Рельефные микроструктуры поверхности с оптическими эффектами и способ их получения
Изобретение относится к элементу, содержащему участок поверхности со специальной создающей оптический эффект рельефной микроструктурой поверхности. Рельефная микроструктура поверхности имеет возвышения и углубления, причем в первом поперечном направлении участка поверхности имеется в среднем по меньшей мере один переход от возвышения к углублению или наоборот на каждые 20 мкм и во втором поперечном направлении шаблона, которое перпендикулярно первому направлению, имеется в среднем по меньшей мере один переход от первой зоны ко второй зоне или наоборот на каждые 200 мкм. Микроструктура характеризуется тем, что в первом направлении поперечное расположение переходов является непериодическим, и тем, что возвышения в основном находятся на одном уровне верхних плато рельефа и углубления в основном находятся на одном уровне нижних плато рельефа. За счет эффектов рассеивания рельефные микроструктуры поверхности пригодны для показа изображений с резким переходом между негативным и позитивным изображениями и обеспечивают хорошо различимые и насыщенные цвета изображений, при этом отсутствуют радужные переливы цветов. 6 н. и 12 з.п. ф-лы, 39 ил., 1 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к оптическим устройствам, которые создают характерные цветовые впечатления и которые могут использоваться, например, для защиты документов и различных изделий от подделки и подлога.
В частности, изобретение относится к элементам, имеющим по меньшей мере один участок поверхности с создающей оптический эффект рельефной микроструктурой поверхности, и к способам изготовления таких элементов.
Уровень техники
В настоящее время использование оптических устройств для защиты от подделок и подлога, несанкционированных манипуляций и защиты продукции в целом является хорошо разработанным направлением.
Поскольку случаи подделок и мошенничества становятся все более частыми, то существует постоянная потребность в новых средствах борьбы с подделками. Долгое время предпочтительные технологии в этой области были связаны с использованием голограмм. Надо сказать, что этой технологии уже более 30 лет, и потому она хорошо известна и получила широкое распространение. Пленки с голограммами можно найти сейчас почти в каждом магазине подарков и сувениров. Сложившаяся ситуация представляет определенную опасность, поскольку многие люди имеют доступ к технологии изготовления голограмм. Доступность цифровых голографических принтеров еще более упрощает возможности использования технических средств изготовления мастер-матриц голограмм. Такие принтеры обеспечивают возможность изготовления самых разных типов голограмм, и при этом требуются лишь минимальные знания в области принтеров и в технологии голографии. На таком оборудовании можно получить мастер-матрицу, по которой можно затем изготовить металлическую рабочую матрицу для тиражирования голограмм в больших количествах на тонких пленках.
Таким образом, существует настоятельная необходимость в разработке новых технических средств защиты, принцип действия которых не был бы связан с голографическими устройствами. Примерами таких новых устройств являются устройства с изменяющимися оптическими свойствами. Такие устройства отличаются тем, что их вид изменяется при изменении угла наблюдения или освещения. Одной из разновидностей такого типа устройств являются устройства с цветовым сдвигом. Устройства с цветовым сдвигом изменяют свой цвет при изменении угла наблюдения или освещения. Наиболее известными устройствами с цветовым сдвигом являются холестерические или интерференционные пленки, в том числе оптические устройства, основанные на пластинках таких пленок. Они обнаруживают ярко выраженный сдвиг цвета при их поворотах и наклонах. Получающийся при этом эффект не имеет ничего общего с эффектом радужных переливов цветов, характерным для стандартных голографических устройств массового производства.
Использование эффектов цветового сдвига за счет интерференции света на тонких оптических пленках имеет давнюю традицию в технике современных тонкопленочных компонентов (см., напр., публикацию “Тонкопленочные оптические защитные устройства” в выпуске “Оптические средства защиты документов”, под ред. Р.Л.Ван-Ренессе, изд. “Artechouse”, Бостон, 1998 г.). Существуют самые разные композиции многослойных тонкопленочных систем. Например, при падении света под прямым углом возникает характерный спектр отраженного света. Спектры отраженного или пропускаемого света сдвигаются в область коротких волн по мере увеличения угла падения. Многослойные тонкопленочные системы, которые чаще всего являются сочетаниями слоев металлизации и диэлектрических материалов, также могут содержать только диэлектрики. В этом случае необходимо использовать тонкие пленки с разными показателями преломления.
Сегодня на рынке имеются защитные устройства, основанные на тонких интерференционных пленках или на пластинках таких пленок. Примеры таких устройств можно найти в патентах US 5084351 и US 6686042, принадлежащих компании Flex Products, Inc.
Еще одно направление представляют рассеивающие устройства. Использование эффектов рассеивания, имеющих изотропный или анизотропный характер, в устройствах со сдвигом цвета может существенно улучшить оптическую привлекательность таких устройств. Использование анизотропного рассеивания света особенно привлекательно для создания устройств, чувствительных к углу наблюдения. На фиг.1.1 и 1.2 иллюстрируется изотропное и анизотропное рассеивание света, соответственно.
Отражение на поверхности с изотропной структурой, такой как газетная бумага или многие поверхности предметов, используемых в домашнем хозяйстве, примерно одинаково по всем азимутальным направлениям. Как можно видеть на фиг.1.1, параллельный пучок 1 света, падающего на рассеивающую поверхность 2, отражается от нее по направлениям 3 с характерным симметричным распределением относительно аксиальной оси и характерным углом 4 расхождения.
Что же касается поверхностей с анизотропной структурой, то они отражают свет преимущественно по некоторым направлениям и подавляют его в других направлениях. На фиг.1.2 параллельный пучок 1 света, падающего на анизотропно рассеивающую поверхность 5, отражается от нее по направлениям 6 с характерным распределением 7 света, которое зависит от соответствующего азимутального угла 8, 8'.
Для воспроизведения информации может быть осуществлена определенная схема расположения отдельных элементов поверхности с анизотропным рассеиванием и с различными направлениями анизотропного рассеивания. Таким образом, соответствующие устройства могут содержать поверхность с определенной схемой анизотропного рассеивания, которая может воспроизводить образ, например текст, изображение или другие виды образов. Поскольку свет отражается или подавляется в определенном направлении в зависимости от ориентации конкретных элементов поверхности (пикселей), то будет видно изображение светлых и темных элементов. Кроме того, такие устройства обнаруживают четко выраженный переход от позитивного изображения к негативному при повороте или наклоне устройства. Такие устройства с определенной схемой расположения элементов поверхности могут быть изготовлены, например, следующим образом. Сначала получают растр нужного полутонового изображения, т.е. изображение разбивается на темные и светлые зоны с определенным разрешением. Затем темные зоны (пиксели) назначаются зонам с анизотропным рассеиванием по первому направлению, а светлые зоны назначаются зонам с анизотропным рассеиванием по другому направлению, например по направлению, перпендикулярному первому направлению. На фиг.2 приведен вид квадрата, содержащего 2×2 пикселя с определенными ориентациями. Пиксели 10 и 10' ориентированы в одном направлении, и пиксели 11 и 11' ориентированы в поперечном направлении. Устройство с таким расположением пикселей будет видно как позитивное изображение под первым углом наблюдения и будет видно как негативное изображение при повороте устройства на 90°.
Известный способ изготовления анизотропных рассеивающих пленок с определенным расположением участков с различной анизотропией описан в международной публикации WO 01/29148 компании Rolic AG, а также, например, в публикации “Оптические тонкие полимерные пленки с изотропными и анизотропными гофрированными нанорельефами поверхности”, Ибн-Эльхадж и др., “Nature”, 2001, том 410, стр.796-799. Для изготовления поверхностных структур использовалась так называемая технология рифления мономеров. Она основывается на фазовом разделении специальных смесей, нанесенных на подложку, которое индуцируется сшиванием, например, при облучении УФ-излучением. Последующее удаление несшитых компонентов приводит к формированию структуры с определенным рельефом поверхности. Может быть получен анизотропный рельеф путем ориентирования нижележащего ориентирующего слоя, а за счет использования ориентирующего слоя с упорядоченной структурой можно создать структурированный рельеф поверхности с анизотропным рассеиванием.
Как указывалось выше, интересной и желательной особенностью для многих приложений, в частности для применения в защитных устройствах, являются специальные цвета и эффекты сдвига цветов. В международной публикации WO 2006/007742 в единственном примере (Пример 5), в котором используется технология рифления мономеров, показано, что в принципе можно достичь таких глубин модуляции, которые достаточны для получения пастельных цветов видимой поверхности. Однако хотя средняя глубина модуляции поверхности и средняя величина его периодичности при рифлении мономеров могут регулироваться с использованием нескольких средств, нельзя обеспечить независимость двух параметров. Поэтому, и в связи с характерной формой углублений поверхности, получаемой при технологии рифления мономеров, насыщенность цветов, создаваемых получаемыми при этом рассеивающими поверхностями, ограничена. Более насыщенные цвета не могут быть получены с использованием соответствующих устройств, и это существенно для многих приложений.
