EP2821242B1

EP2821242B1 - Sicherheitselement für Wertdokumente

Info

Publication number: EP2821242B1
Application number: EP14002031.4A
Authority: EP
Inventors: Hans Lochbihler
Original assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Current assignee: Giesecke and Devrient GmbH
Priority date: 2013-06-14
Filing date: 2014-06-12
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2034-06-12
Also published as: EP2821242A1; DE102013009972A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitselement zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das ein Substrat mit einer Oberseite aufweist und mindestens ein Bild bereitstellt, wobei das Bild durch eine Mikrokavitätenstruktur, die eine Vielzahl nebeneinanderliegender Mikrokavitäten aufweist, und einen glatten Bereich gebildet ist, die Mikrokavitäten jeweils in einer zur Oberseite parallel liegenden Raumrichtung eine Strukturweite von 0,5 µm bis 3 µm und senkrecht dazu eine Strukturtiefe aufweisen und ein Aspektverhältnis haben, das durch das Verhältnis von Strukturtiefe zu Strukturweite definiert ist, und auf die Mikrokavitätenstruktur und den glatten Bereich eine metallhaltige Beschichtung aufgebracht ist.
Die Erfindung betrifft weiter ein Wertdokument mit einem solchen Sicherheitselement.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Herstellungsverfahren für ein Sicherheitselement für Wertdokumente, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das mindestens ein Bild bereitstellt, wobei an einem Substrat, das eine Oberseite aufweist, zur Erzeugung eines Bilds eine Mikrokavitätenstruktur, die eine Vielzahl nebeneinanderliegender Mikrokavitäten aufweist, und ein glatter Bereich ausgebildet wird, die Mikrokavitäten jeweils in einer zur Oberseite parallel liegenden Raumrichtung mit einer Strukturweite von 0,5 µm bis 3 µm und senkrecht dazu mit einer Strukturtiefe ausgebildet sind und ein Aspektverhältnis haben, das durch das Verhältnis von Strukturtiefe zu Strukturweite definiert ist, und auf die Mikrokavitätenstruktur und den glatten Bereich eine metallhaltige Beschichtung aufgebracht wird.
Im Stand der Technik sind Sicherheitselemente bekannt, die eine Mikrokavitätenstruktur aufweisen. Sie stellen Mikrobilder bereit, die mit Moire-Vergrößerungsanordnungen vergrößert sichtbar sind. Die Gestaltung von Mikrobildern für Moire-Vergrößerungsanordnungen ist im Stand der Technik bereits in vielerlei Hinsicht diskutiert.
Mikrokavitätenstrukturen sind auch bekannt, um eine Absorption von einfallender Strahlung zu bewirken und dadurch beispielsweise einen Hintergrund für ein Bild bereitzustellen. Die EP 1434695 B1 beschreibt eine absorbierende Struktur mit einer Periode kleiner als die Lichtwellenlänge. Die Struktur ist als Kreuzgitter mit sinusförmigem Profil aufgebaut. Die WO 2005/106601 A2 betrifft Moire-Vergrößerungsanordnungen mit Mikrobildern, welche aus antireflektierenden Bereichen und teilweise reflektierenden Bereichen bestehen. Die antireflektierende Fläche wird durch Nanostrukturen mit einer Periode kleiner als 700 nm und einer Tiefe zwischen 150 und 350 nm gebildet. In der EP 1979768 A1 sind Mehrschichtkörper mit Mikrolinsenanordnung erläutert, bei denen Mikrobilder durch Mikrolöcher bzw. durch Bereiche mit unterschiedlicher Opazität erzeugt werden. Die WO 2002/101669 A2 beschreibt Mikrobilder, welche durch feine Punkte oder Perforationen gebildet werden. Die EP 1476317 A1 sowie die US 7468842 B2 beschreiben konkave bzw. konvexe Oberflächen, Bildelemente als Reliefoberflächen, welche mit Farbe gefüllt werden, und "light trap patterns", gebildet durch Sub-Wellenlängenstrukturen, zur Erzeugung von Mikrobildern für Moiré-Vergrößerungsanordnungen.
Aus der DE 102008046128 A1 ist eine Mattstruktur für ein Sicherheitselement bekannt, die eine Vielzahl von Mikroelementen mit jeweils einer lateralen Abmessung unter 50 µm aufweist, wobei mindestens ein Geometrieparameter der Mikroelemente zufällig variiert, um den Matteffekt zu erzeugen. Der Geometrieparameter kann die Tiefe der Mikroelemente sein.
Die WO 2005/095119 A1 beschreibt ein Sicherheitselement in Form eines mehrschichtigen Folienkörpers, der einen blickwinkelabhängigen Farbverschiebungseffekt mittels Interferenz zeigt. In einer Replizierlackschicht ist dabei eine Reliefstruktur abgeformt, die hinsichtlich ihrer Geometrie so ausgestaltet ist, dass der Farbverschiebungseffekt nur in einzelnen Abschnitten erzeugt wird. Dazu wird das Aspektverhältnis der Reliefstruktur variiert.
Die DE 102006050047 A1 beschreibt ein Durchsichtsicherheitselement mit Mikrostrukturen, die als Mikrokavitäten ausgebildet sind, welche einen Abstand von 1 µm voneinander haben.
Metallisierte Sicherheitselemente, welche eine erhöhte Transmission in fein strukturierten Bereichen aufweisen, sind aus der EP 1786632 B1 bekannt. Darin ist eine mit einer Metallschicht versehene Reliefstruktur offenbart, die als diffraktive Struktur ausgebildet ist und Bereiche aus sinusförmigen Lineargittern oder aus Kreuzgittern enthält, die eine Periode im Subwellenlängenbereich haben. Um den gewünschten Transmissionseffekt zu erzielen, weisen die Strukturelemente ein Aspektverhältnis von größer als 0,5 auf. Die Herstellung solcher Strukturen, insbesondere auch die Replizierung und die Prägung von Subwellenlängenstrukturen mit hohem Aspektverhältnis, ist nicht ganz unproblematisch.
Aus der WO 2012/069163 A1 ist ein reflektives Sicherheitselement bekannt, das eine Mikrokavitätenstruktur aufweist, die als Retroreflektoren arbeiten. Durch geeignete Strukturierung wird ein farbiges Bild in Draufsicht erzeugt. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und insbesondere ein verbessertes Sicherheitselement mit durch Mikrokavitäten strukturiertem Bild zu schaffen, das hinsichtlich des Herstellverfahrens weniger eingeschränkt ist und dennoch ein in Transmission erkennbares hochaufgelöstes Bild bereitstellen kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Sicherheitselement zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das ein Substrat mit einer Oberseite aufweist und mindestens ein Bild bereitstellt, wobei

das Bild durch eine Mikrokavitätenstruktur, die eine Vielzahl nebeneinanderliegender Mikrokavitäten aufweist, und einen glatten Bereich gebildet ist,
die Mikrokavitäten jeweils in einer zur Oberseite parallel liegenden Raumrichtung eine Strukturweite von 0,5 µm bis 3 µm und senkrecht dazu eine Strukturtiefe aufweisen und ein Aspektverhältnis haben, das durch das Verhältnis von Strukturtiefe zu Strukturweite definiert ist, und
auf die Mikrokavitätenstruktur und den glatten Bereich eine metallhaltige Beschichtung aufgebracht ist,
das Aspektverhältnis der Mikrokavitäten größer als 0,3 ist und
die metallhaltige Beschichtung so ausgebildet ist, dass Mikrokavitätenstruktur und glatter Bereich in Durchlichtbetrachtung einen Helligkeitsunterschied von mindestens 10 % haben, so dass die Mikrokavitätenstruktur einen ersten Bildbereich und der glatte Bereich einen zweiten Bildbereich des Bildes bilden.

