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KR101300030B1 - 인쇄가능한 프레스넬 구조를 포함하는 성형된 자기장에인쇄된 동적 외관 변화 광학 장치 - Google Patents

인쇄가능한 프레스넬 구조를 포함하는 성형된 자기장에인쇄된 동적 외관 변화 광학 장치 Download PDF

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KR101300030B1
KR101300030B1 KR1020060030643A KR20060030643A KR101300030B1 KR 101300030 B1 KR101300030 B1 KR 101300030B1 KR 1020060030643 A KR1020060030643 A KR 1020060030643A KR 20060030643 A KR20060030643 A KR 20060030643A KR 101300030 B1 KR101300030 B1 KR 101300030B1
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KR20060107325A (ko
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블라디미르 피. 라크샤
폴 쥐. 쿰브스
챨스 티. 마르칸테스
알베르토 아르고이티아
로져 더블유. 필립스
Original Assignee
제이디에스 유니페이즈 코포레이션
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Publication date
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Abstract

인쇄된 이미지가 개시되는데, 이미지는 형상 및 사이즈에 있어서 균일할 수 있는 자기적으로 정렬 가능한 박편들 또는 작은 판들의 어레이의 형태일 수 있으며, 박편들은 보안 장치로서 유용하거나 빔 조향 응용예들에 있어서 유용한 광학적 가상 이미지를 형성하는 특정한 방식으로 정렬된다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 인쇄된 어레이는 프레스넬 구조, 바람직하게는 프레스넬 반사체 형태로 기판 상에 배치된 자기적으로 정렬가능한 작은 판들의 복수개의 동심 고리들을 개시한다. 자기장이 강도 및 방향의 면에 있어서 제어가능하기 때문에, 통상적인 프레스넬 반사체에 있어서 존재할 구면 수차를 수정할 장을 용이하게 디자인할 수 있다. 본 발명의 다른 구현예들에 있어서 깔때기, 돔 및 원뿔의 광학적 가상 이미지들이 인쇄된다.

Description

인쇄가능한 프레스넬 구조를 포함하는 성형된 자기장에 인쇄된 동적 외관 변화 광학 장치{Dynamic appearance-changing optical devices (DACOD) printed in a shaped magnetic field including printable fresnel structures}
도 1a는 출원인의 미국 특허출원 US2005/0106367 A1에 설명되고 도시된, "플립플롭(flip-flop)"이라고 언급될 인쇄된 이미지의 단순화된 단면도이다.
도 1b는 출원인의 미국 특허출원 US2005/0106367 A1에서 설명되고 도시된, 서류 상에 인쇄된 이미지의 선택된 제1관찰각에서의 단순화된 평면도이다.
도 1c는 출원인의 미국 특허출원 US2005/0106367 A1에서 설명되고 도시된, 관찰 지점에 대해 상대적으로 이미지를 기울임으로써 얻어진, 서류 상에 인쇄된 이미지의 선택된 제2관찰각에서의 단순화된 평면도이다.
도 2a는 출원인의 미국 특허출원 US2005/0106367 A1에 설명되고 도시된, 설명을 위하여 "롤링 바(rolling bar)"라고 언급될 인쇄된 이미지의 단순화된 단면도이다.
도 2b는 출원인의 미국 특허출원 US2005/0106367 A1에서 설명되고 도시된, 서류 상에 인쇄된 롤링 바의 선택된 제1관찰각에서의 단순화된 평면도이다.
도 2c는 출원인의 미국 특허출원 US2005/0106367 A1에 설명되고 도시된, 설명을 위하여 "이중 롤링 바(double rolling bar)"라고 언급될 인쇄된 이미지의 단 순화된 단면도이다.
도 2d는 도 2c에 도시된 이미지의 평면도이다.
도 3은 도 4에 도시된 스타 버스트(star burst) 이미지에 대응하는 인쇄된 건조 잉크 층에서 자기적으로 정렬된 작은 판(platelet)들의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 스타 버스트 패턴의 이미지의 평면도이다.
도 5a 및 5b는 자기적으로 정렬된 작은 판들을 구비한 원뿔 이미지의 사진들이다.
도 6은 원뿔 형상 자기장 내에 정렬된 작은 판들을 도시하는 원뿔 형상 자기장의 단면도이다.
도 7은 이미지 평면에 수직인 각도에서 상부에서 직접 관찰될 때의 원뿔의 이미지 사진이다.
도 7a 및 7b는 다른 각도들에서 관찰될 때의 원뿔의 이미지 사진들이다.
도 8은 본 발명의 다른 구현예의 단면도로서, 상이한 반경을 가진 두 개의 고리 형상 자석들이 겹쳐 쌓여 인쇄된 이미지에서 매우 놀라운 효과를 갖는 신규의 자기장을 생성한다.
도 9는 도 8에 도시된 것과 같은 자석 배열로 생성된 이미지의 사진이다.
도 10a, 10b, 10c, 11, 12 및 13a는 토러스(torus) 형상 자기장을 이용하여 정렬된 작은 자성 판(magnetic platelet)들을 갖는, 다양한 상이한 패턴으로 적용된 자성 입자들을 함유하는 잉크의 이미지들이다.
도 13b는 본 발명에 따른 광학적 가상 이미지의 사진이다.
도 14는 도 7a에 도시된 원뿔 이미지에서의 박편 정렬을 도시하는 도면으로, 더 크고 더 적은 대칭적인 박편들이 도시를 위하여 사용되었으며, 특정 박편들의 측면을 나타내기 위하여 몇몇 박편들은 생략되었다.
도 15는 도 14와 유사한 도면으로, 사시도법으로 도시된 도면이다.
도 16은 도 15와 유사한 도면으로, 인가된 원뿔 형상 자기장선을 따라 잉크 층에 분산된 비구조화된 작은 자성 판들의 축 중심(axial-centric) 정렬을 도시한다.
도 17은 비히클 또는 잉크 박층(thin layer)의 캐리어에 분산된, 자성 입자들의 원뿔 형상 정렬을 도시하는 도면으로, 입자 표면들에 수직인 각도들이 이미지 상부의 가장 고리로 나타나는 곡선을 따라 수렴하는 것을 보여준다.
도 18a 및 18b는 반사 고리를 나타내는 원뿔 형상 정렬을 가진 인쇄물 사진들이다.
도 19는 원뿔 형상 자석이 기판 상부에 배치되었을 시의, 원뿔 형상 자기장에서의 자성 입자들의 원뿔 형상 정렬을 도시하는 도면이다.
도 20은 깔때기 형상 자석이 기판 하측에 배치되었을 시의, 원뿔 형상 자기장에서의 자성 입자들의 원뿔 형상 정렬을 도시하는 도면이다.
도 20a는 본 발명에 따른 깔때기 형상 물체의 이미지 사진이다.
도 20b는 비히클 내 분산된 작은 자성 판들의 깔때기 형상 정렬의 부분 단면도로서, 입자에 수직인 면들이 도시된, 잉크 박층을 구비한다.
도 20c는 공 형상 자석이 기판 하측에 위치했을 시의 깔때기 형상 자기장 내 의 자성 입자들의 깔때기 형상 정렬의 단면도이다.
도 21a 및 21b는 도 20에 도시된 입자 정렬에 따른 이미지의 사진들이다.
도 22는 축 대칭 원뿔 형상 자기장에서의 회절성 자성 입자들의 정렬의 부분 분해 사시도이다.
도 23 및 24는 회절성 자성 입자들을 함유하며 관찰자 방향으로기울어진 축 대칭 인쇄물의 사진들이다.
도 25는 자기장 내에 배치된 회절성 박편의 방향성을 도시하는 도면으로, 박편의 그루브(groove)들이 자기장선으로 정렬되는 것으로 도시되어 있다.
도 26은 인쇄된 볼록 프레스넬 거울을 형성하는, 잉크의 박층에 분산된 자성 입자들의 축 대칭 반구 형상 정렬을 도시하는 단면이다.
도 27은 도 26에 도시된 프레스넬 거울의 단면도로서, 박편들에 수직인 선들이 한 지점 방향의 직선을 따라 수렴하는 것이 도시되어 있다.
도 28a 및 28b는 반구형 볼록 거울의 사진들이다.
도 29는 인쇄된 보정되지 않은 볼록 프레스넬 반사체를 형성하는 인가된 반구 형상 자기장선을 따라 잉크 층에서 분산된, 자성 입자들의 축 대칭 정렬을 도시하는 도면이다.
도 30은 잉크 층 내에 분산된 회절성 입자들의 정렬을 도시하는 도면이다.
도 31은 흑색의 배경 상에 희석된 잉크로 만들어진 인쇄된 볼록 프레스넬 거울 사진이다.
도 32는 기판 상에 인쇄된 잉크 박층에 분산된 자성 입자들의 축 대칭 반구 형상 정렬을 도시하는 도면이다.
도 33은 잉크 비히클 박층(332)에 분산된, 그루브들 형태로 격자를 갖는 회절성 자성 입자들(333)의 오목 형상 정렬을 입자 표면들에 수직인 직선들(334)과 함께 도시하는 도면이다.
도 34a, 34b 및 34c는 반구 형상 정렬을 가진 인쇄물들의 사진들이다.
도 35는 많은 면에서 도 29와 유사한, 잉크 층 내에 분산된 회절성 자성 입자들의 축 대칭 오목 형상 정렬을 도시하는 도면이다.
도 36은 잉크 층 내에 분산된 입자들의 단일 방사 상 선(radial line)에서의 회절 입자들의 위치 및 정렬을 도시하는 도면이다.
도 37a는 도 37c에 도시된 것과 같은 돔(dome) 형상의 자기장을 제공하기 위한 도 37c에 도시된 자성 구성을 형성하는 자석을 도시하는 사시도이다.
도 37b는 수직 축을 중심으로 회전할 때의 도 37a에 도시된 자석을 도시하는 사시도이다. 반구형 장(field)가 어떻게 형성되는가를 이해하기 위한 목적으로, 자석이 그 회전 시의 두 시점에서 도시되어 있다.
도 37c는 자석이 수직 축을 중심으로 한 번의 회전을 마친 후 그 회전의 세 각도들에서의 동일한 자석을 도시하는 사시도이다.
도 37d는 도 37c의 자성 배열의 사시도로서, 박편화된 잉크(flaked ink)가 도포된 시트(sheet)가 돔 형상의 장에 배치되어 있으며, 이후의 두 도면에서의 화살표로 표시된 것과 같이 시트와 장은 상대적으로 회전한다.
도 37e는 도 37d와 유사한 사시도로서, 시트는 돔 형상 장의 상부에 인접하 여 배치되어 있으며 잉크에 형성된 반구형 이미지는 도 37d에서보다 크기가 작을 것이다.
도 37f 및 37g는 도 37e의 자석들을 이용하여 만들어진 구르는(rolling) 3차원 반구의 이미지들로서, 이미지가 한 위치에서 다른 위치로 기울어짐에 따라 상이한 위치들에서 도시되어 있다.
도 37h는 실드(shield) 이미지 내에 배치된 돔 형상의 박편들을 갖는 반구의 인쇄된 이미지이다.
도 37i는 실드의 인쇄된 이미지로서, 그 축을 따라 형성된 구르는 바(bar)를 갖는 실드의 인쇄된 이미지이다.
도 37j는 도 37h와 37i에 형성된 이미지들의 결합 이미지로서, 잉크 및 자기장들이 스테이지에서 인가되어 도 37i가 도 37h 상에 적용되어 있으며, 중심 영역은 구르는 반구를 형성할 때 한 번만 코팅되어 있는, 결합 이미지이다.