В этой связи можно сослаться на публикацию US 2003/0072412 A1. В этом документе описывается оптическая структура поверхности, содержащая подложку с многослойной структурой, содержащей канавки, проходящие между выступающими площадками. Необходимо отметить, что структура, раскрытая в US 2003/0072412 A1, в принципе является периодической, поскольку специально указывается, что внутри каждого повторяющегося участка площадки располагаются случайным образом, однако при этом внутри повторяющихся участков используются одни и те же случайные комбинации. Таким образом, создается случайное распределение внутри одного повторяющегося участка, которое однако тождественным образом повторяется на каждом последующем участке. Таким образом, структура является периодической. Аналогичные структуры описываются в документе DE 102004003984 A1, а также в публикации US 2005/0094277 A1.
Аналогичные периодические структуры поверхности описаны в публикации US 2005/0219353 A1 в связи с просветляющими покрытиями. Хотя в тексте указывается случайное размещение выступающих оптических элементов, однако отсутствует какой-либо пример такого непериодического размещения. С другой стороны, описанные способы получения просветляющих структурированных покрытий совершенно очевидно не позволяют получить структуры с выступающими оптическими элементами, как показано в примерах, т.е. с постоянной глубиной модуляции.
В публикации US 2003/0011870 A1 раскрывается подложка со светоотражающей пленкой, в которой высоты выпуклых частей или глубины вогнутых частей, сформированных в основном материале, в основном одинаковы. Указывается, что двумерные формы выпуклых или вогнутых частей представляют собой не связанные друг с другом круги и/или многоугольники. Кроме того, выпуклые или вогнутые части размещаются в определенном направлении в плоскости в случайном порядке. Подложка формируется с использованием маски (шаблона), в которой прозрачные и непрозрачные части сформированы в группах точек, количество которых меньше количества зон точек. Точки размещаются неупорядоченно в каждой из групп, и используется множество таких групп.
В документе JP 2005-215642 описывается фотошаблон для изготовления рассеивающего отражателя с высокой интенсивностью рассеиваемого света и способ изготовления рассеивающего отражателя с использованием такого фотошаблона. В фотошаблоне имеется структурированная зона, причем отдельная структурированная зона размещена в матрице. Структурированная зона имеет прямоугольную светопропускающую часть в числах, размещенных в матрице, небольшую кольцевую светопропускающую часть в большом номере, размещенном регулярным или случайным образом, чтобы окружать каждую светопропускающую часть, и окружающую их экранирующую часть. Далее, светопропускающая часть окружена полосой, в которой отсутствует небольшая светопропускающая часть, причем ширина полосы находится в диапазоне 1-5 мм.
Раскрытие изобретения
В основу настоящего изобретения положена задача создания структур поверхности, которые сами по себе, без необходимости использования дополнительных элементов или слоев, обеспечивают (а) эффекты рассеивания, которые пригодны для показа изображений, а также быстрых переходов из позитивного в негативное изображение без радужных переливов цветов, и (б) четко различимые и насыщенные цвета.
Другой задачей настоящего изобретения является разработка способов получения таких структур поверхности.
Таким образом, одним объектом изобретения является элемент, имеющий по меньшей мере один участок поверхности с создающей оптический эффект рельефной микроструктурой поверхности, которая (микроструктура) имеет модуляцию поверхности, состоящую из переходов от возвышений к углублениям и от углублений к возвышениям, причем в одном (первом) поперечном направлении участка поверхности на каждые 20 мкм имеется (в среднем) по меньшей мере один переход от возвышения к углублению или наоборот и предпочтительно дополнительно во втором поперечном направлении участка поверхности, перпендикулярном первому направлению, на каждые 200 мкм имеется в среднем по меньшей мере один переход от возвышения к углублению или наоборот, отличающийся тем, что в (первом) направлении поперечное расположение переходов является непериодическим, и возвышения находятся в основном на одном уровне верхних плато рельефа, и все углубления находятся в основном на одном уровне нижних плато рельефа, так что глубина модуляции одинакова и та же по всему участку поверхности.
Для более полного понимания вышеприведенных формулировок и последующего рассмотрения необходимо дать некоторые определения.
Как это хорошо известно специалистам, периодической функцией является функция, значения которой повторяются через определенный период, прибавляемый к ее независимой переменной. В отличие от периодической функции для непериодической функции не может быть задан определенный период, после которого значения функции повторяются. Периодичность может быть определена с помощью различных способов, одним из которых являются корреляционные функции в одном или нескольких измерениях.
Также специалисту хорошо известно, что плато функции является частью ее области определения, в которой функция имеет постоянное значение. Поэтому в контексте настоящего изобретения верхнее плато рельефа и нижнее плато рельефа - это зоны, в которых функция, определяющая поверхность, имеет по существу постоянное значение в направлении, перпендикулярном плоскости подложки (вдоль направления Z). Необходимо отметить, что такие зоны и необязательно плавные или квазиплавные переходы, например переходы, имеющие синусоидальную форму, между возвышениями и углублениями структуры поверхности представляют собой отличительный признак.
Разница высот между уровнями этих двух плато сохраняется постоянной или по существу постоянной по всему участку поверхности, а именно изменения разницы высот между двумя плато по всей поверхности в направлении Z обычно меньше 20%, предпочтительно меньше 10% и более предпочтительно меньше 5%. Наличие таких плато и то обстоятельство, что разница высот между уровнями таких двух плато равна или по существу равна по всей площади, также могут быть выражены количественно с использованием функции качества, рассмотренной ниже.
Ось анизотропии - это направление, вдоль которого рельеф поверхности меняется меньше всего, и, как правило, это направление канавок или желобчатых структур рельефа поверхности.
Коэффициент заполнения рельефа определяется как отношение суммарной площади возвышений к общей площади всех возвышений и углублений.
Можно полагать, что признак (а) является одной из основных причин отсутствия радужного перелива цветов, в то время как признак (б) является основным фактором, определяющим высокую насыщенность цвета.
Для дополнительной характеристики предлагаемого в настоящем изобретении элемента вводится усредненная одномерная автокорреляционная функция АС(х) рельефной микроструктуры поверхности по меньшей мере в одном направлении, которое для анизотропного рельефа поверхности перпендикулярно оси анизотропии. Для автокорреляционной функции вводится длина автокорреляции, а именно такая величина сдвига переменной х, для которой огибающая автокорреляционной функции затухает до 10% значения АС при х=0. В контексте настоящего изобретения термин “является непериодической” обычно используется для условия, когда длина автокорреляции меньше трехкратного среднего поперечного расстояния между соседними переходами между возвышениями и углублениями.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения поперечное расположение переходов также является непериодическим во втором направлении, перпендикулярном первому направлению.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения элемент имеет упорядоченное множество участков с создающими оптический эффект рельефными микроструктурами поверхности. Структура расположения участков может представлять образ, такой как текст или изображение, или может быть частью образа, такого как текст или изображение. Образ может также содержать зоны без создающих оптические эффекты рельефных микроструктур поверхности. Соответственно, такие зоны не будут видны в насыщенных цветах, характерных для участков с рельефными микроструктурами поверхности.
Другим объектом изобретения являются защитные устройства, содержащие такие элементы.
Еще одним объектом изобретения является способ изготовления элемента, имеющего по меньшей мере один участок поверхности с создающей оптический эффект рельефной микроструктурой поверхности. В соответствии с таким способом сначала получают шаблон, на котором имеется микроструктура первых и вторых зон с различной прозрачностью, причем в одном (первом) поперечном направлении шаблона на каждые 20 мкм имеется (в среднем) по меньшей мере один переход от первой зоны ко второй зоне или наоборот и предпочтительно дополнительно во втором поперечном направлении шаблона, которое перпендикулярно первому направлению, на каждые 200 мкм имеется в среднем по меньшей мере один переход от первой зоны ко второй зоне или наоборот, и в одном (первом) направлении поперечное расположение переходов является непериодическим. Затем, используя полученный шаблон, получают рельефную микроструктуру на поверхности смолы или фоторезиста с возвышениями, соответствующими первым зонам шаблона, и углублениями, соответствующими вторым зонам шаблона. Таким образом, все возвышения будут находиться в основном на уровне верхних плато рельефа, и все углубления будут находиться в основном на уровне нижних плато рельефа, так что глубина модуляции будет в основном одинаковой по всей площади поверхности.
