Aufbringen beigemischt werden. Insgesamt ist bei dem auf Betrachtung in Reflexion ausgelegten Sicherheitselement 70 die Filterwirkung der Nanopartikel 78 mit der Farbfilterwirkung des farbkippenden Dünn- schichtsystems 72 kombiniert.In the view of the feature region 62 of FIG. 6 (b), the depressions 44 with the nanoparticles 48 are periodically arranged only in the y-direction, while they are randomly distributed in the x-direction. Diffraction effects due to the periodic arrangement of the depressions 44 only occur in the y-direction in such a design, while they are suppressed in the x-direction. If the color-splitting diffraction effects are to be completely suppressed, the depressions 44 may also be arranged randomly in both spatial directions, as shown in the feature region 64 of FIG. 6 (c). FIG. 7 shows an exemplary embodiment 70 of a further variant of the invention, in which the nanoparticles 78 are integrated into a thin-film element 72 with a color-tilting effect. For this purpose, a reflective metal layer 74, for example an aluminum layer with a thickness of at least 10 nm, a dielectric intermediate layer 75 made of a UV-curable material and a semitransparent absorber layer 76 are applied to a substrate 22, for example by an approximately 8 nm thick chromium layer can be formed. The interlayer dielectric layer 75 is preferably formed of a high refractive index support medium. It also contains the desired metallic nanoparticles 78, which can be achieved, for example, by mixing the nanoparticles 78 with the intermediate layer material before application. Overall, in the case of the reflection element 70 designed for reflection, the filter effect of the nanoparticles 78 is combined with the color filter effect of the color-shifting thin-layer system 72.
In manchen Ausgestaltungen kann auf die semitransparente Absorberschicht 76 auch verzichtet werden. Soll das Sicherheitselement 70 in Transmission, also beispielsweise im Durchsichtsfenster einer Banknote, eingesetzt werden, so wird die untere Metallschicht 74 zweckmäßig semitransparent gestaltet. Es versteht sich, dass der Merkmalsbereich auch bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 3 bis 7 in Form von Mustern, Zeichen oder einer Codierung ausgebildet sein kann und dass auch hier in verschiedenen Teilbereichen verschiedene metallische Nanostrukturen vorgesehen sein können. Als Substrat 22 kommen sowohl transparente wie auch nichttransparenteIn some embodiments, the semitransparent absorber layer 76 may also be dispensed with. If the security element 70 is to be used in transmission, that is to say, for example, in the see-through window of a banknote, the lower metal layer 74 is expediently designed to be semitransparent. It is understood that the feature area can also be embodied in the exemplary embodiments of FIGS. 3 to 7 in the form of patterns, characters or a coding and that different metallic nanostructures can also be provided here in different subareas. The substrate 22 is both transparent and non-transparent
Schichtsysteme infrage. Insbesondere kann das Substrat 22 beispielsweise durch eine transparente oder opake Kunststofffolie gebildet sein, die im fertigen Sicherheitselement verbleibt oder durch eine Transferfolie, die nach dem Übertragen des Sicherheitselements auf die Banknote 10 abgezogen wird. Das Substrat 22 kann auch durch das Banknotenpapier selbst gebildet sein. Dazu können die Nanopartikel beispielsweise vor dem Drucken in einem Primer suspendiert und direkt auf das Banknotenpapier gedruckt werden.Layer systems in question. In particular, the substrate 22 can be formed, for example, by a transparent or opaque plastic film remaining in the finished security element or by a transfer film which is removed after the security element has been transferred to the banknote 10 becomes. The substrate 22 may also be formed by the banknote paper itself. For this purpose, the nanoparticles can be suspended, for example, before printing in a primer and printed directly on the banknote paper.
Die Herstellung der metallischen Nanopartikel selbst kann durch dem Fachmann bekannte physikalische oder chemische Verfahren erfolgen. Ein physikalisches Verfahren ist beispielsweise Laserablation.The preparation of the metallic nanoparticles themselves can be carried out by physical or chemical methods known to the person skilled in the art. A physical method is, for example, laser ablation.
Anstatt auf vorgefertigte Nanopartikel zurückzugreifen, die in geeigneten Medien gelöst und beispielsweise durch Drucken auf ein gewünschtes Substrat aufgebracht werden, können nach einem weiteren Erfindungsaspekt auch ein oder mehrere Subwellenlängengitter direkt auf das Substrat des Sicherheitselements aufgebracht werden. Derartige periodische Nanostruk- turen erlauben einerseits stärkere Farbeffekte als die bisher beschriebenen metallischen Nanopartikel, andererseits erhöht sich die Vielzahl der Freiheitsgrade bei der Herstellung die Fälschungssicherheit derartiger Sicherheitselemente weiter.Instead of resorting to prefabricated nanoparticles, which are dissolved in suitable media and applied, for example by printing on a desired substrate, according to a further aspect of the invention, one or more sub-wavelength gratings can be applied directly to the substrate of the security element. On the one hand, such periodic nanostructures permit stronger color effects than the metallic nanoparticles described hitherto; on the other hand, the multiplicity of degrees of freedom in production increases the security against forgery of such security elements.
Bei Subwellenlängengittern können außergewöhnliche Intensitätsänderungen in der Transmission bzw. in der Reflexion auftreten, wenn das einfallende Licht zu Resonanzen in den Zwischenräumen oder in den Hohlräumen der Gitterstruktur führt. Man kann bei Transmissionsgittern hierbei eine starke Intensitätsumverteilung zwischen Reflexion und Transmission für bestimmte Wellenlängenbereiche beobachten. Diese sogenannten Hohlraumresonanzen führen ebenso zu einer erhöhten Absorption des Lichtes. Erwähnenswert ist, dass dieser Effekt auch eine außergewöhnliche Transmissionserhöhung hervorrufen kann. Auch die sogenannten Wood- Anomalien beeinflussen unabhängig von der Polarisierung des einfallenden Lichtes die Transmissions- bzw. Reflexionsspektren von Gittern in der nullten Beugungsordnung. Eine Wood- Anomalie ist mit der Entstehung einer neuen Beugungsordnung verbunden, d.h. sie tritt auf, wenn der Ausfallswinkel 90° beträgt. Die spektralen Positionen der Wood- Anomalien können damit aus der Gittergleichung abgeleitet werden. Sie ergeben sich für Wellenlängen λ = (p/m) (1 ± sin α), wobei p die Gitterperiode, α den Einfallswinkel und m die Beugungsordnung darstellen. Beim Verschwinden einer Beugungsordnung muss ihre Intensität auf die verblei- benden Beugungsordnungen umverteilt werden, was auch zu einer spektralen Intensitätsänderung in der nullten Beugungsordnung führt. Schließlich wurde eine Erhöhung der Transmission, einhergehend mit einer Verringerung der Reflexion, bei Drahtgittern für Wellenlängen der Wood- Anomalien unter TE-Polarisation (E- Vektor parallel zur Gitterstruktur) beobachtet. Für zunehmend größere Wellenlängen reduziert sich die Transmission und geht schließlich im Grenzfall gegen Null.For subwavelength gratings, extraordinary intensity changes in the transmission or in the reflection can occur when the incident light leads to resonances in the interstices or in the cavities of the lattice structure. In the case of transmission gratings, a strong intensity redistribution between reflection and transmission can be observed for certain wavelength ranges. These so-called cavity resonances also lead to increased absorption of the light. It is worth noting that this effect can also cause an extraordinary increase in transmission. The so-called wood anomalies also influence the transmission or reflection spectra of gratings in the zeroth order of diffraction, irrespective of the polarization of the incident light. A wood anomaly is associated with the formation of a new diffraction order, ie it occurs when the angle of reflection is 90 °. The spectral positions of the wood anomalies can thus be derived from the grid equation. They result for wavelengths λ = (p / m) (1 ± sin α), where p represents the grating period, α the angle of incidence and m the diffraction order. When a diffraction order disappears, its intensity must be redistributed to the remaining diffraction orders, which also leads to a spectral change in intensity in the zeroth diffraction order. Finally, an increase in transmittance, accompanied by a reduction in reflectance, was observed in wire grids for wavelengths of Wood anomalies under TE polarization (E-vector parallel to the lattice structure). For increasingly larger wavelengths, the transmission is reduced and eventually approaches zero in the limit.