도 38a는 도 39c의 이미지를 형성하기 위하여 사용된 용기(bowl) 형상 장의 단면도이다.
도 38b는 도 38a에 도시된 자기장에서 정렬된 캐리어 내 안료 박편들의 단면도이다.
도 38c는 도 38a에 도시된 장에서의 자성 박편들로 형성된, 페이지 내로 가라앉는 구르는 용기로 나타나는 뒤집힌 반구의 이미지이다.
도 39는 하나의 미세구조 자성 안료 입자의 사시도이다.
도 40은 하나의 미세구조 자성 안료 입자의 단면도이다.
도 41은 MgF2/Al/Ni/Al/MgF2의 다층 자성 미세구조 안료의 구조의 개략도이다.
도 42a 및 42b는 그루브(groove)들을 가로지르는 측정 방향들에서의 저 변조(low-modulated) 저 빈도 직사각형 격자의 다각(multi-angle) 색 움직임(color travel)을 도시하는 그래프(1)와, 그루브(groove)들을 가로지르는 측정 방향들에서의 고 빈도 사인형상(sinusoidal) 격자의 다각 색 움직임을 도시하는 그래프(2)이다.
도 43은 저 변조(80nm) 저 빈도(140 lines/mm) 직사각형 격자의 상부에 증착된 MgF2/Al/Ni/Al/MgF2 광학 스택의 분광 반사율(spectral reflectance)을 도시한다.
도 44는 고 빈도(140 lines/mm)의 상부에 증착된 MgF2/Al/Ni/Al/MgF2 광학 스택의 분광 반사율을 도시한다.
본 발명은 일반적으로 광학적 가변성 안료, 필름, 장치 및 이미지에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 페인팅 또는 프린팅과 같은 공정 중 자성 박편(magnetic flake)을 정렬하거나 일정한 방향으로 향하게 하여 가상의(illusive) 광학 효과를 얻는 것에 관한 것이다.
광학적 가변 장치는 다양한 응용예들에서 장식적 및 실용적 목적으로 사용되는데, 예컨대 그러한 장치는 상업 제품 상의 보안 장치로서 사용된다. 광학적 가변 장치는 다양한 효과를 달성하기 위하여 다양한 방법으로 제작될 수 있다. 광학적 가변 장치의 예는 신용카드 및 정품 소프트웨어 서류 상에 압인된 홀로그램과, 은행권에 인쇄된 변색(color-shifting) 이미지와, 모터사이클 헬멧 및 휠 커버와 같은 물건의 표면 외관 향상 등을 포함한다.
광학적 가변 장치는 물체 상에 프레싱되거나 스탬핑되거나 풀로 붙여지거나 다른 방법으로 부착되는 필름 또는 박(箔)으로 만들어질 수 있다. 광학적 가변 안료의 일 유형은 통상적으로 변색 안료라고 불리는데, 그러한 안료로 적절하게 인쇄된 이미지의 외관 색상이 관찰각 또는 조명각이 달라짐에 따라 변하기 때문이다. 널리 알려져 있는 예는 미국 20달러 지폐의 우측 하단 구석에 변색 안료로 인쇄된 "20"인데, 이는 위조방지 장치의 기능을 한다.
몇몇 위조방지 장치들은 은밀하게 되어 있으며, 어떤 위조방지 장치들은 관찰되도록 되어 있다. 그러나 관찰되도록 의도된 몇몇 광학적 가변 장치는 널리 알려져 있지 않은데, 그 장치의 광학적 가변 특성이 충분히 인상적이지 않기 때문이다. 예컨대 변색 안료로 인쇄된 이미지의 변색은 균일한 형광 천정등(fluorescent ceiling light) 하에서는 관찰되지 않을 수 있으나, 직사광선 또는 단일 지점 조명(single point illumination) 하에서는 더욱 잘 관찰될 수 있다. 이는 위조자들이 광학적 가변 특성 없이도 위조 지폐를 통과시키는 것을 용이하게 할 수 있는데, 수령인이 광학적 가변 특성을 인지하지 못할 수도 있고 위조 지폐가 특정 조건 하 에서는 진정한 지폐와 실질적으로 유사하게 보일 수도 있기 때문이다.
광학적 가변 장치는 또한 자성 안료(magnetic pigment)로 만들어질 수 있는데, (통상적으로 잉크 비히클 또는 페인트 비히클과 같은 운반체 내의) 자성 안료를 표면 상에 도포한 후 자기장으로 안료를 배열시킴으로써 만들어질 수 있다.그러나 자성 안료로 페인팅하는 것은 대부분 장식적 목적으로 사용되어 왔다. 예컨대 자성 안료의 이용은 3차원 형상으로 나타나는 장식적 특성을 갖는 페인팅된 커버 휠을 제조하기 위하여 설명되어 왔다. 페인트 매체(paint medium)가 여전히 액체 상태인 동안 자기장을 제품에 인가함으로써 페인팅된 제품 상에 패턴이 형성된다. 페인트 매체는 자기장 선을 따라 정렬되는, 분산된 비구형 자성 입자들을 갖는다. 장(field)은 두 영역을 갖는다. 첫 번째 영역은 표면에 평행하도록 향해지며 소망된 패턴 형상으로 정렬된 자기력선을 포함한다. 두 번째 영역은 페인팅된 제품의 표면에 평행하지 않으며 그 패턴 주위에 정렬된 자기력선을 포함한다. 패턴을 형성하기 위하여, 소망된 패턴 형상에 대응하는 형상을 갖는 영구자석 또는 전자석을 페인팅된 제품의 아래에 배치하여 페인트가 여전히 젖은 상태일 때 페인트에 분산된 비구면 자성 입자들을 자기장 내에서 일정한 방향으로 향하게 한다. 페인트가 건조되면, 페인트 층 상에 입사하는 광선이 일정한 방향으로 향해진 자성 입자들에 의해 상이하게 영향을 받음에 따라 페인팅된 제품의 표면 상에 패턴이 관찰된다.
유사하게, 플루오로폴리머 매트릭스(fluoropolymer matrix) 내에 박편화된 자성 입자들의 패턴을 만드는 프로세스가 알려져 왔다. 액체 형태의 조성물로 제품을 코팅한 후, 소망된 형상을 가진 자기장의 자석을 기판 하측에 배치한다. 액체 유기 매체에 분산된 자성 박편들은 본래의 평면 방향으로부터 기울어져 스스로를 자기장선에 평행하도록 향하게 한다. 이 기울임은 기판의 표면에 대해 수직인 방향으로부터 본래의 방향으로 변하는데, 이는 제품의 표면에 실질적으로 평행한 박편들을 포함한다. 평평한 방향으로 향해진 박편들은 입사광을 관찰자에게 반사시키지만 재배열된 박편들은 그러하지 않음으로써, 코팅에서 3차원 패턴의 외관을 제공한다.
본 발명은 지금까지 알려지지 않은 특유한 자기장의 존재 하에서 자기적으로 정렬가능한 박편을 이용함으로써, 반구 및 콘 등과 같은 3차원 물체가 보안 장치 및 라벨 등의 이미지를 형성하는, 광학적 가변 이미지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 가상의 광학 효과를 갖는 이미지에 관련된 장치, 방법 및 물건(article)을 제공한다.
본 발명에 따르면, 고리 또는 곡선을 정의하도록 제1패턴으로 기판 상에 배치된 자기적으로 정렬 가능한 복수개의 제1박편들을 갖는 이미지를 구비하는 보안 장치가 제공된다. 바람직하게는, 적어도 n 개의 박편들(n > 1000)이 제공되며, 박편들의 표면들로부터 연장된 평면들은 상호 교차한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 자기적으로 정렬 가능한 복수개의 제1박편들은 복수개의 박편들의 동심원들을 정의하며, 박편들의 원들은 원과 같은 영역 상에 위 치하는데, 원들을 정의하는 박편들은 최외측(outermost) 원으로부터 최내측(innermost) 원으로 기판에 대하여 증가하거나 감소하는 각도를 형성한다.
본 발명의 일 특징에서 장치는 제1패턴에 대응하는 패턴으로 기판 상에 배치된 자기적으로 정렬 가능한 복수개의 제2박편들을 포함할 수 있는데, 박편들은 기판에 대하여 동일한 제2각도로 기울어지고, 복수개의 제2박편들의 표면들을 따라 연장된 평면들은 상호 교차한다.
자기적으로 정렬 가능한 복수개의 박편들은 전(全) 폐영역을 통해 실질적으로 분포되고 소정의 패턴으로 방향이 정렬될 수 있는데, 적어도 50 % 이상의 박편들은 일정한 방향으로 향해져서 그것들의 반사면들에 수직한 선들이 어떤 선을 따라 또는 어떤 지점을 향해 수렴한다.
바람직한 구현예에서 이미지는 적어도 10000 개의 박편들 또는 그 이상의 박편들을 구비한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 기판을 구비하는 광학적 가상의 이미지가 제공되는데, 그 기판은 그 표면을 코팅하는 박편들의 영역을 가지며, 박편들은 실질적으로 전 영역을 통해 분포되고 소정의 패턴으로 일정한 방향으로 향해지며, 박편들은 일정한 방향으로 향해져서 그것들의 반사면들에 수직한 선들이 어떤 선을 따라 또는 어떤 지점을 향해 수렴한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 전 영역을 덮고 전 영역에 걸쳐 분포하며 소정 패턴으로 방향이 일정하게 향해진 박편들을 갖는 광학적 가상의 이미지를 구비하는 보안 장치 또는 라벨이 제공되는데, 박편들은 반사면들을 가지며, 소정의 패 턴을 형성하는 박편들의 일정한 방향은 박편들의 반사면들에 수직한 선들이 어떤 선을 따라 또는 어떤 지점으로 수렴하고, 소정 패턴은 회전축을 갖는다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 프레스넬 구조(Fresnel structure), 바람직하게는 프레스넬 반사체(Fresnel reflector)의 형태로 기판 상에 배치된 자기적으로 정렬된 작은 판(platelet)들의 복수개의 동심원들을 구비하는 인쇄된 어레이를 제공한다. 자기장을 세기 및 방향에 관하여 제어할 수 있기 때문에, 통상적인 프레스넬 반사체에서 존재할 수 있는 구면수차(spherical aberration)를 보정하는 장을 용이하게 디자인할 수 있다.
본 발명의 특징에 따르면, 이미지는 수용 또는 반사 안테나의 부분을 형성하며 박편들은 선택적으로 각각 흡수하거나 반사한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 하기와 같은 구현예들에서 설명된 것과 같은 광학 이미지는 격자를 가지고/가지거나 박편들은 100 ㎛2 내지 1 ㎜2의 표면적을 갖는데, 박편들의 두께는 100 ㎚ 내지 100 ㎛의 범위 내이다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 적어도 몇몇 박편들은 내부 또는 표면 상에 격자를 갖는데, 격자의 깊이 및 빈도(frequency)는 충분히 작아서 사람의 나안(裸眼)으로 관찰될 수 있는 회절 효과를 갖지 않으며, 격자들을 갖는 박편들은 각각의 격자의 선을 따라 정렬된다. 몇몇 구현예들에서 몇몇 박편들은 내부 또는 표면 상에 격자를 갖는데, 격자들의 빈도는 200 ln/mm 이하이고 격자의 깊이는 100 ㎛ 이하이다.
박편들은 형상에 있어서 균일할 수 있으며, 바람직하게는 더 큰 충전 밀도(packing density)를 가능하게 하는 육각 형상일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서는 광 검출기를 형성하는 이미지를 제공하는데, 이미지는 동적이어서, 그 이미지를 조명하는 분리된 광원들의 개수에 대응하는 개수의 고리들을 표시한다.