Итак, суть способа заключается в том, что используется микроструктура первых и вторых зон с различной прозрачностью, причем в одном (первом) поперечном направлении шаблона на каждые 20 мкм имеется (в среднем) по меньшей мере один переход от первой зоны ко второй зоне или наоборот и предпочтительно также во втором поперечном направлении шаблона, которое перпендикулярно первому направлению, на каждые 200 мкм имеется в среднем по меньшей мере один переход от первой зоны ко второй зоне или наоборот, и в первом направлении поперечное расположение переходов является непериодическим, как это, например, может быть легко получено средствами вышеупомянутой технологии рифления мономеров. Недостатки и ограничения такой технологии рифления мономеров преодолеваются в принципе за счет использования в такой микроструктуре двухмерной анизотропной топологической схемы и применения такой двухмерной топологической схемы в качестве “шаблона” для получения гораздо более четкого и различимого профиля в третьем направлении, т.е. в направлении, перпендикулярном плоскости микроструктуры. Такой четкий и различимый профиль означает, что возвышения получаемой в конечном счете структуры по существу находятся на уровне верхних плато рельефа, и углубления по существу находятся на уровне нижних плато рельефа.
В предельном случае это означает, что двухмерная анизотропная топологическая схема, которая в принципе представляет собой прорезь в такой микроструктуре, как это может быть, например, получено с использованием технологии рифления мономеров, проектируется в третьем измерении, так чтобы возникло верхнее плато с точно такой же двухмерной топологией и нижнее плато, представляющее собой негативное изображение этой двухмерной топологии, с вертикальными переходами между ними. Другие случаи, которые находятся в пределах объема настоящего изобретения, могут характеризоваться, например, определенным бимодальным распределением по третьему измерению, характеризуемым функцией М качества, рассмотренной ниже.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления предлагаемого в изобретении способа микроструктуру, содержащую первые и вторые зоны шаблона с различной прозрачностью, получают следующим образом. Сначала на слой материала шаблона наносят пленку с топологически структурированной рифленой поверхностью. Затем толщину пленки уменьшают, пока не будет удален материал пленки в нижних зонах рифленой поверхности и не появятся части нижележащего материала шаблона. После этого удаляют появившиеся части шаблона.
Изобретение также относится к предпочтительным применениям вышеописанных элементов. Предпочтительно такие элементы используются в качестве защитных элементов в защитных устройствах. Защитные устройства могут быть нанесены на защищаемые документы или введены в их состав.
Защищаемыми документами могут быть, например, банкноты, паспорта, водительские удостоверения, акции, облигации, купоны, чеки, кредитные карточки, свидетельства, билеты и т.п. Защитные устройства также могут наноситься на или внедряться в клейма или устройства защиты продукции, или в средства упаковки, такие как оберточная бумага, упаковочные коробки, конверты и т.п. Предпочтительно защитное устройство может иметь, например, форму ярлыка, защитной полосы, этикетки, волокна, нити, слоистой структуры или накладки.
Важным аспектом настоящего изобретения является то обстоятельство, что создающие оптические эффекты рельефные микроструктуры поверхности могут быть воспроизведены с помощью соответствующих технических средств тиражирования, поскольку соответствующий оптический эффект определяется переходами между возвышениями и углублениями рельефных микроструктур поверхности. Поэтому можно использовать стандартные технические средства тиражирования для массового производства таких устройств, причем после изготовления мастер-матрицы стоимость тиражирования будет вполне адекватной. Сегодня существуют две самых распространенные и экономичные технологии тиражирования - это тиснение с использованием УФ-излучения и горячее тиснение (см., например, публикацию М.Т.Гейла: “Технологии тиражирования дифракционных оптических элементов”, “Microelectronic Engineering”, том 34, стр.321, 1997).
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения создающую оптический эффект рельефную микроструктуру поверхности получают из одного материала, однако для получения насыщенного цвета отраженного света, рельефной микроструктуры поверхности в соответствии с изобретением обычно покрывают отражающим материалом, таким как, например, алюминий, золото, хром, медь.
В частности, для применения в защитных устройствах рельефные микроструктуры поверхности должны герметизироваться для защиты устройств от механических воздействий, загрязнений, а также для предотвращения возможности несанкционированного и незаконного изготовления точных копий таких устройств. В качестве подходящих защитных и пассивирующих пленок используются пленки из прозрачных диэлектрических материалов или материалов с определенными свойствами поглощения, которые могут дополнительно улучшить вид устройства в цвете.
Предлагаемые в изобретении элементы также могут содержать изображения высокого разрешения, графические элементы, микротекст и другие аналогичные признаки. Цвет изображения обычно зависит от угла наблюдения, и изображение может становиться бесцветным при больших углах наблюдения. Можно изменять характеристики рассеивания пикселей изображения, так чтобы рассеивание происходило преимущественно в определенных направлениях. Если пиксели с такими характеристиками изготовлены и размещены соответствующим образом, то имеет место четко выраженный быстрый переход позитив/негатив при наклонах или поворотах устройствах.
Кроме того, может быть получен широкий диапазон цветов, например при увеличении глубины модуляции могут быть получены следующие цвета: желтый, оранжевый, розовый, фиолетовый, голубой и зеленый. Для структур с большей глубиной могут появиться цвета более высоких порядков.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение описывается со ссылками на прилагаемые чертежи. Необходимо отметить, что различные конструктивные признаки необязательно изображены в масштабе. На чертежах показано:
на фиг.1.1 - иллюстрация отражения света на поверхности с изотропной структурой;
на фиг.1.2 - иллюстрация, аналогичная фиг.1.2, однако на ней изображается распределение отраженного света после отражения на поверхности с анизотропной структурой;
на фиг.2 - схематический вид пикселей с различными направлениями анизотропии;
на фиг.3 - вид в перспективе рельефных микроструктур поверхности в соответствии с изобретением (фотография, сделанная с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ));
на фиг.4.1, 4.2 и 4.3 - схематические виды возможных вариантов анизотропных рельефных микроструктур поверхности;
на фиг.5.1 - АСМ-изображение известной голографической микроструктуры поверхности;
на фиг.5.2 - вид двухмерной автокорреляционной функции АСМ-изображения фиг.5.1;
на фиг.5.3 - вид усредненной одномерной автокорреляционной функции АСМ-изображения фиг.5.1 (по горизонтали перпендикулярно оси анизотропии);
на фиг.6.1 - АСМ-изображение анизотропной рельефной микроструктуры поверхности в соответствии с изобретением;
на фиг.6.2 - вид двухмерной автокорреляционной функции АСМ-изображения фиг.6.1;
на фиг.6.3 - вид усредненной одномерной автокорреляционной функции АСМ-изображения фиг.6.1 (по горизонтали перпендикулярно оси анизотропии);
на фиг.7 - АСМ-изображение микроструктуры, показанной на фиг.3;
на фиг.7.2 - гистограмма высот рельефа микроструктуры, показанной на фиг.3 и фиг.7.1;
на фиг.8.1-8.2 - иллюстрации получения шаблона, который подходит для предлагаемого в изобретении способа изготовления элементов с рельефными микроструктурами поверхности;
на фиг.9.1-9.3 - иллюстрации использования фотошаблона, показанного на фиг.8.5, в процессе контактной фотолитографии для изготовления предлагаемого в изобретении элемента, на котором имеется участок поверхности с создающими оптический эффект рельефными микроструктурами поверхности;
на фиг.10.1-10.4 - иллюстрации другого процесса фотолитографии для изготовления предлагаемого в изобретении элемента;
на фиг.11.1 и 11.2 - иллюстрации еще одного процесса изготовления предлагаемого в изобретении элемента с использованием травления непосредственно через металлический шаблон;
на фиг.12.1-12.4 - схема способа изготовления элемента с двумя участками поверхности, содержащими различные рельефные микроструктуры поверхности;
на фиг.13.1 и 13.2 - иллюстрации примеров рельефных микроструктур поверхности в соответствии с изобретением, которые являются отражающими или частично отражающими;
на фиг.14.1 и 14.2 - виды спектров зеркального и незеркального отражения предлагаемого в изобретении отражающего элемента с микроструктурами в диапазоне зеленого цвета;
на фиг.15.1 и 15.2 - виды спектров зеркального и незеркального отражения предлагаемого в изобретении отражающего элемента с микроструктурами в диапазоне оранжевого цвета.
Варианты осуществления изобретения
Пример предлагаемой в изобретении рельефной микроструктуры 12 поверхности показан на фиг.3, на котором можно видеть вид в перспективе изображения размерами 12×12 мкм, полученного на атомно-силовом микроскопе (АСМ). Микроструктура была изготовлена в соответствии со способом, описание которого будет приведено ниже.
Модуляция поверхности создает переходы от возвышений 13 к углублениям 14. Ширина возвышений 13 и углублений 14, а значит и плато, как правило, находится в диапазоне примерно от 200 нм до 20 мкм. Можно сделать так, и для многих приложений это является обязательным требованием, чтобы рельефная микроструктура поверхности была анизотропной. Такая анизотропная микроструктура показана, например, на фиг.3. Микроструктура характеризуется углублениями, имеющими форму канавок, которые проходят примерно вдоль оси Y, так что ось анизотропии рельефа параллельна оси Y. Для анизотропных рельефов поперечные размеры возвышений и углублений рельефных микроструктур поверхности в соответствии с изобретением могут быть определены исходя из того, что между углублением и возвышением или наоборот имеется в среднем по меньшей мере один переход на каждые 20 мкм в первом поперечном направлении, а во втором поперечном направлении участка поверхности, которое перпендикулярно первому направлению, между возвышением и углублением или наоборот имеется в среднем по меньшей мере один переход на каждые 200 мкм.
