施加图案的方法以及用于物品的安全装置

技术领域

本发明涉及施加图案的方法，并且尤其适用于与结合到物品比如法定货币(例如纸币)中的安全装置一起使用。

背景技术

英镑等交易量大的货币越来越多地采用塑料纸币，这为专门为聚合物基底设计的安全产品创造了新的机会。鉴于公众作为抵御造假者的第一道防线，公开特征尤其令人感兴趣。市场上可用的大多数安全产品是基于传统OVD(光学可变器件)的墨水，或基于全息和/或透镜的微米和/或纳米结构。鉴于它们多年来的广泛可用性，现在需要难以复制或模拟的新形式的安全特征。理想情况下，此类安全特征也应该可以大规模制造。

发明内容

本发明的目的是尤其在安全装置的背景下提供一种施加图案的新方式。

根据本发明的一方面，提供了一种施加图案的方法，其包括：提供具有分层结构的接受构件，所述分层结构包括相变材料层，该相变材料能够在相对于彼此具有不同折射率的多个稳定状态之间进行热切换；和将压印构件冲压入所述接受构件，其中：所述压印构件通过在冲压过程中与所述接受构件接触而对相变材料层的选定部分进行加热，该加热例如能够使选定部分中的相变材料进行热切换并且由此为相变材料层施加具有不同折射率的图案。

此方式允许形成视觉上有吸引力(包括金属外观)的特征，该特征可以施加至公开和隐蔽的安全产品。包括相变材料(PCM)层的分层结构能够在不同状态之间的精确切换，这允许形成精确可调的颜色和受控的视角可变性。可以实现高对比度和高反射率。该图案可以有效且大规模地施加，无需特殊的墨水或全息技术。可以调整分层结构和压印构件的设计以提供仅在特定波长的询问下可见(通过人眼或光学仪器)的效果，这可以例如通过专门选择的检查激光或窄带LED来提供。这将使检查物品的真实性的可靠方法成为可能并且难以模仿。

在一个实施例中，压印构件包括具有突起图案的冲压表面，该冲压使得突起在接受构件中形成对应的压痕图案。由此，冲压过程赋予接受构件两种不同类型的图案。与冲压相关的加热通过在这些区域中将PCM切换为不同的反射率状态(例如通过在这些区域中使PCM结晶但在其他区域中使PCM保持非结晶状态)而改变了局部区域中的视觉特征。与此同时，压痕图案改变了从表面的反射方向，并且提供了增强的视角可变性。可以实现反射行为，其中将接受构件倾斜至特定角度可以导致来自不同表面的两个竞争反射，其基于光与观察者观察角度，在颜色和亮度上有所不同。

在一个实施例中，压痕图案与PCM层中具有不同折射率的图案空间配准。由于冲压工艺的实质，可以有效且精确地实现空间配准，该冲压工艺同时施加两种类型的图案(通过PCM切换和压痕)并且采用相同的物理部件(例如加热突起)。使用两种传统的、不可切换的、独立的OVD墨水实现类似的结果需要一定程度的特征配准，这目前超出了最先进的印刷技术的能力(例如，＜几微米)。同时，本实施例的方法仍然难以复制，因为它至少需要以下内容。

i.对所涉及的材料具有深刻理解。适用的PCM具有复杂的成分，通常包括具有严格定义的元素相对成分的三元素硫属化物玻璃。

ii.获得可靠的PCM材料的物件供应商。所涉及的化学物质使物件制造成为一项艰巨的任务，只有少数供应商能够制造高质量的物件。

iii.全面了解堆叠结构(stack structure)和设计原理。为了了解如何设计这些膜，需要专业的软件和工程技能。

在一个实施例中，在冲压过程中，冲压表面中的所述突起外侧的冲压表面的凹陷区域的至少一部分不会接触到所述接受构件。这意味着冲压表面可以被均匀加热，同时仍然允许对PCM施加(通过突起)空间不均匀的加热。

通过以下方式可实现各种光学效果：改变压印构件冲压入接受构件的方式(例如将压印构件冲压入接受构件的不同侧或接受构件的两侧)、改变冲压构件的形式(例如提供不同的突起图案，比如具有单独突起元件的图案，该突起元件带有对称或不对称横截面)、在不同位置从不同侧和/或采用不同冲压构件多次重复冲压过程、和/或在由冲压形成的压痕中提供其他特征比如赋予反向反射效果的透明构件。

在一个实施例中，压印构件的冲压表面在冲压过程中具有非均匀的温度分布，该非均匀的温度分布至少部分地限定出在冲压过程中进行热切换的相变材料层的选定部分。此方式实施起来更加复杂，但允许限定出不同折射率的图案，这些图案与由突起限定的压痕图案不同(例如更加复杂)。