본 발명 및 그 변형예들은 보안과 패키징과 라벨 응용예들에 유용한, 신규하며 창의적인 자성 구조들을 제공한다. 통상적으로, 액상 페인트 또는 잉크 비히클 내에 분산된 광학적 가변 안료의 입자들은 표면 상에 인쇄되거나 페인팅될 경우 그 표면에 평행하게 일정한 방향으로 향해진다. 표면에 평행한 배열은 코팅된 표면으로부터 입사광의 높은 반사율을 제공한다. 자기장을 인가함으로써, 액상 매체 내에 있는 동안 자성 박편들은 기판에 대하여 상대적으로 기울어질 수 있다. 박편들은 통상적으로 반사성 박편의 가장 긴 대각선 및 회절성 박편의 그루브의 방향이 자기장 선을 따르는 방식으로 정렬된다. 자석의 위치 및 강도에 따라, 자기장 선들은 상이한 각도들로 기판을 통과하여, 자성 박편들을 이 각도들로 기울일 수 있다. 기울어진 박편은 인쇄된 기판의 면에 평행한 박편보다 입사광을 상이하게 반사한다. 반사율 및 색조 모두 상이할 수 있다. 기울어진 박편들은 수직 관찰각에서 기판에 평행한 박편들보다 통상적으로 더 어둡게 보이며 상이한 색을 갖는다.
<인쇄된 가상의 이미지들의 예>
도 1a는 본 발명의 일 구현예에 따른, 설명을 위하여 "스위칭" 또는 "플립-플롭(flip-flop)" 광학 효과로 언급될 인쇄된 이미지(20)의 단순화된 단면도이다. 플립-플롭은 전이부(25, transition)에 의해 분리된 제1인쇄영역(22)과 제2인쇄영역(24)을 포함한다. 잉크 비히클 또는 페인트와 같은 캐리어(28)로 둘러쌓인 안료 박편들(26)은 제1영역에서 제1평면에 평행하게 정렬되어 있으며, 제2영역의 안료 박편들(26')은 제2평면에 평행하게 정렬되어 있다. 박편들은 단면도에서 짧은 선들로 도시되어 있다. 박편들은 자성 박편들, 즉 자기장을 이용하여 정렬될 수 있는 안료 박편들이다. 그것들은 잔류 자화(remnant magnetization)를 가질 수도 있고 갖지 않을 수도 있다. 각 부분에서의 모든 박편들이 상호 평행하거나 각 정렬 평면에 대해 평행한 것은 아니지만, 전체적인 효과는 실질적으로 도시된 것과 같다. 도면들은 스케일링되어 도시되지 않았다. 통상적인 박편은 20 미크론의 크기와 대략 1 미크론 두께일 수 있으며, 따라서 도면들은 단순히 도시를 위하여 도시된 것이다. 이미지는 종이, 플라스틱 필름, 라미네이트, 카드 스탁 또는 다른 표면과 같은 기판(29) 상에 인쇄되거나 페인팅되어 있다. 설명의 편의를 위하여, "인쇄"라는 용어가 표면 상에 캐리어 내의 안료들을 도포하는 것을 설명하기 위하여 통상적으로 사용될 것인데, 이는 "페인팅"으로 언급될 수도 있는 기술들을 포함할 수 있다.
통상적으로, 박편의 평면에 수직으로 관찰된 박편들은 밝게 나타나지만, 그 평면의 가장자리를 따라서 관찰된 박편들은 어둡게 나타난다. 예컨대, 조명 소스(30)로부터의 광은 제1영역에서의 박편들로부터 관찰자(32) 방향으로 반사된다. 만일 이미지가 화살표(34)로 표시된 방향으로 기울어진다면, 제1영역(22)의 박편들은 가장자리 상에서 관찰되는 반면, 광은 제2영역(24)의 박편들로부터 반사될 것이다. 따라서, 제1관찰위치에서 제1영역은 밝게 나타나고 제2영역은 어둡게 나타날 것인데, 제2관찰위치에서는 장은 플립-플롭하여 제1영역은 어둡게 되고 제2영역은 밝게 될 것이다. 이는 현저하게 인상적인 효과를 제공한다. 유사하게, 만일 안료 박편들이 변색성(color-shifting)이라면, 일 부분은 제1색상으로 나타나고 타 부분은 다른 색상으로 나타날 수 있다.
캐리어는 통상적으로 투명하며(투명하거나 담색을 띤다), 박편들은 통상적으로 반사성이다. 예컨대, 캐리어는 담색의 녹색을 띨 수 있고, 박편들은 알루미늄, 금, 니켈, 백금 또는 금속합금의 박막과 같은 금속층을 포함하거나 니켈 박편 또는 합금 박편과 같은 금속 박편일 수 있다. 담색의 녹색 캐리어를 통해 금속층으로부터 반사된 광은 밝은 녹색으로 나타날 수 있으며, 반면 박편들이 가장자리 상에서 관찰되는 다른 부분은 어두운 녹색 또는 다른 색상으로 나타날 것이다. 만일 박편들이 맑은 캐리어 내의 단순한 금속 박편들이라면, 이미지의 일 부분은 밝은 금속색상으로 나타날 것이며 다른 부분은 어둡게 나타날 것이다. 대안으로서 금속성 박편들이 담색 층(tinted layer)으로 코팅되거나, 박편들이 흡수층-스페이서-반사층 패브리-페롯(Fabry-Perot)형 구조와 같은 광학 간섭 구조를 포함할 수도 있다. 더욱이, 회절 구조가 반사성 표면 상에 형성되어 향상된 효과 및 부가적인 보안 특성을 제공할 수도 있다. 회절 구조는 반사면에 형성된 단순한 선형 격자를 가질 수도 있고, 확대될 경우에만 식별될 수 있으나 관찰될 경우 전체적인 효과를 갖는 사전 설정된 더욱 복잡한 패턴을 가질 수도 있다. 회절성 반사층을 제공함으로써, 시트, 은행권 또는 회절성 박편들을 갖는 구조를 단순히 회전시켜 관찰자가 색 변화 또는 휘도 변화를 볼 수 있다.
회절성 박편들의 제조공정은 미국 등록특허 제6,692,830호에 상세히 개시되어 있다. 미국 특허출원 제20030190473호는 유채색의 회절성 박편 제조방법을 개시하고 있다. 자성 회절성 박편들을 제조하는 것은 회절성 박편들을 제조하는 것과 유사하지만, 층들 중 하나는 자성을 가질 것이 요구된다. 사실, 자성 층(magnetic layer)은 Al 층들 사이에 개재되는 방식을 취할 수 있는데, 이와 같은 방식으로 자성 층은 그 후의 박편들의 광학적 디자인에 실질적으로 영향을 주지 않거나, 또는 자성 층은 박막 간섭 광학 디자인에 있어서 흡수층, 유전체층 또는 반사층으로서 광학적으로 능동적 역할을 수행할 수도 있다.
도 1b는 기판(29) 상에 인쇄된 이미지(20)의 선택된 제1관찰각에서의 단순화된 평면도인데, 은행권 또는 주식 인증서와 같은 서류일 수 있다. 인쇄된 이미지는 보안장치 및/또는 인증 장치로서 작용할 수 있는데, 가상의 이미지가 사진으로 복사되지 않으며 통상적인 인쇄 기술을 이용하여 제조될 수 없기 때문이다. 제1영역(22)은 밝게 나타나며 제2영역(24)은 어둡게 나타난다. 절단선(40)은 도 1a에 도시된 단면을 나타낸다. 제1영역과 제2영역 사이의 전이부(25)는 상대적으로 명확하다. 서류는 예컨대 은행권, 주식 인증서 또는 다른 고가의 인쇄물일 수 있다.
도 1c는 기판(29) 상에 인쇄된 이미지(20)의 선택된 제2관찰각에서의 단순화된 평면도인데, 관찰점에 대하여 이미지를 상대적으로 기울임으로써 얻어진 것이다. 이제는 제1영역(22')이 어둡고, 제2영역(24')이 밝게 나타난다. 이미지가 플립-플롭되는 기울임 각도는 이미지의 상이한 부분들에서의 박편들의 정렬 평면들 사이의 각도에 의존한다. 일 예에서, 대략 15도 기울어졌을 때 이미지가 밝은 상태로 부터 어두운 상태로 변하였다.
도 2a는 본 발명의 다른 구현예에 따른, 편의상 "구르는 바(rolling bar)"라고 언급되거나 미세 정렬된 실린더형 프레스넬 반사체(micro-arrayed cylindrical Fresnel reflector)로 정의될 동적 광학 장치의 인쇄된 이미지(42)의 단순화된 단면도이다. 이미지는 기판(29) 상에 인쇄된 투명한 캐리어(28)로 둘러싸인 안료 박편들(26)을 포함한다. 안료 박편들은 만곡된 형상(curving fashion)으로 정렬되어 있다. 플립-플롭에 따라, 안료 박편들의 면들로부터 광을 관찰자 쪽으로 반사시키는 구르는 바의 영역(들)은, 광을 관찰자 쪽으로 직접 반사하지 않는 영역들보다 밝게 나타난다. 이 이미지는 이미지가 관찰각에 대하여 상대적으로 기울어질 때 (고정된 조명 소스(들)을 가정하면) 이미지를 가로질러 움직이는("구르는") 것으로 나타나는 광 밴드(들) 또는 바(들)와 같이 보이는 프레스넬 초점 선(Fresnel focal line)을 제공한다.
도 2b는 선택된 제1관찰각에서의 구르는 바 이미지(42)의 단순화된 평면도이다. 밝은 바(44)는 두 대비되는 장들(fields, 46, 48) 사이의, 이미지의 제1위치에 나타난다. 도 2c는 선택된 제2관찰각에서의 구르는 바 이미지(42)의 단순화된 평면도이다. 밝은 바(44')는 이미지에서 제2위치로 "움직인 것"으로 나타나며, 대비되는 장들(46', 48')의 사이즈들도 변하였다. 안료 박편들의 정렬은 이미지가 기울어짐에 따라 (고정된 관찰각 및 고정된 조명에서) 이미지 하부로 "구르는" 바의 가상 영상을 만든다. 다른 방향으로 이미지를 기울이면 바는 반대 방향으로(상부로) 구르는 것으로 나타난다.
바는, 비록 평면 상에 인쇄되어 있을 지라도, 깊이를 갖는 것으로 나타날 수도 있다. 가상적인 깊이는 인쇄된 이미지의 물리절 깊이보다 훨씬 더 큰 것으로 나타날 수 있다. 이는, 바가 반사체 평면 하부의 초점 길이에 위치한 실린더형 볼록 프레스넬 반사체의 가상의 초점 선이기 때문에 발생한다. 선택된 패턴으로 박편들을 기울이는 것은 광을 반사하여 깊이를 갖는 가상의 영상 또는 "3차원 이미지(3D)"를 제공하는데, 이하에서는 주로 "3D"라 언급한다. 3차원 효과는, 기판 상에 인쇄된 액상 캐리어 내의 자성 안료 박편들을 가진 종이 또는 다른 기판 뒤에 성형된 자석(shaped magnet)을 배치함으로써 얻어질 수 있다. 박편들은 자기장 선들을 따라 정렬하여 캐리어를 세팅(예컨대 건조 또는 소성)한 후 3차원 이미지를 형성한다. 이미지는 때때로 기울어짐에 따라 이동하는 것으로 나타나는데, 따라서 동적 3차원 이미지가 형성될 수 있다.