На фиг.3 первое направление соответствует направлению, перпендикулярному канавкам, а второе направление соответствует направлению вдоль канавок. Таким образом, в указанном втором направлении переходы между канавками могут находиться на гораздо больших расстояниях, или даже такие переходы вообще могут отсутствовать на протяжении всей микроструктуры.
Рельефная микроструктура поверхности может формировать отражающую поверхность. Отражающая поверхность может быть выполнена, например, из тонкой пленки металла, такого как, например, алюминий или хром, покрывающей микроструктуру. В альтернативном варианте отражение может быть получено на переходе к материалу с другим показателем преломления. Поверхность микроструктуры может находиться в контакте с воздухом или же может быть покрыта диэлектрическим материалом. Покрытие может также быть поглощающим для определенных цветов для улучшения вида устройства в цвете.
В предпочтительных вариантах рельефных микроструктур поверхности в соответствии с изобретением среднее поперечное расстояние между соседними переходами от возвышения к углублению или наоборот в первом поперечном направлении участка поверхности находится в диапазоне от 0,5 до 10 мкм. Предпочтительно среднее поперечное расстояние находится в диапазоне от 0,5 до 5 мкм. Во втором поперечном направлении, перпендикулярном первому поперечному направлению, среднее расстояние между переходами от возвышения к углублению предпочтительно не превышает 100 мкм и более предпочтительно не превышает 50 мкм.
Глубина оптической модуляции предпочтительно находится в диапазоне от 100 до 1000 нм и более предпочтительно в диапазоне от 100 до 500 нм. В контексте настоящего изобретения глубина оптической модуляции поверхности равна произведению механической глубины модуляции рельефа на показатель преломления материала, заполняющего модуляцию поверхности.
Рельефные микроструктуры поверхности в соответствии с изобретением характеризуются очень специфическими модуляциями поверхности.
Во-первых, расположение в поперечном направлении переходов от возвышений к углублениям и от углублений к возвышениям носит непериодический характер. В этом заключается особенное отличие предлагаемых микроструктур, например, от оптических решеток и голографических структур поверхности.
Во-вторых, все возвышения находятся в основном на одном уровне верхних плато рельефа, и все углубления находятся в основном на одном уровне нижних плато рельефа, так что глубина модуляции рельефа практически одна и та же по всей площади поверхности. Уровни верхних и нижних плато рельефа показаны на передней части фиг.3 пунктирными линиями 15 и 16. В приведенном примере глубина модуляции рельефа (или расстояние между верхними и нижними плато) равна примерно 290 нм. Эта вторая характеристика, которую можно назвать “двоичным” рельефом, в особенности отличает предложенные в изобретении микроструктуры от микроструктур, основанных на технологии рифления мономеров, упомянутой в начале описания.
Специалистам хорошо известно, что существуют самые разнообразные природные и искусственные поверхности с различными характеристиками изотропного и анизотропного рассеивания. Известными примерами изотропно рассеивающих поверхностей являются матовые стекла, используемые, например, в системах освещения. Такие рассеивающие стекла пропускают или отражают свет равномерно по всем азимутальным направлениям рассеивания.
Оптические устройства, действие которых основывается на анизотропных структурах рельефа поверхности, рассеивают или отклоняют свет преимущественно по некоторым определенным азимутальным направлениям. Одномерные рассеивающие линзы принадлежат к этому классу оптических устройств. Рельеф z(x, y) их поверхности зависит только от одной поперечной координаты, например координаты X. Таким образом, ось анизотропии рельефа поверхности параллельна другой поперечной координате, например координате Y. Свет, распространяющийся в плоскости Z-X, будет рассеиваться в этой плоскости. Другие примеры оптических устройств с анизотропным рассеиванием описаны в уже упоминавшихся документах WO 01/29148 и WO 2006/007742. На поверхности таких устройств с анизотропным рассеиванием имеются канавки или другие элементы рельефа, которые имеют анизотропный характер и рассеивают свет преимущественно перпендикулярно длинным тонким канавкам или оси других элементов рельефа.
Большая часть изотропных и анизотропных рассеивателей предназначена для использования в системах освещения с целью обеспечения высокой степени ахроматизма. Они отличаются от предлагаемых в настоящем изобретении создающих оптические эффекты устройств, которые видны в цвете и основаны на рассеивании и интерференции на двух уровнях рассеивания рельефа.
Анизотропия рельефа поверхности позволяет повысить яркость устройства и создавать яркие визуальные эффекты, такие как, например, резкие переходы негатив/позитив или движущиеся графические элементы, зависящие от угла наблюдения или освещения.
Примеры возможных схем анизотропных рельефов поверхности, которые являются схематическими иллюстрациями микроструктур рельефов в соответствии с изобретением, приведены на фиг.4.1, 4.2 и 4.3. На каждой из указанных фигур показаны по два анизотропных пикселя рельефа поверхности 20/20', 21/21' и 22/22', соответственно, оси анизотропии которых повернуты на 90° относительно друг друга. Ось анизотропии направлена по вертикали для левого пикселя и горизонтально для правого пикселя. Элементы анизотропного рельефа, показанного на фиг.4.1, представляют собой вытянутые прямоугольные канавки 23. Элементы анизотропного рельефа, показанного на фиг.4.2, представляют собой прямоугольные возвышения 24 со скругленными углами. Элементы анизотропного рельефа, показанного на фиг.4.3, представляют собой вытянутые линейные канавки 25. Визуально воспринимаемый свет рассеивается или отклоняется преимущественно на тонких канавках или возвышениях. Другие схемы анизотропных рельефов поверхности в соответствии с изобретением можно найти в нижеприведенных примерах.
Для дальнейшего описания структур такого типа в настоящем описании вводится величина “характеристическое отношение рельефа поверхности” (ХОРП), которая определяется как среднее отношение длины к ширине элементов анизотропного рельефа поверхности. ХОРП в значительной степени определяет характер рассеивания света по различным азимутальным направлениям на микроструктуре рельефа поверхности. Для ХОРП=1, что соответствует элементам рельефа поверхности, средние размеры которых одинаковы по меньшей мере по двум поперечным направлениям, характеристики рассеивания для падающего света почти не зависят от угла азимута падения света. Поэтому интенсивность света, отраженного рельефными микроструктурами поверхности с ХОРП=1, почти не изменяется при повороте элемента, содержащего такие рельефные микроструктуры поверхности, вокруг оси, перпендикулярной поверхности элемента.
Для анизотропных структур рельефа, т.е. ХОРП>1, интенсивность отраженного света зависит от азимутального угла падающего света. Для того чтобы можно было уловить визуальные отличия для разных азимутальных углов падения света, ХОРП должен превышать 1,1. Для повышения видимого контраста изображений, полученных на элементах структур рельефа поверхности с различными осями анизотропии, предпочтительными являются величины ХОРП, превышающие 2. Более предпочтительными являются величины ХОРП, превышающие 5.
Для очень больших величин ХОРП диапазон азимутальных углов, в котором рассеивается значительная часть света, становится меньше, в результате чего становится труднее воспринимать свет, отраженный от изображения, выполненного на элементах рельефа поверхности. Поэтому целью настоящего изобретения является обеспечение параметра, который может использоваться для разработки структур рельефа поверхности, так чтобы оптимизировать характеристики света, отраженного от их поверхности, в части контрастности и диапазона азимутальных углов видимости. Поэтому в предпочтительном варианте осуществления изобретения величина ХОРП не превышает 50, и более предпочтительно величина ХОРП не превышает 20.
Более того, было обнаружено, что предпочтительные варианты рельефных микроструктур поверхности в соответствии с изобретением могут быть охарактеризованы геометрически с использованием выбранных соответствующим образом характеристик глубины и поперечных размеров рельефа поверхности. Эти характеристики будет описаны ниже. Они могут быть определены для любой реальной поверхности, предпочтительно на основе АСМ-изображений.
Одна такая характеристикой связана с тем обстоятельством, что рельеф поверхности в значительной степени является некоррелированным и, таким образом, характеризуется малой длиной автокорреляционной функции.
Полезным параметром для характеристики непериодических и недетерминированных профилей поверхности является автокорреляционная функция и соответствующая длина автокорреляционной функции. Одномерная или двухмерная автокорреляционная функция профиля поверхности может пониматься как мера предсказуемости профиля поверхности для двух точек, разнесенных в плоскости на расстояние х.