Die Aufgabe wird weiter gelöst mit einem Herstellungsverfahren für ein Sicherheitselement für Wertdokumente, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das mindestens ein Bild bereitstellt, wobei

an einem Substrat, das eine Oberseite aufweist, zur Erzeugung eines Bilds eine Mikrokavitätenstruktur, die eine Vielzahl nebeneinanderliegender Mikrokavitäten aufweist, und ein glatter Bereich ausgebildet wird,
die Mikrokavitäten jeweils in einer zur Oberseite parallel liegenden Raumrichtung mit einer Strukturweite von 0,5 µm bis 3 µm und senkrecht dazu mit einer Strukturtiefe ausgebildet sind und ein Aspektverhältnis haben, das durch das Verhältnis von Strukturtiefe zu Strukturweite definiert ist,
auf die Mikrokavitätenstruktur und den glatten Bereich eine metallhaltige Beschichtung aufgebracht wird,
das Aspektverhältnis der Mikrokavitäten größer als 0,3 ist und
die metallhaltige Beschichtung so ausgebildet wird, dass Mikrokavitätenstruktur und glatter Bereich in Durchlichtbetrachtung einen Helligkeitsunterschied von mindestens 10 % haben, so dass die Mikrokavitätenstruktur einen ersten Bildbereich und der glatte Bereich einen zweiten Bildbereich des Bildes bilden.

Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst mit einem Wertdokument, das ein Sicherheitselement der genannten Art aufweist.
Die erhöhte Transmission der Mikrokavitätenstruktur der Erfindung kann insbesondere genutzt werden, um Sicherheitselemente mit hochaufgelösten Durchsichtsmotiven zu erzeugen. Die Bildinformation des Bildes wird durch die Form der Mikrokavitätenstruktur codiert. Ein hoher Detailreichtum ist möglich, ohne dass ein aufwendiges Druckverfahren etc. erforderlich wäre. Die Transmission der Mikrokavitäten ist dabei durch das Aspektverhältnis in Kombination mit der Beschichtung der Mikrokavitäten eingestellt. Das Aspektverhältnis der Mikrokavitäten liegt dabei vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,8, besonders bevorzugt zwischen 0,3 und 0,5.
Die optischen Eigenschaften von Mikrokavitäten, deren Strukturweite im Bereich von 5 µm und mehr liegt und damit Größenordnungen größer ist als die Wellenlänge des einfallenden Lichtes, können durch die Strahlenoptik beschrieben werden. Solche Mikrokavitäten können bei bestimmten Geometrien retroreflektierende Eigenschaften haben. Wenn jedoch die Strukturweite in der Größenordnung der Lichtwellenlänge liegt, dominiert die Lichtbeugung an den Mikrokavitäten, während die Gesetze der geometrischen Optik nur noch als Annäherung gültig sind (vgl. H. Ichikawa, "Numerical analysis of microretroreflectors: transition from reflection to diffraction", J. Opt. A, Pure Appl. Opt. 6, S. 121, 2004). Das Beugungsverhalten von Mikrokavitäten mit Strukturweiten im Mikrometerbereich, wie sie die Erfindung verwendet, ist wissenschaftlich noch nicht vollständig untersucht. Dies trifft insbesondere auf Mikrokavitäten zu, welche mit einem Mehrschichtaufbau überzogen sind.
Die im Sicherheitselement eingesetzten Mikrokavitäten sind so groß, dass eine Lichtbeugung nicht (mehr) dominiert, andererseits so klein, dass strahlenoptische Reflexion (noch) nicht dominiert. Dieser Zwischenbereich hat sich als vorteilhaft für Herstellbarkeit und Fälschungssicherheit des Sicherheitselementes herausgestellt. Unterhalb einer Abmessung bzw. Aperturweite von 2 bis 3 µm tritt allmählich Beugung des Lichtes an Strukturen in Größenordnungen der Wellenlänge auf, wodurch der Streu- bzw. der Beugungsanteil steigt. Oberhalb dieser Grenze steigt hingegen der Anteil der spekularen Reflektion. Dann wird die Profilform der Mikrokavitäten relevanter. Eine laterale Strukturweite einer Mikrokavität nicht über 3 µm ist deshalb günstig. Unterhalb 0,5 µm dominiert die Lichtbeugung, was eine einfache Bildgebung erheblich erschweren würde. Somit ergibt sich insgesamt eine laterale Größe der Mikrokavitäten in zumindest einer Raumrichtung zwischen 0,5 µm und 3 µm, besonders bevorzugt größer/ gleich 0,7 µm und/ oder kleiner/ gleich 2 µm.
Der gewählte Größenbereich realisiert eine gute optische Wirkung der Mikrokavitäten bei vergleichbar einfacher Herstellung. Überraschenderweise würden größere Mikrokavitäten den Herstellaufwand steigern, da dann die genaue Profilform relevant würde. Die erfindungsgemäßen Mikrokavitäten sind insbesondere keine Retroreflektoren.
Jede Mikrokavität kann als Bildelement in Form eines in Durchsicht eine gewisse Transparenz herstellenden Pixels aufgefasst werden kann. Der gewählte Größenbereich führt zu einer guten Pixeldichte bei üblichen Bildgrößen.
Erfinderseitig wurde erkannt, dass das Zusammenwirken von Aspektverhältnis der Mikrokavitätenstruktur und metallhaltiger Beschichtung bei den erfindungsgemäßen Aperturweiten ein in Durchsicht gut erkennbares und auch durch die Anordnung der Mikrokavitäten strukturiertes Bild ermöglichen, ohne dass beispielsweise eine Strukturierung der Beschichtung nötig wäre.
Ein bestimmtes Beschichtungsverfahren, insbesondere ein gerichtetes Beschichtungsverfahren ist hierfür nicht erforderlich. So kann die Beschichtungsdicke in jeder Mikrokavität homogen sein und es ist keine Ausdünnung der Beschichtung z. B. an den Flanken der Mikrokavitäten nötig. Die Schichtdicke ist damit optional an Boden und Flanken der Mikrokavität gleich. Die Herstellung des Sicherheitselementes ist damit vereinfacht, und dennoch ist ein in Durchsicht fein strukturiertes Bild möglich.
Unter einer metallhaltigen Beschichtung ist im Sinne dieser Beschreibung sowohl eine Beschichtung zu verstehen, die nur aus Metall besteht, als auch eine Schichtstruktur, die Metall enthält. Eine solche Schichtstruktur kann aus einer einzigen Komposit-Schicht bestehen, die Metalleinlagerungen hat. Sie kann aber auch aus einem Mehrschichtaufbau bestehen, in dem eine oder mehrere Schichten metallisch sind. Ein nachfolgend noch näher erläutertes Beispiel umfasst einen Interferenzschichtaufbau, der eine Metallschicht aufweist.
Die Erfindung erreicht weiter, dass das Sicherheitselement auch in Reflexion erkennbar ist, da die metallhaltige Beschichtung in den glatten Bereichen eine höhere Reflexion erzeugt als an den Stellen des Sicherheitselementes, die Mikrokavitätenstrukturen tragen. Da die Mikrokavitätenstrukturen die Transparenz des Durchsichtelementes erhöhen, die Reflexion jedoch herabsetzen, findet zwischen Betrachtung im Auflicht und in Durchsicht eine Intensitätsinvertierung statt. Dies erhöht die Erkennbarkeit und prägende Wirkung des Sicherheitselementes.
Die glatten Bereiche können eine gewisse Rauhigkeit aufweisen, solange ein mittleres Aspektverhältnis von 0,2 nicht überschnitten wird.
Die Mikrokavitätenstruktur erlaubt es, das Bild zu strukturieren. Dabei reduziert sich für zunehmende Abstände zwischen benachbarten Mikrokavitäten die Transmission gemäß dem Flächenanteil der Mikrokavitäten in Bezug auf die Gesamtfläche. Ein Abstand zwischen zwei benachbarten Mikrokavitäten in der Mikrokavitätenstruktur, der zwischen 0 und 200 nm liegt, ist daher vorteilhaft. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung stoßen die Mikrokavitäten in der Mikrokavitätenstruktur unmittelbar aneinander. Das Aspektverhältnis der Mikrokavitäten wirkt sich, wie bereits erwähnt, auf ihr Transmissionsverhalten aus. Es ist deshalb bevorzugt, den ersten Bildbereich des Bildes, insbesondere den Vordergrund, durch zwei verschiedene Arten von Mikrokavitäten zu strukturieren, die sich hinsichtlich des Aspektverhältnisses unterscheiden. Tiefere Mikrokavitäten haben eine höhere Helligkeit in Durchlichtbetrachtung als flachere Mikrokavitäten.
Eine kontinuierliche Intensitätsvariation im Durchlicht kann man erreichen, wenn das Aspektverhältnis der Mikrokavitäten in der Mikrokavitätenstruktur gemäß einem den ersten Bildbereich, insbesondere den Vordergrund des Bildes definierenden, vorbestimmten Muster variiert.
Es ist besonders bevorzugt, dass die metallhaltige Beschichtung ein Interferenzschichtaufbau mit der Schichtfolge Metall-Dielektrikum-Metall ist. Dann können Resonanzeffekte ausgenutzt werden, die bei bestimmten Aspektverhältnissen, insbesondere in Kombination mit bestimmten Aperturweiten, eine Rolle spielen. Auf diese Weise kann nicht nur die Transmissions- und Reflexionswirkung der Mikrokavitätenstrukturen eingestellt werden, es lässt sich auch ein Farbeffekt erzeugen, der beispielsweise vom Betrachtungswinkel abhängen kann. Mit einem Interferenzschichtaufbau überzogene Mikrokavitäten zeigen insbesondere einen starken Intensitäts- bzw. Farbkontrast gegenüber dem glatten Bereich. Als Dielektrikum kommt insbesondere SiO₂ in Frage, als Metall Aluminium oder Chrom.
Einen besonders guten Helligkeitsunterschied im Durchlicht erhält man bei einem Interferenzschichtaufbau, der hinsichtlich seiner Materialfolge und/oder Schichtdickenfolge symmetrisch ist. Besonders bevorzugt ist eine Schichtfolge Aluminium-SiO₂-Aluminium, wobei die Schichtdicke des Aluminiums zwischen 7 und 25 nm, bevorzugt zwischen 10 und 15 nm, und die des SiO₂ zwischen 70 und 250 nm liegt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann die metallhaltige Beschichtung durch eine Metallschicht gebildet sein. Eine solche Ausgestaltung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die glatten Bereiche opak erscheinen sollen. Der Begriff Metall schließt dabei auch Metall-Legierungen ein. Als Metallschichten kommen beispielsweise Schichten aus Aluminium, Kupfer, Chrom, Silber, Gold oder einer Al-Cu-Legierung in Betracht, wobei die Schichtdicke der Metallschicht vorzugsweise zwischen 10 und 100 nm liegt.