플립-플롭 및 구르는 바는 자성 안료 박편들, 즉 자기장을 이용하여 정렬될 수 있는 안료 박편들로 인쇄될 수 있다. 인쇄된 플립-플롭 유형의 이미지는 단일 잉크 제조공정을 이용하여 단일 인쇄 단계로 얻어질 수 있는 두 개의 구분되는 장들(distinct fields)을 가진 광학적 가변 장치를 제공한다. 구르는 바 유형 이미지는 이미지가 기울어짐에 따라 이동하는 것으로 나타나는 대비되는 밴드를 갖는 광학적 가변 장치를 제공하는데, 이는 호랑이의 눈(Tiger's Eye)으로 알려진 준보석과 유사하다. 이러한 인쇄된 이미지들은 상당히 눈에 잘 띠며 환영 특성(illusive aspect)은 사진으로 복사되지 않을 것이다. 그러한 이미지들은 은행권과, 주식 인증서와, 소프트웨어 서류와, 보안 실과, 인증 및/또는 위조방지 장치 같은 유사한 물건에 적용될 수 있다. 그것들은 은행권, 패키징 및 라벨과 같은 부피가 큰 인쇄된 서류에 특히 바람직한데, 후술하는 바와 같이 그것들은 고속 인쇄 조작으로 인쇄될 수 있기 때문이다.
도 2c 및 2d에 도시된 다른 구현예에서, "이중의 구르는 바"가 이미지인데, 일 부분(44')은 실린더형 볼록 형상으로 일정한 방향으로 향해진 자성 박편들을 가지며, 이외의 다른 부분(44'')은 실린더형 오목 형상으로 일정한 방향으로 향해진 자성 박편들을 갖는다. 이 볼록 방향성을 달성하기 위하여, "구르는 바" 자석이 종이 기판 하부에 배치된다. 오목 방향성을 위해서는, 그 자석이 종이 기판 상부에 배치된다. "이중 기울임" 이미지는, 이미지의 두 영역들에서의 자성 박편들이 상이하고 반대되는 방향성을 가질 때, 예컨대 +30도 및 -30도를 가질 때 형성된다. 인쇄된 이미지의 어떤 기울어진 위치에서 이미지의 일 부분은 어둡고 다른 부분은 밝다. 인쇄된 이미지가 반대 방향으로 기울어질 때, 영역들은 그들의 밝고 어두운 영역들을 스위칭하여 제1이미지는 밝고 제2이미지는 어둡게 된다. 의도된 디자인에 따라, 이러한 밝고 어두움의 스위치는 상부로부터 하부로 일어날 수도 있고 반대로 일어날 수도 있으며, 또한 좌측에서 우측으로 및 그 반대로 일어날 수도 있는데, 이는 박편들의 방향성에 의존한다. 도 2c 및 2d에서 밝은 바(44')는 이미지 내에서 제2위치로 이동한 것으로 나타나며 대비되는 장들(46', 48')의 사이즈들이 변하였는데, 또한 밝은 바(44'')는 이미지 내에서 상이한 방향으로 이동한 것으로 나타나며 대비되는 장들(46'', 48'')의 사이즈들이 변하였다.
본 발명은, 동적 광학 장치(DACOD; dynamic optical device)의 선형 또는 불 연속적 인쇄를 위하여, 사전 설정된 형상을 가진 3차원 자기장을 인가한다. 동적 광학 장치들은 이미지들인데, 몇몇은 고속 프린팅 프레스로 인쇄될 수 있으며, 사전 설정된 형상을 갖는 자기장 내의 작은 자성 판과 같은 안료를 포함하는 잉크를 사용한다. 이미지들은 관찰자에 의하여 기판에 인가된 물리적 행위에 반응하여 그 외관을 변화시킬 수 있다. 이미지의 부분 또는 전체 이미지의 움직임 또는 사라지거나 나타나는 것을 관찰하기 위하여, 관찰자는 기판을 기울이거나 회전시키거나 기울일 필요가 있다. 동적 외관 변화 광학 장치(DACOD; dynamic appearance-changing optical device)의 이러한 반응은 전적으로, 건조된 잉크 층 내의 상이하게 일정한 방향으로 향해진 작은 자성 판들로부터의 입사광의 반사 또는 분산에 의존한다. 색상의 존재 또는 부존재는 DACOD의 보충적인 효과이다. 자성 변색 안료들은 동적 광학 장치들의 외관 변화 외에도 그것들의 색상 변화에서의 많은 변형예들을 제공한다.
본 발명은, 실크 스크린, 오프셋, 플렉소(flexo), 요각인쇄(intaglio), 그라비어 인쇄 또는 다른 알려진 인쇄 방법을 통해 상이한 구성의 자기장에서 종이 또는 다른 평평한 기판 물질 상에 인쇄된 이미지의 일부로서 특별한 류의 동적 광학 장치들을 설명하는데, 그러한 이미지는 기판 상의 인쇄된 젖은 이미지의 장 내에서의 이송 중 잉크 층 내의 안료의 작은 판들이 자기장 선들을 따라 정렬하여 잉크 건조 후 상이한 각도들에서 관찰 시 그것들의 외관의 변화를 유발하는 것과 같은 방식으로 인쇄된다. 외관이 변하는 요소를 갖는 인쇄된 이미지는 관찰되기 위한 특별한 장치를 필요로 하지 않으며, 따라서 그것은 나안(裸眼)으로 관찰될 수 있다. 인쇄된 동적 광학 장치를 광원에 대하여 상대적으로 상이한 각도로 기울이는 것은 자성 잉크로 인쇄된 이미지의 부분에서의 시선을 사로잡는 외관 변화 또는 움직임을 유발한다. 동적 광학 장치용 잉크는 광 반사성 또는 광 분산성 작은 판에 기초한 자성 안료와 잉크 비히클로 이루어진다. 안료는 변색 안료 또는 비 변색 안료일 수 있으며, 또는 자기적으로 정렬된 박편이 일정한 방향으로 향해지는 것을 촉진하는 회절 격자와 같은 미세구조를 가질 수 있다. 잉크 비히클은 투명하거나 색을 가질 수 있으며, 자외선으로 소성될 수 있거나 솔벤트에 기초한 것일 수 있다.
인쇄된 외관 변화 광학 장치들은 은행권 및 귀중한 서류 상에서 또는 그 내부에서 보안 장치로서 사용될 수 있다.
이미지 내에서의 명백한 움직임 또는 변화의 효과는 인쇄 산업에서 잘 알려져 있다. 통상적으로 그것들은 플립 효과를 가진 이미지 변화를 위한 렌즈 형상 기판을 기초로 하거나, 움직임 효과를 위한 특정한 그림 또는 패턴의 집합을 기초로 하였다. 알려진 효과의 개수는 제한되어 있어 그것들의 응용가능성을 극도로 제한하였다.
자기장에서 인쇄된 외관 변화 이미지들이 지금까지 출원인의 공개된 초기 미국 특허출원 US 2004/0051297 A1호에서 설명되어 있다. 그것에서 개시된 것은, 광원 또는 관찰각이 변함에 따라 이미지의 상이한 부분들에서 반사된 광의 강도 또는 색상을 변화시키는 플립-플롭 효과 및 구르는 바 효과를 가진 인쇄된 이미지들이다. 이러한 효과들에서의 이미지 외관에서의 변화는, 홀로그램 또는 렌즈 형상 기판들에 대해서는 순간적으로 발생하기 보다는 점진적으로 발생한다.
그럼에도 불구하고, 상기 미국 특허출원 US 2004/0051297 A1에서 개시된 이미지들은 단순한 구르는 바 및 플립-플롭 유형의 응용에들과 관련이 있는데, 단일 직선을 따라서 박편들이 대칭적이고 기판과 동일한 각도를 이루며, 후속하는 인접한 직선들을 따라 박편들은 기판과 상기 각도와 상이한 동일한 각도를 이루어, 임의의 박편들의 행(row)에서의 각 박편은 기판과 동일한 각도를 가지며 인접한 행들의 박편들은 통상적으로 기판과 상이한 각도를 갖는다.
본 출원인은, 박편들을 곡선들을 따라 정렬시킴으로써, 깔때기, 원뿔, 용기, 타원 및 반구와 같은 물체들의 현저히 현실적인 광학적 가상 이미지가 형성될 수 있다는 것을 발견하였는데, 이때 박편들은 주어진 곡선을 따라 기판과 동일한 각도를 형성하며, 인접한 곡선들, 더욱 특별히는 원들, 특히 동심원들을 따르는 박편들은 일정한 방향으로 향하여 인접한 곡선 또는 원보다 상이한 각도를 형성한다. 특별한 구현예에서 원들은 원형이라기보다 타원형일 수도 있고, 이하에서는 원은 원과 유사한 고리형 및 형상을 포함하는 것으로 정의한다.
후술하는 설명은 상당히 다른 종류의 인쇄된 광학적 효과들에 관한 것으로, 반사성 원뿔, 구, 반구, 깔때기 및 다양한 다른 3차원 물체들과 특히 프레스넬과 같은 구조에 의한, 입사광의 반사라는 점에서 유사한 것들이다.
도 4에 도시된 예는 "스타 버스트(star-burst)" 패턴의 형상의 동적인 효과를 갖는 이미지이고, 도 5a에 도시된 예는 원뿔 이미지이며, 도 20a는 깔때기의 이미지이다. "스타 버스트" 이미지를 가진 인쇄물은 깔때기 형상의 자기장을 이용하여 제조되었다. 인쇄된 건조 잉크의 층에서의 작은 판들의 방향성의 단면이 도 3에 도시되어 있다. 분산된 자기성 입자들(193)을 가진 잉크(192)가 전술한 인쇄법들 중 하나에 의하여 기판(191)의 상부에 인쇄되어 있다. 자기장선들은 이미지의 중앙부에서 기판에 수직이 되도록 일정한 방향으로 향해져 있다. 자기장선들은 중앙으로부터 방사상의 방향으로 감에 따라 감소하며, 따라서 장은 중앙부에서 가장 강하고 중앙으로부터 방사상의 방향으로 멀어질수록 약해진다.
도 4에 도시된 것과 같은 깔때기 형상의 장에서 인쇄된, 인쇄된 광학 장치의 중앙은 보통의 관찰각에서 어둡게 보인다. 인쇄된 이미지의 밝기는 중앙부로부터 가장자리로 갈수록 점진적으로 증가한다. 인쇄된 이미지가 상부 가장자리가 관찰자로부터 멀어지도록 수평으로 기울어지면, 어두운 부분이 하부로 이동하는 것으로 나타난다. 우측으로 이미지를 수직으로 기울이면 이미지의 그늘진 부분이 기울임에 반대되는 방향으로 이동하는 것으로 나타난다.
도 6에 도시된 것과 같은 원뿔 형상의 자기장선들은 깔때기 형상 장의 방향에 대하여 반대 방향으로 자기성 작은 판들을 정렬시킨다. 그 결과, 이미지에서의 움직임은 깔때기 형상의 이미지에서 생성된 이미지의 방향과 반대방향이다. 기판(211) 상에 인쇄된 잉크(121)에 분산된 박편들(214)은 자기장선(213)을 따르며 장의 중심부로 그 꼭대기가 기울어지도로록 한다.
원뿔 형상 장에서 만들어진 인쇄물은 도 7에 도시된 것과 보통의 관찰각에서 밝은 중앙부를 갖는 이미지를 형성한다. 인쇄물이 그 상부가 관찰자로부터 멀어지도록 기울어질 때, 밝은 영역은 도 7a에 도시된 것과 같이 도 5a에 도시된 이미지와 반대로 하부쪽으로 이동한다. 우측으로 수직으로 기울이는 것이 도 7b에 도시되 어 있는데, 이는 밝은 영역이 좌측으로 이동하도록 유발한다.