Автокорреляционная функция AC(x) функции P(x), такой как профиль рельефной микроструктуры поверхности, определяется следующим образом:
Можно узнать более подробно об автокорреляционной функции и соответствующих проблемах программирования, например, в публикации “Численные методы в Си: техника научных вычислений”, Уильям X. Пресс, Саул А. Теколски, Уильям Т. Веттерлинг, Брайен П. Фланнери; Кембридж, Нью-Йорк: изд. “Cambridge University Press”, 1992. Применение автокорреляционной функции для распознавания образов при обработке изображений рассматривается, например, в публикации “Цифровая обработка изображений”, Уильям К. Пратт, Нью-Йорк, изд. “Wiley”, 2001.
Для непериодических или недетерминированных профилей поверхности автокорреляционная функция быстро затухает при увеличении x. С другой стороны, для детерминированных профилей поверхности, например для дифракционной решетки, автокорреляционная функция не затухает. Однако в случае дифракционной решетки автокорреляционная функция модулируется периодической функцией. Для почти регулярной дифракционной решетки огибающая ее автокорреляционной функции также затухает при увеличении х.
С помощью одномерной автокорреляционной функции может быть определено единое характеристическое число, длина L автокорреляции. Это сдвиг, для которого огибающая автокорреляционной функции затухает до определенного порогового значения. Было найдено, что для целей настоящего изобретения подходит пороговое значение, равное 10% от AC(x=0).
Для того чтобы задать длину L автокорреляции, определяется еще один параметр: среднее расстояние Р между канавками. Длина автокорреляции для микроструктур в соответствии с настоящим изобретением должна быть меньше, чем некоторая величина в единицах Р.
Таким образом, предпочтительные варианты рельефных микроструктур поверхности в соответствии с изобретением характеризуются тем, что рельеф поверхности по меньшей мере в одном направлении, которое для анизотропных модуляций поверхности является направлением, перпендикулярным оси анизотропии, имеет усредненную автокорреляционную функцию AC(x) с огибающей, которая затухает до уровня 10% от значения AC для x=0 в пределах некоторой длины автокорреляции, которая меньше трехкратного среднего расстояния в поперечном направлении между соседними переходами между возвышениями и углублениями.
Более предпочтительными являются рельефные микроструктуры поверхности, для которых длина автокорреляции меньше двухкратного среднего расстояния в поперечном направлении между соседними переходами между возвышениями и углублениями. Еще более предпочтительными являются рельефные микроструктуры поверхности, для которых длина автокорреляции меньше среднего расстояния в поперечном направлении между соседними переходами между возвышениями и углублениями.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения длина L автокорреляции превышает одну сотую величины среднего расстояния в поперечном направлении между соседними переходами между возвышениями и углублениями.
Для микроструктур анизотропно рассеивающего рельефа поверхности в соответствии с изобретением ось анизотропии может быть определена, например, на основе соответствующего АСМ-изображения или полученной на ее основе автокорреляционной функции. Затем необходимо вычислить одномерную автокорреляционную функцию по линиям, перпендикулярным оси анизотропии, и после этого произвести усреднение для получения усредненной одномерной автокорреляционной функции. Для этой усредненной одномерной автокорреляционной функции определяется ее огибающая и длина L автокорреляции.
Вышеописанное определение геометрических характеристик рельефных микроструктур поверхности иллюстрируется на следующих двух примерах. Первый пример относится к микроструктуре рельефа поверхности для поверхностной голограммы, хорошо известной в технике; ее соответствующее АСМ-изображение и автокорреляционные функции приведены на фиг.5.1, 5.2 и 5.3. Второй пример относится к микроструктуре рельефа поверхности в соответствии с изобретением; ее соответствующее АСМ-изображение и автокорреляционные функции приведены на фиг.6.1, 6.2 и 6.3.
На фиг.5.1 приведено АСМ-изображение рельефной микроструктуры поверхности для поверхностной голограммы (размеры участка поверхности - 15 × 15 мкм). На фиг.5.2 приведен вид двухмерной автокорреляционной функции для АСМ-изображения фиг.5.1. Очевидно, что видимая картина дифракционной решетки с нарушениями на АСМ-изображении коррелируется на всей площади изображения и по всем направлениям. Ось анизотропии может быть определена по АСМ-изображению или по двухмерной автокорреляционной функции.
Усредненная одномерная автокорреляционная функция (горизонтальное направление), вычисляемая по линиям, перпендикулярным оси анизотропии, приведена на фиг.5.3. Огибающая автокорреляционной функции 30 обозначена на фиг.5.3 пунктирной линией 31. Видно, что на протяжении семи расстояний в поперечном направлении между канавками (пики автокорреляционной функции), показанных на фиг.5.3, огибающая не опускается ниже уровня 10% от значения автокорреляционной функции для нулевого сдвига. Таким образом, длина автокорреляции, определяемая затуханием огибающей до уровня 10%, для поверхностной голограммы, показанной на фиг.5.1, значительно превышает семь расстояний в поперечном направлении между канавками.
На фиг.6.1 приведено АСМ-изображение рельефной микроструктуры поверхности в соответствии с изобретением (размеры участка поверхности - 15 × 15 мкм), и на фиг.6.2 приведен вид соответствующей двухмерной автокорреляционной функции. Быстрое затухание автокорреляционной функции в центре фиг.6.2 позволяет сделать вывод о том, что корреляция микроструктуры в соответствии с изобретением очень низка.
На АСМ-изображении, приведенном на фиг.6.1, видно, что углубления рельефной микроструктуры в соответствии с изобретением имеют форму канавок, которые проходят в вертикальном направлении. Таким образом, ось анизотропии вертикальна.
На фиг.6.3 кривая 34 представляет усредненную одномерную автокорреляционную функцию (в горизонтальном направлении) рельефной микроструктуры поверхности фиг.6.1, вычисленной по линиям, перпендикулярным оси анизотропии. В отличие от микроструктуры, описанной в предыдущем примере, одномерная автокорреляционная функция в данном случае резко падает, и ее огибающая практически совпадает с самой функцией. Таким образом, огибающая быстро падает ниже 10%, и соответствующая длина L автокорреляции не превышает одного поперечного расстояния между канавками.
Другой особенностью рельефных микроструктур поверхности в соответствии с изобретением является наличие двух четко выраженных уровней плато рельефа поверхности. Их качество может быть выражено в количественной форме для предпочтительных вариантов осуществления изобретения на основе гистограммы высот (или глубин) рельефа поверхности.
В идеале предлагаемый в настоящем изобретении элемент должен быть системой строго с двумя уровнями высот, которая состоит из плоских возвышений и углублений, находящихся на определенном расстоянии друг от друга. Свет, рассеиваемый на таком оптическом элементе, будет состоять из двух типов пучков лучей рассеянного света: света, рассеянного на возвышениях, и света, рассеянного на углублениях. Между двумя пучками лучей света будет происходить интерференция, создающая цветовые эффекты.
Однако в действительности в результате производственных процессов возникают требуемые и нежелательные нерегулярности и, таким образом, возвышения и углубления, а также и расстояния между ними несколько нарушаются. Поэтому гистограмма высот на рельефной микроструктуре поверхности может быть хорошим статистическим инструментом, характеризующим рельеф поверхности и проявляющим необходимые плато. Гистограмма может быть получена, например, из соответствующих АСМ-изображений. Многие современные программные средства, предназначенные для выполнения математических вычисления и обработки изображений, содержат необходимую математическую функцию.
Поскольку рельефные микроструктуры поверхности в соответствии с изобретением сохраняют два четко выраженных плато рельефа, то на гистограмме должны появиться два четко выраженных пика. Это иллюстрируется на фиг.7.1 и 7.2.
На фиг.7.1 приведено АСМ-изображение микроструктуры в соответствии с изобретением, уже показанной на фиг.3, и на фиг.7.2 приведена соответствующая гистограмма. На ней хорошо видны два четко выраженных пика.
Для количественной оценки другой характеристики рельефных микроструктур поверхности вводится коэффициент заполнения рельефа. В контексте настоящего изобретения коэффициент заполнения рельефа определяется как отношение суммарной площади возвышений к общей площади всех возвышений и углублений. Для получения хороших и отличных оптических характеристик предпочтительно, чтобы возвышения и углубления имели одинаковые общие площади. Иными словами, возвышения и углубления должны уравновешивать друг друга, что означает, что коэффициент заполнения должен быть близок к 0,5. Это соответствует гистограмме с двумя пиками одинакового размера. Для микроструктуры, показанной на фиг.7.1, имеется небольшая асимметрия гистограммы, приведенной на фиг.7.2; общая площадь углублений несколько меньше общей площади возвышений.
В общем случае, коэффициент заполнения рельефа для рельефных микроструктур поверхности в соответствии с изобретением может находиться в достаточно широком диапазоне. Предпочтительно коэффициент заполнения рельефа находится между 0,05 и 0,95 и более предпочтительно между 0,2 и 0,8.
Наиболее предпочтительно коэффициент заполнения рельефа находится между 0,3 и 0,7 или между 0,4 и 0,6.
