DE102013225518B4 - Sicherheitselement mit UV-anregbarem feldabhängigem Effekt - Google Patents

Abstract

Sicherheitselement (110) mit einem UV-anregbaren Effekt umfassend eine Strukturfarbe, welche Mikrokapseln (10) umfasst, in welchen kolloidale Teilchen (13) enthalten sind, die mittels einer Strukturanregung, welche ein Ausbilden eines elektrischen oder/und magnetischen Felds umfasst, zueinander in einer kristallartigen Struktur anordenbar oder/und umordenbar sind, wobei die kristallartige Struktur (15) über die Strukturanregung beeinflussbare und/oder einstellbare Reflexions- und/oder Transmissionseigenschaften für Licht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Lumineszenzpigmente vorgesehen sind, die bei einer Lumineszenzanregung, die über ein Einstrahlen von UV-Licht erfolgt, eine Lumineszenz zeigen, und die Lumineszenzpigmente so angeordnet sind, dass zumindest ein Teil der Lumineszenzpigmente mit in die kristallartige Struktur (15) eingebaut ist und eine beobachtbare Lumineszenz (130) von der Strukturanregung mittels des elektrischen oder/und magnetischen Felds abhängig ist.

Description

• Die Erfindung betrifft allgemein ein Sicherheitselement mit einem UV-anregbarem Effekt, ein Verfahren zum Verifizieren eines solchen Sicherheitselements, ein Verfahren zum Herstellen eines Sicherheitsdokuments sowie eine Strukturfarbe.
• Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Sicherheits- und Wertdokumenten mit Sicherheitsmerkmalen und Sicherheitselementen bekannt, die einen Lumineszenzeffekt aufweisen. Als Lumineszenz wird das Ausstrahlen von Licht während oder nach einer zuvor erfolgten Anregung bezeichnet. Die Lumineszenz wird in der Regel nach der Art der Anregung unterschieden. Wird die Anregung über ein oder mehrere Photonen ausgelöst, so spricht man von Photolumineszenz. In der Regel wird eine Photolumineszenz über ein Einstrahlen von UV-Licht angeregt. Das bei der Lumineszenz ausgesandte Emissionslicht weist in der Regel eine größere Wellenlänge als die Anregungsstrahlung auf. Bei einer Anregung mit UV-Licht wird beispielsweise Lumineszenzlicht im sichtbaren Wellenlängenbereich emittiert.
• Ein Lumineszenzeffekt in einem Sicherheitsmerkmal oder Sicherheitselement kann verwendet werden, um das mit dem Sicherheitsmerkmal oder Sicherheitselement versehene Objekt hinsichtlich seiner Echtheit und gegebenenfalls auch seiner Unversehrtheit zu verifizieren. Im einfachsten Fall wird die Existenz der Lumineszenz als Sicherheitsmerkmal genutzt. Eine Verifikation erfordert dann die Überprüfung, ob bei UV-Anregung eine Lumineszenz zu beobachten ist.
• Aus der WO 2008/028477 A2 ist ein Sicherheitsdokument mit einem Sicherheitsmerkmal bekannt, welches einen Halbleiterbereich aufweist, welcher zumindest eine erste Halbleiterschicht und eine zweite Halbleiterschicht umfasst, welche miteinander kontaktiert sind und ein Typ II Halbleiterkontaktsystem bilden. Ein so ausgebildetes Sicherheitsdokument zeigt bei UV-Anregung eine Lumineszenz. Hierbei ist es möglich, die Lumineszenzintensität unmittelbar im Anschluss an eine Lumineszenzanregung zeitaufgelöst zu erfassen. Hierbei ergibt sich die Möglichkeit, eine Zeitkonstante des Abklingverhaltens zu ermitteln. Bei den beschriebenen Sicherheitsdokumenten kann über ein Anlegen einer Spannung an die Halbleiterschichten ein Abklingverhalten der Lumineszenz deutlich beeinflusst werden, sodass zusätzlich zu dem Vorhandensein einer Lumineszenz auch noch mindestens eine weitere Eigenschaft der Lumineszenz ausgewertet werden kann.
• Neben der Lumineszenz werden auch weitere optische Effekte im Bereich der Sicherheits- und Wertdokumente verwendet. So sind beispielsweise aus dem Stand der Technik Druckfarben bekannt, deren Farbeindruck über in einer Farbe enthaltene Mikroteilchen herbeigeführt wird, die zueinander ausgerichtet und in einer Kristallstruktur angeordnet sind.
• Aus der EP 2 463 111 sind solche Druckfarben bekannt. Dort sind Druckfarben beschrieben, die in einem Druckmedium eine Vielzahl von Teilchen aufweisen, die in dem Medium dispergiert sind und elektrische oder magnetische Eigenschaften aufweisen, sodass diese bei Anwendung eines elektrischen oder magnetischen Felds sich zueinander in einer Kristallstruktur ausrichten. Diese Kristallstruktur sorgt dafür, dass sich Licht bestimmter Wellenlänge nur entlang bestimmter Richtungen oder gar nicht in der Kristallstruktur ausbreiten kann und entsprechend reflektiert wird. Hierüber wird ein Farbeindruck aufgrund des wellenlängenselektiv reflektierten Lichts hervorgerufen. Im Gegensatz zu einer Körperfarbe kann hier von einer Strukturfarbe gesprochen werden, da eine geometrische Anordnung der kolloidalen Teilchen für die Ausprägung der Farbe verantwortlich ist.
• Aus der DE 10 2009 024 447 A1 ist ein Sicherheitselement mit einem durch ein externes Magnetfeld veränderbaren optischen Erscheinungsbild bekannt. Es ist vorgesehen, dass das Sicherheitselement eine Vielzahl von Mikrokapseln aufweist, die eine Suspension aus einer Trägerflüssigkeit und magnetischen Nanopartikeln enthalten, welche in einem externen Magnetfeld in den Mikrokapseln reversibel einen photonischen Kristall ausbilden.
• Es ist ein allgemeines Bestreben, Sicherheitsdokumente in der Weise fortzubilden, dass diese Sicherheitselemente und Merkmale enthalten, welche für Fälscher schwerer nachzuahmen und/oder zu manipulieren sind.
• Der Erfindung liegt daher die technische Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Sicherheitselement zu schaffen, ein Verfahren zu schaffen, mit dem auf einfache Weise das Sicherheitselement verifizierbar ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sicherheitsdokuments sowie eine Substanz, mit der das Sicherheitselement ausbildbar ist, zu schaffen.
• Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Strukturfarben, welche über einen optischen Effekt ähnlich dem eines photonischen Kristalls verfügen, weiterzubilden und/oder mit einer anderen Druckfarbe zu kombinieren, um neuartige Effekte zu erhalten. Hierzu werden Lumineszenzpigmente bzw. eine Lumineszenzfarbe verwendet.
• Man erhält hierdurch ein Sicherheitselement, welches neuartige optische Effekte aufweist, die sowohl auf der Lumineszenz als auch einer über Anregung mit einem elektrischen oder magnetischen Feld beeinflussbaren Reflexions- oder Transmissionseigenschaft herrühren. Der Aufwand, ein solches Sicherheitselement herzustellen, ist deutlich gesteigert, sodass eine Fälschung erschwert wird.
• Geschaffen wird somit ein neuartiges Sicherheitselement, welches mit einem neuartigen Verifikationsverfahren auf ein Vorhandensein und dessen Unversehrtheit überprüft werden kann.
• Definition
• Merkmale, welche für eine Verifikation genutzt werden können und somit eine Absicherung gegenüber einem unautorisierten Duplizieren oder Herstellen, einem Verfälschen oder Ähnlichem bieten, werden als Sicherheitsmerkmale bezeichnet.
• Entitäten, welche mindestens ein Sicherheitsmerkmal aufweisen, werden als Sicherheitselement bezeichnet. Somit ist jeder körperlich ausgebildete Gegenstand, der mindestens ein Sicherheitsmerkmal umfasst, ein Sicherheitselement.
• Dokumente, welche mindestens ein Sicherheitsmerkmal aufweisen, werden als Sicherheitsdokumente bezeichnet. Sicherheitsdokumente umfassen u.a. Ausweise, Führerscheine, Identitätskarten, aber auch Banknoten, Postwertzeichen, Visa sowie gegenüber Fälschung gesicherten Etiketten und Verkackungen, Eintrittskarten oder Ähnliches.
• Pigmente, welche infolge einer Anregung, beispielsweise eine Einstrahlung von UV-Licht, Emission von Licht zeigen, werden als Lumineszenzpigment bezeichnet. Die durch die Anregung verursachte Emission wird als Lumineszenz bezeichnet, die Anregung als Lumineszenzanregung.
• Eine Zubereitung, welche zum Drucken von Informationen verwendet werden kann, wird auch als Tinte oder Druckfarbe bezeichnet.