토러스 형상 장 또는 그에 유사한 형상에서 인쇄된 이미지들은 도 9에 도시된 것과 같은 외관을 가진 이미지들을 생성한다. 토러스 형상 장에서 정렬된 입자들 위치의 단면도가 도 8에 도시되어 있다. 분산된 자기성 입자들(232)을 가진 잉크(232)가 기판(231) 상에 인쇄되어 있다.
상술한 바와 같은 자기적으로 정렬될 수 있는 박편들 또는 입자들을 정렬하는 방법은 전 영역이 자기적 특성을 갖거나 또는 이미지의 특정 부분만이 자기적 특성을 갖는 이미지에 적용될 수 있다. 이는 소망된 이미지에 따라 결정된다.
상술한 바와 같은 자기적 특성의 대부분은 은행권 또는 다른 귀중한 서류의 보안 특성을 향상시키기 위한 길로쉬(guilloche) 패턴으로 인쇄된 이미지들에 적용될 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 쌓인 자석들(801, 802)에 의하여 생성된 매우 놀라운 효과를 갖는 신규의 효과가 생성되어 토로이드형 포물선 반사체를 형성하는데, 상이한 반경을 가진 두 개의 고리 형상 자석들이 겹쳐 쌓여 있다. 선(803)에 의해 도시된 결과적인 자기장은 하나의 자석을 사용했을 경우와 매우 상이하다. 상부 자석의 구석 근방의 자기선들은 하부 자석의 영향에 의하여 하측으로 굽어져 있다. 그 결과, 상부 자석의 구석 근방의 자기성 입자들(804)은, 장 세기가 충분하여 인가된 자기장 선들을 따라 정확한 오목 형상 입자 정렬을 제공하는 장의 영역에 나타난다. 박편들(805)은 외측 가장자리와 중앙부 중간을 향하여 오목하게 나타난다. 박편들은 기판(807) 상의 잉크(806)에 분산되어 있다. 만일 자석들이 이 도면 에 도시된 것과 같은 고리 형상이라면, 결과적인 인쇄된 이미지는 단일의 광원 하에서 밝은 고리처럼 보인다. 천공광(天空光, skylight) 하에서는 푸른 고리로 나타난다. 복수개의 광원들에 의한 조명 하에서는 인쇄물은 도 9의 사진에서 도시된 것과 같은 주위의 광원들의 개수와 동일한 양의 고리들의 세트처럼 보인다. 이 구현예는 광 검출기로서 기능하는데, 이미지는 관찰자에게 이미지로부터 반사된 물리적으로 분리된 광원들의 개수에 대응하는 개수의 고리들을 보여준다. 즉, 예컨대 반일 세 개의 광원들이 이미지를 조명한다면, 세 개의 분리된 고리들이 관찰되며, 만일 n 개의 광원들이 이미지를 조명한다면 n 개의 고리들이 관찰되는데, 여기서 n은 양의 정수이다. 자석들의 두께, 크기 및 강도가 특정한 소망된 이미지에 따라 변할 수 있음은 물론이다. 예컨대 쌓여진 자석들은 동일한 두께 및 세기를 가지지만 상이한 직경을 가지거나, 또는 하나 이상의 매개변수들이 선택적으로 가변될 수 있다.
상술한 바와 같은 많은 자기적 특성들은 기하학적 이미지들 및 가상의 광학적 이미지들을 가진 이미지에 적용되어 그 가상의 특성을 향상시킬 수 있다. 그러한 이미지들의 예들이 도 10a, 10b, 11, 12 및 13a에 도시되어 있다. 토러스 형상 필드 하에서 인쇄된 도 10a의 나선형 선형 이미지는 도 10b에 도시된 외관을 갖는다.
도 10a의 동일한 나선형과 같은 이미지가 깔때기 형상의 장에서 인쇄될 경우, 도 10c에 도시된 것과 같은 외관을 갖는데 이는 도 10b에 도시된 이미지와 매우 다르다. 도 11에 도시된 가상의 이미지는 토러스 형상 장에서 인쇄한 후의 도 12에 도시된 것과 상이한 외관을 갖는다. 토러스 형상의 자기장은 이미지에서의 파문(ripple)의 환영을 생성한다.
도 13b에 다른 선형 가상 이미지가 도시되어 있는데, 이는 도 13b에서의 광학적 가상의 특징들을 향상시키는 고깔 형상의 장에서 인쇄가 수행된 경우이다.
도 3 내지 도 13b에 도시된 이미지들은 방사상으로 대칭이다. 각 이미지들에 있어서 박편들은 고리형상으로 정렬되는데, 어떤 주어진 고리를 따라서 박편들은 그 가장자리가 위치하는 기판과 동일한 각도를 형성하며 인접한 고리들은 기판과 상이한 각도를 형성하는 박편들을 갖는다. 더욱이 주어진 고리에서의 박편들은 인접한 박편의 평면과 교차하는 평면 상의 표면을 갖는다. 이는 도 14에서 명확하게 알 수 있다.
도 14를 참조하면(스케일링되어 있지 않은 것으로, 도시적인 목적으로 큰 박편들이 이용되었다), 예컨대 도 7a에 도시된 고깔의 이미지에서의 박편 정렬의 컴퓨터 그림이 도시되어 있다. 비록 모든 박편들이 공통의 평면 상의 기판 상에 위치하는 것으로 도시되어 있지만, 박편들의 각 고리(R1, R2, …, Rn)는 그 고리를 따라 평면상의 기판과 동일한 각도를 만드는 박편들을 갖는다. 도 14에서 알 수 있는 바와 같이, 외측 고리(R1)에서의 박편들은 기판에 대하여 동일한 각도로 기울어져 있으며, 고리(R2) 내의 박편들은 기판과 살짝 급한 동일한 각도를 만들어, 따라서 고리(R1)로부터 고리(R2)로, 고리(Rn)로 갈수록 각도가 증가한다. 임의의 주어진 고리, 즉 고리(R1)를 따르는 박편들은 모두 특정한 반경의 원 상에 위치하며 그 박편들은 평면상의 면들을 갖기 때문에, 그 면들을 정의하는 평면들은 동일한 원 상 에 위치한 최인접 박편들과 교차한다. 예컨대 박편들(280a, 280b)은 평평한 평면상의 면들을 갖는데, 그 면들은 교차한다. 비록 모든 박편들이 기판과 접하고 있을지라도, 원뿔의 이미지는 그것이 위치한 종이 또는 기판으로부터 돌출한 가상의 이미지를 관찰자에게 남긴다.
도 15를 참조하면, 도 14의 동일한 원뿔의 도시가 이루어져 있는데, 그 구조의 중앙을 통과하는 단면이 도시되어 있으며 다른 부분은 사시도로 도시되어 박편 정렬을 도시하고 있다. 여기서 박편들의 방향 또는 기판에 대한 기울임은 기판 하부의 자석(미도시)에 의해 생성된 장의 선들을 따르는 것으로 도시되어 있다. 명확성을 위하여 박편들은 실질적으로 사각형인 것으로 도시되어 있으나, 실제로는 박편들의 형상들은 다양하게 변화될 수 있어 사각형 또는 육각형 또는 다른 특정한 형상이 이용될 수도 있다.
도 16을 참조하면, 잉크의 박막에 분산된 자성 입자들의 축 대칭 원뿔 형상 정렬이 도시되어 있다. 자기장의 단면(160)이 장 선(162)으로 도시되어 있으나, 실제로는 이 선들은 박편들이 향하는 선들의 시트(sheet)를 형성한다. 자기적으로 방향 배열이 가능한 박편들(163)이 잉크 매체(164) 내에서 동심원 내에 분산된 것으로 도시되어 있는데, 장 선들을 따르는 각 고리 내에 분산된 박편들은 기판(165)과 상이한 각도를 형성하며, 그 각도는 중심으로 향할수록 커진다. 도면에서의 간격(166)은 도시적인 목적을 위한 것으로, 기판에 대한 박편들의 각도를 잘 드러내기 위함이다.
도 17을 참조하면, 시트(171) 상에 지지된 박막의 잉크 비히클(172) 내에 분 산된, 자성 입자들(173)의 원뿔 형상 정렬이 도시되어 있다. 입자 표면에 수직한 선들(174)이 도시적인 목적을 위하여 도시되어 있는데, 이는 박편의 표면에 수직한(이하에서는 "수직선"이라 한다) 각도들의 관계를 나타내기 위함으로써, 표면들에 수직한 선들은 가상의 타원 영역(175)을 정의하는 지점들에서 수렴하는데, 수직선들은 가상의 타원 영역에 수렴한다.
도 19를 참조하면, 기판 상부에 원뿔 형상 자석(193)을 배치시켰을 때의 결과인 원뿔 형상 자기장에서의 자성 입자들(196)의 원뿔 형상 정렬이 도시되어 있다. 잉크(192) 내의 입자들 또는 박편들(196)은 자기장선(195) 방향으로 향해져 있다. 참조번호 194는 원추형 자석(193)으로부터의 자기장의 단면을 도시한다. 다시 한번, 박편들은 동심원들로 향해져 있는데, 각 원 또는 고리를 따르는 박편들은 기판과 동일한 각도를 형성하며, 상이한 고리에서의 박편들은 기판과 상이한 각도를 형성한다.
다른 구현예가 도 20에 도시되어 있는데, 원뿔 형상 자기장에서의 원뿔 형상 자성 입자들의 정렬이 기판(201) 하부에 깔때기 형상 자석(202)을 배치시켜 얻어져 있다. 잉크 비히클(미도시) 내의 자성 입자들(205)이 종이 기판(201) 하부에 인쇄되어 있다. 자기장의 단면은 참조번호 203으로 도시되어 있으며 자성 입자들(205)은 자기장선(204)을 따른다. 장 선(204)이 기판 전 영역을 통하여 퍼져 있기 때문에, 원형 영역에 도포된 내부에 박편들을 가진 잉크는 정렬된다. 따라서, 장에서 일단 정렬되면, 자기장 내에 배치된 박편들(205)의 원은 원뿔 형상 물체를 나타내는 시각적 효과를 갖는다. 이것이 도 21a 및 21b의 사진으로 나타나 있는데, 이는 관찰자 방향으로 기울어진 원뿔 형상 인쇄물(1)과 관찰자로부터 멀어지는 방향으로 기울어진 원뿔 형상 인쇄물(2)을 나타낸다.
도 20b는 박막의 잉크(207)를 구비하는 비히클 내에 분산된, 자성 작은 판들(209)의 깔때기 형상 정렬을 도시하는 것으로, 입자들에 수직인 면들(208)이 도시되어 있다.
도 20c는 다른 구현예를 도시하는 것으로, 종이 기판(231) 하부에 배치된 구 또는 공 형상 자석(233)에 의해 제공된 깔때기 형상의 자성 작은 판들(236)의 정렬이 제공되어 있다. 장 선들(235)을 따르는 작은 판들(236)이 잉크 비히클(230) 내에 분산되어 있다. 잉크가 소성되면 박편들은 도시된 위치에 고정된다.