Далее, для характеристики четко выраженных плато рельефа поверхности может быть полезной функция качества, вычисленная на основе гистограммы высот. Возможная функции М качества имеет следующий вид: d
В функции M качества используется зависимость ширины пиков и глубины модуляции рельефа. Диапазон отклонений возвышений и углублений от уровней их плато лежит в некоторой заданной части глубины модуляции рельефа. Δx1 и Δx2 - ширины двух пиков гистограммы, измеренные на уровне 1/е от полной высоты пиков, где е - основание натуральных логарифмов (е≈2,72), и d - расстояние между двумя пиками, соответствующее среднему расстоянию по высоте между плато возвышений и углублений или глубине рельефа. Δx1 и Δx2 и d показаны на фиг.7.2.
Обычно для оценки такой гистограммы высот выбирается ширина выборки в третьем измерении, которая меньше величины d по меньшей мере в 50 раз, предпочтительно по меньшей мере в 100 раз.
Для предпочтительных вариантов рельефных микроструктур поверхности в соответствии с изобретением функция М качества больше 2. Более предпочтительно функция М больше 3,5.
Например, микроструктура фиг.7.1 и 7.2 имеет функцию М качества, равную примерно 4,0.
Кроме того, настоящее изобретение относится к способу изготовления элементов с вышеописанными рельефными микроструктурами поверхности.
В общем случае, способ содержит две основные стадии. На первой стадии получают шаблон с микроструктурой, имеющей первую и вторую зоны различной прозрачности, причем по меньшей мере в одном поперечном направлении шаблона на каждые 20 мкм имеется по меньшей мере один переход от первой зоны ко второй зоне или наоборот, и поперечное расположение переходов является непериодическим.
На второй стадии с помощью шаблона на поверхности смолы или фоторезиста получают микроструктуры, в которых возвышения соответствуют первым зонам шаблона и углубления соответствуют вторым зонам шаблона, причем возвышения находятся в основном на уровне верхних плато рельефа, и углубления находятся в основном на уровне нижних плато рельефа, так чтобы глубина модуляции рельефа была практически одинаковой по всей площади поверхности.
Как правило, в качестве шаблона используется металлический шаблон, который может использоваться в процессе экспонирования структуры, таком как, например, процесс фотолитографии или травления.
Обычно, один тип первой и второй зон шаблона является полностью прозрачным, например отверстие в шаблоне, а другой тип непрозрачен, например, выполнен из непрозрачного материала металлического шаблона. Однако специалистам известно, что в зависимости от конкретного процесса экспонирования может также использоваться шаблон с зонами различной прозрачности (например, полутоновый шаблон).
Расположение более прозрачных и менее прозрачных зон фотошаблона будет изотропным в случае изготовления микроструктур изотропного рельефа поверхности и анизотропным в случае изготовления микроструктур анизотропного рельефа поверхности.
В предпочтительном варианте осуществления способа изготовления шаблона на первой стадии описанного способа для использования микроструктуры первой и второй зон различной прозрачности получают с использованием технологий, которые известны в технике изготовления топологически упорядоченных рифленых структур поверхности.
Одна такая технология основана на разделении фаз и сшивании смеси сшиваемых и несшиваемых материалов. Топологически упорядоченная рифленая структура поверхности может быть получена приготовлением смеси по меньшей мере двух материалов, из которых по меньшей мере один материал является сшиваемым, а по меньшей мере один другой материал - несшиваемым, нанесением смеси на подложку, сшиванием по меньшей мере значительной части сшиваемого материала и удалением по меньшей мере значительной части несшиваемого материала. Для микроструктур, которые должны быть анизотропными, сшиваемый материал может поддерживаться в процессе сшивания в ориентированном состоянии, например, с помощью нижележащего ориентирующего слоя или ориентирующей поверхности подложки.
Более конкретно, топологически упорядоченная рифленая структура поверхности, пригодная для изготовления подходящего шаблона, может быть получена следующим образом. На первой стадии на подходящую подложку наносится тонкая фотоориентирующая пленка. С помощью линейно поляризованного УФ-излучения, например, используя один или несколько фотошаблонов и повторные экспонирования (или один процесс экспонирования с фотошаблонами или поляризационными шаблонами, обеспечивающими структурированное облучение на одной стадии, или лазерное сканирование и др.), скрытая структура или изображение записывается на эту тонкую фотоориентирующую пленку. Более подробное описание этой технологии фотоориентирования можно найти, например, в патенте US 5389698. Экспонированный фотополимер обладает способностью ориентировать смеси жидких кристаллов и сшиваемые жидкокристаллические форполимеры. На второй стадии ориентирующий структурированный слой покрывается смесью сшиваемого и несшиваемого жидкокристаллических материалов. Затем эта смесь жидкокристаллических материалов сшивается, предпочтительно путем экспонирования фотохимически активным излучением (УФ-излучением). При этом происходит разделение фаз и сшивание жидкокристаллического форполимера. Затем несшиваемый материал удаляют, например, с помощью соответствующего растворителя, в результате чего получают рифленую пленку с анизотропной структурой поверхности. Основные принципы изготовления и оптические свойства тонких пленок с микрорифлением описываются, например, в международных публикациях WO 01/29148 и WO 2004/027500. Содержание указанных документов WO 01/29148 и WO 2004/027500 явным образом включается в описание в части изготовления таких рифленых тонких пленок с анизотропной структурой поверхности.
Пленки с топологически упорядоченными рифлеными структурами поверхности, полученные, например, с помощью описанного способа, могут быть использованы для изготовления микроструктуры шаблона, содержащей первые и вторые зоны различной прозрачности. Для этого такую пленку наносят на слой материала шаблона, например хрома. Затем толщину пленки уменьшают, например, с помощью плазменного травления, пока не будет удален материал пленки в нижних зонах рифленой поверхности и не появятся части нижележащего материала шаблона. После этого появившиеся части шаблона удаляют, например, с помощью влажного травления.
Также могут использоваться и другие технологии для изготовления шаблона, используемого в предлагаемом в изобретении способе для изготовления элементов с рельефными микроструктурами поверхности.
В альтернативных вариантах вышеописанного способа изготовления тонкой пленки с микрорифлением могут использоваться и другие известные технологии получения микро- и наноструктур. Например, может использоваться технология самоорганизации в сополимерах или выпотевание.
Возможно также использование устройства записи электронным лучом. Диаметр луча таких устройств позволяет получать очень узкие зоны экспонирования фоторезиста, и позиционирование может быть выполнено с точностью до нанометров.
Кроме того, электролитическое травление металлов или полупроводников, таких как алюминий или кремний, также позволяет получить пористые микро- и наноструктуры поверхностей.
Ниже приводятся некоторые примеры, дополнительно иллюстрирующие изобретение.
Во всех примерах используется металлический шаблон с микроструктурой, состоящей из первых и вторых зон, имеющих разную прозрачность. Такой шаблон получают по технологии фотолитографии или сухого травления.
Пример 1
На фиг.8.1-8.2 - иллюстрируется процесс получения шаблона с микроструктурой, содержащей первые и вторые зоны, имеющие различную прозрачность, который подходит для предлагаемого в изобретении способа изготовления элементов с рельефными микроструктурами поверхности.
В качестве подложки используется стеклянная или пластмассовая пластина 41, покрытая слоем 42 металлизации. Для слоя металлизации предпочтительно используются такие металлы, как алюминий, хром или аналогичные металлы, с толщиной покрытия 10-50 нм.
На слой 42 металлизации наносится пленка 43 с топологически упорядоченными рифлеными структурами поверхности (фиг.8.2). Пленку 43 получают в соответствии со способом, описанным выше и раскрытым в документах WO 01/29148 и WO 2004/027500. Микроструктуры могут быть изотропными или анизотропными в разных зонах пленки. Используя упорядоченные ориентирующие структуры, можно записать изображения, графические композиции, микротекст и аналогичные объекты на рифленой поверхности пленки.
Затем пленка 43 подвергается плазменному травлению для проявления части нижележащей пленки металлизации (фиг.8.3). Эта операция может быть выполнена с использованием обычной кислородной плазмы. В результате толщина пленки 43 уменьшается до тех пор, пока слой 42 металлизации не будет покрыт частично только материалом верхних зон 43' исходной пленки 43.
На следующей стадии частично проявленный слой 42 металлизации подвергается влажному травлению с использованием соответствующего травильного раствора (фиг.8.4). В результате в слое 42 металлизации появляются структурированные микроотверстия 44, соответствующие нижним зонам рифленой поверхности пленки 43. Таким образом, формируется шаблон, который может быть использован в предлагаемом в изобретении способе изготовления элементов с вышеописанными рельефными микроструктурами поверхности. При необходимости остающийся материал 43' пленки 43 на верху остающейся части слоя металлизации может быть удален, например, с использованием кислородной плазмы (фиг.8.5).