Mit bestimmten Ausführungsformen der metallhaltigen Beschichtung, nämlich bei besonders hohen Metallschichtdicken, kann ein besonders starker Hell-Dunkel-Kontrast im Durchlicht erzeugt werden. Dieser Kontrast geht jedoch auf Kosten eines Farbeffektes, der dann nur noch sehr schwach ausgeprägt realisiert werden kann. Es ist deshalb insbesondere für solche Ausgestaltungen bevorzugt, dass über oder unter der Mikrokavitätenstruktur und dem glatten Bereich eine Farbschicht vorgesehen ist, um einen Farbeffekt im Durchlicht zu erzeugen.
Durch das Aspektverhältnis der Mikrokavitäten und die Beschichtung wird die Intensität, mit der die einzelnen Mikrokavitäten Licht durchlassen und so das Bild im Durchlicht sichtbar machen, moduliert. Das Aspektverhältnis ist das Verhältnis von maximaler Tiefe zu minimaler lateraler Ausdehnung und gemäß der gewünschten Bildstruktur im Sicherheitselement variiert. Aufwendige Druckverfahren zur Bereitstellung kleiner und dennoch fein strukturierter Bilder sind deshalb nicht mehr nötig. Stattdessen können einfache Replizierverfahren zur Erzeugung von Mikrokavitäten verwendet werden.
Die Bildinformation kann durch die entsprechende Verteilung der Mikrokavitäten in Form eines monochromen Bildes dargestellt werden. Verschiedene Aspektverhältnisse bzw. eine kontinuierliche Variation des Aspektverhältnisses sind natürlich möglich und führen zu einem Graustufenbild.
Unter Herstellgesichtspunkten ist es vorteilhaft, dass sich im Sicherheitselement die Oberflächenbeschichtung auf den Mikrokavitäten lateral nicht ändert, um unterschiedliche Helligkeiten in Transmission zu erzeugen. Sie ist für alle Mikrokavitäten im Wesentlichen gleich, und dennoch wird ein unterschiedlicher Durchlichteindruck für die Mikrokavitäten gegenüber dem glatten Bereich und auch innerhalb der Mikrokavitätenstruktur durch Mikrokavitäten mit verschiedenem Aspektverhältnis erreicht.
Die Mikrokavitäten können in ihrer Öffnung grundsätzlich jede beliebige Form haben, beispielsweise quadratische Aperturen. Es ist aber auch möglich, Mikrokavitäten so zu gestalten, dass deren Kanten den Grenzbereich eines Bildelementes oder Motivs des Bildes bilden. Dadurch können Bildelemente innerhalb des Bildes scharf gegeneinander abgegrenzt werden, da die Ränder der Bildelemente sehr deutlich sichtbar sind.
Die Geometrie der Mikrokavitäten ist keinesfalls auf rotationssymmetrische Formen oder Formen, die in Draufsicht, also in ihrer Apertur, einen kreisförmigen Umriss haben, beschränkt. Asphären oder Freiformflächen, wie sie z. B. von Lampenreflektoren bekannt sind, können gleichermaßen verwendet werden. Für die Mikrokavitäten ist weiter eine nicht-rotationssymmetrische Apertur, insbesondere eine rinnenförmige Apertur möglich. Die zwei Arten können sich dann hinsichtlich der Richtung, entlang der sich die nichtrotationssymmetrischen Mikrokavitäten erstrecken, unterscheiden. Insbesondere können auch rinnenförmige Vertiefungen verwendet werden, die beispielsweise die Form eines Halbzylinders haben, welcher nur in einer Richtung gekrümmt, in der anderen jedoch längserstreckt ist.
Ferner können durch nicht-rotationssymmetrische Mikrokavitäten mit unterschiedlicher Orientierung auch Effekte realisiert werden, die einem Betrachter einen dreidimensionalen Objekteindruck vermitteln. Hierzu kann die Höheninformation bzw. die Distanz des wiederzugebenden Objektes zum Betrachter durch den Orientierungswinkel solcher Mikrokavitäten codiert werden. In diesem Fall nimmt ein Betrachter eine lateral unterschiedliche Parallaxe in der ebenen, mit Mikrokavitäten strukturierten Oberfläche wahr. Der räumliche Eindruck kann verstärkt werden, indem bei der Herstellung der Mikrokavitäten zusätzlich die Strukturtiefe der Mikrokavitäten als Funktion der Höhe bzw. der Reflexionseigenschaften des Objektes variiert wird. Ein räumlicher Eindruck lässt sich ebenfalls erzielen, wenn das Intensitätsprofil des Motivs pixelweise in solche Mikrokavitäten mit codiertem Orientierungswinkel umgesetzt wird.
Für das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kommen insbesondere Direktbelichtungstechniken, z. B. mit Hilfe eines Laserwriters in Frage. Die Herstellung kann analog zu den bekannten Herstellungsverfahren für Mikrolinsen erfolgen. Das Original der Mikrokavitätenstruktur wird über Direktbelichtung mit Hilfe eines Laserwriters in ein mit Photolack beschichtetes Substrat geschrieben und anschließend der belichtete Anteil des Photolacks entfernt. Ein belichtetes Original kann anschließend galvanisch abgeformt und somit ein Prägestempel erzeugt werden. Letztendlich wird die Struktur über einen Prägeprozess beispielsweise in UV-Lack auf Folie oder direkt (z. B. per Heißprägen in die Oberfläche der Folie) repliziert. Alternativ kann ein Nanoimprint-Verfahren eingesetzt werden. Aufwendigere Verfahren zur Originalherstellung wie Elektronenstrahl- oder "Focussed Ion Beam"-Belichtungsverfahren erlauben eine noch feinere Ausgestaltung der Geometrie der Mikrokavitäten. Diese Herstellungsverfahren bieten viele Gestaltungsmöglichkeiten in der Wahl der Geometrie der Mikrokavitäten. So können ohne Mehraufwand auch nicht-rotationssymmetrische bzw. nichtsphärische Geometrien von Mikrokavitäten mit höherer Genauigkeit als mit dem oben genannten Laser-Direktbelichtungsverfahren realisiert werden.
Anschließend erfolgt eine Beschichtung der Oberfläche, z. B. mit einer Metallschicht und/oder einem Interferenzschichtaufbau. Hierzu kommen unter anderem Elektronenstrahlbedampfen, Sputtern oder thermisches Verdampfen unter Vakuum in Frage. Zum Abschluss wird die Struktur zum Schutz vorzugsweise mit einer Deckschicht kaschiert.
Bei konstanter Aperturweite können Mikrokavitäten mit unterschiedlichen Aspektverhältnissen auch allein durch eine Variation der Tiefe der Mikrokavitäten, beispielsweise über eine entsprechende Variation der Belichtungsintensität eines Laserwriters, erzeugt werden. Eine solche Vorgehensweise bietet den Vorteil einer wesentlich einfacheren Datenaufbereitung.
Das Sicherheitselement kann insbesondere als Sicherheitsfaden, Aufreißfaden, Sicherheitsband, Sicherheitsstreifen, Patch, Folienelement oder als Etikett ausgebildet sein. Insbesondere kann das Sicherheitselement transparente Bereiche oder Ausnehmungen überspannen und/ oder für eine Sicherheitskarte oder ein Ausweisdokument (z.B. Reisepass) eingesetzt werden.
Das Sicherheitselement kann insbesondere Teil einer noch nicht umlauffähige Vorstufe zu einem Wertdokument sein, das neben dem erfindungsgemäßen Sicherheitselement beispielsweise auch weitere Echtheitsmerkmale (wie z. B. im Volumen vorgesehene Lumineszenzstoffe) aufweisen kann. Unter Wertdokumenten werden hier einerseits das Sicherheitselement aufweisende Dokumente verstanden. Andererseits können Wertdokumente auch sonstige Dokumente und Gegenstände sein, die mit dem erfindungsgemäßen Sicherheitselement versehen werden können, damit die Wertdokumente nicht kopierbare Echtheitsmerkmale aufweisen, wodurch eine Echtheitsüberprüfung möglich ist und zugleich unerwünschte Kopien verhindert werden. Chip- oder Sicherheitskarten, wie z. B. Bank- oder Kreditkarten, sind weitere Beispiele für ein Wertdokument.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann so ausgebildet werden, dass die beschriebenen bevorzugten Ausbildungen und Ausführungsformen des Sicherheitselementes hergestellt werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielshalber anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Zur besseren Anschaulichkeit wird in den Figuren auf eine maßstabs- und proportionsgetreue Darstellung verzichtet. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Teils eines Sicherheitselementes mit einer Mikrokavitätenstruktur,
Fig. 2: eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung einer Beschichtung der Mikrokavitätenstruktur,
Fig. 3 bis 6: schematische Darstellungen verschiedener Geometrien, welche für die Mikrokavitätenstruktur der Figur 1 möglich sind,
Fig. 7 bis 9: Draufsichten auf ein Mikrobild, wie es in der Ausführungsform gemäß Figur 1 erzeugt werden kann, und
Fig. 10 und 11: schematische Darstellungen zweier weiterer Ausführungsformen.