도 22는 축 대칭 원뿔 형상 자기장에서의 회절성 자성 입자들(220)의 정렬를 도시하는 부분 분해도이다. 입자들의 그루브들의 바람직한 방향은 원뿔의 중심방향이다. 자기장 내에 위치하면, 회절성 작은 판들은 다른 자성 입자들과 같이 반응하여 인가된 자기장의 선들을 따라 일정한 방향으로 향해진다. 그러나 젖은 잉크 비히클 내에 분산된 평평한 자성 작은 판들은 자성 선들(magnetic lines)의 방향으로 자기 자신들의 가장 긴 대각선 방향으로 자기 자신들을 정렬하여 자성 작은 판들(220)은 회절 구조 또는 격자를 정의하는 그루브들이 자기장 선들 방향을 따르도록 정렬된다. 회절성 입자들의 축 대칭 정렬은 인쇄물에서 무지개빛 경계에 의해 둘러쌓인 은빛 영역을 생성하거나 상이한 색상의 고리들을 생성한다.
도 23 및 24는 자성 회절성 입자들을 포함하며 관찰자쪽으로 기울어진 축 대칭 인쇄물의 사진들이다.
상술한 바와 같이, 기판의 표면 상의 젖은 잉크 비히클에 분산된 평평한 자성 작은 판들은 그들의 가장 긴 대각선이 인가된 자기장의 자성 선들을 따르도록 정렬된다. 평평한 작은 판들과 달리, 회절성 자성 작은 판들은 동일한 조건에서 도 25에 도시된 그루브의 방향으로 자성 선을 따라 자기 자신들을 정렬한다. 각 입자는 오직 한 특정한 좁은 방향으로 입사광을 반사시키고 분산시킨다. 자기장에서의 그러한 선택적인 방향성 및 회절성 작은 입자들의 표면으로부터의 광의 좁은 반사 및 분산은 알려진 홀로그래픽 키네그램(holographic kinegram)과 유사한 독특한 인쇄된 이미지들의 제조를 가능하게 한다.
지금까지, 박편들의 곡선 또는 원형 정렬에 관련된 구현예들이 개시되어 새로운 종류의 광학 장치를 형성하는 것이 개시되었다. 이 장치들은 회절성 박편들과 그것들을 지지하는 기판 사이의 각도 관계에 의해 특정되었다. 이러한 장치들의 대다수는 프레스넬 반사체와 같은 프레스넬 구조를 형성한다. 예컨대 상술한 바와 같은 원추형 구조 및 깔때기와 같은 구조들은 볼록 및 오목 프레스넬 반사체를 형성한다. 흡수성 물질로 제조된 박편들을 사용함으로써, 프레스넬 흡수 구조도 만들 수 있다. 반사성 박편들을 이용함으로써, 프레스넬 반사체도 기판 상에 인쇄될 수 있다. 그러한 프레스넬 구조들은, 예컨대 안테나용 인쇄가능한 집속 반사체와 같은, 광학 영역 및 다른 영역에서의 다양한 파장의 전자기 방사용 빔 조향 장치와 같은 응용예들을 갖는다.
도 26을 참조하면, 박막의 잉크(264)에 분산된 자성 입자들(263)의 축 대칭 반구형 정렬이 인쇄된 볼록 프레스넬 거울을 형성한 구조가 도시되어 있다. 자 석(266)으로부터 방사된 장 선들(262) 및 자기장의 단면(261)은 기판(265)을 통과하여 퍼지는 것으로 도시되어 있다. 요구되는 자기장은 자석(266)을 화살표(267) 방향으로 회전시킴으로써 달성될 수 있다.
자기적으로 정렬된 반사성 박편들(273)에 의해 형성된 프레스넬과 같은 반사성 구조가 도 27에 명확하게 도시되어 있는데, 잉크 비히클(272) 내에서 기판(271)에 의해 지지되는 박편들의 표면에 수직한 도면에 도시된 가상의 선들(274)은 대부분의 중앙부 박편들에 수직한 중심 선과 교차하는 것으로 도시되어 있다. 참조번호 275는 박편들 또는 거울들(273)을 통과하는 가상의 선(ray)를 나타낸다.
반구형 볼록 거울들의 사진들이 도 28a 및 28b에 도시되어 있는데, 도 28a에서 사진은 상부 가장자리가 관찰자 방향으로 기울어져 있으며, 도 28b에서는 사진의 상부 가장자리가 관찰자로부터 멀어지는 방향으로 기울어져 있다. 인쇄된 볼록 프레스넬 거울에서의 이미지 형성은 본질적으로 구면 수차 보상이 없는 통상적인 볼록 거울에서와 동일하다.
도 29를 참조하면, 잉크 층 내에 분산된 회절성 자성 입자들(292)의 축 대칭 볼록 정렬의 아이소메트릭 도면(isometric view)이다. 평평한 입자들이 회절성 입자들을 대체할 수도 있다. 입자들(292)이 기판, 예컨대 종이 기판(291)에 적용되어 있다. 영역들(293)은 도시를 위하여 입자들이 없는 것으로 도시되었다. 영역(294)은 입자들의 그루브들의 방사상 방향을 도시한다. 참조번호 295는 입자들이 기판에 대하여 기울어지고 입자들의 수직선을 중심으로 하여 입자들이 회전된 영역을 나타내며, 참조번호 296은 그루브들이 원형 방향으로 정렬되며 기판에 대한 입자들 평 면의 최대 기울임을 가진 영역을 나타낸다.
회절성 작은 판들(292)이 자기장에 배치될 때, 작은 판들(292)은 그들의 그루브들이 인가된 자기장을 따르도록 일정한 방향으로 향해진다. 인쇄물(297)의 중앙 축 주위의 영역의 입자들은 그들의 평면들이 기판의 표면에 평행이 된다. 이 영역의 많은 입자들(그러나 모든 입자들은 아니다)은 그들의 그루브들이 인쇄물의 중심축을 향하도록 향해진다.
이 방사상 정렬 영역의 사이즈는 상대적으로 작으며 그 인쇄물에 인가된 자기장의 크기에 의존한다. 그것은 (평평한 영구자석이 사용될 경우) 자석의 폭의 대략 2/3이 될 수 있다. 입자들(292)의 배치 및 그루브들의 방향은 중심축으로부터의 거리 변화에 따라 상당히 변한다. 그루브들의 방사상 정렬 영역에 인접하며 그것을 둘러싸는 인쇄물의 제2영역은 입자들을 포함하는데, 그 입자들은 그들의 수직선, 즉 도 30에 도시된 것과 같이 입자들의 표면에 수직한 선들을 중심으로 회전하며 그들의 평면들이 기판에 대해 기울어져 있다. 제2영역의 입자들은 그루브들이 원형 회전 영역을 형성하는 원을 따라 정렬될 때까지 그들의 수직선을 중심으로 회전한다. 중심으로부터의 거리가 증가함에 따라, 이 영역의 모든 입자들이 원형으로 일정한 방향으로 향해진다. 그들의 기판에 대한 기울임은 최대 각도이다.
도 30을 참조하면, 기판(301) 상에 증착된 잉크 층에 분산된 입자들의 단일 방사상 선에서의 회절성 입자들(302)의 정렬 및 위치가 도시되어 있다. 제1영역에서의 입자 표면(303)에 수직한 선은 거의 기판에 수직이다. 회절 차수들 사이의 방향(306)은 입자들의 선의 방향에 대하여 90°이다. 입자로부터 중심축(302)까지의 거리가 증가하는 제2영역에서, 입자들은 그들의 수직선을 중심으로 조금씩 회전하며 동시에 기판 상에서 그들의 수진선들이 인쇄물의 외측 방향으로 향하도록 기판 상에서 기울어진다. 회절 차수 사이의 방향은 입자들의 방향에 따라 역시 회전한다. 입자들의 수직선을 중심으로 한 입자들의 회전이 90°에 이르면, 그루브들은 원을 따라 일정한 방향으로 향해진다. 입자들은 기판 상에서 그들의 수직선들이 인쇄물 외측으로 향해지도록 기울어진다. 회절 차수들 역시 기울어지고 방사상으로 향해진다. 인쇄물 중앙 부근 입자들의 k차 회절의 방향은 참조번호 307로 도시되어 있고, 원형 정렬 영역의 회절 입자들의 k차 회절의 방향은 참조번호 308로 도시되어 있으며, 인쇄물 중앙 부근 임자들의 m차 회절의 방향은 참조번호 309로 도시되어 있고, 인쇄물 중앙 부근 입자들의 m차 회절의 방향은 참조번호 310으로 도시되어 있다.
도 31은 흑색의 배경 상에 희석된 잉크로 만들어진 인쇄된 볼록 프레스넬 거울 사진이다. 중앙의 은색같은 영역(311)은 방사상 방향으로 도시된 입자들의 그루브들로 도시되어 있다. 그것에 인접한 것은 강렬한 진동하는 색을 나타내는 그루브들이 회전된 무지개빛 영역(312)이며, 외측 영역(313)은 무지개같은 약한 색을 나타낸다. 관찰자가 중앙 영역(311)을 바라보며 관찰 방향이 그루브들의 방향과 일치할 때, 광의 회절은 관찰되지 않는다. 관찰자가 이미지를 볼 때, 무지개같은 고리가 그루브들의 방사상 방향을 가진 은색 영역을 둘러싼다. 이 무지개색 영역의 입자들은 그들의 수직선을 중심으로 회전하며 기판 상에 상대적으로 평탄하게 배치되어 있다. 입자들의 그루브들은 회전에 따라 그들의 방향을 변화시키며, 광의 회절 은 무지개빛 색상을 나타내기 시작한다. 외측 영역(313)에서의 기판의 표면에 대하여 입자들을 상대적으로 기울이면, 거울 표면으로부터 반사된 광의 방향의 변화가 유발된다. 관찰자는 이 영역에서 반사된 광을 볼 수 없는데, 광선들이 페이지의 하부로 향해지기 때문이다. 오직 일부의 회절 차수들이 보여 약한 무지개빛 색상을 만든다. 인쇄물은, 평균 20 마이크로미터의 사이즈와 1500 lines/mm의 회절 격자 빈도를 가진 5%의 평평한 자성 입자들을 함유하는 잉크 플러드층(flood layer)을 가진 흑색 배경으로 기판을 코팅함으로써 제조된다. 인쇄된 층의 두께는 9 마이크로미터에 가깝다. 젖은 잉크를 가진 기판은 회전하는 (3'' X 1.25'' <0.375''>) 영구자석의 상부에 배치된다. 잉크는 입자들의 정렬이 완료된 후 UV선으로 소성된다.
도 32를 참조하면, 인쇄된 보상되지 않은 오목 프레스넬 거울 내의 기판(325) 상에 인쇄된 잉크 박층(324)에 분산된 자성 입자들(323)의 축 대칭 반구 형상 정렬이 도시되어 있다. 참조번호 321은 화살표(327) 방향으로 회전된 자석(326)으로부터 방사된, 선들(322)을 갖는 장의 단면을 나타낸다.
도 33은 잉크 비히클 박층(332)에 분산된, 그루브들 형태로 격자를 갖는 회절성 자성 입자들(333)의 오목 형상 정렬을 입자 표면들에 수직인 직선들(334)과 함께 도시하는 도면이다. 구면 수차(335) 영역이 박편들이 수렴하는 초점(336) 하부에 도시되어 있다.
도 34a, 34b 및 34c는 반구형 정렬을 가진 인쇄물들의 사진들이다. 더욱 상세하게는, 도 34a는 상부 가장자리가 관찰자 방향으로 기울어진 사진이고, 도 34b는 상부 가장자리가 관찰자로부터 멀어지는 방향으로 기울어진 사진이며, 도 34c는 인쇄된 거울로부터 반사된 사진사의 그림자를 보여준다.