Пример 2
На фиг.9.1-9.3 иллюстрируется использование шаблона с микроструктурами, полученного в Примере 1, для изготовления предлагаемого в изобретении элемента, снабженного поверхностью с создающей оптический эффект рельефной микроструктурой поверхности.
Стеклянную или пластмассовую подложку 48 покрывают слоем 49 позитивного фоторезиста (фиг.9.1). Для этой цели очень подходят, например, фоторезисты серии S1800 компании Shipley. Толщина нанесенного слоя 49 фоторезиста определяет цвет, который будет в конечном счете получен на микроструктуре рельефа поверхности. Типичная толщина слоя фоторезиста находится в диапазоне между 100 нм и 500 нм, однако могут использоваться и более толстые слои. В зависимости от типа фоторезиста может потребоваться термическая обработка, например выдерживание в течение одной минуты на горячей плите при температуре 110°C.
Затем подготовленный металлический шаблон 42 со сформированными микроструктурами на пластине 41 прижимается к слою 49 фоторезиста и подвергается облучению источником 50 УФ-излучения (фиг.9.2). В качестве источника света может быть использован аппарат “Bluepoint 2” разработки д-ра Хенле (Honle) из Германии.
Время экспонирования регулируется таким образом, чтобы после обработки проявлялся четкий двоичный профиль поверхности, т.е. профиль с двумя четко выраженными плато 51 и 52 рельефа (фиг.9.3).
Необходимо заметить, что вместо позитивного фоторезиста в аналогичном процессе может также использоваться и негативный фоторезист.
С использованием этой технологии были получены предлагаемые в изобретении рельефные микроструктуры поверхности хорошего качества, и при этом обеспечивается достаточно высокая производительность, поскольку металлический шаблон может использоваться многократно, а фотолитографический процесс, включая проявление, занимает всего несколько минут. Микроструктуры сами могут использоваться в качестве оптических элементов, однако предпочтительно они используются в качестве рабочих матриц оборудования тиражирования.
Чтобы выполнить качественное сравнение топологически упорядоченной рифленой структуры поверхности, получаемой в соответствии с известными технологиями, описанными, например, в документах WO 01/29148 и WO 2004/027500, со структурой, полученной в соответствии с Примером 2, осуществлялось сравнение оптических свойств вышеописанной пленки 43, соответствующей топологически упорядоченной рифленой структуре поверхности, получаемой в соответствии с известными технологиями, с конечным продуктом, полученным в Примере 2 (см. Таблицу).
| Таблица | ||
| Характеристика | Пленка 43 (в соответствии с известным способом) | Пример 2 (в соответствии с изобретением) |
| Насыщенность цвета | Обычно бесцветная; для специальных структур возможен слабый пастельный цвет | Глубокий насыщенный цвет |
| Регулируемость цвета | В ограниченных пределах | Регулируется просто и эффективно |
| Изменение цвета в различных зонах | Весьма затруднительно | Возможно |
| Разрешение изображения | Хорошее | Хорошее |
Пример 3
В качестве альтернативы способа, описанного в Примере 2, проверялись и другие возможные технологии. Хорошие результаты могут быть получены с использованием непосредственного нанесения слоя фоторезиста на металлический шаблон с подходящей толщиной пленки.
На фиг.10.1 снова приведен вид металлического шаблона 42 с микроструктурами на пластине 41, который на этот раз покрыт слоем 55 фоторезиста, как можно видеть на фиг.10.2. Экспонирование УФ-излучением выполняют через заднюю стенку подложки, на которой сверху размещен металлический шаблон с микроструктурами.
На следующей стадии выполняют проявление фоторезиста, так что на нем появляются микроструктуры. В этом случае также при осуществлении фотолитографического процесса может использоваться позитивный или негативный фоторезист. На фиг.10.3 показан полученный слой 55 фоторезиста с микроструктурами на позитивном фоторезисте, а на фиг.10.4 - на негативном фоторезисте.
Пример 4
Ниже со ссылками на фиг.11.1 и 11.2 описывается еще один способ изготовления предлагаемого в изобретении элемента, имеющего участок поверхности с создающей оптический эффект рельефной микроструктурой поверхности.
Стеклянную пластину 59, используемую в качестве подложки, покрывают слоем 60 материала, который поддается травлению, например сшиваемого форполимера. В альтернативном варианте может использоваться подложка из полимера, такого как, например, плексиглас, без дополнительного покрытия.
Затем наверху подложки получают металлический шаблон 61 с микроструктурами в соответствии со способом, описанным в Примере 1 (см. фиг.11.1).
На следующей стадии выполняют сухое травление, так чтобы ионы плазмы осуществляли травление через отверстия в металлическом шаблоне. Для этого процесса подходит кислородная плазма. Селективность травления полимера и металла очень высока. Поэтому зоны, покрытые очень тонким слоем металла, даже порядка нескольких нанометров, не будут затронуты кислородной плазмой, и в результате могут быть получены микро- или наноуглубления. Продолжительность процесса травления плазмой определяет глубину углублений и, соответственно, цветовой вид получаемого продукта. Если в качестве подложки используется стекло, то оно может также использоваться в качестве материала, останавливающего травление.
Наконец, металлический шаблон снимают влажным травлением с использованием подходящего раствора влажного травления.
Пример 5
Как уже указывалось, предлагаемые в изобретении элементы, на которых имеются участки поверхности с создающими оптический эффект рельефными микроструктурами поверхности, могут использоваться в качестве рабочих матриц для тиражирования элементов. Например, для этого могут использоваться элементы, изготовленные в соответствии со способами, описанными в Примерах 1-4. После подготовки элемент может быть кратковременно погружен в ванну влажного травления для удаления остающихся зон металла на поверхности рабочей матрицы.
После этого рабочая матрица с микроструктурами готова для изготовления металлической копии. Это выполняется путем осаждения тонкого слоя исходного металла, например золота, серебра или аналогичного металла, и последующего гальванического осаждения никеля. После этого никелевая рабочая копия используется для изготовления тиражируемых копий путем горячего тиснения тонкой пленки из подходящего полимера или путем фотохимического сшивания УФ-излучением подходящего материала.
Далее, тиражируемая копия с микроструктурами может быть покрыта слоем металлизации (например, алюминиевой) для получения хорошо отражающей поверхности. Это особенно необходимо в том случае, когда такая тиражируемая копия используется в качестве защитного устройства.
Наконец, устройство может быть защищено диэлектрической пассивирующей пленкой или непосредственно покрыто клеящим материалом, подходящим для последующего нанесения на продукт. В этом случае рельеф поверхности заполняется диэлектрическим материалом.
Отражающие устройства, изготавливаемые с использованием вышеописанных способов, в основном характеризуются монохромным отражением. В зависимости от подготовки при наклонах образца могут иногда наблюдаться изменения цветов. Однако свойством таких устройств является отсутствие радужных переливов цветов, что является существенным отличием от стандартных голограмм.
Пример 6
Безусловно, в одном элементе возможно сочетание двух или нескольких участков с различными рельефными микроструктурами поверхности. Элементы такого более сложного типа позволяют, например, создавать многоцветные изображения и ввиду их сложности могут также обеспечивать повышенный уровень защиты.
На фиг.12.1-12.4 иллюстрируется вариант способа изготовления элемента с двумя участками, на которых имеются отличающиеся рельефные микроструктуры поверхности.
На фиг.12.1 представлен вид стеклянной или пластмассовой подложки 65 с нанесенным слоем материала, поддающегося травлению, покрытой пленкой 67 металлизации с микроструктурами, сформированными в соответствии с вышеописанными способами. Снова, как и в предыдущих примерах, может использоваться стеклянная или пластмассовая пластина с подходящим полимерным покрытием или пластина из полимерного материала, такого как, например плексиглас.
После этого поверхность подготовленной подложки подвергают первому плазменному травлению. Глубина травления определяет первый видимый цвет, получаемый на готовом изделии (фиг.12.2).
Затем сформированную таким образом рельефную микроструктуру поверхности покрывают слоем 68 положительного фоторезиста и облучают УФ-излучением определенный участок 69. После этого экспонированный фоторезист вымывается на участке 69 в процессе проявления (фиг.12.3).
Теперь, микроструктура, уже существующая на участке 68, может быть дополнительно протравлена на стадии второго травления (фиг.12.4). Дополнительное травление обеспечивает увеличение глубины и определяет цвет микроструктуры на участке 68. Таким образом, в элементе обеспечивается два участка 69 и 70, на которых имеются различные создающие оптические эффекты рельефные микроструктуры поверхности.
При необходимости описанные стадии покрытия некоторых участков и травления участков, остающихся без покрытия, могут повторяться для обеспечения трех и более участков с различными микроструктурами.
Используемые шаблоны могут быть выполнены с пикселями высокого разрешения, размеры которых могут быть гораздо меньше 10 мкм. Таким образом, подходящий выбор цветов и расположения пикселей также обеспечивает получение изображений на основе смешения дополнительных цветов.