• Eine Zubereitung, deren im verdruckten Zustand hervorgerufener Farbeindruck durch Pigmente hervorgerufen wird, welche bestimmte Wellenlängen des Lichts unabhängig von Umgebungsbedingungen und/oder einer Anregung absorbieren und/oder remittieren/reflektieren, werden als Körperfarben bezeichnet.
• Druckzubereitungen bzw. Druckfarben oder Tinten, deren Farbeindruck im verdruckten Zustand dadurch hervorgerufen wird, dass eine Vielzahl von Teilchen in einer kristallartigen regelmäßigen Struktur angeordnet sind, sodass sich eine Lichtausbreitung einzelner Wellenlängen durch die Kristallstruktur nur in bestimmten Richtungen oder gar nicht möglich ist und hierüber ein Farbeindruck hervorgerufen wird, werden als Strukturfarben bezeichnet.
• Aus dem Stand der Technik, insbesondere der EP 2 463 111 A2 sind Druckzubereitungen bekannt, welche Strukturfarben sind. Dort sind Druckzubereitungen beschrieben, welche eine Vielzahl von Nano- oder Mikroteilchen umfassen, die elektrische oder magnetische Eigenschaften aufweisen, welche sich in einem elektrischen oder magnetischen Feld relativ zueinander in einer kristallartigen regelmäßigen Struktur anordnen. Dort ist beschrieben, dass die kristallartigen Strukturen photonische Kristalle sein können. Ein photonischer Kristall ist eine regelmäßige periodische Struktur, welche aufgrund quantenmechanischer Effekte eine Lichtausbreitung für einzelne oder eine Mehrzahl von Wellenlängen begünstigt oder unterbindet. Hierdurch entsteht ein Farbeindruck des entsprechenden photonischen Kristalls.
• Strukturfarben, die bei einer Anregung einen veränderten Farbeindruck aufweisen, sind ebenfalls in der EP 2 463 111 A2 beschrieben. Diese können so ausgebildet sein, dass die Druckzubereitung Mikrokapseln umfasst, welche ein Substrat einschließen, in welchem wiederum eine Vielzahl kolloidaler Teilchen angeordnet ist, welche erneut eine elektrische oder magnetische Eigenschaft aufweisen und sich in einem elektrischen oder magnetischen Feld relativ zueinander zu einem Kristall oder einer kristallartigen Struktur anordnen. Dort ist beschrieben, dass die kolloidalen Teilchen beispielsweise geladene Teilchen sein können, welche beispielsweise Aluminium, Kupfer, Silber, Zinn, Titan, Wolfram, Zirkon, Zink, Silizium, Eisen, Nickel, Kobold oder Ähnliches umfassen. Die Teilchen können ferner eine Substanz aufweisen, welche ein Polymermaterial enthält, beispielsweise Polystyren (PS), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen Tereftalat (PET) usw. Gemäß anderen Ausführungen können nicht geladene Teilchen mit einem geladenen Material beschichtet sein. Beispielsweise können Teilchen mit metallanorganischen Oxiden wie Siliziumoxid SiO_x, Titanoxid TiO_x usw. beschichtet sein. Aber auch mit Polymermaterialen beschichtete, mit lonenaustauschharzen beschichtete Teilchen und viele mehr können verwendet werden. In der EP 2 463 111 A2 ist eine Vielzahl von beispielhaften Ausführungen beschrieben.
• Die Substanz, in der die kolloidalen Teilchen in den Mikrokapseln angeordnet sind, kann ein Phasenübergangsmaterial sein. Dies bedeutet, dass das Material in unterschiedlichen Phasen vorliegen kann, welche eine unterschiedliche Viskosität aufweisen. Abhängig von der Phase, in der sich die Substanz befindet, können sich die kolloidalen, darin dispergierten Teilchen bei äußerer Anregung zu einer Kristallstruktur ausrichten oder nicht. Ebenso ist es möglich, dass eine Kristallstruktur, die bei äußerer Anregung in einer Phase der Substanz herbeigeführt wird, durch eine Änderung der Phase der Substanz „eingefroren“ wird, sodass die Kristallstruktur auch nach dem Entfernen/Entfernen der Anregung zur Ausrichtung der kolloidalen Teilchen erhalten bleibt.
• Bei anderen Ausführungsformen bleibt die Viskosität der Substanz in den Mikrokapseln, in der die kolloidalen Teilchen dispergiert sind, welche sich bei Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes zu einer Kristallstruktur anordnen, immer erhalten.
• Ein elektrorheologisches Fluid ist ein Fluid, dessen Viskosität über eine elektrische Feldstärke einstellbar oder steuerbar ist. In einem Raum, in dem kein elektrisches Feld anliegt, besitz ein elektrorheologisches Fluid eine niedrige Viskosität. Darin dispergierte kolloidale Teilchen besitzen somit eine hohe Mobilität. Wird ein elektrisches Feld angelegt, steigt die Viskosität stark an, so dass eine Mobilität von darin dispergierten Teilchen stark eingeschränkt oder unterbunden wird.
• Ein magnetorheologisches Fluid ist ein Fluid, dessen Viskosität über eine magnetische Feldstärke einstellbar oder steuerbar ist. In einem Raum, in dem kein magnetisches Feld anliegt, besitz ein magnetorheologisches Fluid eine niedrige Viskosität. Darin dispergierte kolloidale Teilchen besitzen somit eine hohe Mobilität. Wird ein magnetisches Feld angelegt, steigt die Viskosität stark an, so dass eine Mobilität von darin dispergierten Teilchen stark eingeschränkt oder unterbunden wird.
• Als feldfrei wird ein Raum bezeichnet, in dem weder ein elektrisches noch ein magnetisches Feld vorhanden sind. Im Sinne der hier beschriebenen Gegenstände wird darunter das Nichtvorhandensein eines äußeren gezielt eingestellten elektrischen oder magnetischen Felds verstanden. Ein Feld, welches durch intrinsisch in einem Gegenstand vorhandene magnetische Teilchen oder elektrisch geladenen Teilchen verursacht wird, wird hierbei unbetrachtet gelassen. Ebenso wird die durch das Erdmagnetfeld verursachte magnetische Feldstärke als unbeachtlich angesehen, so dass ein Raum trotz des vorhandenen Erdmagnetfelds feldfrei ist, wenn kein zusätzliches magnetisches Feld in dem Raum vorhanden ist.
• Wird die Ausrichtung der kolloidalen Teilchen nur durch das elektrische Feld herbeigeführt, so wird der Raum als feldfrei angesehen, wenn kein elektrische Feld vorhanden ist, selbst dann, wenn beispielsweise eine magnetische Feld anliegt, um ein magentorheologisches Fluid in dem Raum hinsichtlich seiner Viskosität zu beeinflussen.
• Analoges gilt für den Fall, dass ein magnetisches Feld zum Ausrichten der kolloidalen Teilchen verwendet wird und ein elektrisches Feld zum Steuern der Viskosität eines elektrorheologischen Fluids genutzt wird. Der Raum ist dann feldfrei, wenn kein „äußeres“ Magnetfeld mit einer Feldstärke in dem Raum existiert, die größer als die Feldstärke des Erdmagnetfelds ist.
• Eine Feldstärke, welche eine Strukturanregung bewirkt, wird mit E_SA bezeichnet. Ein nachgestellter Klammerausdruck (λ= λ_L oder (λ= λ_UV) drückt aus, das die Strukturanregung in der Strukturfarbe eine Beeinflussung von Licht mit der Wellenlänge λ bewirt. Beispielsweise drückt E_SA(λ= λ_UV), dass die Strukturanregung bewirkt, dass die Strukturfarbe Licht im UV-Bereich beeinflusst. E_SA(λ= λ_l) gibt an, dass die Strukturanregung bewirkt, dass die Strukturfarbe Licht mit einer Lumineszenzwellenlänge λ_l beeinflusst.
• Druckzubereitungen bzw. Druckfarben oder Tinten, die bei einer Lumineszenzanregung, insbesondere eine Einstrahlung von UV-Licht, eine Emission von Licht, d.h. eine Lumineszenz, zeigen, werden als Lumineszenzfarben bezeichnet.
• Als ein zeitaufgelöstes Erfassen eines Messwerts oder einer Größe wird das Erfassen dieses Messwerts oder dieser Größe zu unterschiedlichen aufeinanderfolgenden Zeitpunkten verstanden.
• Als Abklingverhalten wird die Abnahme einer Intensität in einer zeitlichen Abfolge verstanden.
• Als eine charakteristische Zeitkonstante bezeichnet man eine ermittelte Zeit, die in Verknüpfung mit einer statistischen Funktion ein Abklingverhalten einer Messgröße beschreiben kann. Nimmt man an, dass ein physikalischer Prozess, der für das Abklingverhalten verantwortlich ist, einer Poisson-Statistik folgt, so kann beispielsweise eine Halbwertzeit, d.h. jene Zeitspanne, in der sich der Wert der erfassten Größe halbiert, oder eine sogenannte Lebensdauer als charakteristische Zeitinstante ermittelt werden, wobei die Lebensdauer die Zeitspanne angibt, in der die Messgröße auf 1:e der Messgröße abfällt. e ist hierbei die eulersche Zahl.
• Bevorzugte Ausführungsformen