인쇄된 오목 프레스넬 거울에서의 이미지 형성은 구면 수차 보상이 없는 통상적인 오목 거울에서와 본질적으로 같다. 거울들은 보상되어 인가된 자기장의 형상과 그 세기의 정확한 선택, 자석과 젖은 잉크 사이의 거리의 정확한 선택, 잉크 점성 및 분사된 입자들의 자기적 특성들의 정확한 선택에 의하여 수차를 감소시킬 수 있다.
도 35는 많은 면에서 도 29와 유사한, 잉크 층 내에 분산된 회절성 자성 입자들의 축 대칭 오목 형상 정렬을 도시하는 도면이다. 기판(351)은 잉크 용액(미도시)에서 회절성 입자들(352)로 코팅된다. 인쇄물의 영역(353)은 도시의 목적으로 입자들이 존재하지 않는 것으로 도시되었다. 영역(354)은 입자들의 그루브들의 방사상 방향을 나타낸다. 영역(355)은 입자들이 그들의 수직선들(입자 표면들에 수직한 선들)을 중심으로 회전되어 있으며 기판에 대하여 기울어진 영역이며, 영역(356)은 그루브들이 원형 배열을 가지며 입자들 평면이 기판에 대하여 최대로 기울어진 영역이다.
입자들의 그루브들의 바람직한 방향성은 원뿔의 중심 방향에 있다. 자기장에 노출됨에 따라, 회절성 작은 판들(352)은 그들의 그루브들이 인가된 자기장 선들을 따라 향하도록 정렬된다. 인쇄물의 중심축 주변의 영역에서의 입자들은 기판의 표면에 평행하다. 이 영역의 많은 입자들(그러나 모든 입자들인 것은 아니다)은 그들의 그루브들이 인쇄물의 중심축 방향으로 향하도록 된다. 이 영역의 사이즈는 작지만, 인쇄물에 인가된 자기장의 크기에 의존한다. 그루브들의 방향 및 입자들의 형 태는 중심축으로부터의 거리가 변함에 따라 상당히 변하게 된다. 그루브들의 방사상 정렬 영역에 인접하며 그것을 둘러싸는 인쇄물의 제2영역은 도 36에 도시된 것과 같이 입자들의 수직선들을 중심으로 회전하며 기판에 대하여 입자들의 평면이 기울어진 입자들을 포함한다. 제2영역의 입자들은 그루브들이 원을 따라 정렬될 때까지 그들의 수직선을 중심으로 회전한다. 중심으로부터 거리가 증가함에 따라, 이 영역의 모든 입자들은 원형으로 일정한 방향으로 향해진다. 기판에 대한 그들의 기울어짐은 최대 각도이다.
도 36은 잉크 층 내에 분산된 입자들의 단일 방사 상 선(radial line)에서의 회절성 입자들(362)의 위치 및 정렬을 도시하는 도면이다. 제1영역의 입자 표면에 수직한 선(364)은 기판(361)에 거의 수직이다. 회절 차수들 사이의 방향은 입자들의 선 방향에 대해 90°이다. 입자로부터 중심축(363)으로의 거리가 증가한 제2영역에서, 입자들은 점진적으로 그들의 수직선들을 중심으로 회전하며 동시에 인쇄물 외측 방향으로 그들의 수직선들이 향하도록 기판 상에서 기울어진다. 회절 차수들 사이의 방향(365)은 입자들의 회전에 따라 역시 회전한다. 입자들의 수직선을 중심으로 한 입자들의 회전이 90°에 이르면, 그루브들은 원을 따라 일정한 방향으로 향해지게 된다. 입자들은 그들의 수직선들이 인쇄물 외측 방향으로 향하도록 기판 상에서 기울어진다. 회절 차수들은 또한 기울어지며 방사상으로 향해진다. 인쇄물 중심 근방의 입자들의 k차 회절의 방향은 참조번호 366으로 표시되어 있으며, 원형 정렬 영역에서의 회절 입자들의 k차 회절의 방향은 참조번호 367로, 인쇄물 중심 근방의 입자들의 m차 회절의 방향은 참조번호 368로, 인쇄물 중심 근방의 입자들의 m차 회절의 방향은 참조번호 369로 표시되어 있다.
본 발명에 따른 반구형 이미지의 제조에 관계된 본 발명의 구현예를 이하에서 설명한다.
본 발명의 다른 구현예에서 흥미로우며 놀라운 효과가 도 37f, 37g, 37h 및 37j에 도시되어 있다. 도 37f는 전체 이미지가 정렬가능한 안료 박편들로 코팅된 인쇄된 반구 이미지이다. 후술하는 바와 같이 박편들을 정렬한 후, 반구가 혀성된다. 도 37f에 도시된 반구의 인쇄된 이미지는 기판이 기울어지거나 광원이 변함에 따라 도 37g에 도시된 이미지와 같이 나타난다. 이미지가 중심을 통과하는 수직선을 중심으로 수직선으로부터 좌측으로 기울어짐에 따라, 공과 같이 나타나는 밝은 반구는 기울임 각도의 변화에 따라 구른다. 평면 상에서 선을 따라 구를 수 있었던 구르는 바와 달리, 도 37f의 반구는 기울임 각도에 따라 임의의 x-y 방향에서 이동할 수 있거나 이동하는 것으로 나타난다. 따라서, 이미지를 x축 또는 y축을 중심으로 기울이는 것은 움직임의 외관의 결과를 가져온다.
도 37j의 실드(shield)는 구르는 바와 반구 효과의 조합을 이용하여 실드와 반구가 페이지로부터 돌출하는 매우 흥미있는 효과의 조합을 제공한다. 이것은 두 단계로 제조되는데, 먼저 기판이 자성 코팅으로 코팅되고 반구가 도 37h에서와 같이 형성되어 소성된다. 제2코팅이 마스크 또는 스텔실을 통해 적용되어, 부가적인 코팅 물질이 반구를 덮지 않도록 하여 도 37i의 코팅을 형성한다. 이 제2코팅은 자기장 내에 위치하여 구르는 바를 만든다. 상기와 같은 동적인 또는 동역할적인 반구 이미지 형성법은 구르는 바 형성법보다 더 복잡하다. 도 37a 내지 37e를 참조하 여 그 방법을 설명한다. 예컨대, 도 37a에 도시된 자석(370a)은 자석 상부 및 하부에 장 선을 만드는데, 두 개의 루프를 형성한다. 이 다이어그램은 오직 두 개의 선들만을 나타내었으나, 본질적으로 전체 자석에 걸쳐 이 선들에 평행하게 생성될 복수개의 선들이 존재한다. 도면들에서의 자석(370a, 370b 및 370c)은 상이한 시점에서 수직축을 중심으로 회전하는 중 도시된 것이다. 도 37b의 자석의 일부는 절단되어 몇몇 장 선들을 도시하고 있다. 도 37c에서, 370a, 370b 및 370c에서의 자석 상부로 연장된 장은 돔(dome) 형상이며, 하부로의 자기장 역시 마찬가지임이 분명하다. 반구형 동역학적 이미지의 인쇄물은 도 37e에서와 같이 잉크로 코팅된 기판(377)을 돔 형상 자기장 내에 배치시킴으로써 형성되는데, 도 37d에 도시된 것과 같이 자석 바로 위 또는 자석으로부터 더 이격되고 자석이 회전하는 동안 장의 중앙부를 향하여 지지된다. 이 구현예에서 자석 또는 이미지가 상대적으로 회전하는 속도는 대략 120 rpm이다. 이미지는 그 후 자기장 영역으로부터 제거되어 소성된다. 자석의 회전 속도는 120 rpm 이상 또는 이하가 될 수 있는데, 이는 입자 자성 특성 및 잉크 비히클 점성에 의존한다. 그러나 만일 속도가 너무 느리다면, 이미지의 품질은 저하될 것이다.
도 38a는 도 37f에 도시된 이미지와 유사하지만 반전된 다른 구현예를 도시하는 도면이다. 도 38a에 반구형 자석으로부터 시뮬레이션된 자기장이 도시되어 있다. 이것은 도 38c에 도시된 이미지를 생성한 장의 형상이다. 자석의 N극은 상부에 있으며 입자들은 깔때기와 같은 방식으로 동심원으로 정렬되어 있다. 도 38b에 장(194)이 도시되어 있으며, 기판(191) 상에 배치된 캐리어(192) 내의 박편들(193) 은 장 선들을 따라 깔때기와 같이 일정한 방향으로 향해져 정렬되어 있다. 반구형 효과와 달리, 이 장은 이미지(191)의 중앙에 밝은 동역학적 점(192)을 생성하였으며, 깔때기와 같은 박편들의 정렬은 이미지의 중앙에 검은 동역학적 점을 생성하였다. 도시된 장들은 영구자석으로 형성되었으나, 많은 구현예들에 있어서 전기장 또는 전자기장이 이용될 수 있다. 물론, 장 및 입자들은 양립할 수 있어, 입자들은 특정한 장에 의하여 일정한 방향으로 향해질 수 있다. 입자들은 회절성이거나, 또는 변색성일 수 있다.
나아가, 광학 효과를 가진 이미지 인쇄용 자성 잉크의 제조를 위한, 예컨대 직사각형 저 변조 저 빈도 격자인 작은 판 형상의 자성 미세 박편들이 이용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 소성되지 않은 페인트 또는 잉크 비히클 내에 분산된 회절성 자성 안료의 평평한 입자들은 그것들의 가장 긴 대각선들이 인가된 자기장의 선들을 따르도록 자신들을 정렬시키며, 단일 입자의 비자화가 그루브들을 가로지르는 경우보다 그루브들을 따라서 더 작기 때문에, 소성되지 않은 페인트 또는 잉크 비히클 내에 분산된 회절성 입자들은 그것들의 그루브들이 인가된 자기장의 선들을 따르도록 자신들을 정렬시킨다.
이 현상은 상이한 방향에서의 자성 입자의 단면 두께와 관련이 있는데, 그것은 그루브들을 가로지르는 경우보다 그루브를 따르는 경우 더 작다. 회절성 안료에 의한 입자광의 정반사율(specular reflectance)은 높지 않은데, 그것들 표면의 형상의 특성때문이다. 인쇄될 때, 안료들은 단일 또는 다중 광원들 및 태양광 하에서 회절성 색상을 나타낸다. 그러나 어두운 광 또는 천공광(天空光) 하에서는 인쇄물 상에 거의 색상이 나타나지 않는다.
본 발명의 다른 특징은 반사성 및 회절성 안료들의 두 가지 특유의 특징을 결합한 안료라는 것인데, 눈의 뜨이는 회절 색상 없이도 높은 반사율을 가지며, 그루브들을 인가된 자기장 선들을 따라 정렬시킬 수 있는 능력을 갖는다. 안료는 낮은 빈도로 저 변조된 정사각형 회절성 격자의 미세구조를 갖는다. 통상적으로, 빈도는 2 lines/mm 내지 500 lines/mm의 범위, 더욱 바람직하게는 50 lines/mm 내지 150 lines/mm의 범위 내에 있을 수 있다. 격자의 변조는 50 nm 내지 1000nm의 범위(더욱 바람직하게는 30 nm 내지 200 nm의 범위)에서 변한다.
도 39에 단일 안료 입자들의 평면도가, 도 40에는 그것의 단면도가 도시되어 있다. 본 발명에 따른 이 미세 구조의 안료는 유기 또는 무기 보호 코팅으로 덮인 미세구조 자성 재료 또는 자성 물질로 코팅된 미세구조 폴리머 기판으로부터 제조될 수 있다. 더욱 바람직하게는 미세구조 안료는 두 개의 반사성 물질층들 사이에 개재된 미세구조 자성 재료로부터 제조될 수 있다. 이 구조의 예시적 구현예가 도 41에 도시되어 있다.