在一些实施例中，该方法用于形成物品的安全装置的全部或部分。该物品可包括法定货币物品，例如纸币，或将用到安装装置的任意其他物品，比如其他公开文献、高价值文献和/或制药产品。

根据替代方面，提供了一种用于物品的安装装置，该装置包括分层结构，其包括相变材料层，所述相变材料能够在相对于彼此具有不同折射率的多个稳定状态之间进行热切换，其中：所述相变材料层包括具有不同折射率的图案，该图案至少部分地由处于其中一种稳定状态的层中的相变材料的选定部分和处于一种或多种其他稳定状态的剩余部分限定；且所述分层结构包括位于所述分层结构的表面中的压痕图案，所述压痕图案与在所述相变材料层中具有不同折射率的图案空间配准。

附图说明

现将参照附图借助于示例进一步描述本发明，其中：

图1是分层结构的示意性侧视截面图，通过本发明的方法可对该分层结构施加图案；

图2至图5是示出了将压印构件冲压入包括图1的分层结构的接受构件以施加具有不同折射率和压痕的配准图案的示意侧视截面图；

图6是示意性示出来了从图4的接受构件的没有压痕部分的反射的侧视图；

图7是示意性示出了从图4的接受构件中的压痕的反射的侧视图；

图8是示意性地示出了用于提供反向反射功能的在接受构件的压痕中的透明构件的侧视截面图；和

图9是示出了示例压印构件的侧视截面图，其中冲压表面具有多个非对称的突起元件。

具体实施方式

在整个说明书中，使用术语“光学”和“光”，因为它们是电磁辐射相关领域中的常用术语，但应理解在本说明书的上下文中它们不限于可见光。设想本发明还可以用于可见光谱之外的波长，例如红外线和紫外线。

如图1至图5示例示出，本发明提供了对接受构件10施加图案的方法。该接受构件10包括如图1所示的分层结构12。在一些实施例中，该分层结构12包括形成于基底8上的薄膜堆叠。该基底8可以包括聚合物材料。

分层结构12中的至少一层是PCM2层。该PCM能够在相对于彼此具有不同折射率的多种状态下进行热切换。不同的折射率可以包括不同的虚部分量，由此可以包括不同的吸光度。不同的折射率可使得PCM2具有不同的颜色和/或在不同状态下提供不同的光学效果。

分层结构12中的所有层通常是固态的，并且构造为使它们的厚度以及反射率和吸收性能结合，使得不同状态的PCM形成不同的(可见的和/或测量不同的)反射光谱。此种类型的光学装置在Nature 511，206-211(2014年7月10日)、WO2015/097468A1、WO2015/097469A1、EP3203309A1和WO2017/064509A1中有所描述。

在一个示例中，PCM包括、基本由或由以下内容中的一个或多个构成：钒的氧化物(也可称为VOx)；铌的氧化物(也可称为NbOx)；包含Ge、Sb和Te的合金或化合物；包含Ge和Te的合金或化合物；包含Ge和Sb的合金或化合物；包含Ga和Sb的合金或化合物；包含Ag、In、Sb和Te的合金或化合物；包含In和Sb的合金或化合物；包含In、Sb和Te的合金或化合物；包含In和Se的合金或化合物；包含Sb和Te的合金或化合物；包含Te、Ge、Sb和S的合金或化合物；包含Ag、Sb和Se的合金或化合物；包含Sb和Se的合金或化合物；包含Ge、Sb、Mn和Sn的合金或化合物；包含Ag、Sb和Te的合金或化合物；包含Au、Sb和Te的合金或化合物；以及包含Al和Sb的合金或化合物(包括处于任何稳定化学计量的以下化合物/合金：GeSbTe、VOx、NbOx、GeTe、GeSb、GaSb、AgInSbTe、InSb、InSbTe、InSe、SbTe、TeGeSbS、AgSbSe、SbSe、GeSbMnSn、AgSbTe、AuSbTe和AlSb)。优选地，PCM包括Ge

已知当在非结晶相和结晶相之间切换时，PCM的实部折射率和虚部折射率都会经受剧烈的变化。PCM在每种状态下都是稳定的。该切换可通过任意加热形式实现并且原则上可以有效地无限次地且非常快速地执行。在下文描述的实施例中，通过压印构件5和接受构件10之间的接触将热从压印构件5传递至PCM来实现切换。

虽然本文描述的一些实施例提及PCM能够在两种状态比如结晶相和非结晶相之间进行切换，但是可以在任意两种固相之间进行转换，包括但不限于：结晶相到另一结晶相或准结晶相，或反之亦然；非结晶相到结晶相或准结晶相/半有序相的转变，或反之亦然，以及介于两者之间的所有形式。实施例也不限于仅两种状态。