Zur Illustration werden zunächst Strukturen beschrieben, die nur in einer Dimension eine Periodizität aufweisen. Fig. 8 zeigt einen Querschnitt durch ein Sicherheitselement 80 mit einer transparenten Trägerfolie 82, auf die eine UV-Prägelackschicht 84 aufgedruckt und in Form eines Rechteckprofils geprägt ist, welches eine Periodenlänge p, beispielsweise 300 nm, eine Stegbreite b, beispielsweise 100 nm, und eine Ganghöhe h, beispielsweise 100 nm, aufweist. Auf die Prägelackschicht 84 wurde dann eine Aluminiumschicht 86 einer Dicke d, beispielsweise 30 nm, senkrecht aufgedampft und die entstanden Struktur mit einer weiteren Schutzlackschicht 88 versehen.By way of illustration, structures that only have periodicity in one dimension are described first. FIG. 8 shows a cross section through a security element 80 with a transparent carrier foil 82 onto which a UV embossing lacquer layer 84 is printed and embossed in the form of a rectangular profile which has a period length p, for example 300 nm, a ridge width b, for example 100 nm, and a pitch h, for example 100 nm. An aluminum layer 86 having a thickness d, for example 30 nm, was then applied vertically to the embossing lacquer layer 84, and the resulting structure was provided with a further protective lacquer layer 88.
Auf diese Weise ergibt sich eine in die Lackschichten 84, 88 eingebettete metallische Binärstruktur 86, die ausschließlich ebene metallische Flächenab- schnitte auf nur zwei verschiedenen Höhenstufen enthält (metallisches Bi- Grating). Die metallischen Flächenabschnitte können auch auf mehr als zwei Höhenniveaus, insbesondere auf n = 3 bis n = 16 verschiedenen Höhenstufen angeordnet sein und so eine allgemeinere Multilevelstruktur bilden.In this way, a metallic binary structure 86 embedded in the lacquer layers 84, 88 results, which exclusively produces flat metallic surface patterns. cuts at only two different height levels (metallic bi- grating). The metallic surface sections can also be arranged at more than two height levels, in particular at n = 3 to n = 16 different height levels, thus forming a more general multilevel structure.
Wenn der Aufdampfwinkel Q der Metallschicht 90 von 90° abweicht, entsteht ein Subwellenlängengitter mit einem z-förmigen Metallprofil, wie in Fig. 9 für den Fall Q = 45° illustriert. In der vereinfachten Darstellung der Fig. 9 ist dabei angenommen, dass die Breite des Metallauftrags in der unte- ren Ebene durch die geometrische Abschattung beim Bedampfen vorgegeben ist und dass die Dicke d des Metallfilms 90 auf der oberen und unteren Ebene identisch ist. Die Bereiche 92, 94 und 96 unterhalb, innerhalb und oberhalb des z-förmigen Metallprofils können im allgemeinen Fall verschiedene Brechungsindices m, n2 bzw. 113 aufweisen. Bei der Verwendung von Standard-UV-Lack für die geprägte Lackschicht und die Schutzlackschicht liegen diese Werte in der Regel jedoch alle bei n = 1,5.When the evaporation angle Q of the metal layer 90 deviates from 90 °, a sub-wavelength grating having a z-shaped metal profile is formed as illustrated in Fig. 9 for the case of Q = 45 °. In the simplified illustration of FIG. 9, it is assumed that the width of the metal deposition in the lower plane is predetermined by the geometrical shading during vapor deposition, and that the thickness d of the metal film 90 is identical on the upper and lower planes. The regions 92, 94 and 96 below, inside and above the z-shaped metal profile may, in the general case, have different refractive indices m, n 2 and 113, respectively. When using standard UV lacquer for the embossed lacquer layer and the protective lacquer layer, however, these values are generally all at n = 1.5.
Die Transmissions- bzw. Reflexionsspektren solcher Subwellenlängengitter- können beispielsweise mithilfe von elektromagnetischen Beugungstheorien berechnet werden. Um die wahrgenommene Farbigkeit dieser Gitter abschätzen zu können, wird das für den sichtbaren Wellenlängenbereich berechnete Spektrum mit dem Spektrum der Normlampe D65 und den Empfindlichkeitskurven des menschlichen Auges gefaltet. Daraus ergeben sich die Parameter X, Y und Z, die die Farbwerte Rot, Grün und Blau widerspie- geln.The transmission or reflection spectra of such subwavelength gratings can be calculated, for example, using electromagnetic diffraction theories. In order to be able to estimate the perceived colourfulness of these gratings, the spectrum calculated for the visible wavelength range is folded with the spectrum of the standard lamp D65 and the sensitivity curves of the human eye. This results in the parameters X, Y and Z, which reflect the color values red, green and blue.
Fig. 10 zeigt stark schematisiert die Farbigkeit erfindungsgemäßer Subwellenlängengitter mit einer Gitterperiode p = 300 nm, einer Stegbreite b = 100 nm, einer Ganghöhe h = 100 nm, einer Dicke d = 30 nm der aufgedampf- ten Aluminiumschicht und gleichen Brechungsindices der umgebenden Dielektrika m = ri2 = 113 = 1,5 für senkrechten Einfall unpolarisierten Lichts. In Fig. 10(a) sind die Farbwerte X (Kurve 100-R), Y (Kurve 102-R) und Z (Kurve 104-R) des reflektierten Lichts in der nullten Beugungsordnung in Abhän- gigkeit von dem Bedampfungswinkel Q dargestellt. Fig. 10(b) zeigt die Farbwerte X (Kurve 100-T), Y (Kurve 102-T) und Z (Kurve 104-T) des transmit- tierten Lichts ebenfalls in der nullten Beugungsordnung.FIG. 10 shows in highly schematic form the color of subwavelength gratings according to the invention with a grating period p = 300 nm, a web width b = 100 nm, a pitch h = 100 nm, a thickness d = 30 nm of the vapor-deposited aluminum layer and the same refractive indices of the surrounding dielectrics m = ri2 = 113 = 1.5 for normal incidence of unpolarized light. In Fig. 10 (a), the color values X (curve 100-R), Y (curve 102-R), and Z (curve 104-R) of the reflected light in the zeroth diffraction order are shown in dependency of the deposition angle Q. Fig. 10 (b) shows the color values X (curve 100-T), Y (curve 102-T) and Z (curve 104-T) of the transmitted light also in the zeroth diffraction order.
Der in Fig. 8 gezeigte Spezialfall senkrechter Bedampfung liegt für Q = 90° vor. Bei zunehmend schrägem Bedampfungswinkel prägt sich ein z-förmiges Drahtprofil aus, wobei sich das in Fig. 9 dargestellte Profil für Q = 45° ergibt. Der Bedeckungsgrad des Metallfilms wird dabei kleiner und die Transmission des Lichts nimmt zu. Ist der Winkel Q kleiner als arctan(h/(p-b)) findet keine Metallisierung der unteren Ebene mehr statt.The special case of vertical evaporation shown in FIG. 8 is present for Q = 90 °. With increasingly oblique evaporation angle, a Z-shaped wire profile is formed, resulting in the profile shown in FIG. 9 for Q = 45 °. The degree of coverage of the metal film becomes smaller and the transmission of light increases. If the angle Q is smaller than arctan (h / (p-b)), there is no metallization of the lower level.
Eine starke Farbigkeit einer Nanostruktur ergibt sich, wenn einer der Farbwerte X, Y, Z gegenüber den anderen Farbwerten dominant ist oder wenn die Farbwerte stark von einander abweichen. Wie den Kurvenverläufen 100, 102 und 104 der Fig. 10 zu entnehmen, dominiert insbesondere für Auf- dampfwinkel Q im Bereich zwischen etwa 45° und etwa 80° der Farbwert Z die Transmission (Fig. 10(b), Kurve 104-T), während die Farbwerte X und Y die reflektierte Strahlung dominieren (Fig. 10(a), Kurven 100-R, 102-R). Derartige Subwellenlängengitter erscheinen somit mit einer deutlich ausgeprägten Farbigkeit in Transmission und Reflexion.A strong colourfulness of a nanostructure arises when one of the color values X, Y, Z is dominant over the other color values or when the color values deviate strongly from one another. As can be seen from the curves 100, 102 and 104 of FIG. 10, the color value Z dominates the transmission, in particular for the angle of vapor deposition Q in the range between approximately 45 ° and approximately 80 ° (FIG. 10 (b), curve 104-T). while the color values X and Y dominate the reflected radiation (Fig. 10 (a), curves 100-R, 102-R). Such subwavelength gratings thus appear with a distinct color in transmission and reflection.