예 1
다층 구조 MgF2/Al/Ni/Al/MgF2가 도 39에 도시된 것과 유사한 폴리에스테르 직사각형 격자의 상부에 진공증착되었다. 격자의 마루와 골 사이의 폭은 7 미크론이었다. 마루의 높이는 80 nm였다. 엠보싱 기판으로부터 재료가 벗겨져 24 미크론 의 평균 사이즈를 가진 미세 박편들로 변환되었다.
MgF2/Al/Ni/Al/MgF2 코팅이 기판으로부터 벗겨지기 전, 1500 lines/mm 빈도를 갖는 상이한 폴리에스테르 회절성 기판 상에 증착된 동일한 광학적 다층 스택의 경우와 결과가 비교되었다. 저 빈도 기판 및 고 빈도 기판 상의 코팅의 색 성능은 고니오-스펙트로미터(gonio-spectrometer, Murakami Color Research Labs.)로 측정되었다. 실험 결과는 도 42에 도시되어 있다.
도 42a 및 도 42b의 결과는 측정 방향이 그루브들을 가로지르는 경우 저 변조 저 빈도 직사각형 격자 샘플이 관찰가능한 회절 색상을 거의 나타내지 않으며, 그루브들을 따라서 측정될 경우에는 회절 색상을 전혀 나타내지 않는다(그래프에 도시되지 않음)는 것을 나타내고 있다. 그루브들을 가로지르는 방향은 회절 효과 형성에 있어서 가장 선호되는 방향이다. 표준적인 1500 lines/mm 사인형(sinusoidal) 회절 격자는 이 방향에서 관찰되었을 시 매우 큰 색상 궤적을 보여준다(도 42a 및 42b, 2).
이 두 예들의 직각 정반사율 근방의 확산이 스펙트로미터 Datacolor SF600으로 측정되었다. %R의 실험적인 결과가 도 43 및 도 44에 도시되어 있는데, (1)은 그루브들을 따를 경우의 %R을 나타내며, (2)는 그루브들을 가로지를 경우의 %R을 나타낸다.
두 결과들은 저 변조 격자를 가진 호일(foil) 샘플이 은색과 같은 외관을 갖는다는 것을 나타낸다. 그루브들을 따라서 또는 그루브들을 가로질러서는 반사율 곡선 상에 어떠한 색상 피크도 나타나지 않았다. 반대로, 고 주파 호일 샘플은 입사광의 회절에 의해 생성된 반사율 피크를 갖는 것으로 나타난다.
요약하면, 만일 격자 빈도가 충분히 낮다면, 예컨대 200 lines/mm보다 작거나 바람직하게는 100 lines/mm보다 작다면, 사람의 눈에는 어떠한 회절 효과도 관찰되지 않지만, 이 격자는 격자 선들을 따른 정렬을 가능하게 한다. 바람직하게는 격자 깊이는 100 nm보다 작다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상술한 구현예들에서 설명된 이미지들에 사용된 박편들은 육각형 형상인데, 이는 이미지 내에서의 박편들의 더 큰 밀집도(packing density)를 가능하게 하며 또한 균일한 박편들을 제공한다. 특정 형상의 박편들의 제조에 대한 설명은 미국 공개특허 제20060035080호에 개시되어 있다.
본 발명에 따르면, 위조 또는 변조가 극히 어려우며 보안 장치 등으로서 효과적으로 이용할 수 있는, 인쇄가능한 프레스넬 구조를 포함하는 성형된 자기장에 인쇄된 동적 외관 변화 광학 장치가 제공된다.

Claims (36)

  1. 고리 또는 곡선을 정의하도록 제1패턴으로 기판 상에 배치된 복수개의 적어도 n 개(n > 1000)의 자기적으로 정렬가능한 제1박편들을 구비하는 이미지를 포함하며, 박편들은 기판에 대하여 동일한 제1각도로 기울어져 있는, 보안 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    박편들의 표면들로부터 연장된 평면들은 상호 교차하는 것을 특징으로 하는 보안 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    복수개의 자기적으로 정렬 가능한 제1박편들은 박편들의 복수개의 동심 고리들(concentric rings)을 정의하며, 박편들의 고리들은 원형 영역에 위치하고, 고리들을 정의하는 박편들은 최외측 고리로부터 최내측 고리로 감에 따라 기판에 대하여 증가하거나 감소하는 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 보안 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    제1패턴에 대응하는 패턴으로 기판 상에 배치된 복수개의 자기적으로 정렬가능한 제2박편들을 구비하며, 제2박편들은 기판에 대하여 동일한 제2각도로 기울어져 있고, 제2각도는 제1각도와 상이하며 복수개의 제2박편들의 표면들로부터 연장 된 평면들은 상호 교차하는 것을 특징으로 하는 보안 장치.
  5. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수개의 자기적으로 정렬 가능한 박편들은 전체 폐 영역을 통해 분포하고 사전 설정된 패턴으로 일정한 방향으로 향해져 있으며, 적어도 50% 이상의 박편들은 그들의 반사면들에 수직한 선들이 선을 따라 수렴하거나 점으로 수렴하도록 일정한 방향으로 향해져 있는 것을 특징으로 하는 보안 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    n 개의 패턴으로 기판 상에 배치된 n 개의 자기적으로 정렬가능한 박편들의 그룹들을 구비하고, n 개의 그룹들의 각 그룹 내의 박편들은 기판에 대하여 동일한 각도로 기울어져 있으며, 박편들의 n 개의 그룹들 각각은 기판에 대하여 상이한 각도로 기울어져 있고, 박편들의 n 개의 그룹들의 각 그룹의 평면들은 상호 교차하는 것을 특징으로 하는 보안 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    n > 10,000인 것을 특징으로 하는 보안 장치.
  8. 표면을 코팅하는 박편들의 영역을 갖는 기판을 구비하며, 박편들은 실질적으로 전 영역에 걸쳐 분포하며 사전 설정된 패턴으로 일정한 방향으로 향해져 있고, 박편들은 그들의 반사면들에 수직한 선들이 선을 따라 수렴하거나 점으로 수렴하도록 일정한 방향으로 향해져 있는, 이미지를 포함하는 물품.
  9. 전 영역에 걸쳐 분포하고 덮으며 사전 설정된 패턴으로 일정한 방향으로 향해진 박편들을 갖는 광학적 가상 이미지를 구비하며, 박편들은 반사면들을 갖고, 사전 설정된 패턴을 형성하는 박편들의 방향은 박편들의 반사면들에 수직한 선들이 선을 따라 수렴하거나 점으로 수렴하도록 하는 것이며, 사전 설정된 패턴은 회전축을 갖는, 라벨.
  10. 프레스넬 구조체 형태로 기판 상에 배치되고 자기적으로 정렬된 작은 판들의 복수개의 동심 고리들을 구비하는 광학 요소.
  11. 제10항에 있어서,
    프레스넬 구조체는 프레스넬 반사체인 것을 특징으로 하는 광학 요소.
  12. 프레스넬 오목 또는 볼록 형상 구조를 정의하는 패턴으로 일정한 방향으로 향해진 자기적으로 정렬 가능한 복수개의 박편들을 구비하는, 광학 요소.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 이미지는 프레스넬 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 보안 장치.
  14. 제3항에 있어서,
    상기 이미지는 수신 또는 반사 안테나의 일부를 형성하며, 박편들은 각각 흡수성 또는 반사성인 것을 특징으로 하는 보안 장치.
  15. 제3항에 있어서,
    박편들은 100 ㎛2 내지 1 mm2의 표면적을 가지며, 100 nm 내지 100 ㎛ 범위 내의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 보안 장치.
  16. 제3항에 있어서,
    자기적으로 정렬 가능한 박편들은 원형 영역 전체를 통해 존재하는 자기장에 따라 정렬되는 것을 특징으로 하는 보안 장치.
  17. 제3항에 있어서,
    박편들은 전체 원형 영역을 덮는 것을 특징으로 하는 보안 장치.
  18. 제3항에 있어서,
    박편들은 격자들을 가지며, 인간의 눈으로 관찰될 수 있는 회절 효과를 갖지 않도록 격자의 빈도 및 깊이는 낮으며, 격자들을 갖는 박편들은 각 격자의 선들을 따라 정렬되는 것을 특징으로 하는 보안 장치.
  19. 제3항에 있어서,
    박편들은 격자들을 가지며, 격자들의 빈도는 200 lines/mm보다 작고 격자의 깊이는 100 미크론보다 작은 것을 특징으로 하는 보안 장치.
  20. 제3항에 있어서,
    상기 이미지는 원뿔, 구, 반구 및 깔때기 중 하나의 이미지인 것을 특징으로 하는 보안 장치.
  21. 제3항에 있어서,
    상기 이미지는 프레스넬 구조 형태로 반사성 요소들의 인쇄된 어레이를 형성하는 것을 특징으로 하는 보안 장치.
  22. 제3항에 있어서,
    박편들은 형상에 있어서 균일한 것을 특징으로 하는 보안 장치.
  23. 제3항에 있어서,
    복수개의 박편들은 형상에 있어서 육각형인 것을 특징으로 하는 보안 장치.
  24. 제3항에 있어서,
    복수개의 박편들은 회절 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 보안 장치.
  25. 제12항에 있어서,
    프레스넬 구조는 구면 수차를 갖지 않는 것을 특징으로 하는 광학 요소.
  26. 기판과,
    상기 기판 상에 배치되며 폐쇄된 구간 내에 인쇄된 복수개의 박편을 포함하는 장치로서,
    상기 박편은 폐쇄된 구간 내에 환상형(toroidal)의 정렬부(805)를 형성하는 다수의 고리 또는 곡선을 정의하도록 정렬되며,
    각각의 고리 또는 곡선에서, 상기 박편은 상기 기판 및 평면에 대하여 동일한 각으로 경사져 있되, 상기 평면은 서로 교차하는 박편의 표면으로부터 연장되어 있으며,
    상기 장치는 단일 광원으로써 조사될 때 단일 링 또는 곡선의 가시 이미지를 제공하며, 상기 고리 또는 곡선은 3개의 광원이 상기 장치를 조사할 때 가시화(visible) 되는 것을 특징으로 하는 장치.
  27. 제 26항에 있어서,
    상기 장치는 인쇄된 광 탐지기인 것을 특징으로 하는 장치.
  28. 제26항에 있어서,
    다수의 상기 박편은 적어도 1,000개의 박편을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  29. 제26항에 있어서,
    다수의 상기 박편은 적어도 10,000 개의 박편을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  30. 제26항에 있어서,
    상기 박편의 환상의 오목한 정렬부는 환상의 포물선 형상의 반사기인 것을 특징으로 하는 장치.
  31. 제26항의 장치를 제조하는 제조방법으로서,
    상기 방법은 환상의 오목한 정렬부에 박편을 정렬시키도록 원환체(torus) 형상의 계(field)를 사용하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  32. 제31항에 있어서,
    원환체 형상의 계는 서로 다른 직경으로된 자성을 가진 2개의 동심 고리에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  33. 제31항에 있어서,
    내부에 분산된 박편을 구비한 잉크로써 기판을 인쇄하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  34. 제 26 항에 있어서,
    폐쇄된 구간 전체는 상기 박편으로써 인쇄되는 것을 특징으로 하는 장치.
  35. 제 26 항에 있어서,
    폐쇄된 구간은 부분적으로 상기 박편으로써 인쇄되는 것을 특징으로 하는 장치.
  36. 제 26 항에 있어서,
    상기 박편의 환상형 정렬부는 오목 형상 정렬부인 것을 특징으로 하는 장치.
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