• Das erfindungsgemäße Sicherheitselement mit einem UV-anregbaren Effekt umfasst eine Strukturfarbe, welche Mikrokapseln umfasst, in welchen kolloidale Teilchen enthalten sind, die mittels einer Strukturanregung, welche ein Ausbilden eines elektrischen oder/und magnetischen Felds umfasst, zueinander in einer kristallartigen Struktur anordenbar oder/und umordenbar sind, wobei die kristallartige Struktur über die Strukturanregung beeinflussbare und/oder einstellbare Reflexions- und/oder Transmissionseigenschaften für Licht aufweist, wobei zusätzlich Lumineszenzpigmente vorgesehen sind, die bei einer Lumineszenzanregung, die über eine Einstrahlen von UV-Licht erfolgt, eine Lumineszenz zeigen, und die Lumineszenzpigmente so angeordnet sind, dass eine beobachtbare Lumineszenz von der Strukturanregung mittels des elektrischen oder/und magnetischen Felds abhängig ist. Es wird somit ein Sicherheitsmerkmal geschaffen, welches zum einen einen Photolumineszenzeffekt zeigt, der jedoch zusätzlich über eine Strukturanregung in Form eines elektrischen oder magnetischen Felds im Bereich des Sicherheitselements variiert werden kann. Dies bedeutet, dass eine beobachtbare Lumineszenz bei konstanter UV-Anregung über die Strukturanregung mit dem elektrischen oder/und dem magnetischen Feld beeinflussbar ist und somit mit der Strukturanregung variiert. Ein solches Sicherheitselement ist für Fälscher schwer nachzustellen und auch nicht sofort ersichtlich, da ein Erzeugen eines elektrischen Felds oder eines magnetischen Felds im Bereich eines Sicherheitselements nicht zu den üblichen Verifikationsmaßnahmen gehört. Darüber hinaus führt eine solche Strukturanregung nicht selbst zu einem beobachtbaren Effekt, sondern nur in Kombination mit der zusätzlichen Lumineszenzanregung in Form einer Einstrahlung von UV-Licht.
• Ein entsprechendes Verfahren zum Verifizieren eines solchen Sicherheitselements mit einem UV-anregbaren Effekt umfasst die folgenden Schritte:
1. a) Ausführen einer Lumineszenzanregung über ein Einstrahlen von UV-Licht auf das Sicherheitselement, während dieses in einem nicht strukturangeregten Zustand ist, wobei das Sicherheitselement in dem nicht strukturangeregten Zustand ist, wenn ein Bereich, in dem sich das Sicherheitselement befindet, feldfrei ist; und
2. b) Erfassen von Emissionslicht, das von dem Sicherheitselement in einem Wellenlängenbereich emittiert wird, in dem vorgegebene Lumineszenzpigmente eine Lumineszenz bei der UV-Anregung zeigen, während oder unmittelbar nach der Lumineszenzanregung; und
3. c) Ausführen einer Strukturanregung, indem ein elektrisches und/oder magnetisches Feld im Bereich des Sicherheitselements erzeugt wird, sodass das Sicherheitselement in einen strukturangeregten Zustand versetzt wird; und
4. d) erneutes oder fortdauerndes Ausführen der Lumineszenzanregung und
5. e) Erfassen von Emissionslicht, analog zu dem Verfahrensschritt b);
6. f) Auswerten und Vergleichen einer oder mehreren Eigenschaft des im nicht strukturangeregten Zustand und des im strukturangeregten Zustand erfassten Emissionslichts;
7. g) Ableiten einer Verifikationsentscheidung anhand des ausgeführten Vergleichs der einen oder der mehreren Eigenschaften; und
8. h) Ausgeben der Verifikationsentscheidung.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Lumineszenzpigmente in den Mikrokapseln selbst angeordnet werden, in denen die kolloidalen Teilchen, welches vorzugsweise Teilchen mit Durchmesser im Nanometerbereich sind, in einem Medium oder einer Substanz dispergiert sind, in der diese bei der Strukturanregung sich zu der kristallartigen Struktur anordnen oder, sofern sie in einem feldfreien Raum bereits in einer kristallartigen Struktur angeordnet sind, ihre Struktur so verändern, dass die optischen Eigenschaften der kristallartigen Struktur hinsichtlich Reflexion und/oder Transmission von Licht im Bereich mindestens einer Wellenlänge des Lumineszenzlichts verändern. Zumindest ein Teil der Lumineszenzpigmente wird somit mit in das Kritallgitter „eingebaut“. Für diese Lumineszenzpigmente ist dann in dem strukturangeregten Zustand eine Ausbreitung des Lumineszenzlichts, d.h. für zumindest einer Spektrallinie des Lumineszenzlichts, nur noch unter bestimmten Ausbreitungsrichtungen in der kristallgitterartigen Struktur, welche die Eigenschaften eines photonischen Kristalls aufweisen kann, möglich. Man erhält somit eine Winkelabhängigkeit der Lumineszenzstrahlung, die aus der kristallgitterartigen Struktur austritt. Da die Ausrichtung des Kristallgitters durch die Strukturanregung verursacht oder zumindest beeinflusst wird, findet in dem elektrischen oder magnetischen Feld zugleich eine Ausrichtung der Kristallgitter in den unterschiedlichen Mikrokapseln statt. Somit sind die Vorzugsausbreitungs- oder Durchtrittsrichtungen für das Lumineszenzlicht in allen Mikrokapseln bezüglich eines Koordinatensystems, welches quasi mit der Strukturanregung bzw. dessen Feld gekoppelt ist, gleich orientiert, sodass makroskopisch die Austrittsrichtungen aus den unterschiedlichen in den Mikrokapseln gebildeten kristallartigen Strukturen zueinander kollinear sind und so ein makroskopisch beobachtbarer Effekt in der Weise auftritt, dass die emittierte Lumineszenzstrahlung bei gleichzeitiger Lumineszenzanregung und Strukturanregung richtungsabhängig ist.
• Ein Verifikationsverfahren wird somit gemäß einer Ausführungsform so ausgeführt, dass beim Erfassen des Emissionslichts jeweils eine Intensität des Emissionslichts als die eine oder eine der mehreren Eigenschaften verwendet wird.
• Als ein weiterer Effekt, der auftritt, insbesondere wenn die kristallartige Struktur im strukturangeregten Zustand Eigenschaften eines photonischen Kristalls zeigt, sind bestimmte oder alle Lumineszenzabstrahlrichtungen aufgrund der kristallgitterartigen Struktur der kolloidalen Teilchen verboten. Bei einer Lumineszenzemission führt dies zu einer Veränderung der Lebensdauer jenes angeregten Zustands des Lumineszenzpigments, aus dem der die Lumineszenzstrahlung emittierende Übergang ausgeht. Diese Verlängerung der Lebensdauer lässt sich anhand des Abklingverhaltens der Lumineszenz ermitteln. Anschaulich ergibt sich diese Verlängerung dadurch, dass gegenüber der üblichen Lumineszenzemission, die statistisch isotrop in alle Raumrichtungen erfolgt, solche Emissionen unterbleiben, die in „verbotene“ Raumrichtungen erfolgen würden. Somit treten weniger Emissionsereignisse im zeitlichen Mittel auf. Die Lebensdauer des angeregten Zustandes ist somit länger und das Abklingverhalten zeigt eine längere Zeitkonstante.
• Bei einer Weiterbildung des Sicherheitselements ist vorgesehen, dass die Mikrokapseln in einem feldfreien Raum transparent für mindestens eine Wellenlänge des bei der Lumineszenz emittierten Lumineszenzlichts der Lumineszenzpigmente sind und in einem strukturangeregten Zustand, in dem über die Strukturanregung ein elektrisches oder/und magnetisches Feld ausgebildet sind, eine Transmission für Licht dieser mindestens einen Wellenlänge oder eine anderen Wellenlänge des bei der Lumineszenz emittierten Lumineszenzlichts zumindest eingeschränkt ist. Ursache hierfür ist die Anordnung der Kolloidalteilchen in der Kristallstruktur.
• Eine Verifikation sieht somit vor, dass beim Erfassen des Emissionslichts jeweils eine Intensität des Emissionslichts zeitaufgelöst unmittelbar nach dem Beenden der Lumineszenzanregung ermittelt wird und als die eine oder die eine der mehreren Eigenschaften des Lumineszenzlichts eine Zeitkonstante aus dem zeitlichen Abklingverhalten der Intensität des Emissionslichts abgeleitet wird und die Zeitkonstante für den Vergleich verwendet wird. Prinzipiell wäre es möglich, auch eine Verifikation auszuführen, indem nur eine zeitaufgelöste Messung im strukturangeregten Zustand ausgeführt würde und die hierbei ermittelte Zeitkonstante, welche beispielsweise die mittlere Lebensdauer oder eine Halbwertzeit des Abklingverhaltens sein könnte, mit einem Vorgabewert verglichen wird. Eine Lebensdauer eines Lumineszenzübergangs lässt sich jedoch auch über andere Effekte mit beeinflussen, sodass ein Verifikationsverfahren, welches eine Veränderung der ermittelten Lebensdauer in Abhängigkeit von der Strukturanregung als Verifikationsbedingung nutzt, überlegen ist. Darüber hinaus ist eine präzise Wellenlängenbestimmung nicht notwendig, welche ansonsten notwendig wäre, um zu verhindern, dass die Lebensdauer durch eine geschickte Mischung von unterschiedlichen Lumineszenzpigmenten erzeugt wird, welche unterschiedliche Lebensdauern haben und sich bei einer integralen Messung so überlagern würden, dass ein erwartetes Abklingverhalten der Lumineszenz erreicht würde.
• Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass in dem strukturangeregten Zustand die Lumineszenzemission eine Richtungsabhängigkeit aufweist.
• Darüber hinaus ist bei einer anderen Ausführungsform oder Weiterbildung vorgesehen, dass die Lumineszenz ein verändertes Zeitverhalten der Lumineszenzintensität bei gepulster UV-Anregung zwischen dem nicht strukturangeregten Zustand und dem strukturangeregten Zustand aufweist.
• Bei einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Lumineszenzpigmente nicht in den Mikrokapseln enthalten sind. Bei einer solchen Ausführungsform wird eine Strukturfarbe in einer ersten Schicht ausgebildet und die Lumineszenzpigmente als Bestandteile einer von der Strukturfarbe verschiedenen Lumineszenzfarbe in einer zweiten Schicht über der ersten Schicht angeordnet. Bei dieser Ausführungsform ist bei einer Ausgestaltung vorgesehen, dass die kolloidalen Teichen so ausgestaltet sind, dass diese im feldfreien Raum oder alternativ und bevorzugt im strukturangeregten Zustand eine Reflektivität oder zumindest eine erhöhte Reflektivität gegenüber dem jeweils anderen Anregungszustand für jene Wellenlänge aufweisen, mit welcher die Lumineszenzanregung ausgeführt wird. Hierfür ist eine entsprechende Größe der kolloidalen Teilchen so anzupassen, dass eine kristallgitterartige Struktur entsteht, welche im ultravioletten Wellenlängenbereich, vorzugsweise im strukturangeregten Zustand, eine Reflexion für Licht, beispielsweise bei einer Wellenlänge von 365 nm oder bei einer Wellenlänge von 254 nm aufweist, welches beides gebräuchliche Wellenlängen zur UV-Anregung sind. In einem solchen Fall gibt es zumindest für einzelne Einstrahlrichtungen eine erhöhte Reflektivität der unter der Lumineszenzfarbe angeordneten Strukturfarbe für das UV-Licht der Lumineszenzanregung. Das UV-Licht der Lumineszenzanregung, welches durch die mit der Lumineszenzfarbe gedruckten Schicht bei der Anregung hindurchtritt, wird somit an der Strukturfarbe unter ausgezeichneten Einstrahlungsrichtungen reflektiert und erneut in die Lumineszenzfarbschicht zurückgestrahlt. Hierdurch wird eine Anregungseffizienz der Lumineszenzpigmente gesteigert, sodass im strukturangeregten Zustand oder alternativ im feldfreien Zustand eine erhöhte Lumineszenzintensität gegenüber dem feldfreien oder alternativ dem strukturangeregten Zustand zu beobachten ist.
• Darüber hinaus ist eine Richtungsabhängigkeit dieser gesteigerten Lumineszenz abhängig von der Einstrahlrichtung gerichteten UV-Lichts zu beobachten. Somit sind bei einer Ausführungsform die Mikrokapseln und die darin enthaltenen kolloidalen Teilchen so beschaffen, dass diese zumindest für einige Einstrahlwinkel im nicht strukturangeregten Zustand keine oder eine geringe Reflektivität für UV-Anregungslicht der Lumineszenzanregung aufweisen, unter dem strukturangeregten Zustand für diese zumindest einigen Einstrahlwinkel eine gegenüber dem nicht strukturangeregten Zustand höhere Reflektivität für das UV-Anregungslicht der Anregungsstrahlung aufweisen.
• Eine Verifikation dieses beschriebenen Effekts erfolgt vorzugsweise mit einem Verifikationsverfahren, bei dem vorgesehen ist, beim Ausführungen der Lumineszenzanregung UV-Licht gerichtet einzustrahlen und eine Einstrahlung des UV-Lichts während des Erfassens des Emissionslichts jeweils zu variieren, sodass eine von der Anregungsrichtung abhängige Erfassung des Emissionslichts erfolgt und als eine oder mehrere Eigenschaften eine von der Einstrahlrichtung abhängige Lumineszenz verwendet wird. Beispielsweise kann bei dem Erfassen des Emissionslichts jeweils zeitaufgelöst die Lumineszenzintensität erfasst werden und jeweils den unterschiedlichen Einstrahlrichtungen zugeordnet werden. Mit der zeitaufgelösten Erfassung geht somit eine zeitlich gestaffelte Änderung der Einstrahlrichtung einher, sodass bei einer bestimmten Erfassungszeit eine bestimmte Einstrahlung zugeordnet ist.
• Bei der bisherigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, dass die Lumineszenzanregung von der Seite der Lumineszenzfarbschicht aus erfolgt, die von der Schicht abgewandt ist, auf der sich die Strukturfarbe befindet. Wird beispielsweise auf ein Substrat eines Sicherheitsdokuments zuerst die Strukturfarbe und darüber die Lumineszenzfarbe aufgedruckt, so wird eine Auflichtbetrachtung, bei der die Betrachtung und Erfassung des Emissionslichts von der Seite aus erfolgt, von der auch die Lumineszenzanregung ausgeführt wird, und der soeben beschriebene Effekt beobachtet. Ist das Substrat bzw. ein Sicherheitsdokument in dem Bereich des Sicherheitselements zumindest für das Lumineszenzlicht transparent ausgebildet, so kann ein ähnlicher Effekt auch in Transmission beobachtet werden. Hierbei ist eine entsprechend verringerte Lumineszenz unter jenen Einstrahlrichtungen zu beobachten, unter denen eine erhöhte Reflexion im strukturangeregten Zustand an der kristallgitterartigen Struktur in den Mikrokapseln stattfindet. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Mikrokapseln im feldfreien Raum für die Wellenlänge der Lumineszenzanregung transparent sind.
• Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Strukturfarbe in der ersten Schicht lateralstrukturiert ist und die Lumineszenzfarbe in der zweiten Schicht darüber flächig homogen ausgebildet ist. Bei einer solchen Ausführungsform sind sowohl in Transmission als auch in Remission positionsabhängige Lumineszenzeffekte beobachtbar. In jenen Bereichen der mit der Lumineszenzfarbe gedruckten Schicht, unter denen sich Bestandteile der Strukturfarbe befinden, wird bei der Auflichtbetrachtung unter bestimmten Einstrahlrichtungen des Lumineszenzlichts in einem der Anregungszustände, vorzugsweise im strukturangeregten Zustand, eine erhöhte Lumineszenz beobachtet. In Transmission wird entsprechend eine verringerte Lumineszenz beobachtet. Hierbei wird erneut davon ausgegangen, dass die Mikrokapseln im feldfreien Raum transparent für die Wellenlänge der bei der Lumineszenzanregung eingestrahlten UV-Licht-Wellenlänge sind. Andernfalls ist der Effekt entsprechend umgekehrt. Somit sind in der UV-Anregung jene Bereiche örtlich zu lokalisieren, an denen die Strukturfarbe unterhalb der Lumineszenzfarbe bezogen auf eine Auflichtbetrachtung unterhalb der Lumineszenzfarbe verdruckt sind.
• Erfindungsgemäß wird somit auch eine Strukturfarbe neu geschaffen, umfassend ein Medium, welches eine Vielzahl von Mikrokapseln und einen Binder umfasst, wobei die Mikrokapseln eine Substanz umfassen, in der jeweils eine Vielzahl von kolloidalen Teilchen enthalten ist, die sich in einem elektrischen Feld oder in einem magnetischen Feld innerhalb ihrer Mikrokapseln jeweils zu einer kristallartigen Struktur anordnen, wobei die kristallartige Struktur eine Transmission und/oder Reflexion von Licht zumindest einer Wellenlänge beeinflusst, wobei in der Substanz in den Mikrokapseln zusätzlich Lumineszenzpigmente enthalten sind, welche über eine Lumineszenzanregung in Form einer UV-Licht Einstrahlung zu einer Lumineszenz anregbar sind. Hierunter ist zu verstehen, dass diese UV-Anregung erfolgen kann, wenn die Lumineszenzpigmente nicht in die Mikrokapseln eingefügt sind, in den Mikrokapseln ist es nämlich, wie oben beschrieben, gegebenenfalls so, dass im angeregten Zustand keine Lumineszenz oder zumindest unter bestimmten Einstrahlrichtungen keine Lumineszenz beobachtbar ist, da eine Ausbreitung des Lumineszenzlichts durch die Kristallstruktur verhindert wird oder eine Anregung gänzlich unterbleibt.