In den Figuren wird nachfolgend ein Sicherheitselement 1 beschrieben, das ein Bild in Transmission, d. h. im Durchlicht bereitstellt. Das Bild wird durch eine Mikrokavitätenstruktur erzeugt.
Im Einzelnen ist das Sicherheitselement 1 auf einer transparenten Folie 2 aufgebaut, auf welcher sich eine Prägelackschicht 3 befindet. In die Prägelackschicht 3 ist eine Mikrokavitätenstruktur 4 abgeformt, die Mikrokavitäten 5, 6 unterschiedlicher Tiefe aufweist. Ebenfalls ist am Sicherheitselement 1 ein glatter Bereich 7 vorhanden. Die Mikrokavitäten haben, wie noch erläutert werden wird, Ausdehnungen, die mit dem unbewaffneten Auge nicht aufgelöst werden können.
Figur 2 zeigt schematisch zur Veranschaulichung einige Mikrokavitäten. In der Figur ist eine Strukturweite w eingetragen. Sie stellt in Draufsicht auf die Mikrokavitätenstruktur 4 den kleinsten Querschnitt dar. Ebenfalls in Figur 2 eingetragen ist die Strukturtiefe t der einzelnen Mikrokavitäten. Die Strukturweite w jeder Mikrokavität beträgt zwischen 0,5 und 3 µm. Die Strukturtiefe t ist so gewählt, dass ein Aspektverhältnis t/w für jede der Mikrokavitäten der Mikrokavitätenstruktur 4 größer als 0, 3, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,5, gegeben ist. Die Mikrokavitäten sind so groß, dass eine Lichtbeugung nicht (mehr) dominiert, andererseits hinsichtlich ihrer Strukturweite w und der Strukturtiefe t so klein, dass strahlenoptische Effekte (noch) nicht dominieren.
Die Mikrokavitätenstruktur 4 bildet das Sicherheitselement 1 als Durchsichtselement aus, wobei die Helligkeit in Transmission im Bereich der Mikrokavitätenstruktur 4 anders ist als im glatten Bereich 7.
Figur 1 zeigt schematisch in der Mikrokavitätenstruktur 4 Mikrokavitäten 5 und 6 unterschiedlichen Aspektverhältnisses. Für beide Mikrokavitäten 5, 6 gelten die genannten Größenbereiche, insbesondere ein Aspektverhältnis von 0,3 bis 0,5. Der glatte Bereich 7 und die flacheren Mikrokavitäten bewirken eine geringere Lichttransmission als die tieferen Mikrokavitäten.
Dieser Unterschied hängt jedoch nicht damit zusammen, dass die Prägelackschicht 5 im Bereich der Mikrokavitätenstruktur 4 dünner wäre. Aufgrund der Schichtdicken der Prägelackschicht, die um mehrere Größenordnungen dicker sind als die Strukturtiefe t, und aufgrund der Tatsache, dass die Prägelackschicht 3 transparent ist, kann die unterschiedliche Transmission im Durchlicht nicht von fehlender Materialdicke der Prägelackschicht 3 herrühren.
Auch kommt der Unterschied bzw. der beobachtete Effekt der erhöhten Transmission in den mit Mikrokavitäten versehenen Bereichen nicht allein dadurch zustande, dass sich wegen der vergrößerten Oberfläche der Mikrokavitäten im Vergleich zu einer ebenen Fläche relativ gesehen weniger Metall in den Mikrokavitäten anlagert.
Die unterschiedliche Transmission ist vielmehr insbesondere dadurch bewirkt, dass an der Oberseite des Sicherheitselementes 1 sowohl im Bereich der Mikrokavitätenstruktur 4 als auch im glatten Bereich 7 eine metallhaltige Beschichtung 9 vorgesehen ist. Ohne an diese Erklärung gebunden zu sein, tritt durch das Zusammenwirken von Aspektverhältnis der Mikrokavitätenstruktur und metallhaltiger Beschichtung bei den erfindungsgemäßen Aperturweiten vermutlich ein elektromagnetischer Resonanzeffekt auf, welcher zusätzlich dafür sorgt, dass die einfallende Strahlung E zu einem höheren Anteil als transmittierte Strahlung T transmittiert wird, wenn die eirifallende Strahlung E durch die Mikrokavitätenstruktur 4 fällt. In der Durchlichtbetrachtung ist damit das Sicherheitselement heller an denjenigen Stellen, an denen sich die Mikrokavitätenstruktur 4 befindet. Innerhalb der Mikrokavitätenstruktur 4 erscheinen dabei Abschnitte mit tieferen Mikrokavitäten 6 nochmals heller als Abschnitte mit vergleichsweise flacheren Mikrokavitäten 5.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Beschichtung 9 als Interferenzschichtsystem aufgebaut, beispielsweise in Form eines Dreilagenschichtsystems. In einer Ausführungsform kommt die Schichtfolge Al-SiO₂-Al zur Anwendung.
In Durchsicht ist damit im Sicherheitselement eine Strukturierung geschaffen, die Bildbereiche bereitstellt, nämlich Bildbereiche 8a, die durch den glatten Bereich 7 gebildet sind und dunkel erscheinen. Heller dagegen abgegrenzt sind Bildbereiche 8b und 8c, in denen die Mikrokavitätenstruktur 4 liegt, wobei der Bildbereich 8b heller erscheint als der Bildbereich 8c, weil dessen Mikrokavitäten 5 ein geringeres Aspektverhältnis haben als die Mikrokavitäten 6 des Bildbereiches 8c.
Für den Effekt, der, wie nachfolgend noch erläutert wird, zur Bilderzeugung eingesetzt wird, ist es wesentlich, dass die Mikrokavitätenstruktur 4 wie der glatte Bereich 7 mit derselben Beschichtung 9 versehen werden. Die Helligkeitsunterschiede in Transmission erfordern dann keine Strukturierung der Beschichtung 9. Die Bildinformation ist durch einen Prägeprozess codiert, nämlich durch die geeignete Prägung der Prägelackschicht 3. Ein hochauflösender Druckprozess etc. ist nicht nötig.
In einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Dicke der Beschichtung 9 auch innerhalb jeder Mikrokavität 5, 6 einheitlich ist. Dann ist es nicht erforderlich, spezielle Beschichtungsverfahren anzuwenden, die zu einer Ausdünnung der Beschichtung 9 in den Flanken der Mikrokavitäten 5, 6 der Mikrokavitätenstruktur 4 führen, auch wenn solche Beschichtungsverfahren gemäß der Erfindung natürlich möglich sind.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Beschichtungsverfahren verwendet, das ein ungerichtetes Aufdampfen der Schichten umfasst. Ein solches Beschichtungsverfahren ist beispielsweise Sputtern. In weiteren Ausführungsformen werden andere Schichtauftragverfahren verwendet, beispielsweise chemische Abscheideverfahren etc., die eine gleichmäßige Schichtdicke 9 - jeweils gesehen zur Flächennormalen - erreichen. Mit Abscheideverfahren wird eine Schichtdicke realisiert, die auf der Mikrokavitätenstruktur 4 und dem glatten Bereich 7 im Wesentlichen gleich ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dicke der Beschichtung 9 an den Flanken der Mikrokavitäten 5, 6 der Mikrokavitätenstruktur 4 ausgedünnt ist. Eine solche Ausdünnung an den Flanken erhöht die Transmission im Bereich der Mikrokavitäten noch zusätzlich. Geeignete Beschichtungsverfahren, mit denen ein gerichtetes Beschichten möglich ist, sind beispielsweise Elektronenstrahlbedampfung oder thermisches Verdampfen.
Die Beschichtung 9 ist in allen Ausführungsformen so ausgeführt, dass sich die Helligkeit zwischen den glatten Bereichen 7 und der Mikrokavitätenstruktur 4 in Transmission um mindestens 10 % unterscheidet. Durch entsprechende Gestaltung der Beschichtung 9 in Kombination mit entsprechender Geometrie der Mikrokavitätenstruktur 4 ist auf diese Weise sichergestellt, dass im Durchlicht ein ausreichender Helligkeitsunterschied zwischen den glatten Bereichen 7 und der Mikrokavitätenstruktur 4 vorhanden ist.
Die metallische Beschichtung 9 bewirkt einen weiteren Vorteil. Im Drauflicht ist das von der Mikrokavitätenstruktur 4 erzeugte Motiv ebenfalls erkennbar - mit einer Kontrastumkehr gegenüber der Durchlichtbetrachtung.
Verwendet man den erwähnten Interferenzschichtaufbau aus Aluminium und Siliziumdioxid in der Schichtfolge 15 nm Al/90 nm SiO₂/15 nm Al, erhält man bei einem Aspektverhältnis von 0,5 für die Mikrokavitäten in Transmission folgende L*C*h-Werte:

Bereich L* C* h

4 45 11 285

7 25 53 290
Die Helligkeit L* ist damit im Bereich der Mikrokavitätenstruktur 4 fast doppelt so groß wie im glatten Bereich 7. Die Buntheit C* ist dagegen im glatten Bereich 7 wesentlich höher. Der Farbeindruck h ist für beide Bereiche weitgehend ähnlich.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist ein Sicherheitselement unterschiedlich tiefe Mikrokavitäten auf, nämlich vergleichsweise flache Mikrokavitäten 5 mit einem Aspektverhältnis von 0,3 und vergleichsweise tiefe Mikrokavitäten 6 mit einem Aspektverhältnis von 0,5. Das Element ist mit einer 80 nm dicken Aluminiumschicht bedampft. Man erhält folgende L*C*h-Werte:

Bereich L* C* h

5 50 5 82

6 69 4 73

7 <1 - -
Die Helligkeitswerte L* zeigen, dass der Hell-Dunkel-Kontrast sehr deutlich ausgeprägt ist. Der glatte Bereich 7 ist nahezu opak. Es ist aber auch ein deutlicher Kontrast zwischen tiefen und flachen Mikrokavitäten 5, 6 erkennbar. Die Transmission ist nahezu farblich neutral. Sie erscheint in einem leichten Grünton. Die Buntheitswerte C* sind relativ klein. Es ist deshalb in einer Weiterbildung vorgesehen, durch Aufbringen einer Farbschicht über oder unterhalb der Prägelackschicht 3 zusätzlich eine Farbe in Transmission zu erzeugen.
Die spektrale Transmission wurde mit einem Spektralphotometer (Lambda 900, Perkin Elmer) gemessen und die Farbwerte L*, C*, h dann nach dem bekannten Verfahren (siehe u.a. G. A. Klein, Industrial Color Physics, Springer, 2010) aus den gemessenen Spektren errechnet. Bei der Berechnung der Werte L*, C* und h der vorstehenden Tabellen wurden die spektrale Emission einer D65 Normbeleuchtung und die Empfindlichkeitskurven (englisch: stimulus) eines 10° Beobachters zugrunde gelegt.
Figur 2 zeigt exemplarisch, dass die Mikrokavitätenstruktur 4 und die glatten Bereiche 7 mit einer zusätzlichen Decklackschicht 13 abgedeckt und beispielsweise vor Verschmutzung oder Abformung durch Fälscher geschützt werden können. Die für eine Ausführungsform genannte Farbschicht kann beispielsweise unter der Prägelackschicht 3 oder über der Decklackschicht 13 angebracht werden.
Die Figuren 3 bis 6 zeigen Beispiele verschiedener möglicher Mikrokavitäten 4. In Figur 1 ist exemplarisch eine Mikrokavitätenstruktur 4 dargestellt, deren Oberfläche jeweils durch die Geometrie eines Kegelschnittes gebildet ist. Die Aperturen, d. h. die Draufsichten längs der optischen Achse, sind in zwei lateralen Raumrichtungen, d. h. quer zur optischen Achse gleich. Die Aperturen der Mikrokavitäten 3 sind nicht auf rotationssymmetrische und auch nicht auf für alle Mikrokavitäten einheitliche Formen beschränkt. Figur 3 zeigt eine quadratische Apertur für die Mikrokavitäten 5, die in Schnittebenen, welche zueinander senkrecht stehen und sich in der optischen Achse schneiden, jeweils das gleiche Tiefenprofil zeigen.
Es sind auch Vertiefungen möglich, welche nur in einer Richtung gekrümmt sind und der anderen Richtung ungekrümmt sind. Figur 4 zeigt eine Ausführungsform mit einer solchen Mikrokavitätenstruktur 4.
Den Mikrokavitätenstrukturen 4 der Figuren 3 bis 4 ist gemein, dass ihre Aperturen, exemplarisch als Quadrat oder Kreis, keine Strukturweite haben, die größer als 3 µm ist. Für die Erzeugung eines Bildes genügt es jedoch, wenn diese Begrenzung nur in einer Richtung parallel zur Oberfläche eingehalten wird. Entsprechende nicht-rotationssymmetrische, rinnenförmige Mikrokavitäten 5 zeigt die Figur 5. Die Mikrokavitäten 5 der dort dargestellten Mikrokavitätenstruktur 4 erstrecken sich längs einer Richtung 8, ggf. auch über deutlich mehr als 3 µm.
Die konkave Wölbung der Mikrokavitäten 5 ist nicht auf Halbellipsen oder Halbkreise beschränkt. Es können asphärische Wölbungen oder auch asymmetrische Formen Verwendung finden, wie beispielsweise die Figur 6 zeigt. Hier haben die Mikrokavitäten 5, obschon insgesamt immer noch konkav, irregulär gewölbte Oberflächen und zum Teil auch konvexe Abschnitte.
Die Steigerung der Lichttransmission an Mikrokavitäten 5 solcher Mikrokavitätenstrukturen hängt kaum von der detaillierten Oberflächenkrümmung ab, da die minimalen Strukturweiten zwischen 0,5 µm und 3 µm liegen. Daher gelten bei der Wechselwirkung mit dem einfallenden Licht nicht mehr zwingend und allein die Gesetze der geometrischen Optik, sondern es findet auch eine Wechselwirkung von elektromagnetischen Wellen statt. Modifikationen bzw. kleinere Abweichungen in der Wölbung von Mikrokavitäten im Wellenlängen- oder Sub-Wellenlängenbereich haben daher keine signifikante Auswirkung auf das Transmissionsverhalten solcher Mikrokavitäten 5. Dies hat den Vorteil, dass bei der Herstellung der Mikrokavitätenstruktur 4 die Mikrokavitäten 5, welche unterschiedliche Transmission zeigen sollen, im Wesentlichen nur in einem Parameter, nämlich im Aspektverhältnis (maximale Tiefe zu minimaler lateraler Ausdehnung) variiert werden müssen. Dies erleichtert die Herstellung erheblich, da keine gesteigerten Präzisionsanforderungen an die Profilform gestellt werden.
Figur 7 zeigt ein Bild 11 mit einem Motiv 12 als Zahl "25". Es ist durch Mikrokavitäten gemäß Figur 3 gebildet, also aus Mikrokavitäten, die eine quadratische Apertur haben. Jede Mikrokavität bildet ein Pixel 10, so dass die Mikrokavitätenstruktur 4 insgesamt einen ersten Bildbereich, im Ausführungsbeispiel den Vordergrund des Bildes 11 bereitstellt. In der Mikrokavitätenstruktur 4 sind die Mikrokavitäten exemplarisch periodisch in einem festen Muster angeordnet. Das ist nicht zwingend; auch ein aperiodisches oder quasi-statistisches Muster ist möglich. Die in Figur 7 für die einzelnen Pixel dargestellten Grauwerte geben das Aspektverhältnis der einzelnen Mikrokavitäten wieder. Die Mikrokavitäten innerhalb des Motivs 12 sind um etwa 20 % tiefer als die Mikrokavitäten im umgebenden Bereich. Um die Mikrokavitätenstruktur 4 herum ist der glatte Bereich 7 vorgesehen, der einen zweiten Bildbereich und hier den Hintergrund des Bildes 11 bildet.
Mikrokavitäten, welche im Grenzbereich des Motivs 12 liegen, sind optional auf der Seite des Motivs 12 tiefer als auf der anderen Seite. Dies hat den Vorteil, dass auch mit großer Pixelierung oder geringer Pixelanzahl durch die Mikrokavitäten relativ feine Muster nachgebildet werden können.
Die Gestaltung eines Bildes 11 ist nicht auf Mikrokavitäten mit quadratischen oder symmetrischen Aperturen beschränkt, wie Figur 8 zeigt. Hier ist ein Bild 11 zu sehen, das einen Stern als Motiv 12 aufweist. Die Kanten der Aperturen der Pixel 10, d. h. der Mikrokavitäten sind so ausgebildet, dass sie mit dem Rand des Motivs 12 zusammenfallen. Dies bewirkt, dass diese Kanten sehr deutlich durch das am Grenzbereich gestreute Bild nachgebildet werden und der Rand des Motivs 12 besonders gut und scharf erkennbar ist.
Auch in der Ausführungsform gemäß Figur 8 ist die Mikrokavitätenstruktur 4 durch den glatten Bereich 7 umgeben, welcher hier den Bildhintergrund darstellt. In den Abbildungen der Figuren 7 und 8 ist dieser Hintergrund als vergleichsweise schmaler Streifen ausgestaltet. Dies ist lediglich exemplarisch zu sehen. Vielmehr können die glatten Bereiche 7 auch größere Flächenabschnitte des Sicherheitselementes 1 bzw. des Bildes 11 abdecken. Auch ist es möglich, dass der glatte Bereich 7 einen demetallisierten Teilbereich zur Erzeugung eines in Durchsicht wie Reflexion klar sichtbaren weiteren Motivs oder Musters enthält. Solche Demetallisierungen sind im Stand der Technik auch unter der Bezeichnung "Cleartext" bekannt.
Die Gestaltung des Motivs 12 durch das Bild 11 ist nicht auf die Wahl zwischen periodischem Muster und aperiodischem Muster für die Mikrokavitätenstruktur 4 eingeschränkt. So ist es möglich, den Abstand der Zentren der Mikrokavitäten 5, also die minimale Strukturweite w, gemäß vorgegebenen Funktionen kontinuierlich entlang zumindest einer Richtung zu verändern.