Für die Farbwahrnehmung ist weiter wünschenswert, dass die Reflexion eines Objekts mindestens 20% beträgt, damit sich das am Objekt reflektierte Farbspektrum vom reflektierten Licht des umgebenden Mediums abhebt. Die Transmission kann dagegen für die Farbwahrnehmung geringer sein, da üblicherweise nur das transmittierte Licht des Objekts beobachtet wird und das Streulicht der Umgebung verdeckt ist. Für die Lichtintensität des oben beschriebenen Gitters erhält man für Aufdampfwinkel Q im Bereich zwischen 30° und 90° eine Reflexion von 30% bis 60% und eine Transmission zwischen 5% und 45%. Bei schrägeren Bedampf ungswinkeln erhöht sich dabei die Transmission, während sich die Reflexion reduziert.For color perception, it is further desirable that the reflection of an object is at least 20%, so that the color spectrum reflected on the object stands out from the reflected light of the surrounding medium. The transmission, however, may be lower for the perception of color since Usually only the transmitted light of the object is observed and the scattered light of the environment is obscured. For the light intensity of the lattice described above, a reflection of 30% to 60% and a transmission between 5% and 45% are obtained for the vapor deposition angle Q in the range between 30 ° and 90 °. At oblique Bedampf ungswinkeln thereby increases the transmission, while reducing the reflection.
Zusätzlich zu den beschriebenen Effekten ändert sich bei den erfindungsgemäßen Subwellenlängengittern die Farbwirkung bei Betrachtung in polari- siertem Licht. Auch dadurch unterscheiden sich die erfindungsgemäßen farbgebenden Merkmalsbereiche von farbigen Oberflächen, die mit konventionellen Mitteln erzeugt wurden. Beispielsweise ändert sich für Subwellen- längengitter mit den oben genannten Gitterparametern insbesondere die Intensität des Farbwerts Z (Blau) mit der Polarisation des einfallenden Lichts, wobei die Unterschiede zwischen TE-Polarisation (E- Vektor des einfallenden Lichts parallel zu den Gitterlinien) und TM-Polarisation (E- Vektor des einfallenden Lichts senkrecht zu den Gitterlinien) bei einem Bedampfungswinkel im Bereich von Q = 45° besonders groß sind.In addition to the effects described, the color effect changes in the sub-wavelength gratings according to the invention when viewed in polarized light. Again, the inventive colorizing feature areas differ from colored surfaces produced by conventional means. For example, for sub-wavelength gratings with the lattice parameters mentioned above, the intensity of the color value Z (blue) changes in particular with the polarization of the incident light, the differences between TE polarization (E vector of the incident light parallel to the grid lines) and TM Polarization (E-vector of incident light perpendicular to the grid lines) at a deposition angle in the range of Q = 45 ° are particularly large.
Aufgrund des asymmetrischen Gitterprofils ist dabei auch eine Asymmetrie der Farberscheinung im Betrachtungswinkel in Transmission bzw. in Reflexion zu beobachten. Durch gezielte laterale Variation der Gitterprofile, insbesondere der Profiltiefe, lassen sich daher lateral unterschiedliche Farbeindrücke innerhalb des Sicherheitselements und damit auch Farbbilder erzeu- gen, wie weiter oben ausführlicher geschildert.Due to the asymmetric grating profile, an asymmetry of the color appearance in the viewing angle in transmission or in reflection can also be observed. By targeted lateral variation of the grating profiles, in particular the profile depth, it is therefore possible to generate laterally different color impressions within the security element and thus also color images, as described in more detail above.
In weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung können die beschriebenen Subwellenlängengitter mit einer Beugungsstruktur kombiniert sein, die einfallende elektromagnetische Strahlung spektral aufspaltet. Zur Illustration zeigt Fig. 11 ein Sicherheitselement 110, dessen Merkmalsbereich mit einer metallisierten Prägestruktur 112 mit zwei überlagerten Gittern versehen ist. Das Gitter mit der kleineren Gitterperiode ps bildet ein Subwellenlängengit- ter der oben beschriebenen Art. Dieses Subwellenlängengitter ist mit einem zweiten Gitter einer wesentlich größeren Periode pi überlagert, welches dazu dient, eine Vervielfachung bzw. spektrale Verbreiterung der oben beschriebenen Resonanzen des Subwellenlängengitters zu erzeugen.In further embodiments of the invention, the described subwavelength gratings may be combined with a diffraction structure which spectrally splits incident electromagnetic radiation. For illustration 11 shows a security element 110 whose feature area is provided with a metallized embossed structure 112 with two superposed gratings. The grating with the smaller grating period p s forms a subwavelength grating of the type described above. This subwavelength grating is superposed with a second grating of a much larger period pi, which serves to produce a multiplication or spectral broadening of the above-described resonances of the subwavelength grating ,
Verwendet man örtlich variierende Breiten der metallischen Gitterlinien, bei- spielsweise eine Modulation der Gitterlinienbreite in Form einer Schwebung oder eine statistische Variation der Gitterlinienbreiten, so können die Plas- monen-Resonanzen spektral verbreitert werden. Dadurch kann ein breiterer Bereich des sichtbaren Lichtspektrums in seiner Intensität beeinflusst werden als dies durch ein streng periodisches Gitter der Fall wäre.If one uses spatially varying widths of the metallic grating lines, for example a modulation of the grating line width in the form of a beat or a statistical variation of the grating line widths, the plasmon resonances can be spectrally broadened. As a result, a wider range of the visible light spectrum can be influenced in its intensity than would be the case with a strictly periodic lattice.
In Verallgemeinerung der bisher beschriebenen eindimensionalen Subwellenlängengitter können auch zweidimensionale Kreuzgitter eingesetzt werden, die in einer oder zwei Raumrichtungen periodisch oder auch statistisch angeordnet sind. Fig. 12 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Merk- malsbereich 120 mit einem in zwei Raumrichtungen periodischen, rechteckigen Kreuzgitter 122. Die Abfolge schraffierter und nicht schraffierter Rechtecke 124, 126 stellt jeweils höher bzw. tiefer liegende metallisierte Flächenabschnitte dar, wie sie im Querschnitt beispielsweise in Fig. 8 dargestellt sind.In generalization of the one-dimensional subwavelength gratings described above, it is also possible to use two-dimensional cross gratings which are periodically or statistically arranged in one or two spatial directions. FIG. 12 shows a schematic plan view of a feature area 120 with a rectangular cross grid 122 that is periodic in two spatial directions. The sequence of hatched and non-hatched rectangles 124, 126 represents higher or lower metallized areas, as in cross section, for example are shown in Fig. 8.
Aufgrund der rechteckigen Gestaltung des Kreuzgitters 122 sind die Periodenlängen in x-Richtung und y-Richtung, px und py, im Allgemeinen verschieden. Bei unterschiedlichen Periodenlängen px, py erzeugt das Kreuzgitter 122 im polarisierten Licht einen unterschiedlichen Farbeneindruck, je nachdem, ob das Licht vertikal oder horizontal polarisiert ist. Bei Betrach- tung mit unpolarisiertem Licht nimmt der Betrachter eine Mischfarbe wahr. Sind die Periodenlängen px und py dagegen gleich, so sieht das Kreuzgitter bei Betrachtung mit unpolarisiertem Licht ebenso aus, wie wenn man es mit vertikal oder horizontal polarisiertem Licht betrachtet.Due to the rectangular shape of the cross grating 122, the period lengths in the x-direction and y-direction, px and py, are generally different. At different period lengths px, py, the cross grating 122 produces a different color impression in the polarized light, depending on whether the light is polarized vertically or horizontally. For viewing With unpolarized light, the viewer perceives a mixed color. On the other hand, if the period lengths px and py are the same, then the cross lattice when viewed with unpolarized light looks just as if viewed with vertically or horizontally polarized light.
Die ein- oder zweidimensionalen Subwellenlängengitter können auch durch eine wiederholte Anordnung metallischer Strukturelemente gebildet sein, wobei neben quadratischen oder rechteckigen Elementen insbesondere auch kreisförmige, elliptische, ringförmige oder beliebig geformte Elemente in Betracht kommen.The one- or two-dimensional subwavelength gratings can also be formed by a repeated arrangement of metallic structural elements, wherein in addition to square or rectangular elements in particular also circular, elliptical, annular or arbitrarily shaped elements come into consideration.
Fig. 13 zeigt zur Veranschaulichung in (a) eine Aufsicht 130 auf ein Subwellenlängengitter, das aus einer zweidimensionalen periodischen Anordnung von Ringelementen 132 gebildet ist. Die Periodenlängen px und py liegen dabei beide unterhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichts und können beispielsweise 300 nm betragen. Während in Fig. 13(a) der Fall px = py dargestellt ist, können die Periodenlängen selbstverständlich auch verschieden sein. Für die Anregung von Plasmonen durch einfallendes Licht ist insbesondere die Ringbreite der Ringelemente 132 von Bedeutung.FIG. 13 shows, by way of illustration in (a), a top view 130 of a sub-wavelength grating formed from a two-dimensional periodic array of ring elements 132. The period lengths px and py are both below the wavelength of the visible light and can be, for example, 300 nm. Of course, while the case px = py is shown in Fig. 13 (a), the period lengths may also be different. For the excitation of plasmons by incident light in particular the ring width of the ring elements 132 is important.