• Eine Ausführungsform der Sicherheitselemente kann mit einem Verfahren hergestellt werden, welches die Schritte umfasst: Bereitstellen einer Substratschicht; Aufdrucken einer ersten Schicht mittels einer Strukturfarbe; Aufdrucken einer zweiten Schicht, die die erste Schicht zumindest teilweise mit einer Lumineszenzfarbe überdeckt. Hierbei wird eine Strukturfarbe verwendet, welche keine Lumineszenzpigmente enthält. Enthält die Strukturfarbe in den Mikrokapseln selbst die Lumineszenzpigmente, so kann ein entsprechendes Sicherheitselement durch ein Verdrucken dieser Strukturfarbe hergestellt werden.
• Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
• 1a - 1c schematische Darstellungen einer Mikrokapsel einer Strukturfarbe zum Erläutern eines Strukturfarbeffekts, abhängig von einer Strukturanregung;
• 2a - 2c eine schematische Darstellung von Mikrokapseln zur Erläuterung eines Strukturfarbeffekts bei einer zweiten Ausführungsform;
• 3a schematische Draufsichten auf ein Sicherheitsdokument mit einem Sicherheitselement nach einer ersten Ausgestaltung, bei dem eine Strukturfarbe verwendet ist, bei der die Mikrokapseln der Strukturfarbe Lumineszenzpigmente umfassen;
• 3b eine schematische Schnittansicht eines Sicherheitsdokuments nach 3a;
• 4a, 4b schematische Darstellungen eines Sicherheitsdokuments ähnlich zu dem nach 3a und 3b während einer Lumineszenzanregung ohne eine Strukturanregung (4a) und mit einer Strukturanregung (4b);
• 5a, 5b schematische Darstellungen zur Erläuterung eines Abklingverhaltens abhängig von einer vorliegenden Strukturanregung, wobei in 5a keine Strukturanregung und in 5b eine Strukturanregung vorliegt;
• 6a eine schematische Explosionsansicht einer anderen Ausführungsform eines Sicherheitsdokuments mit einem Sicherheitselement, bei dem eine Strukturfarbe und darüber eine Lumineszenzfarbe verdruckt sind;
• 6b eine schematische Schnittansicht durch ein solches Sicherheitsdokument;
• 6c eine weitere schematische Schnittansicht durch ein alternatives Sicherheitsdokument;
• 7a - 7c schematische Ansichten eines Sicherheitsdokuments nach 6a und 6b während einer Lumineszenzanregung in Auflicht (7a, 7b) sowie in Transmission (7b, 7c);
• 8a - 8d Erläuterungen einer winkelabhängigen Einstrahlung des UV-Lichts jeweils ohne und mit Strukturanregung für unterschiedliche Winkel (8a - 8c) sowie eine grafische Auftragung der erfassten Lumineszenzintensität an einer Position, an der eine Lumineszenzfarbe über der Strukturfarbe verdruckt ist in Abhängigkeit von der Zeit (8d), wobei die 8a bis 8d jeweils die Situation in Auflichtanregung und -betrachtung darstellen;
• 9a - 9d Darstellung der entsprechenden Situation für eine Lumineszenzanregung in Transmission;
• 10 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verifikationsverfahrens;
• 11 eine schematische Darstellung der Kristallstruktur zur Veranschaulichung einer Richtungsabhängigkeit der Transmission/Emission von Lumineszenzlicht; und
• 12 eine schematischer Darstellung zur Erläuterung der Lumineszenzerhöhung aufgrund einer im UV-Wellenlängenbereich im strukturangeregten Zustand reflektierenden Strukturfarbe.
• Anhand der 1a bis 1c und 2a bis 2c soll schematisch die Wirkungsweise von unterschiedlichen Strukturfarben exemplarisch erläutert werden, welche jeweils Mikrokapseln 10 enthalten. Gleiche technische Merkmale sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Eine Strukturfarbe enthält eine Vielzahl solcher Mikrokapseln, die für den Farbeindruck der Strukturfarbe verantwortlich sind. Die Mikrokapseln 10 weisen jeweils eine Hülle 11 auf, welche eine transparente Substanz 12 mit darin enthaltenen kolloidalen Teilchen, z.B. Nanoteilchen 13, einschließt. Die Hülle 11 ist aus einem transparenten Material gebildet. Das Substrat 12 ist ebenfalls transparent und stellt ein Fluid dar, in dem sich die Nanoteilchen 13 bei den Ausführungsformen nach 1a bis 1c, 2a bis 2c bewegen können. Die Nanoteilchen sind beispielsweise Cluster aus Eisenoxid mit einer geladenen Schicht oder auch Kunststoffnanokügelchen mit einer geladenen Beschichtung. In anderen Ausführungsformen können es auch paramagnetische oder superparamagnetische Teilchen sein. Hinsichtlich konkreter Ausgestaltungen sowohl der Hüllen, der darin enthaltenen Substanzen und der Nanoteilchen wird insbesondere auf die EP 2 463 111 A2 verwiesen. Darüber hinaus sind Strukturfarben, welche solche Mikrokapseln enthalten, auch von der Firma Nanobrick, Gyeonggi-do, Korea zu beziehen.
• Bei der Ausführungsform nach 1a bis 1c sind die kolloidalen Nanoteilchen im feldfreien Raum, der in 1a dargestellt ist, unregelmäßig angeordnet. Die Mikrokapseln 10 der kolloidalen Nanoteilchen weisen keine besondere optische Eigenschaft auf, sodass diese den Farbeindruck der Strukturfarbe, in der sie enthalten sind, nicht wesentlich prägen. Diese kann somit beispielsweise als nahezu transparent im verdruckten Zustand angesehen werden. Wird ein elektrisches Feld mit einer Feldstärke E1 angelegt, so richten sich die geladenen Nanoteilchen zueinander aus und bilden eine gitterartige Kristallstruktur 15. Dieses ist in 1b und 1c gezeigt. Da die Nanoteilchen selbst eine Ladung tragen, führt dies zu einer Abstoßung untereinander. Ein Verhältnis der elektrischen Feldstärke E1 bzw. E2 zu der eigenen Abstoßung aufgrund der Ladung bestimmt einen Gitterabstand der Nanoteilchen.
• Die so gebildete Kristallstruktur weist Eigenschaften eines photonischen Kristalls auf. In diesem ist für einige Wellenlängen eine Propagation nur entlang bestimmter Raumrichtungen möglich. Für andere Wellenlängen ist unter Umständen eine Propagation in keiner Raumrichtung möglich. Dies bedeutet, dass sämtliches Licht dieser Wellenlänge und aus allen Einfallseinrichtungen reflektiert wird. Hierdurch wird die Farbigkeit der Mikrokapsel bedingt. Im dargestellten Beispiel in 1b wird bei der Feldstärke E1 beispielsweise bei einer Beleuchtung mit weißem Licht eines Schwarzkörperstrahlers eine rote Wellenlängenkomponente reflektiert. Wird die elektrische Feldstärke gesteigert auf einen Wert E2 > E1, so wird ein Abstand zwischen den Nanoteilchen verringert, da das Verhältnis zwischen der Kraft aufgrund des äußeren elektrischen Feldes und der Abstoßungskraft zwischen den gleichgeladenen Nanoteilchen ein anderes Verhältnis erhält. Hierdurch ändert sich die Kristallstruktur, sodass jetzt beispielsweise aus dem weißen Licht eines Schwarzkörperstrahlers eine blaue Komponente reflektiert wird, sodass die Mikrokapsel für einen blauen Farbeindruck sorgt. Dieses ist in 1c dargestellt.
• In den 2a bis 2c ist eine andere Ausführung von Mikrokapseln 10 schematisch dargestellt. Diese unterscheiden sich dadurch, dass die kolloidalen Teilchen bereits im feldfreien Raum in der Mikrokapsel 10 eine Kristallstruktur 15 aufweisen, sodass aus dem weißen Licht eines Schwarzkörperstrahles eine rote Farbkomponente reflektiert wird. Wird die Feldstärke erhöht, verringert sich der Abstand zwischen den Teilchen im Kristallgitter, sodass jetzt eine grüne Farbkomponente reflektiert wird. Wird die Feldstärke weiter erhöht (2c) wird der Gitterabstand noch geringer, sodass nun erneut wieder eine blaue Farbkomponente reflektiert wird.
• In 3a ist schematisch die Draufsicht auf ein Sicherheitsdokument 100 gezeigt, auf dem ein Sicherheitselement 110 in Form einer Bedruckung mit einer hier als Lumineszenzstrukturfarbe bezeichneten Druckzubereitung aufgebracht ist. Als Lumineszenzstrukturfarbe wird eine Druckzubereitung bezeichnet, bei der Lumineszenzpigmente in den Mikrokapseln der Strukturfarbe enthalten sind. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Sicherheitselement als rechteckige Bedruckung auf einem Substrat ausgebildet. Es versteht sich, dass jede beliebige Struktur und Grafik mit der Lumineszenzstrukturfarbe gedruckt werden könnte.