Die Realisierung eines Bildes 11 auf Basis der Mikrokavitätenstruktur 4 erfolgt in einer besonders bevorzugten Ausführungsform so, dass die Mikrokavitätenstruktur 4 mit ihrem Umriss ein Motiv darstellt. Eine exemplarische Ausführung zeigt Figur 9. Dort ist das Bild eines Vogels durch eine Mikrokavitätenstruktur 4 bestehend aus Mikrokavitäten 6 größerer Tiefe und Mikrokavitäten 5 kleinerer Tiefe dargestellt. Figur 9 zeigt die Helligkeitsverteilung im Durchlicht. Die Mikrokavitäten 6 erzeugen aufgrund ihres vergleichsweise höheren Aspektverhältnisses eine höhere Intensität im Durchlicht als die Mikrokavitäten 5. Die Darstellung der Figur 9 ist dabei dahingehend vereinfacht, als die Mikrokavitäten selbst nicht gezeigt sind. Die hellgrauen Bereiche werden also von einer Vielzahl an Mikrokavitäten 6 gebildet, die dunkelgrauen Bereiche von einer Vielzahl an Mikrokavitäten 5. Die dunklen Abschnitte des Bildes 11 werden durch den Hintergrund 7 gebildet.
Im Bild 11 ist zusätzlich und exemplarisch ein hochtransparentes Bildelement vorhanden, das durch eine Demetallisierung 14 im glatten Bereich 7 erzeugt wird. Es handelt sich um das bereits erwähnte "Cleartext"-Element. Die Jahreszahldarstellung im oberen Teil des Bildes 11 wurde hingegen durch eine Struktur aus Mikrokavitäten 6 erzeugt. Während die Jahreszahldarstellungen einen starken Kontrast in Reflexion aufweisen, erscheinen beide in Transmission hell vor einer opaken Umgebung, wobei allerdings die durch die Mikrokavitäten 6 erzeugte Jahreszahldarstellung weniger hell ist als der demetallisierte Bereich 14.
Der hochtransparente Bereich 14 kann beispielsweise durch Laserbestrahlung metallisierter Mikrokavitäten erzeugt werden. Durch die Erhöhung des elektromagnetischen Feldes in den Mikrokavitäten wird dort das Laserlicht bevorzugt absorbiert, während es bei einer entsprechenden Dosierung im Bereich der glatten Oberfläche reflektiert wird. Es kommt dadurch im Bereich der Mikrokavitäten zu einer Laserablation. Auf diese Weise lassen sich durch feine Strukturierung der Mikrokavitäten im Zusammenwirken mit einer Laserbestrahlung hochtransparente Bereiche mit einer hohen Auflösung erzeugen.
Die Herstellung der Mikrokavitätenstruktur 4 erfolgt bevorzugt, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, durch Laserdirektbelichtung in einem photolithografischen Verfahren. Mikrokavitäten 5, 6 mit Abmessungen bis zu einem minimalen Durchmesser von 0,5 µm können mithilfe eines Laserwriters direkt in Photolack geschrieben werden. Aufgrund der nichtlinearen Empfindlichkeit gängiger Photolacke können bei geeigneter Wahl der Belichtungsintensität Strukturen erzeugt werden, die deutlich feiner als der Strahldurchmesser des Lasers sind. Die Strukturtiefe kann sehr einfach durch die Wahl der Belichtungsintensität variiert werden.
Zur Herstellung von Mikrokavitäten mit hoher Genauigkeit können optional auch Elektronenstrahl- bzw. "Focussed Ion Beam"-Belichtungsverfahren infrage kommen. Ein belichtetes Original kann nach dem Entwickeln des Photolacks anschließend galvanisch abgeformt und über einen Prägeprozess in UV-Lack auf Folie oder direkt in die Oberfläche der Folie repliziert werden. Alternativ können auch Nanoimprint-Verfahren eingesetzt werden.
In einem letzten Schritt erfolgt die Beschichtung der Oberfläche, z. B. durch ungerichtetes Bedampfen. Metallisierte Oberflächen bzw. Interferenzschichtsysteme können durch Elektronenstrahlbedampfung, Sputtern oder durch Verdampfen unter Vakuum aufgebracht werden. Anschließend wird bevorzugt die beschichtete Seite zum Schutz mit der Decklackschicht 13 versehen.
Die Bilder können auch versteckte Informationen, z. B. Mikroschrift, Seriennummern, Symbole, etc., welche mit einem unbewaffneten Auge nicht aufgelöst werden können, auf einem Wertdokument niederlegen. Die Mikrobilder haben vorteilhafterweise wesentlich kleinere Strukturen als bekannte Lasergravuren. Die Verwendung der Mikrokavitätenstruktur 4 erlaubt eine sehr feine Strukturierung von Bildern oder Motiven mit hoher lateraler Auflösung, die mit herkömmlichen Druckverfahren nicht möglich ist.
Figur 10 zeigt eine Ausgestaltung des Sicherheitselementes, bei der die Transmissionseffekte erfindungsgemäßer Mikrokavitäten für ein nur in Reflexion zu betrachtendes farbiges Sicherheitselement ausgenutzt werden. Bei dem Sicherheitselement ist unter der Prägelackschicht 3 eine Farbschicht 15 und darunter eine reflektierende Schicht 16 vorgesehen ist. Die reflektierende Schicht 16 kann insbesondere durch eine Metallschicht gebildet sein, beispielsweise durch eine Schicht aus Aluminium, Kupfer, Chrom, Silber oder Gold. Auf diese Weise kann auch bei einer metallischen (und daher unter Umständen farblich nahezu neutralen) Beschichtung 9 in der Mikrokavitätenstruktur 4 und dem glatten Bereich 7 ein Farbeffekt erzeugt werden. Optional kann die Farbschicht 15 transluzent ausgebildet sein. Das Sicherheitselement 1 enthält (wie die vorher beschriebenen Sicherheitselemente auch) glatte Bereiche 7, welche Bildbereiche I bilden sowie eine Mikrokavitätenstruktur 4, welche einen Bildbereich II bilden. Die Beschichtung 9 ist so ausgebildet, dass bei einer zweimaligen Transmission durch die Bildbereiche I Licht auf eine Intensität von maximal 10% abgeschwächt wird, eine zweimalige Transmission durch die Mikrokavitätenstruktur 4 im Bildbereich II jedoch noch mit ausreichender Intensität gewährleistet ist. Dies ist beispielsweise bei Aluminium ab einer Schichtdicke von etwa 13 nm der Fall. In Reflexion unterscheiden sich die Bildbereiche I und II durch die optische Wirkung der Mikrokavitätenstruktur 4. Dabei fällt das einfallende Licht E auf die darunterliegende Farbschicht 15. Aufgrund der dort vorgesehenen Metallschicht 16 wird es gespiegelt und transmittiert erneut durch die Mikrokavitätenstruktur 4 (Pfeil R). Ein Beobachter nimmt diesen Lichtpfad und damit den Bildbereich II in Reflexion daher farbig wahr, wohingegen die Bildbereiche I aufgrund der geringen Intensität des transmittierten Lichts im Wesentlichen unverändert metallisch erscheinen.
In einer hier nicht gezeigten Ausgestaltung kann anstelle der Decklackschicht 13 eine Prägelackschicht vorgesehen sein, in die die Mikrokavitätenstruktur 4 abgeformt ist. Anstelle der Prägelackschicht 3 aus Figur 10 kann bei dieser Ausgestaltung zwischen der Farbschicht 15 und der Beschichtung 9 beispielsweise eine weitere Lackschicht vorgesehen sein.
Lässt man die reflektierende Schicht 16 weg, was in einer weiteren Ausführungsform möglich ist, sieht ein Beobachter die transmittierte Strahlung T im Bereich der Mikrokavitätenstruktur 4, also im Bildbereich II, heller und mit einer durch die Farbschicht 15 vorgegebenen Farbe.
In einer weiteren Ausführungsform, die in Figur 11 gezeigt ist und die sich ebenfalls die Transmissionseffekte erfindungsgemäßer Mikrokavitäten zu Nutze macht, befindet sich zusätzlich zur Farbschicht 15 eine weitere Farbschicht 17 oberhalb der Mikrokavitätenstruktur 4 und dem glatten Bereich 7. Diese Farbschicht 17 hat vorzugsweise einen anderen Farbton als die Farbschicht 15. Unter der Farbschicht 15 ist ferner eine reflektierende Schicht 16, beispielsweise eine Schicht aus Aluminium vorgesehen. Die Bildbereiche I werden entsprechend in Reflexion im Farbton der oberen Farbschicht wahrgenommen, der Bildbereich II mit der Mikrokavitätenstruktur 4 dagegen als Mischfarbe der beiden Farbschichten 15 und 17. Natürlich kann auch in der Ausführungsform der Figur 11 die reflektierende Schicht 16 entfallen. Dann erscheint der Bildbereich II in der Mischfarbe, die durch die Farbschichten 15 und 17 vorgegeben ist, für die transmittierte Strahlung T.
Wie bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, sind im Rahmen der anspruchsgemäßen Definition der Erfindung verschiedene Abwandlungen möglich. Einige seien hier exemplarisch erwähnt:

Die Mikrokavitätenstruktur 4 wurde vorstehend in einem Ausführungsbeispiel geschildert, das Mikrokavitäten 5, 6 mit unterschiedlichem Aspektverhältnis aufweist. Dies ist nicht zwingend. Es ist sowohl möglich, Mikrokavitäten mit einheitlichem Aspektverhältnis zu verwenden, als auch Aspektverhältnisse, die mehr als zwei verschiedene Werte realisieren.

Das Aspektverhältnis ist in den vorstehenden Ausführungsbeispielen durch die Variation der Strukturtiefe t eingestellt. Gleichermaßen ist auch eine Variation der Strukturweite w möglich, um das Aspektverhältnis zu modifizieren. Im Rahmen der angegebenen Bemaßung kann natürlich sowohl t als auch w variiert werden.
Der glatte Bereich 7 ist in den Zeichnungen als vollständig glatt eingetragen. Dies ist nicht zwingend erforderlich. Er kann auch eine Restrauhigkeit haben, wobei ein Aspektverhältnis von 0,2 nicht überschritten wird.
Die Ausrichtung der Mikrokavitätenstruktur ist für den Durchlichteffekt irrelevant. Eine Invertierung des Sicherheitselements gegenüber der Darstellung der Figur 1 bzw. 2 ist damit jederzeit möglich.
Die Mikrokavitätenstruktur und der glatte Bereich zum Erzeugen eines Durchlichtbildes können mit anderen Sicherheitsmerkmalen, die zum Schutz von Wertdokumenten bekannt sind, in beliebiger Weise kombiniert werden. Damit wird zusätzliche Fälschungssicherheit erreicht.

Bezugszeichenliste

1: Sicherheitselement
2: Folie
3: Prägelackschicht
4: Mikrokavitätenstruktur
5, 6: Mikrokavitäten
7: glatter Bereich
8a-c: Bildbereich
9: Beschichtung
10: Pixel
11: Bild
12: Motiv
13: Decklackschicht
14: Demetallisierung
15: Farbschicht
16: reflektierende Schicht
17: Farbschicht
t: Strukturtiefe
w: Strukturweite
E: einfallende Strahlung
R: reflektierte Strahlung
I, II: Bildbereich

Claims

Sicherheitselement zur Herstellung von Wertdokumenten, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das ein Substrat (3) mit einer Oberseite aufweist und mindestens ein Bild (11) bereitstellt, wobei
- das Bild (11) durch eine Mikrokavitätenstruktur (4), die eine Vielzahl nebeneinanderliegender Mikrokavitäten (5, 6) aufweist, und einen glatten Bereich (7) gebildet ist,

- die Mikrokavitäten (4) jeweils in einer zur Oberseite parallel liegenden Raumrichtung eine Strukturweite (w) von 0,5 µm bis 3 µm und senkrecht dazu eine Strukturtiefe (t) aufweisen und ein Aspektverhältnis haben, das durch das Verhältnis von Strukturtiefe (t) zu Strukturweite (w) definiert ist, und

- auf die Mikrokavitätenstruktur (4) und den glatten Bereich (7) eine metallhaltige Beschichtung aufgebracht ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
- das Aspektverhältnis der Mikrokavitäten (5, 6) größer als 0,3 ist und

- die metallhaltige Beschichtung (9) auf der Mikrokavitätenstruktur (4) so ausgebildet ist, dass die Mikrokavitätenstruktur (4) und der glatte Bereich (7) in Durchlichtbetrachtung einen Helligkeitsunterschied von mindestens 10 % haben, so dass die Mikrokavitätenstruktur (4) einen ersten Bildbereich und der glatte Bereich (7) einen zweiten Bildbereich des Bildes (11) bilden.
Sicherheitselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aspektverhältnis der Mikrokavitäten (5, 6) zwischen 0,3 und 0,8, bevorzugt zwischen 0,3 und 0,5 liegt.
Sicherheitselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltige Beschichtung (9) auf der Mikrokavitätenstruktur (4) die gleiche Schichtdicke hat.
Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mikrokavitätenstruktur (4) die Mikrokavitäten (5, 6) unmittelbar aneinander stoßen.
Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokavitätenstruktur (4) mindestens zwei Arten von Mikrokavitäten (5, 6) aufweist, die sich hinsichtlich des Aspektverhältnisses unterscheiden, wobei der erste Bildbereich des Bildes (11) durch die mindestens zwei verschiedenen Arten von Mikrokavitäten (5, 6) strukturiert ist.
Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aspektverhältnis der Mikrokavitäten (5, 6) in der Mikrokavitätenstruktur (4) gemäß einen den ersten Bildbereich des Bildes (11) definierenden, vorbestimmten Muster variiert.
Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltige Beschichtung (9) ein Interferenzschichtaufbau mit der Schichtfolge Metall - Dielektrikum - Metall ist.
Sicherheitselement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum SiO₂ ist und/ oder das Metall Al oder Cr ist.
Sicherheitselement nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Interferenzschichtaufbau hinsichtlich seiner Materialfolge und/oder Schichtdickenfolge symmetrisch ist, insbesondere die Schichtfolge Al- SiO₂ -Al aufweist.
Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltige Beschichtung (9) durch eine Metallschicht gebildet ist.
Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass über oder unter der Mikrokavitätenstruktur (4) eine Farbschicht vorgesehen ist.
Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokavitäten (5, 6) nicht-rotationssymmetrisch, insbesondere rinnenförmig sind, und sich jeweils entlang einer Richtung erstrecken.
Wertdokument mit einem Sicherheitselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Herstellungsverfahren für ein Sicherheitselement (1) für Wertdokumente, wie Banknoten, Schecks oder dergleichen, das mindestens ein Bild (11) bereitstellt, wobei
- an einem Substrat (3), das eine Oberseite aufweist, zur Erzeugung eines Bilds (11) eine Mikrokavitätenstruktur (4), die eine Vielzahl nebeneinanderliegender Mikrokavitäten (5, 6) aufweist, und ein glatter Bereich (7) ausgebildet wird,

- die Mikrokavitäten (5, 6) jeweils in einer zur Oberseite parallel liegenden Raumrichtung mit einer Strukturweite (w) von 0,5 µm bis 3 µm und senkrecht dazu mit einer Strukturtiefe (t) ausgebildet sind und ein Aspektverhältnis haben, das durch das Verhältnis von Strukturtiefe (t) zu Strukturweite (w) definiert ist, und

- auf die Mikrokavitätenstruktur (4) und den glatten Bereich (7) eine metallhaltige Beschichtung (9) aufgebracht wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
- das Aspektverhältnis der Mikrokavitäten (5, 6) größer als 0,3 ist und

- die metallhaltige Beschichtung (9) auf der Mikrokavitätenstruktur (4) so ausgebildet wird, dass die Mikrokavitätenstruktur (4) und der glatte Bereich (7) in Durchlichtbetrachtung einen Helligkeitsunterschied von mindestens 10 % haben, so dass die Mikrokavitätenstruktur (4) einen ersten Bildbereich und der glatte Bereich (7) einen zweiten Bildbereich des Bildes (11) bilden.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Aspektverhältnis der Mikrokavitäten (5, 6) zwischen 0,3 und 0,8, bevorzugt zwischen 0,3 und 0,5 liegt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltige Beschichtung (9) auf der Mikrokavitätenstruktur (4) in der gleichen Schichtdicke ausgebildet wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mikrokavitätenstruktur (4) die Mikrokavitäten (5, 6) unmittelbar aneinanderstoßend ausgebildet werden.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokavitätenstruktur (4) mit mindestens zwei Arten von Mikrokavitäten (5, 6) aufgebildet wird, die sich hinsichtlich des Aspektverhältnisses unterscheiden, wobei der erste Bildbereich des Bildes (11) durch die mindestens zwei verschiedenen Arten von Mikrokavitäten (5, 6) strukturiert wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Aspektverhältnis der Mikrokavitäten (5, 6) in der Mikrokavitätenstruktur (4) gemäß einem den ersten Bildbereich des Bildes (11) definierenden, vorbestimmten Muster variiert wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtung (9) ein Interferenzschichtaufbau mit der Schichtfolge Metall - Dielektrikum - Metall verwendet wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass als Dielektrikum SiO₂ und/oder als Metall Al oder Cr verwendet wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass über oder unter der Mikrokavitätenstruktur (4) eine Farbschicht vorgesehen wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokavitäten (5, 6) nicht-rotationssymmetrisch, insbesondere rinnenförmig ausgebildet werden, und sich jeweils entlang einer Richtung (8) erstrecken.