Bei der Aufsicht 134 der Fig. 13(b) sind zwei unterschiedliche Geometrien miteinander kombiniert, nämlich streifenförmige Strukturelemente 136 und ringförmige Strukturelemente 132. Insbesondere die Streifen 136 werden durch die externe elektromagnetische Strahlung angeregt. Sie transportieren die aufgenommene elektromagnetische Energie zu den Ringelementen 132 und übertragen sie teilweise auf diese. Da Strukturelemente unterschiedlicher Geometrie in der Regel auch unterschiedliche Plasmonenresonanzen aufweisen, kann eine derartige Kombination unterschiedlicher Strukturele- mente zu einem modifizierten Resonanzverhalten und damit zu einem veränderten Farbeindruck des Gesamtsystems führen.In the top view 134 of FIG. 13 (b), two different geometries are combined, namely strip-shaped structure elements 136 and ring-shaped structure elements 132. In particular, the strips 136 are excited by the external electromagnetic radiation. They transport the absorbed electromagnetic energy to the ring elements 132 and partially transfer them to them. Since structural elements of different geometry usually also have different plasmon resonances, such a combination of different structural elements can lead to a modified resonance behavior and thus to a changed color impression of the overall system.
Allgemein können die beliebig geformten Elemente statistisch oder sto- chastisch auf der Fläche die farbig erscheinen soll verteilt werden.In general, the arbitrarily shaped elements can be distributed statistically or stochastically on the surface that should appear in color.
Es versteht sich, dass die bei den eindimensionalen Subwellenlängengittern beschriebenen Varianten, insbesondere die Nutzung von Wood- Anomalien und die Kombination der Subwellenlängengitter mit Beugungsgittern, auch bei zweidimensionalen Kreuzgittern und den ein- oder zweidimensionalen Strukturelement- Anordnungen eingesetzt werden können.It is understood that the variants described in the one-dimensional subwavelength gratings, in particular the use of wood anomalies and the combination of the subwavelength gratings with diffraction gratings, can also be used for two-dimensional cross gratings and the one- or two-dimensional structural element arrangements.
Die beschriebenen Subwellenlängengitter können auch in ein Interferenzschichtsystem integriert werden, um ihre optische Wirkung zu modifizieren oder zu verstärken. Ein beispielhaftes Schichtsystem ist in dem Querschnitt der Fig. 14 gezeigt. Dabei ist auf einer transparenten Trägerfolie 140 eine UV- Prägelackschicht 142 aufgedruckt und in Form eines gewünschten ein- oder zweidimensionalen Subwellenlängengitters geprägt. Auf die Präglackschicht 142 ist dann eine Aluminiumschicht 144 einer gewünschten Dicke senkrecht oder unter einem gewissen Aufdampfwinkel Q aufgedampft.The described subwavelength gratings can also be integrated into an interference layer system in order to modify or enhance their optical effect. An exemplary layer system is shown in the cross-section of FIG. In this case, a UV embossing lacquer layer 142 is printed on a transparent carrier film 140 and embossed in the form of a desired one-dimensional or two-dimensional subwavelength grating. An aluminum layer 144 of a desired thickness is then vapor-deposited vertically or at a certain vapor deposition angle Q onto the embossing layer 142.
Anschließend wird eine Schicht 146 mit hohem Brechungsindex, vorzugsweise ZnS oder Tiθ2, aufgebracht, beispielsweise ebenfalls durch Bedampfen. Ob bzw. wie deutlich sich die Prägestruktur an der Oberfläche dieser hochbrechenden Schicht 146 noch wiederfindet, hängt von den Umständen ab, unter denen die Schicht aufgebracht wurde. Der diesbezüglich wichtigste Parameter ist natürlich die Schichtdicke. Das Interferenzschichtsystem wird durch Aufbringen einer weiteren Schicht 148 eines transparenten Materials mit geringerem Brechungsindex, zum Beispiel Schutzlack mit n = 1,5, abge- schlossen. Die optische Wirkung der hochbrechenden dielektrischen Schicht 146 wird wesentlich durch ihre Dicke und den Brechzahlunterschied zur Umgebung bestimmt.Subsequently, a layer 146 with a high refractive index, preferably ZnS or TiO 2, is applied, for example likewise by vapor deposition. Whether or how clearly the embossed structure still appears on the surface of this high-index layer 146 depends on the circumstances under which the layer was applied. Of course, the most important parameter in this respect is the layer thickness. The interference layer system is removed by applying a further layer 148 of a transparent material with a lower refractive index, for example protective lacquer with n = 1.5. closed. The optical effect of the high-index dielectric layer 146 is determined essentially by its thickness and the refractive index difference from the surroundings.
Die für die beschriebenen Subwellenlängengitter erforderliche hohe Auflösung lässt sich beispielsweise mitjilfe von Elektronenstrahllithographie- Anlagen erreichen, wobei selbst kleinste Partikel mit einer lateralen Ausdehnung von wenigen 10 nm noch mit individuellen Umrissen erzeugen werden können. Als Resist wird dabei typischerweise PMMA verwendet. Der Origi- nation mittels Elektronenstrahllithographie folgt galvanisches Abformen und die Herstellung von Prägewerkzeugen, mit deren Hilfe die Nanostruk- turen anschließend durch Prägen in UV-härtbaren Lack oder einen thermoplastisch verformbaren Kunststoff auf Folienbahnen vervielfältigt werden können. Die metallischen Nanostrukturen erhält man im darauffolgenden Schritt durch Bedampfen oder Besputtern mit dem entsprechenden Material in der gewünschten Schichtdicke, wobei zu beachten ist, dass die Metallschichtdicke in der Regel kleiner als die Prägetiefe sein sollte. Als Metalle werden vorzugsweise Gold, Silber, Kupfer und Aluminium eingesetzt.The high resolution required for the described subwavelength gratings can be achieved, for example, with the aid of electron beam lithography equipment, wherein even the smallest particles with a lateral extent of a few 10 nm can still be produced with individual contours. The resist typically used is PMMA. Electron beam lithography is followed by electroplating and the production of embossing tools, which can be used to duplicate the nanostructures by embossing them in UV-curable lacquer or a thermoplastically deformable plastic on foil webs. The metallic nanostructures are obtained in the subsequent step by vapor deposition or sputtering with the appropriate material in the desired layer thickness, wherein it should be noted that the metal layer thickness should usually be smaller than the embossing depth. The metals used are preferably gold, silver, copper and aluminum.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen metallischen Nanostrukturen besteht darin, dass sie selbst in kleinen Mikrostrukturen mit Ausdehnungen von wenigen Mikrometern in einer ausreichenden Zahl von Perioden oder Quasiperioden angeordnet werden können. Typische Beispiele für solche Mikrostrukturen sind Buchstaben und Symbole, die die Mikromotivbilder einer Moire- Vergrößerungsanordnung bilden. Die Funktionsweise und vorteilhafte Anordnungen für derartige Moirέ- Vergrößerungsanordnungen sind in den Druckschriften DE 10 2005 062132 Al und WO 2007/076952 A2 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insoweit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird. Füllt man derartige Mikrostrukturen mit erfindungsgemäßen Nanostruktu- ren, so kann ihnen eine auf andere Weise nur schwer oder gar nicht erreichbare Farbigkeit insbesondere mit mehreren Farben auf sehr kleinem Raum verliehen werden.A particular advantage of the metallic nanostructures according to the invention is that they can be arranged even in small microstructures with dimensions of a few micrometers in a sufficient number of periods or quasi-periods. Typical examples of such microstructures are letters and symbols that form the micromotif images of a moiré magnification device. The mode of operation and advantageous arrangements for such moire magnification arrangements are described in the publications DE 10 2005 062132 A1 and WO 2007/076952 A2, the disclosure content of which is incorporated in the present application in this respect. If such microstructures are filled with nanostructures according to the invention, they can be imparted a colourfulness, which is difficult or impossible to achieve otherwise, in particular with a plurality of colors in a very small space.
Fig. 15 zeigt in (a) bis (c) beispielhaft drei Ausführungsformen von Mikro- motivelementen 150, die durch Füllung mit metallischen Nanostrukturen farbig erscheinen. Die Mikromotivelemente 150, die in Fig. 15 zur Illustration nur durch den Buchstaben „ A" dargestellt sind, weisen typischerweise eine laterale Abmessung zwischen 10 μm und 35 μm und eine Strichstärke zwischen 1 μm und 10 μm auf und können daher mit herkömmlichen Verfahren nur schwer farbig gestaltet werden.FIG. 15 shows by way of example in (a) to (c) three embodiments of microparticles 150 which appear colored by filling with metallic nanostructures. The micromotif elements 150, which are shown in Fig. 15 for illustrative purposes only by the letter "A", typically have a lateral dimension between 10 microns and 35 microns and a line thickness between 1 .mu.m and 10 .mu.m and therefore difficult with conventional methods be colored.