• In 3b ist eine Schnittansicht des Sicherheitsdokuments 100 gezeigt. Zu erkennen ist ein Dokumentkörper, welcher aus einer oder mehreren Substratschichten 160 ausgebildet ist. Eine Oberfläche 165 einer der Substratschichten 160 ist mit einer Lumineszenz-Strukturfarbe 170 bedruckt. Dieses bildet das Sicherheitsmerkmal 110 aus. Hierüber ist noch eine Abdeckschicht 180 angeordnet, welche sowohl für Lumineszenzlicht im sichtbaren Wellenlängenbereich als auch für UV-Licht zur Anregung einer Lumineszenz transparent ist. Die Substratschichten 160 können transparent oder opak ausgebildet sein oder beispielsweise auch nur im Bereich, in dem die Oberfläche 165 mit der Lumineszenzstrukturfarbe 170 bedruckt ist, ein transparentes Fenster für die UV-Anregung und/oder das Lumineszenzlicht aufweisen.
• In 4a ist eine schematische Draufsicht auf das Sicherheitsdokument nach 3a und 3b dargestellt, während eine UV-Anregung stattfindet. Bei der Ansicht nach 4a befindet sich das Sicherheitselement 110 im feldfreien Raum. Dargestellt sind unter unterschiedlichen Winkeln zu beobachtende Abbildungen des Sicherheitsdokuments 100, welche mit Bezugszeichen 201, 202 und 203 für Betrachtungswinkel α1, α2, α3 gemessen gegen eine Oberflächennormale 190 des Dokuments 100 bezeichnet sind. Alle drei Ansichten für die unterschiedlichen Betrachtungswinkel zeigen eine identische Lumineszenz im Bereich des Sicherheitselements 110. Eine Lumineszenzintensität ist über eine Schraffur angedeutet. Je stärker die Schraffur, desto höher ist die Lumineszenzintensität. Dieser Konvention wird in allen Figuren dieser Anmeldung gefolgt. Gleiche technische Merkmale sind in allen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen.
• In 4b ist dasselbe Sicherheitsdokument bei identischer Lumineszenzanregung gezeigt. Es ist jedoch ein elektrisches Feld E_SA(λ= λ_L ) als Strukturanregung angelegt, dessen Feldstärke so bemessen ist, dass sich in der Lumineszenzstrukturfarbe aufgrund der darin enthaltenen kolloidalen Teilchen eine Kristallgitterstruktur ausbildet, welche für die Wellenlänge des Lumineszenzlichts, d.h. für mindestens eine Spektrallinie des Lumineszenzlichts, eine Einschränkung der Transmission zumindest für eine ausgezeichnete Ausbreitungsrichtung relativ zum elektrischen Feld aufweist. Es versteht sich, dass die Feldstärke angepasst an die Wellenlänge des Lichts, dessen Ausbreitung die kristallartige Struktur beeinflussen soll, und die Ausgestaltung der kolloidalen Teichen der Strukturfarbe zu wählen ist. Die elektrische Feldstärke ist bei der dargestellten Ausführungsform ohne Beschränkung der Allgemeinheit parallel zur Oberflächennormale 190 gewählt. Zu erkennen ist, dass die Ansichten 201-1 bis 201-3 im Bereich des Sicherheitselements 110 eine unterschiedlich starke Lumineszenz zeigen. Dies lässt sich dadurch erklären, dass für einzelne ausgezeichnete Richtungen eine konstruktive Interferenz der an den kolloidalen Teilchen gebeugten bzw. gestreuten Lumineszenzphotonen und für andere eine destruktive Interferenz auftritt.
• In 11 ist dieses schematisch angedeutet. Es entstehen in der Kristallstruktur 15 einzelne Ebenen 17, 18, die, sofern ein Abstand d_o, d₁ dieser Ebenen 17, 18 einer Hälfte der Wellenlänge entspricht, zu einer destruktiven Interferenz führen. Dort sind zwei beispielhafte Gitterebenen eingezeichnet, welche einen unterschiedlichen Abstand der Gitterebenen aufweisen. Ferner sind die Intensitäten I_o,o, I_o,1, I_1,o, I_1,1, ... für unterschiedliche Beugungsordnungen bezogen auf die ersten Gitterebenen und die zweiten Gitterebenen gezeigt. Der erste Index gibt den Bezug der Intensität zur Gitterebenengruppe, der zweite Index die Beugungsordnung bezogen auf die Gitterebenengruppe an. Somit kann unter ausgezeichneten Richtungen bezüglich der ersten Gitterebenen 17 und ausgezeichneten Richtungen bezüglich der zweiten Gitterebenen 18 eine Emission bzw. eine Transmission stattfinden. Die Emission der Lumineszenzpigmente 16 ist unter den verschiedenen ausgezeichneten Richtungen unterschiedlich stark. Dies ist in 4 exemplarisch angedeutet. Aus der Tatsache, dass nicht alle Emissionsrichtungen möglich sind und keine isotrope Ausbreitung des Lumineszenzlichts von Lumineszenzpigmenten stattfindet, die in die Gitterstruktur eingebunden sind, ändert sich auch die Lebensdauer für den Zustand, aus dem der strahlende Zerfall bei der Aussendung des Lumineszenzlichts erfolgt.
• In 5a und 5b ist dieses angedeutet. In 5a ist der Zustand gezeigt, bei dem eine Lumineszenzanregung 120 ohne Strukturanregung (E=0) zunächst ausgeführt wird und nach dem Abschalten der Lumineszenzanregung zeitaufgelöst ein Abklingen der Lumineszenzintensität erfasst wird. Dieses ist in einem Grafen angedeutet, in dem die Intensität gegenüber der Zeit aufgetragen ist. Aus dieser Kurve lässt sich eine Lebensdauer τ1 des angeregten Zustands ableiten. Hierzu wird die Funktion entweder auf logarithmisches Papier aufgetragen und eine Geradensteigung bestimmt oder eine Anpassung einer exponentiellen Zerfallsfunktion an die erfassten Intensitätswerte vorgenommen.
• In 5b ist derselbe Messvorgang für den Fall dargestellt, dass zusätzlich über ein elektrisches Feld E_SA(λ= λ_L ) eine Strukturanregung folgt, die zu einer Kristallgitterstrukturausbildung in den Mikrokapseln der Lumineszenzstrukturfarbe führt, welche eine Wellenlänge λ_L der Lumineszenz 130 hinsichtlich ihrer Ausbreitung durch den Kristall beeinflusst. Zu erkennen ist, dass die Lumineszenzintensität weniger schnell mit der Zeit abnimmt und somit die ermittelte Zeitkonstante τ2 größer als die Zeitkonstante τ1 ist, welche für den feldfreien Zustand ermittelt ist. Dieser Unterschied in den ermittelten Lebensdauern, welche auch mathematisch jeweils in eine Halbwertzeit der Abklingkurve überführbar sind, kann zur Verifikation herangezogen werden. Werden beispielsweise keine unterschiedlichen Lebensdauern für beide Zustände ermittelt, so ist das Dokument nicht echt.
• In 6a ist eine andere Ausführungsform eines Sicherheitsdokuments als schematische Explosionszeichnung gezeigt. Auf ein Substrat 160 oder einen Laminationskörper ist ein schematisch dargestellter Buchstabe „A“ mit einer Strukturfarbe 210 gedruckt, welche keine Fluoreszenzpigmente umfasst und so ausgebildet ist, dass sie entweder im feldfreien Zustand oder vorzugsweise im strukturangeregten Zustand eine Lichtausbreitung von Licht beeinflusst, welches zur Lumineszenzanregung verwendet wird. Vorzugsweise sind die Mikrokapseln im feldfreien Raum transparent für eine UV-Anregung der Wellenlänge von 365 nm oder 254 nm und lassen entsprechend im strukturangeregten Zustand eine Transmission von Licht im Wellenlängenbereich von 365 nm oder 254 nm nur unter bestimmten Raumrichtungen zu und zeigen somit unter anderen Raumwinkeln eine erhöhte Reflektivität. Über die mit der Strukturfarbe gedruckte erste Schicht ist eine zweite flächig geschlossene Schicht mit einer Lumineszenzfarbe 220 gedruckt, welche eine Lumineszenz bei Anregung mit UV-Licht zeigt. Die Lumineszenzfarbe ist so ausgebildet, dass diese bei Strukturanregung selbst keine Veränderung zeigt. Zum Schutz ist eine Abdeckschicht 180 vorgesehen. Zwischen der Strukturfarbe und der Lumineszenzfarbe können eine oder mehrere Substratschichten angeordnet sein.
• In 6b ist eine schematische Schnittansicht gezeigt, bei der die Lumineszenzfarbe 220 unmittelbar auf die Strukturfarbe 220 aufgedruckt ist.
• In 6c ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, bei der zwischen der Strukturfarbe 210 und der Lumineszenzfarbe 220 eine Substratschicht angeordnet ist, welche als Zwischenschicht 260 bezeichnet ist.