在一个实施例中，PCM在厚度小于200纳米(nm)的层中包括Ge

再次参见图1，在一些实施例中，分层结构12包括反射层4。该反射层4可以被制备为高度反射或仅部分反射。可省去该反射层4。在一个实施例中，反射层4包括反射材料，比如金属。已知金属在足够厚时能够提供良好的反射性并且还具有高热导率和电导率。反射层4对可见光、红外光和/或紫外光的反射率可为50％或更大、可选地为90％或更大、可选地为99％或更大。该反射层4可以包括例如由Au、Ag、Al或Pt组成的金属薄膜。如果此层是部分反射，则可选取的厚度位于5纳米至15纳米(nm)的范围内，否则该层被制备得更厚，比如100nm，以基本上完全反射。

在一些实施例中，该分层结构12还包括间隔层3。该间隔层3位于PCM2和反射层4之间。在一些实施例中，分层结构12还包括覆盖层1。PCM2位于覆盖层1和反射层4之间。覆盖层1的上表面可以表示接受构件的观察表面，反射层4用作背反射件。光通过作为观察表面的覆盖层1进入和离开接受构件10。取决于PCM2的折射率和间隔层3的厚度的干涉效应导致反射率与波长相关地明显变化。间隔层3和覆盖层1都是透光的并且理想地尽可能透明。

覆盖层1和间隔层3中的每一个可以由单层构成或包括相对于彼此具有不同折射率的多层(即在覆盖层1或间隔层3由多层构成的情况下，这些层中的至少两个相对于彼此具有不同的折射率)。形成覆盖层1和/或间隔层3的一种或多种材料的厚度和折射率被选择为产生期望的光谱响应(通过干涉和/或吸收)。可以用于形成覆盖层1和/或间隔层3的材料可包括但不限于ZnO、TiO

分层结构12中的任何层或所有层均可通过喷溅形成，可在100摄氏度的相对低温下执行喷溅。还可采用从光刻中已知的传统技术或其他技术例如印刷为该层施加图案。

在具体实施例中，PCM2的层包括GST，其厚度小于100nm、优选小于10nm、比如为6或7nm。取决于所需的颜色以及光学性能，间隔层3的厚度增大至通常位于10nm至250nm的范围内。覆盖层1例如为20nm厚。

如图2至图5所示，形成图案的方法包括将压印构件5冲压入接受构件10。图2示出了当压印构件5朝向接受构件10向下移动但尚未接触到接受构件10时的冲压过程的阶段。图3示出了当压印构件5与接受构件10接触时的冲压过程的后一阶段。图4示出了当压印构件5离开接受构件10时的冲压过程的最后阶段。图5示出了等同于图3的替代冲压工艺的阶段，除了从接受构件10的相背侧执行冲压之外

如图3所示，在冲压过程中，压印构件5通过其与接受构件10之间的接触对PCM2的层的选定部分2A进行加热。由此，在开始冲压前，压印构件5比PCM2更热。该加热使得PCM在选定部分2A中进行热切换。PCM2的层中的剩余部分(部分2B)保持在最初折射率状态。部分2A和2B(相对于彼此具有不同折射率)的组合限定出具有不同折射率的图案，该图案已经通过冲压施加至PCM2的层

在一个实施例中，如图2所示，在冲压之前所有的PCM2的层均以相同的初始状态提供。由此，PCM2的层在此阶段没有图案。在一个实施例中，该初始状态为非结晶态。在一个实施例中，压印构件5的冲压(图3)引起部分2A改变状态(例如变至结晶态)，而PCM2的层的其余部分保持其初始状态(例如非结晶态)。

在一个实施例中，压印构件5包括冲压表面(图2至图4中压印构件5的下表面和图5中压印构件5的上表面)。该冲压表面具有多个突起6。多种形状可应用于突起6以实现对应范围的光学效果。然而，通常优选地将突起6构造为使得它们能够没有过度用力地穿入接受构件10。该突起6可由此呈锥形(例如包括锥形元件，比如锥形点和/或脊)。

在一些实施例中，突起6包括多个相同的突起元件(如示例所示)。在图2至图5中，突起6示出为具有三个此种突起元件。当沿着垂直于冲压方向的方向观察时(例如沿着垂直于图中纸面的方向观察时)，该突起元件可具有镜面对称的横截面。在图2中为其中一个突起元件的示例镜面对称线标号16。此方式可允许在所得容纳元件10中从多个方向均能观察到相同的视觉图案。替代地，突起元件的横截面在沿着垂直于冲压方向的方向观察时是不对称的。图9中示出此种布置的示例。此方式可用于提供仅在物品相对于观察者的选定方向的窄范围内可观察到的特殊视觉图案，这可用于安全应用。