Bei der in Fig. 15(a) gezeigten Erfindungsvariante enthält der Bereich der Mikromotivelemente 150 metallische Nanopartikel 152, die in ein Trägermedium 154 eingebettet sind, wie oben genauer beschrieben. Die Mikromotivelemente 150 der Fig. 15(b) sind mit einem linearen Subwellenlängengitter 156 gefüllt, und die in Fig. 15(c) gezeigten Mikromotivelemente 150 mit einem quadratischen Kreuzgitter 158.In the variant of the invention shown in Fig. 15 (a), the region of the micromotif elements 150 contains metallic nanoparticles 152 embedded in a support medium 154, as described in more detail above. The micromotif elements 150 of FIG. 15 (b) are filled with a linear sub-wavelength grating 156, and the micromotif elements 150 with a square cross-grating 158 shown in FIG. 15 (c).
Die Farberzeugung bzw. Schwärzung wird durch die Anregung von Plasmonen in den jeweiligen Nanostrukturen 152, 156, 158 bewerkstelligt, wie oben bereits beschrieben. Im Falle der Füllung mit dem Liniengitter 156, dessen Periode deutlich kleiner sein soll als die Wellenlänge sichtbaren Lichts, wird neben dem Farbeffekt auch ein polarisierender Effekt zu beobachten sein. Welche Farbe im Detail entsteht, hängt von der Beschaffenheit der Nanostrukturen und der Art der dielektrischen Einbettung ab, wie bereits ausführlich erläutert. Die deterministischen Strukturen 156, 158 der Figuren 15(b) und (c) können durch Prägen in UV-Lack und anschließendes Auf- dampfen einer Metallschicht geeigneter Dicke hergestellt werden. Bei Bedarf kann anstelle einer einfachen Metallschicht auch zusätzlich ein Schichtsystem aufgebracht werden, wie oben beschrieben, etwa um die plasmonischen Farbeffekte zusätzlich zu verstärken.The color generation or blackening is accomplished by the excitation of plasmons in the respective nanostructures 152, 156, 158, as described above. In the case of filling with the line grating 156, whose period should be significantly smaller than the wavelength of visible light, in addition to the color effect, a polarizing effect will be observed. The color that emerges in detail depends on the nature of the nanostructures and the nature of the dielectric embedding, as already explained in detail. The deterministic structures 156, 158 of FIGS. 15 (b) and (c) can be obtained by embossing in UV varnish and subsequent application. vaporizing a metal layer of suitable thickness can be produced. If necessary, instead of a simple metal layer, a layer system can additionally be applied, as described above, in order to additionally reinforce the plasmonic color effects.
Bei den entstehenden Profilformen können sich die mit Nanostrukturen versehenen Flächenabschnitte auf der Ebene des Velinbereichs befinden oder im Vergleich zu dieser Ebene nach unten oder nach oben versetzt sein. Typische Prägetiefen liegen im Bereich zwischen 10 nm und 500 ran für die Nano- Strukturen und bis maximal 10 μm für die Mikrostrukturen.For the resulting profile shapes, the surface areas provided with nanostructures may be located at the level of the vellum area or offset downwards or upwards relative to that level. Typical embossing depths are in the range between 10 nm and 500 nm for the nanostructures and up to a maximum of 10 μm for the microstructures.
Darüber hinaus können die nach oben oder unten versetzten Bereiche, die die Flächen der Mikromotivelemente 150 definieren, auch gekrümmte Profile aufweisen.Moreover, the up or down offset areas defining the surfaces of the micromotif elements 150 may also have curved profiles.
In den Darstellungen der Fig. 15 besteht der Velinbereich aus einer unstrukturierten, glatten Oberfläche, während die die Mikrostrukturen bildenden Flächen mit Nanostrukturen ausgestattet sind. Es ist allerdings auch der umkehrte Fall möglich, in dem die Mikrostrukturen keine zusätzliche Struk- turierung erfahren, sondern der umgebende Velinbereich nanostrukturiert ist. Wie in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 16 gezeigt, kommt auch eine Kombination beider Möglichkeiten in Betracht, bei der sowohl die Mikromotivelemente 160 als auch der umgebende Velinbereich 162 mit Nanostrukturen 164, 166 versehen sind, die jeweils unterschiedliche Farbwirkungen er- zielen.In the illustrations of FIG. 15, the velin region consists of an unstructured, smooth surface, while the surfaces forming the microstructures are provided with nanostructures. However, the reversed case is also possible in which the microstructures do not undergo additional structuring, but the surrounding vein area is nanostructured. As shown in the exemplary embodiment of FIG. 16, a combination of both options is also possible, in which both the micromotif elements 160 and the surrounding velin region 162 are provided with nanostructures 164, 166, which each achieve different color effects.
In Ergänzung zu den bisher beschriebenen Ausgestaltungen können sich die Nanostrukturen auch innerhalb einer Mikrostruktur verändern, beispielsweise kontinuierlich, abrupt oder statistisch. Das Gleiche gilt für die Nanostrukturfüllung des Velinbereichs: auch sie muss nicht zwangsweise Nanostrukturfüllung des Velinbereichs: auch sie muss nicht zwangsweise homogen sein, wie in den Ausführungsbeispielen der Figuren 15 und 16 gezeigt. Auch die Flächenabschnitte, die keine Nanostrukturen enthalten, können unstrukturiert oder mit anderen Strukturen gefüllt sein. Infrage kom- men dazu beispielsweise Mikrostrukturen, wie etwa Sägezahnstrukturen oder retroreflektive Würfeleckstrukturen, oder sogenannte Mottenaugen- strukturen, die Licht absorbieren und daher dunkel bis schwarz aussehen. In addition to the embodiments described so far, the nanostructures can also change within a microstructure, for example continuously, abruptly or statistically. The same applies to the nanostructure filling of the velin area: it does not necessarily have to Nanostructure filling of the vellum region: also it does not necessarily have to be homogeneous, as shown in the exemplary embodiments of FIGS. 15 and 16. The surface sections that contain no nanostructures can also be unstructured or filled with other structures. For example, microstructures such as sawtooth structures or retroreflective cube-corner structures, or so-called moth-eye structures that absorb light and therefore look dark to black, are possible.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Sicherheitselement für Sicherheitspapiere, Wertdokumente und der- gleichen, mit einem einfallende elektromagnetische Strahlung selektiv beeinflussenden Merkmalsbereich, dadurch gekennzeichnet, dass der Merkmalsbereich metallische Nanostrukturen enthält, in denen durch die einfallende elektromagnetische Strahlung Volumen- oder Oberflächenplasmonen angeregt und/ oder Resonanzerscheinungen hervorgerufen werden.1. security element for security papers, documents of value and the same, with an incident electromagnetic radiation selectively influencing feature area, characterized in that the feature area contains metallic nanostructures in which volume or surface plasmons excited by the incident electromagnetic radiation and / or resonance phenomena are caused.
2. Sicherheitselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Merkmalsbereich einfallende elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich selektiv beeinflusst.2. Security element according to claim 1, characterized in that the feature area selectively influences incident electromagnetic radiation in the visible spectral range.
3. Sicherheitselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Merkmalsbereich einfallende elektromagnetische Strahlung selektiv reflektiert und/ oder transmittiert.3. Security element according to claim 1 or 2, characterized in that the feature area selectively reflects and / or transmits incident electromagnetic radiation.
4. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, da- durch gekennzeichnet, dass der Merkmalsbereich transparent oder translu- zent ist.4. Security element according to at least one of claims 1 to 3, character- ized in that the feature area is transparent or translucent.
5. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Merkmalsbereich in verschiedenen Teilbe- reichen verschiedene metallische Nanostrukturen enthält.5. Security element according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the feature area contains different metallic nanostructures in different subregions.
6. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Merkmalsbereich als metallische Nano- strukturen metallische Nanopartikel aufweist, die in ein Trägermedium eingebettet sind.6. A security element according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the feature area as metallic nano structures has metallic nanoparticles embedded in a carrier medium.
7. Sicherheitselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Nanopartikel eine größte Abmessung zwischen 2 nm und7. Security element according to claim 6, characterized in that the metallic nanoparticles have a largest dimension between 2 nm and
400 nm, bevorzugt zwischen 5 nm und 300 nm und besonders bevorzugt zwischen 10 nm und 200 nm aufweisen.400 nm, preferably between 5 nm and 300 nm and more preferably between 10 nm and 200 nm.
8. Sicherheitselement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Nanopartikel im Wesentlichen kugelförmig ausgebildet sind.8. Security element according to claim 6 or 7, characterized in that the metallic nanoparticles are formed substantially spherical.