• Anhand von den 7a bis 7c soll exemplarisch erläutert werden, wie das Lumineszenzverhalten abhängig von der Strukturanregung variiert, und zwar sowohl bei Auflichtanregung als auch bei Transmissionsanregung. Findet die Anregung von derselben Seite wie die Betrachtung statt, und zwar durch die Lumineszenzfarbschicht hindurch, so ist bei einer Strukturanregung mit einer Feldstärke, die eine Kristallgitterstruktur ausbildet, sodass das UV-Anregungslicht zumindest unter einzelnen Einstrahlrichtungen reflektiert wird, die räumliche Struktur der Strukturfarbe darüber erkennbar, dass eine Lumineszenz an diesen Orten, wo die Strukturfarbe unterhalb der Lumineszenzfarbe ausgebildet ist, zu erkennen ist. Dies rührt daher, dass der durch die Lumineszenzfarbschicht hindurchtretende Anteil des UV-Anregungslichts zumindest teilweise an der Strukturfarbe reflektiert wird und somit eine Anregungswahrscheinlichkeit der Lumineszenzpigmente gesteigert ist. Dies setzt voraus, dass eine Intensität des UV-Anregungslichts so gewählt ist, dass eine Lumineszenz der Lumineszenzfarbschicht nicht in Sättigung ist. Dies bedeutet, dass bei einer Erhöhung der Intensität des Anregungslichts auch eine Erhöhung der beobachteten Lumineszenz eintritt.
• In 12 ist diese Situation noch einmal schematisch dargestellt. Auf eine Substratschichtoberfläche 165 einer Substratschicht 160 ist eine Strukturfarbe 210 gedruckt, die keine Lumineszenzpigmente enthält. Auf eine Oberseite 265 einer Zwischenschicht 260 ist eine Lumineszenzfarbe 220 gedruckt. Im Bereich der Strukturfarbe 200 liegt eine Strukturanregung mit einer Feldstärke E=E_SA(λ= λ_UV ) vor. Dieses bedeutet das die elektrische Feldstärke so bemessen ist, dass die kristallartige Struktur der Strukturfarbe Licht im UV-Wellenlängenbereich, der für die Lumineszenzanregung 120 verwendet wird, hinsichtlich er Transmission und Reflexion beeinflusst, vorzugsweise unter einigen oder allen Einstrahlwinkeln reflektiert. Somit ist eine Lumineszenz 130, oder besser ausgedrückt deren Intensität größer, wenn die Strukturfarbe unterhalb der Lumineszenzfarbe angeordnet ist. Die stärke der Intensität ist über die Pfeillängen der Lumineszenz 130 angedeutet.
• In 7b ist der Fall dargestellt, in dem die Strukturanregung nicht vorliegt. Sowohl in Transmission als auch in Auflichtanregung wird eine einheitliche homogene Lumineszenz für die Fläche des Sicherheitselements 110 beobachtet.
• In 7c ist der Fall dargestellt, in dem erneut die Strukturanregung vorherrscht, jedoch die Anregung in Transmission erfolgt, d.h. durch die Strukturfarbschicht hindurch in die Lumineszenzfarbschicht und eine Betrachtung von der Seite der Lumineszenzfarbschicht stattfindet. Da ein Teil des Anregungslichts an der Strukturfarbe reflektiert wird, ist eine Lumineszenzanregung in jenen Bereichen verringert, in denen sich die Strukturfarbe unterhalb der Lumineszenzfarbe befindet. Somit ist eine Lumineszenzintensität im Bereich der Strukturfarbe geringer, sodass der Buchstabe „A“ quasi invers, also mit geringerer oder keiner Lumineszenzintensität in dem Sicherheitselement zu beobachten ist.
• In 8a bis 8d ist eine Winkelabhängigkeit der UV-Anregung schematisch erläutert. In 8a bis 8c ist links jeweils die Anregungs- und Emissionserfassungsgeometrie schematisch dargestellt. Angeregt wird mit gerichtetem UV-Licht, wobei jeweils ein Winkel relativ zur Oberflächennormale 190 gemessen wird. In der Mitte ist jeweils eine ortsaufgelöste Erfassung der Lumineszenz im feldfreien Zustand und rechts eine ortsaufgelöste Lumineszenzerfassung bei vorherrschender Strukturanregung gezeigt, wobei die erzeugte Kristallstruktur die Lumineszenzanregungsstrahlung beeinflusst. Die drei Messungen bei den Winkeln α1, α2 und α3 werden zu den Zeitpunkten entsprechend t1, t2 und t3 nacheinander ausgeführt. Zu erkennen ist, dass im feldfreien Zustand keine Winkelabhängigkeit beobachtet wird. Im strukturangeregten Zustand ist jedoch bei der Betrachtung in Auflichtanregung, d.h. in Remission, zunächst eine schwache Steigerung der Lumineszenz im Bereich der verdruckten Strukturfarbe, in 8b ist keine erhöhte Lumineszenz zu beobachten und in 8c eine stark erhöhte Lumineszenz im Bereich der Strukturfarbe. In 8d ist schematisch grafisch die Intensität in einem Bit 230 oder einem Bildpunkt des Sicherheitselements, in dem die Strukturfarbe verdruckt ist, schematisch für die drei Zeitpunkte bzw. drei Winkel aufgetragen. Zu erkennen ist, dass eine winkelabhängige Lumineszenzintensität im Bereich zu erkennen ist, in dem die Strukturfarbe unter der Lumineszenzfarbe verdruckt ist.
• In 9a bis 9d ist dieselbe Situation für die Betrachtungsgeometrie dargestellt, bei der die Anregung in Transmission durch das Dokument hindurch erfolgt und eine Betrachtung von der gegenüberliegenden Seite auf die Lumineszenzfarbe erfolgt, unter der die Strukturfarbe in Teilen erneut als Buchstabe „A“ gedruckt ist. Hier ist ebenfalls die Winkelabhängigkeit zu erkennen, jedoch ist die Lumineszenz im Bereich der Strukturfarbe abgeschwächt.
• In 10 ist schematisch ein Ablaufdiagramm eines Verifikationsverfahrens 500 gezeigt. Zunächst wird ein Sicherheitsdokument mit einem Sicherheitselement bereitgestellt 510. Anschließend wird eine Feldfreiheit im Bereich des Sicherheitselements herbeigeführt 520. Anschließend findet eine Lumineszenzanregung 530 statt. Während oder anschließend an die UV-Anregung findet eine Emissionslichterfassung 540 statt. Während der Lumineszenzanregung kann beispielsweise eine ortsaufgelöste Lumineszenzerfassung 541 erfolgen oder auch eine anregungswinkelabhängige Lumineszenzerfassung 542 oder im Anschluss an die Lumineszenzanregung eine zeitaufgelöste Emissionsintensitätserfassung 543. Anschließend wird eine Strukturanregung ausgeführt, beispielsweise durch Erzeugen eines elektrischen Felds im Bereich des Sicherheitselements oder auch eine magnetischen Felds, sodass eine Strukturanregung der Strukturfarbe bzw. der Lumineszenzstrukturfarbe stattfindet. Erneut findet eine UV-Anregung 630 und eine entsprechende Emissionslichterfassung 640 statt. Diese kann eine ortsaufgelöste Emissionslichterfassung 641 und/oder eine anregungswinkelabhängige Emissionslichtintensitätserfassung 642 und/oder eine nachfolgend an die UV-Anregung 630 ausgeführte zeitaufgelöste Emissionslichterfassung 643 umfassen. Aus den in den Verfahrensschritten 540 und 640 erfassten Emissionslichtintensitäten werden Eigenschaften abgeleitet 710, beispielsweise eine Lumineszenzlichtintensität oder eine Zeitkonstante des Abklingverhaltens, und anschließend ein Vergleich 720 ausgeführt. Anhand des Vergleichs wird eine Verifikationsentscheidung abgeleitet 730, beispielsweise kann ein Dokument als echt verifiziert werden, wenn ein Unterschied der Lumineszenzzeitkonstante zwischen dem feldfreien und strukturangeregten Zustand ermittelt wird. Als nicht echt wird ein Sicherheitsdokument verifiziert, wenn keine Änderung der Zeitkonstante zwischen dem nicht strukturangeregten und dem strukturangeregten Zustand ermittelt ist. Abschließend wird die Verifikationsentscheidung ausgegeben 740.
• Um bei der Verifikation im Bereich des Sicherheitselements eine zuverlässige Strukturanregung auf einfache Weise ausführen zu können, können an diametral gegenüberliegenden Seiten des Sicherheitselements beispielsweise Elektroden ausgebildet sein oder werden. Beispielsweise können transparente Elektroden aus Zinksulfid (ZnS) hergestellt werden. Auch Gitter aus leitfähigen Materialien, beispielsweise Metallen, weisen bei geeigneter Ausgestaltung keine hohe Transparenz auf. Um eine Anregung mit einem magnetischen Feld ausführen zu können, kann eine Spule um das Sicherheitselement ausgebildet werden. Beispielsweise kann eine spiralförmige leitfähige Struktur auf eine Substratschicht aufgebracht, z.B. gedruckt, werden. In beiden Fällen können Anschlusskontakte an eine Dokumentoberfläche geführt sein, um eine Spannung an die Elektroden anzulegen oder einen Strom in die Spule einzuspeisen.
• Es versteht sich, dass hier lediglich beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind. Die in den unterschiedlichen Ausführungsformen beschriebenen Merkmale können in beliebiger Kombination zur Verwirklichung der Erfindung kombiniert werden.
• Bezugszeichenliste