该冲压使得突起6在接受构件10中形成对应的压痕7图案(在图4中标记)。该压痕7改变了从容纳元件10处的光的反射，从而提供增加的自由度来产生光学效果和/或光学效果的变化和/或与观察角度相关的可观察图案的变化。图6和图7示意性示出在图2至图4中示出的方法中形成类型的压痕7如何改变反射以提供反向反射行为(图7)，其中从特定角度入射的光被反射回光源的程度比反射表面只是平面的情况更大(图6)反向反射行为可以例如通过细长的脊状压痕相对于围绕单个轴线(2D回射性)的观察角度的变化而实现，或者例如通过形状类似于长方体的内角的压痕相对于围绕多个轴线(3D回射性)的观察角度的变化来实现。在一些实施例中，如图8所示，透明构件14设置在通过冲压形成的一个或多个压痕7中。透明构件14可以构造成提供反向反射效果。透明构件14例如可以是球形的和/或具有大于1的折射率。在一些实施例中，透明构件14在已经执行冲压之后以单独过程施加。在其他实施例中，同时施加透明构件14和冲压。例如，压印构件5可以设置有突起6的图案，其包括一个或多个透明构件14(例如，位于突起图案中的各个突起元件的相应尖端处)。在这种情况下，冲压过程在冲压期间中将透明构件14压入接受构件10中。透明构件14和压印构件5之间的连接布置成弱于透明构件14和接受构件10之间的连接，使得在向后拉压印构件5时，透明构件14还留在接受构件10内。

压痕7的图案与PCM2的层中的具有不同折射率的图案空间配准。在示出的示例中，空间配准由与压痕位于相同位置的切换的PCM2的部分2A的局部区域(即热突起穿入接受构件10的位置)组成。压痕7的图案可由此与具有不同折射率的图案(由切换的PCM2的部分2A所限定)对齐。压痕7的图案可与具有不同折射率的图案基本相同。相对于用于形成不同类型图案的替代方式，这种图案的空间配准和/或相同性可以有效地实现，因为在当前情况下两种类型的图案均通过同一个压印构件5和接受构件10之间的接触形成。

在一个实施例中，在冲压表面中位于所述突起6外侧的至少一部分凹陷区域9不会在冲压过程接触到所述接受构件10(见图3和图5)。这意味着冲压表面可被均匀加热，同时仍然允许对PCM2施加(通过突起6)空间不均匀的加热。

在其他实施例中，压印构件5的冲压表面在冲压过程中具有不均匀的温度分布。在此情况下，该不均匀的温度分布可至少部分地限定出在冲压过程中进行热切换的PCM2的层的选定部分。该非均匀温度分布可例如通过多个局部加热元件提供。通过解决加热元件的不同组合和/或改变通过该加热元件输出的能量，可以限定出不同的空间和/或时间的加热曲线，由此允许限定出具有不同折射率的图案，其与由突起6限定的突起7的图案不同(例如更加复杂的)。在一些实施例中，压印构件5可被构造为允许单独控制(例如不同单个突起的)突起6的图案的不同部分的温度。

可从接受构件10的任一侧或两侧执行(不同时刻或同时)将压印构件5冲压入接受构件10。

在一些实施例中，如下文详细描述，分层结构12包括位于PCM2的层的下方的反射层4，从PCM2的与反射层4相背的一侧(例如从上方，如图2至图4中的结构所示)执行至少一次将压印构件5冲压入接受构件10。替代地或附加地，如图5示例示出，在一些实施例中，从PCM2的与反射层4相同的一侧(即从图中取向的下方)执行至少一次将压印构件5冲压入接受构件10。在此情况下，将压印构件5冲压入接受构件10使得在接受构件10的与冲压相对的一侧上发生表面形貌的改变(例如以形成与压印构件5的突起6空间配准的升高区域18，如图5所示)。

在一些实施例中，多次执行将压印构件5冲压入接受构件10。冲压的至少一个子步骤可以用不同的压印构件5(例如具有带有不同突起图案的冲压表面的压印构件5)执行。可以采用多次冲压(有或没有不同的压印构件5)以提供复杂的光学效果和/或调节在不同时刻的视觉效果(例如修改安装装置从而指示状态变化，比如升级或即将到期)。

该接受构件10可形成用于物品的安全装置的全部或部分。该物品可为法定货币物品(例如纸币)或其他物品。由此该安全装置可包括分层结构12。分层结构12包括由PCM2构成的层。该PCM2能够在相对于彼此具有不同折射率的多个稳定装置之间进行热切换。PCM2的层包括具有不同折射率的图案，其至少部分地由处于其中一种稳定状态的层中PCM2的选定部分2A和处于一种或多种其他稳定状态的PCM2的剩余部分2B限定。分层结构12包括在分层结构12的表面中的压痕7的图案。压痕7的图案与在PCM2的层中具有不同折射率的图案空间配准。可以采用上文参照图1至图9所讨论的任意方法形成具有不同折射率的图案。可以采用上文参照图1至图9讨论的任意方法形成压痕7的图案。