9. Sicherheitselement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Nanopartikel mit einer Vorzugsrichtung, insbesondere als Rotationsellipsoide oder in Stäbchen- oder Plättchenform, ausgebildet sind.9. The security element according to claim 6 or 7, characterized in that the metallic nanoparticles are formed with a preferred direction, in particular as ellipsoids of revolution or in the form of a rod or plate.
10. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Nanopartikel aus homogenen metallischen Partikeln gebildet sind, insbesondere aus Au-, Ag-, Cu- oder AI-Partikeln.10. The security element according to claim 6, characterized in that the metallic nanoparticles are formed from homogeneous metallic particles, in particular from Au, Ag, Cu or Al particles.
11. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Nanopartikel aus Kern-Hülle- Partikeln gebildet sind, bei denen mindestens eines der Materialien von Kern und Hülle ein Metall, insbesondere Au, Ag, Cu oder Al, ist.11. The security element according to claim 6, characterized in that the metallic nanoparticles are formed from core-shell particles in which at least one of the materials of core and shell comprises a metal, in particular Au, Ag, Cu or Al, is.
12. Sicherheitselement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das andere der Materialien von Kern und Hülle ein Dielektrikum ist. 12. A security element according to claim 11, characterized in that the other of the core and shell materials is a dielectric.
13. Sicherheitselement nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Materialien von Kern und Hülle magnetisch ist.13. A security element according to claim 11 or 12, characterized in that one of the materials of the core and shell is magnetic.
14. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Merkmalsbereich eine Mischung verschiedener metallischer Nanopartikel enthält, insbesondere eine Mischung von Nanopartikeln unterschiedlichen Durchmessers.14. The security element according to claim 6, characterized in that the feature region contains a mixture of different metallic nanoparticles, in particular a mixture of nanoparticles of different diameters.
15. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermedium durch eine transparente oder gefärbte Lackschicht gebildet ist.15. The security element according to at least one of claims 6 to 14, characterized in that the carrier medium is formed by a transparent or colored lacquer layer.
16. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Nanopartikel in dem Merk- malsbereich magnetisch angeordnet und/ oder ausgerichtet sind.16. The security element according to claim 6, characterized in that the metallic nanoparticles are magnetically arranged and / or aligned in the feature area.
17. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Merkmalsbereich eine strukturierte Oberfläche mit Erhebungen und Vertiefungen aufweist, wobei die metallischen Nanopartikel in den Vertiefungen der strukturierten Oberfläche angeordnet sind.17. The security element according to claim 6, characterized in that the feature region has a structured surface with elevations and depressions, wherein the metallic nanoparticles are arranged in the depressions of the structured surface.
18. Sicherheitselement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Oberfläche durch eine geprägte Lackschicht, insbesondere eine geprägte UV-Lackschicht gebildet ist.18. Security element according to claim 17, characterized in that the structured surface is formed by an embossed lacquer layer, in particular an embossed UV lacquer layer.
19. Sicherheitselement nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Oberfläche durch eine geprägte und metallisierte Lackschicht gebildet ist. 19. Security element according to claim 17 or 18, characterized in that the structured surface is formed by an embossed and metallized lacquer layer.
20. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Oberfläche eine Beugungsstruktur bildet, die die einfallende elektromagnetische Strahlung spektral aufspaltet.20. The security element according to claim 17, wherein the structured surface forms a diffraction structure which spectrally splits the incident electromagnetic radiation.
21. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Oberfläche in einer oder zwei Raumrichtungen periodisch ist.21. A security element according to at least one of claims 17 to 20, characterized in that the structured surface is periodic in one or two spatial directions.
22. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die periodisch strukturierte Oberfläche bezüglich der Periode oder des Azimutwinkels, welcher die räumliche Orientierung der periodischen Strukturen definiert, um einen bestimmten Mittelwert schwankt.22. A security element according to at least one of claims 17 to 21, characterized in that the periodically structured surface with respect to the period or the azimuth angle, which defines the spatial orientation of the periodic structures, varies by a certain average.
23. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Merkmalsbereich eine Metallschicht enthält, über der die metallischen Nanostrukturen angeordnet sind.23. A security element according to at least one of claims 6 to 22, characterized in that the feature region includes a metal layer over which the metallic nanostructures are arranged.
24. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Merkmalsbereich ein Dünnschichtelement mit Farbkippeffekt enthält, das eine Metallschicht, eine Absorberschicht und eine zwischen der Reflexionsschicht und der Absorberschicht angeordnete dielektrische Abstandsschicht aufweist, wobei die metallischen Nanopartikel in der dielektrischen Abstandsschicht angeordnet sind.24. The security element according to claim 6, characterized in that the feature region includes a color shift effect thin-film element comprising a metal layer, an absorber layer and a dielectric spacer layer disposed between the reflective layer and the absorber layer, wherein the metallic nanoparticles in the dielectric Spacer layer are arranged.
25. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Merkmalsbereich als metallische Nano- strukturen ein oder mehrere Subwellenlängengitter mit Gitterperioden unterhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichts enthält.25. A security element according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the feature area as metallic nano structures contains one or more subwavelength gratings with grating periods below the wavelength of visible light.
26. Sicherheitselement nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Subwellenlängengitter als Binärstrukturen ausgebildet sind, die ausschließlich ebene metallische Flächenabschnitte auf nur zwei verschiedenen Höhenstufen enthalten.26. The security element according to claim 25, characterized in that the subwavelength gratings are formed as binary structures that contain only flat metallic surface portions at only two different height levels.
27. Sicherheitselement nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Subwellenlängengitter als Multilevelstrukturen ausgebildet sind, die ausschließlich ebene metallische Flächenabschnitte auf n verschiedenen Höhenstufen enthalten, wobei n zwischen 3 und 16 liegt.27. A security element according to claim 25, characterized in that the subwavelength gratings are designed as multilevel structures that contain only flat metallic surface portions at n different height levels, where n is between 3 and 16.
28. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Subwellenlängengitter ein z-förmiges28. A security element according to at least one of claims 25 to 27, characterized in that the sub-wavelength grating is a z-shaped
Metallprofil aufweisen.Have metal profile.
29. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Subwellenlängengitter mit einer Beu- gungsstruktur kombiniert sind, die die einfallende elektromagnetische Strahlung spektral aufspaltet.29. A security element according to at least one of claims 25 to 28, characterized in that the sub-wavelength gratings are combined with a diffraction structure which spectrally splits the incident electromagnetic radiation.
30. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Subwellenlängengitter Gitterlinien mit einer variierenden Breite aufweisen.30. The security element according to at least one of claims 25 to 29, characterized in that the subwavelength gratings have grating lines with a varying width.
31. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Subwellenlängengitter eine laterale Vari- ation der Gitterprofile, insbesondere eine laterale Variation der Profiltiefen aufweisen, um lateral unterschiedliche Farbeindrücke zu erzeugen.31. A security element according to at least one of claims 25 to 30, characterized in that the subwavelength gratings have a lateral variable tion of the lattice profiles, in particular have a lateral variation of the tread depths to produce laterally different color impressions.
32. Sicherheitselement nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitselement ein farbiges Bild aus einer Mehrzahl von Pixelelementen enthält, bei dem die Gitterprofile innerhalb eines Pixelelements jeweils konstant sind und die Gitterprofile verschiedenfarbiger Pixelelemente entsprechend dem jeweiligen Farbeindruck unterschiedlich ausgebildet sind.32. Security element according to claim 31, characterized in that the security element contains a color image of a plurality of pixel elements, in which the grating profiles within a pixel element are each constant and the grating profiles of differently colored pixel elements are formed differently according to the respective color impression.
33. Sicherheitselement nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitselement ein farbiges Bild aus einer Mehrzahl von Pixelelementen enthält, bei dem der Farbeindruck eines Pixelelements durch Farbmischung von Unterbereichen mit unterschiedlichen Gitterprofilen erzeugt ist.33. Security element according to claim 31, characterized in that the security element contains a color image of a plurality of pixel elements, in which the color impression of a pixel element is generated by color mixing of subregions with different grating profiles.
34. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterperioden der Subwellenlängengit- ter zwischen 10 nm und 500 nm, bevorzugt zwischen 50 und 400 nm und besonders bevorzugt zwischen 100 nm und 350 nm liegen.34. The security element according to claim 25, characterized in that the grating periods of the subwavelength gratings are between 10 nm and 500 nm, preferably between 50 and 400 nm and particularly preferably between 100 nm and 350 nm.
35. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Subwellenlängengitter durch lineare Gitter gebildet sind.35. The security element according to at least one of claims 25 to 34, characterized in that the subwavelength gratings are formed by linear gratings.
36. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Subwellenlängengitter durch zweidimensionale Kreuzgitter gebildet sind, die in einer oder zwei Raumrichtungen periodisch sind. 36. The security element according to at least one of claims 25 to 34, characterized in that the subwavelength gratings are formed by two-dimensional cross gratings which are periodic in one or two spatial directions.
37. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Subwellenlängengitter durch ein- oder zweidimensionale gekrümmte Gitter mit sich kontinuierlich veränderndem Azimutwinkel der Gitterlinien gebildet sind.37. The security element according to at least one of claims 25 to 34, characterized in that the subwavelength gratings are formed by one or two-dimensional curved gratings with continuously changing azimuth angles of the grating lines.
38. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Subwellenlängengitter durch ein- oder zweidimensionale wiederholte Anordnung von metallischen Strukturelementen gebildet sind.38. The security element according to at least one of claims 25 to 34, characterized in that the sub-wavelength gratings are formed by one or two-dimensional repeated arrangement of metallic structural elements.
39. Sicherheitselement nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Strukturelemente in Form von Quadraten, Rechtecken, Kreisflächen, Ringstrukturen, Streifen, Kugeln, Rhomben, Stäbchen, offenen Ringen oder einer Kombination dieser Elemente oder durch beliebig geform- te Elemente gebildet sind.39. Security element according to claim 38, characterized in that the metallic structural elements in the form of squares, rectangles, circular areas, ring structures, strips, spheres, diamonds, rods, open rings or a combination of these elements or by any shaped elements are formed.
40. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Subwellenlängengitter in ein Interferenzschichtsystem integriert sind.40. Security element according to at least one of claims 25 to 39, characterized in that the sub-wavelength gratings are integrated in an interference layer system.
41. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass der Merkmalsbereich in Form von Mustern, Zeichen oder einer Codierung vorliegt.41. Security element according to at least one of claims 1 to 40, characterized in that the feature area is in the form of patterns, characters or a coding.
42. Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass der Merkmalsbereich Mikrostrukturen mit einer Strichstärke zwischen etwa 1 μm und etwa 10 μm enthält. 42. The security element according to claim 1, characterized in that the feature region contains microstructures with a line width between approximately 1 μm and approximately 10 μm.
43. Sicherheitselement nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturen ein Motivbild bilden, das in eine Mehrzahl von Zellen eingeteilt ist, in denen jeweils abgebildete Bereiche eines vorgegebenen Sollbilds angeordnet sind, wobei die lateralen Abmessungen der abgebildeten Bereiche vorzugsweise zwischen etwa 5 μm und etwa 50 μm, insbesondere zwischen etwa 10 μm und etwa 35 μm liegen.43. The security element according to claim 42, characterized in that the microstructures form a motif image, which is divided into a plurality of cells, in which respectively imaged areas of a predetermined target image are arranged, wherein the lateral dimensions of the imaged areas preferably between about 5 microns and about 50 microns, in particular between about 10 microns and about 35 microns.
44. Sicherheitselement nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betrachtungsraster aus einer Mehrzahl von Betrachtungsrasterelementen zur Rekonstruktion des vorgegebenen Sollbilds bei der Betrachtung des Motivbilds mithilfe des Betrachtungsrasters vorgesehen ist, wobei die lateralen Abmessungen der Betrachtungsrasterelemente vorzugsweise zwischen etwa 5 μm und etwa 50 μm, insbesondere zwischen etwa 10 μm und etwa 35 μm liegen.44. A security element according to claim 43, characterized in that a viewing grid of a plurality of viewing grid elements for reconstruction of the predetermined target image when viewing the motif image using the viewing grid is provided, wherein the lateral dimensions of the viewing grid elements preferably between about 5 microns and about 50 microns, in particular between about 10 microns and about 35 microns.
45. Sicherheitselement nach Anspruch 43 oder 44, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturen ein Motivbild aus einer planaren periodischen oder zumindest lokal periodischen Anordnung einer Mehrzahl von Mikro- motivelementen bilden.45. The security element according to claim 43 or 44, characterized in that the microstructures form a motif image from a planar periodic or at least locally periodic arrangement of a plurality of micro-motif elements.
46. Sicherheitselement nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, dass eine planare periodische oder zumindest lokal periodische Anordnung einer Mehrzahl von Mikrofokussierelementen zur Moirέ-vergrößerten Betrachtung der Mikromotivelemente des Motivbilds vorgesehen ist, deren laterale Abmessungen vorzugsweise zwischen etwa 5 μm und etwa 50 μm, insbesondere zwischen etwa 10 μm und etwa 35 μm liegen.46. The security element according to claim 45, characterized in that a planar periodic or at least locally periodic arrangement of a plurality of microfocusing elements is provided for moirέ-magnified viewing of the micromotif elements of the motif image whose lateral dimensions are preferably between about 5 μm and about 50 μm, in particular between about 10 microns and about 35 microns are.
47. Sicherheitselement nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung von Mikromotivelementen und die Anordnung von Mikro- fokussierelementen zumindest lokal jeweils ein zweidimensionales Bravais- Gitter bilden, wobei die Anordnung von Mikromotivelementen und/ oder die Anordnung von Mikrofokussierelementen ein Bravais-Gitter mit der Symmetrie eines Parallelogramm-Gitters bildet.47. The security element according to claim 46, characterized in that the arrangement of micromotif elements and the arrangement of micro-elements focusing elements at least locally each form a two-dimensional Bravais grid, wherein the arrangement of micromotif elements and / or the arrangement of Mikrofokussierelementen forms a Bravais grid with the symmetry of a parallelogram grating.
48. Sicherheitselement nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das beobachtbare Farbspektrum durch eine Intensitätsumverteilung aufgrund einer Wood- Anomalie beeinflusst wird.48. The security element according to at least one of the preceding claims, characterized in that the observable color spectrum is influenced by an intensity redistribution due to a wood anomaly.
49. Sicherheitselement nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die metallischen Nanopartikel nach Anspruch 9, die mit einer Vorzugsrichtung insbesondere als Rotationsellipsoide oder in Stäbchen- oder Plättchenform ausgebildet sind, oder durch lineare oder kreuzförmige Gitter Farbeffekte aufgrund der Polarisationsrich- tung des einfallenden Lichtes entstehen.49. The security element according to claim 1, characterized in that color effects due to the direction of polarization are formed by the metallic nanoparticles according to claim 9, which are formed with a preferred direction, in particular as ellipsoids of revolution or in rod or platelet form, or by linear or cross-shaped gratings of the incoming light.
50. Verfahren zum Herstellen eines Sicherheitselements nach wenigstens einem der Anspruch 1 bis 49, bei dem das Sicherheitselement in einem Merkmalsbereich mit metallischen Nanostrukturen versehen wird, in denen durch die einfallende elektromagnetische Strahlung Volumen- oder Oberflächen- plasmonen angeregt und/ oder Resonanzerscheinungen hervorgerufen werden.50. A method for producing a security element according to at least one of claims 1 to 49, in which the security element is provided in a feature area with metallic nanostructures in which volume or surface plasmons are excited by the incident electromagnetic radiation and / or resonance phenomena are produced.
51. Verfahren nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, dass der Merkmalsbereich in verschiedenen Teilbereichen mit verschiedenen metallischen Nanostrukturen versehen wird.51. Method according to claim 50, characterized in that the feature area is provided with different metallic nanostructures in different partial areas.
52. Verfahren nach Anspruch 50 oder 51, dadurch gekennzeichnet, dass als metallische Nanostrukturen in ein Trägermedium eingebettete metalli- sche Nanopartikel auf ein Substrat aufgebracht, insbesondere aufgedruckt werden.52. The method according to claim 50 or 51, characterized in that metal metallic nanostructures embedded in a carrier medium metallic cal nanoparticles are applied to a substrate, in particular printed.
53. Verfahren nach Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, dass die in ein Trägermedium eingebetteten metallischen Nanopartikel in Form von53. The method according to claim 52, characterized in that the embedded in a support medium metallic nanoparticles in the form of
Mustern, Zeichen oder Codierungen aufgebracht werden.Patterns, characters or encodings are applied.
54. Verfahren nach Anspruch 52 oder 53, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Nanopartikel nach dem Aufbringen auf das Substrat durch ein externes Magnetfeld ausgerichtet und/ oder angeordnet werden.54. The method according to claim 52 or 53, characterized in that the metallic nanoparticles are aligned after application to the substrate by an external magnetic field and / or arranged.
55. Verfahren nach Anspruch 54, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Nanopartikel nach dem Ausrichten und/ oder Anordnen durch Trocknen oder Härten des Trägermediums immobilisiert werden.55. The method according to claim 54, characterized in that the metallic nanoparticles are immobilized after alignment and / or arranging by drying or curing of the carrier medium.
56. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 52 bis 55, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mit einer strukturierten Oberfläche mit Erhebungen und Vertiefungen versehen wird, und dass die metallischen Nanopartikel in die Vertiefungen der strukturierten Oberfläche eingebracht werden.56. The method according to claim 52, characterized in that the substrate is provided with a structured surface with elevations and depressions, and that the metallic nanoparticles are introduced into the depressions of the structured surface.
57. Verfahren nach Anspruch 56, dadurch gekennzeichnet, dass ein fluides Trägermedium mit den metallischen Nanopartikeln auf die strukturierte Oberfläche aufgebracht, beispielsweise aufgedruckt wird, und die struktu- rierte Oberfläche dann geräkelt oder gewischt wird, so dass die metallischen Nanopartikel nur in den Vertiefungen der strukturierten Oberfläche zurückbleiben. 57. The method according to claim 56, characterized in that a fluid carrier medium with the metallic nanoparticles is applied to the structured surface, for example printed, and the structured surface is then scrunched or wiped so that the metallic nanoparticles only in the depressions of the remain textured surface.
58. Verfahren nach Anspruch 56 oder 57, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Oberfläche mit den in den Vertiefungen eingebrachten Na- nopartikeln mit einer Lackschicht abgedeckt wird.58. The method according to claim 56 or 57, characterized in that the structured surface is covered with the nanoparticles introduced into the depressions with a lacquer layer.
59. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 52 bis 58, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Nanopartikel in die dielektrische Abstandsschicht eines Dünnschichtelements mit Farbkippeffekt integriert werden.59. The method according to at least one of claims 52 to 58, characterized in that the metallic nanoparticles are integrated into the dielectric spacer layer of a thin-film element with a color shift effect.
60. Verfahren nach Anspruch 50 oder 51, dadurch gekennzeichnet, dass als metallische Nanostrukturen ein oder mehrere Subwellenlängengitter mit Gitterperioden unterhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichts auf ein Substrat aufgebracht werden.60. The method according to claim 50 or 51, characterized in that as metallic nanostructures one or more subwavelength gratings with grating periods below the wavelength of the visible light are applied to a substrate.
61. Verfahren nach Anspruch 60, dadurch gekennzeichnet, dass in eine Prägelackschicht eine Reliefstruktur in Form der gewünschten Subwellenlängengitter eingeprägt wird und auf die Reliefstruktur eine Metallisierung aufgebracht, insbesondere aufgedampft wird.61. The method according to claim 60, characterized in that a relief structure in the form of the desired sub-wavelength lattice is embossed into an embossing lacquer layer and a metallization is applied to the relief structure, in particular vapor-deposited.
62. Verfahren nach Anspruch 61, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung in einem Aufdampfwinkel Q aufgedampft wird, der zwischen 0° und 90°, vorzugsweise zwischen 30° und 80° liegt.62. The method according to claim 61, characterized in that the metallization is evaporated in a vapor deposition angle Q, which is between 0 ° and 90 °, preferably between 30 ° and 80 °.
63. Verfahren nach Anspruch 61 oder 62, dadurch gekennzeichnet, dass die metallisierte Reliefstruktur mit einer weiteren Lackschicht abgedeckt wird.63. The method according to claim 61 or 62, characterized in that the metallized relief structure is covered with a further lacquer layer.
64. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 60 bis 63, dadurch gekennzeichnet, dass die Subwellenlängengitter mit einer lateralen Variati- on der Gitterprofile, insbesondere mit einer lateralen Variation der Profiltiefen, aufgebracht werden.64. The method according to at least one of claims 60 to 63, characterized in that the sub-wavelength gratings with a lateral variati- on the grid profiles, in particular with a lateral variation of the tread depths are applied.
65. Verfahren nach Anspruch 60, dadurch gekennzeichnet, dass als Sub- wellenlängengitter eine ein- oder zweidimensionale wiederholte Anordnung von metallischen Strukturelementen auf das Substrat aufgebracht, insbesondere aufgedampft wird.65. The method according to claim 60, characterized in that as a sub-wavelength grating a one- or two-dimensional repeated arrangement of metallic structural elements is applied to the substrate, in particular vapor-deposited.
66. Verfahren nach Anspruch 65, dadurch gekennzeichnet, dass die Subwellenlängengitter mit Strukturelementen in Form von Quadraten, Rechecken, Kreisflächen, Ringstrukturen, Streifen, Kugeln, Rhomben, Stäbchen, offenen Ringen oder einer Kombination dieser Elemente oder beliebig geformten Elementen gebildet werden.66. The method according to claim 65, characterized in that the subwavelength gratings are formed with structural elements in the form of squares, rectangles, circular areas, ring structures, stripes, spheres, rhombuses, rods, open rings or a combination of these elements or arbitrarily shaped elements.
67. Verfahren nach Anspruch 65 oder 66, dadurch gekennzeichnet, dass die Subwellenlängengitter mit zumindest zwei Strukturelementen mit unterschiedlichen Geometrien gebildet werden.67. The method of claim 65 or 66, characterized in that the sub-wavelength gratings are formed with at least two structural elements with different geometries.
68. Verfahren nach Anspruch 50 oder 51, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanostrukturen durch Laserbestrahlung einer dünnen Metallschicht erzeugt werden.68. The method according to claim 50 or 51, characterized in that the nanostructures are produced by laser irradiation of a thin metal layer.
69. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 50 bis 68, dadurch gekennzeichnet, dass der Merkmalsbereich in Form von Mustern, Zeichen oder einer Codierung erzeugt wird.69. Method according to claim 50, characterized in that the feature area is generated in the form of patterns, characters or an encoding.
70. Verfahren nach Anspruch 69, dadurch gekennzeichnet, dass der Merkmalsbereich mit Mikrostrukturen mit einer Strichstärke zwischen etwa 1 μm und etwa 10 μm gebildet wird. 70. The method according to claim 69, characterized in that the feature area is formed with microstructures having a line width between about 1 μm and about 10 μm.
71. Verfahren nach Anspruch 70, dadurch gekennzeichnet, dass als Mikrostruktur ein Motivbild erzeugt wird, das in eine Mehrzahl von Zellen eingeteilt ist, in denen jeweils abgebildete Bereiche eines vorgegebenen Sollbilds angeordnet sind.71. The method according to claim 70, characterized in that a motif image is generated as a microstructure, which is divided into a plurality of cells in which respectively imaged regions of a predetermined target image are arranged.
72. Verfahren nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, dass die lateralen Abmessungen der abgebildeten Bereiche zwischen etwa 5 μm und etwa 50 μm, vorzugsweise zwischen etwa 10 μm und etwa 35 μm liegen.72. The method according to claim 71, characterized in that the lateral dimensions of the imaged regions are between about 5 μm and about 50 μm, preferably between about 10 μm and about 35 μm.
73. Verfahren nach Anspruch 71 oder 72, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegende Seite des Trägers mit einer planaren Anordnung einer Mehrzahl von Betrachtungsrasterelementen zur Betrachtung der abgebildeten Bereiche des Motivbilds versehen wird.73. The method of claim 71 or 72, characterized in that the opposite side of the carrier is provided with a planar arrangement of a plurality of viewing grid elements for viewing the imaged areas of the motif image.
74. Sicherheitspapier für die Herstellung von Sicherheits- oder Wertdokumente, wie Banknoten, Schecks, Ausweiskarten, Urkunden oder dergleichen, das mit einem Sicherheitselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 73 versehen ist.74. Security paper for the production of security or value documents, such as banknotes, checks, identity cards, documents or the like, which is provided with a security element according to at least one of claims 1 to 73.
75. Sicherheitspapier nach Anspruch 74, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitspapier ein Trägersubstrat aus Papier oder Kunststoff umfasst.75. Security paper according to claim 74, characterized in that the security paper comprises a carrier substrate made of paper or plastic.
76. Datenträger, insbesondere Markenartikel, Wertdokument oder dergleichen, mit einem Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 73.76. Data carrier, in particular branded article, valuable document or the like, with a security element according to one of claims 1 to 73.
77. Datenträger nach Anspruch 76, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitselement in oder über einem Fensterbereich oder einer durchgehenden Öffnung des Datenträgers angeordnet ist. 77. A data carrier according to claim 76, characterized in that the security element is arranged in or over a window area or a through opening of the data carrier.
78. Verwendung eines Sicherheitselements nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 73, eines Sicherheitspapiers nach Anspruch 74 oder 75, oder eines Datenträgers nach Anspruch 76 oder 77 zur Fälschungssicherung von Waren beliebiger Art. 78. Use of a security element according to at least one of claims 1 to 73, a security paper according to claim 74 or 75, or a data carrier according to claim 76 or 77 for forgery prevention of goods of any kind.
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