10

Mikrokapsel

11

Hülle

12

Substanz

13

kolloidale Teilchen

15

Gitterstruktur

16

Lumineszenzpigment

100

Sicherheitsdokument

110

Sicherheitselement

120

Lumineszenzanregung

130

Lumineszenz

150

Dokumentkörper

160

Substratschichten

165

Oberfläche

170

Lumineszenz-Strukturfarbe

180

Abdeckschicht

190

Oberflächennormale

201, 202, 203

Betrachtungswinkel α1, α2, α3

201-1 - 201-3

Ansichten

210

Strukturfarbe (ohne Lumineszenzpigmente)

220

Lumineszenzfarbe (ohne kolloidale dispergierte Nanoteilchen)

230

Bit

260

Zwischenschicht

265

Oberseite

500-740

Verfahrensschritte

R

Betrachtung in Reflexion/Auflicht

T

Betrachtung in Transmission/Durchlicht

E_SA(λ= λ_L| λ_UV)

(elektrische) Feldstärke der Strukturanregung, welche zu einer Kristallstruktur führt, die Licht der Wellenlänge λ_L oder λ_UV beeinflusst

λ_L

Wellelänge des Lumineszenzlichts

λ_UV

Wellelänge des Lumineszenzanregungslichts

Claims (11)

1. Sicherheitselement (110) mit einem UV-anregbaren Effekt umfassend eine Strukturfarbe, welche Mikrokapseln (10) umfasst, in welchen kolloidale Teilchen (13) enthalten sind, die mittels einer Strukturanregung, welche ein Ausbilden eines elektrischen oder/und magnetischen Felds umfasst, zueinander in einer kristallartigen Struktur anordenbar oder/und umordenbar sind, wobei die kristallartige Struktur (15) über die Strukturanregung beeinflussbare und/oder einstellbare Reflexions- und/oder Transmissionseigenschaften für Licht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Lumineszenzpigmente vorgesehen sind, die bei einer Lumineszenzanregung, die über ein Einstrahlen von UV-Licht erfolgt, eine Lumineszenz zeigen, und die Lumineszenzpigmente so angeordnet sind, dass zumindest ein Teil der Lumineszenzpigmente mit in die kristallartige Struktur (15) eingebaut ist und eine beobachtbare Lumineszenz (130) von der Strukturanregung mittels des elektrischen oder/und magnetischen Felds abhängig ist.
2. Sicherheitselement (110) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lumineszenzpigmente in den Mikrokapseln (10) angeordnet sind.
3. Sicherheitselement (110) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokapseln (10) in einem feldfreien Raum transparent für mindestens eine Wellenlänge des bei der Lumineszenz (130) emittierten Lumineszenzlichts der Lumineszenzpigmente sind und in einem strukturangeregten Zustand, in dem über die Strukturanregung ein elektrisches oder/und magnetisches Feld ausgebildet ist, eine Transmission für Licht dieser mindestens einen Wellenlänge oder einer anderen Wellenlänge des bei der Lumineszenz (130) emittierten Lumineszenzlichts aufgrund der Anordnung der kolloidalen Teilchen (13) in der kristallartigen Struktur (15) zumindest eingeschränkt ist.
4. Sicherheitselement (110), nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem strukturangeregten Zustand die Lumineszenzemission eine Richtungsabhängigkeit aufweist.
5. Sicherheitselement (110) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lumineszenz ein verändertes Zeitverhalten der Lumineszenzintensität bei gepulster UV-Anregung zwischen dem nicht strukturangeregten Zustand und dem strukturangeregten Zustand aufweist.
6. Verfahren zu zum Verifizieren eines Sicherheitselements (110) in einem Sicherheitsdokument (100), a) Ausführen einer Lumineszenzanregung (120) über ein Einstrahlen von UV-Licht auf das Sicherheitselement (110), während dieses in einem nicht strukturangeregten Zustand ist, wobei das Sicherheitselement (110) in dem nicht strukturangeregten Zustand ist, wenn ein Bereich, in dem sich das Sicherheitselement (110) befindet, feldfrei ist, und b) Erfassen von Emissionslicht, das von dem Sicherheitselement (110) in einem Wellenlängenbereich emittiert wird, in dem vorgegebene Lumineszenzpigmente (16) eine Lumineszenz (130) bei der UV-Anregung zeigen, während oder unmittelbar nach der Lumineszenzanregung (120); und c) Ausführen einer Strukturanregung, indem ein elektrisches und/oder magnetisches Feld im Bereich des Sicherheitselements (110) erzeugt wird, sodass das Sicherheitselement (110) in einen strukturangeregten Zustand versetzt wird, und d) erneutes oder fortdauerndes Ausführen der Lumineszenzanregung; und e) Erfassen von Emissionslicht, analog zu dem Verfahrensschritt b); f) Auswerten und Vergleichen einer oder mehreren Eigenschaft des im nicht strukturangeregten Zustand und des im strukturangeregten Zustand erfassten Emissionslichts, wobei als die eine Eigenschaft oder als eine der mehreren Eigenschaften ausgewertet wird, ob für zumindest eine Spektrallinie des Lumineszenzlichts nur noch bestimmte Ausbreitungsrichtungen in der kristallartigen Struktur auftreten, wie diese der Fall ist, wenn zumindest ein Teil der Lumineszenzpigmente in eine durch Anordnung von kolloidalen Teilchen (13) des Sicherheitselements (110) zumindest bei der Strukturanregung gebildete kristallartige Struktur (15) eingebaut ist; g) Ableiten einer Verifikationsentscheidung anhand des ausgeführten Vergleichs der einen oder der mehreren Eigenschaften; h) Ausgeben der Verifikationsentscheidung.
7. Verifikationsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erfassen des Emissionslichts jeweils eine Intensität des Emissionslichts zeitaufgelöstes unmittelbar nach dem Beenden der Lumineszenzanregung (120) ermittelt wird und als die eine oder die eine der mehreren Eigenschaften des Emissionslichts eine Zeitkonstante (τ₁, τ₂) aus einem zeitlichen Abklingverhalten der Intensität des Emissionslichts abgeleitet wird und diese Zeitkonstante für den Vergleich verwendet wird.
8. Verifikationsverfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erfassen des Emissionslichts jeweils die Intensität des Emissionslichts richtungsabhängig erfasst wird und die Richtungsabhängigkeit des Emissionslichts als die eine oder eine der mehreren Eigenschaften verwendet wird.
9. Verifikationsverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausführen der Lumineszenzanregung UV-Licht gerichtet eingestrahlt wird und eine Einstrahlrichtung des UV-Lichts während des Erfassens des Emissionslichts jeweils variiert wird, so dass eine von der Anregungsrichtung abhängige Erfassung des Emissionslichts erfolgt und als die eine oder eine der mehreren Eigenschaften eine von der Einstrahlrichtung abhängige Lumineszenzintensität verwendet wird.
10. Strukturfarbe umfassend ein Medium, welche eine Vielzahl von Mikrokapseln (10) und einen Binder umfasst, wobei die Mikrokapseln (10) eine Substanz umfassen, in der jeweils eine Vielzahl von kolloidalen Teilchen (13) enthalten ist, die sich in einem elektrischen Feld oder in einem magnetischen Feld innerhalb ihrer Mikrokapsel jeweils zu einer kristallartigen Struktur (15) anordnen, wobei die kristallartigen Struktur (15) eine Transmission und/oder Reflexion von Licht zumindest einer Wellenlänge beeinflusst, dadurch gekennzeichnet, dass in der Substanz in den Mikrokapseln (10) zusätzlich Lumineszenzpigmente enthalten sind, welche über eine Lumineszenzanregung in Form einer UV-Licht Einstrahlung zu einer Lumineszenz anregbar sind und so angeordnet sind, dass zumindest ein Teil der Lumineszenzpigmente mit in die durch Anordnung der kolloidalen Teilchen (13) gebildete kristallartige Struktur (15) eingebaut ist.
11. Strukturfarbe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturfarbe eine von der Einwirkung des elektrischen Felds und/oder des magnetischen Felds abhängige Lumineszenzlebensdauer aufweist.

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