Пример 7
Рельефные микроструктуры поверхности в соответствии с изобретением могут также выполнены отражающими или частично отражающими. Соответствующие образцы иллюстрируются на фиг.13.1 и 13.2.
Для обеспечения отражения в насыщенном цвете микроструктура, как правило, покрывается тонким слоем 71 отражающего материала, такого как, например, алюминий, золото, хром и др. Толщина такой пленки 71 определяет степень отражения и пропускания, так что могут быть получены устройства с высокой степенью отражения или частично отражающие.
Вместо частично отражающей металлической пленки для слоя 71 может также использоваться покрытие с высоким или низким показателем преломления. Примерами материалов с высоким показателем преломления являются ZnS, ZnSe, ITO или TiO2. Для этой цели также подходят композиционные материалы, содержащие наночастицы материалов с высоким показателем преломления.
В альтернативных вариантах устройства с частичным отражением могут быть также получены путем только частичного покрытия микроструктуры материалом с высоким показателем отражения, например нанесением первого покрытия на всю поверхность микроструктуры и затем частичным удалением нанесенного покрытия, так что только части микроструктур будут покрыты отражающим материалом. Это показано на фиг.13.2, где слой 71 отражающего материала на некоторых частях 72 отсутствует.
Также на фиг.13.1 и 13.2 показаны защитные и пассивирующие пленки 73, в качестве которых могут использоваться, например, прозрачные диэлектрические материалы или материалы с особыми характеристиками поглощения для дополнительного улучшения вида устройства в цвете.
Пример 8
Для демонстрации оптических свойств рельефных микроструктур поверхности в соответствии с изобретением на фиг.14.1 и 14.2 показаны спектры отражения одного из элементов. Элемент был изготовлен в соответствии со способом, описанным в Примере 4 (травление через металлический шаблон с микроструктурами), включая покрытие тонкой алюминиевой пленкой толщиной примерно 20 нм, и измерения осуществлялись через прозрачную пассивирующую пленку с показателем преломления примерно 1,5.
Оптические свойства наилучшим образом характеризуются цветом элемента при рассеивающем отражении, который в данном случае был зеленым.
Характеристики различных экземпляров элементов оценивались путем измерения спектра отраженного света при различных углах падения света и наблюдения (положение датчика измерительного прибора). Для измерений использовался фотоспектрометр Perkin Elmer Lambda 900 с дополнительным устройством Pela 1030, обеспечивающим измерение спектра отраженного света при регулировании углового положения образца и углового положения датчика. Типичные спектры отраженного света измерялись для диапазона длин волн 300-800 нм. При проведении измерений никакие специальные поляризационные устройства не использовались. Исключительные условия освещения имеют место для условий рассматриваемого зеркального отражения, при котором угол отражения равен углу падения света или угол датчика равен удвоенному углу образца.
Спектры света, отраженного от элемента-образца, приведены на фиг.14.1. Угол падения света или угол образца (SA) равен 30°. Угол SA является отклонением поверхности подложки от плоскости, перпендикулярной лучам падающего света, как показано на фиг.14.1 на врезке слева вверху. Угол датчика (DA) - это угол между направлением падения лучей света и направлением на датчик, как также показано на врезке слева вверху.
Спектры отраженного света показывают четко выраженный максимум на длине волны 525 нм, другой максимум на длине волны 350 нм и минимум на длине волны 400 нм. Эти четко выраженные максимумы и минимумы определяют хорошую насыщенность цвета отраженного света. Максимальное отражение достигается для угла детектора, равного 40°, что на 20° меньше угла зеркального отражения. Для углов детектора в диапазоне от 30° до 50° заметно уменьшение интенсивности отраженного света, и сдвиг длины волны в этом случае невелик.
Зеркальное отражение света отличается от незеркального отражения. Зеркальное отражение проявляется в виде насыщенного пурпурного цвета. Соответствующие спектры отраженного света показаны на фиг.14.2. В случае измерений для условий зеркального отражения угол DA датчика в два раза больше угла SA образца. Опять на графике можно видеть четко выраженную модуляцию, которая практически соответствует дополняющим спектрам рассеянного отражения, показанным на фиг.14.1. Это можно понять, если принять во внимание, что большая часть происходящего рассеивания приведена на фиг.14.1. Если отсутствуют каналы, чувствительные к рассеиванию или поглощению основного цвета, то дополнительные спектры можно оставить для зеркального отражения. Фон, составляющий примерно 4%, соответствует ахроматическому отражению на защитном пассивирующем слое устройства, который в данном случае состоит из стекла. Как можно видеть на фиг.14.2, цветовые спектры для условий зеркального отражения также практически не зависят от угла наклона устройства.
Пример 9
На фиг.15.1 и фиг.15.2 показаны спектры отраженного света другого образца предлагаемого в изобретении элемента. Элемент был изготовлен в соответствии со способом, описанным в Примере 4. Цвет рассеиваемого света оранжевый.
На фиг.15.1 угол падения света или угол SA образца равен 30°. Спектры отраженного света показывают четко выраженный максимум на длине волны 583 нм, другой максимум на длине волны 380 нм и минимум на длине волны 453 нм. Эти максимумы и минимумы определяют светло-оранжевый цвет отраженного света. Максимальное отражение достигается для угла DA детектора, равного 40°, что на 20° меньше угла зеркального отражения. Для угла датчика, равного 50°, наблюдается уменьшение интенсивности отраженного света, и соответствующий сдвиг длины волны составляет примерно 30 нм.
Результаты измерений для зеркального отражения для того же образца элемента показаны на фиг.15.2. Опять на графике можно видеть четко выраженную модуляцию, которая практически соответствует дополняющим спектра рассеянного отражения, показанным на фиг.15.1. Однако минимум на длине волны 586 нм не так ярко выражен, что означает насыщенность отраженного света не очень высокая. Цвет устройства воспринимается визуально как ненасыщенный голубой.
1. Способ изготовления элемента, имеющего по меньшей мере один участок поверхности с создающей оптический эффект рельефной микроструктурой поверхности, включающий:
- создание шаблона, имеющего анизотропную микроструктуру, содержащую первые и вторые зоны с разной прозрачностью, причем в первом поперечном направлении шаблона на каждые 20 мкм имеется, предпочтительно в среднем, по меньшей мере один переход от первой зоны ко второй зоне или наоборот, а во втором поперечном направлении шаблона, перпендикулярном первому поперечному направлению, на каждые 200 мкм имеется в среднем по меньшей мере один переход от первой зоны ко второй зоне или наоборот, и в первом поперечном направлении поперечное расположение переходов является непериодическим;
- получение с помощью шаблона рельефной микроструктуры в поверхности смолы или фоторезиста (49; 55; 60; 66) с формированием возвышений (13), соответствующих первым зонам шаблона, и углублений (14), соответствующих вторым зонам шаблона, причем возвышения (13) в основном находятся на уровне верхних плато (15; 51) рельефа, а углубления (14) в основном находятся на уровне нижних плато (16; 52) рельефа, так что глубина модуляции рельефа, по существу, одинакова по всему участку поверхности.
2. Способ по п.1, в котором микроструктуру первых и вторых зон с разной прозрачностью шаблона создают путем
- нанесения на слой (42) материала шаблона пленки (43) с топологически упорядоченной рифленой структурой поверхности;
- уменьшения толщины пленки (43), пока не будет полностью удален материал пленки в нижних зонах рифленой поверхности и не откроются части (44) нижележащего материала шаблона;
- удаления открывшихся частей (44) шаблона.
3. Способ по п.2, в котором топологически упорядоченную рифленую структуру поверхности получают приготовлением смеси по меньшей мере двух материалов, из которых по меньшей мере один материал является сшиваемым, а по меньшей мере один другой материал - несшиваемым, нанесением смеси на слой материала шаблона, сшиванием по меньшей мере значительной части сшиваемого материала и удалением по меньшей мере значительной части несшиваемого материала.
4. Способ по любому из пп.1-3, предназначенный для изготовления элемента по любому из пп.7-15.
5. Элемент, полученный способом по любому из пп.1-3.
6. Элемент по п.5, отличающийся тем, что на рельефную микроструктуру поверхности нанесен слой металла.
7. Элемент, имеющий по меньшей мере один участок поверхности с создающей оптический эффект рельефной микроструктурой (12) поверхности, причем рельефная микроструктура имеет модуляцию поверхности, состоящую из переходов от возвышений (13) к углублениям (14) и от углублений (14) к возвышениям (13), отличающийся тем, что в первом поперечном направлении участка поверхности на каждые 20 мкм имеется по меньшей мере один переход от возвышения (13) к углублению (14) или наоборот, а во втором поперечном направлении участка поверхности, перпендикулярном первому поперечному направлению, на каждые 200 мкм имеется в среднем по меньшей мере один переход от возвышения к углублению или наоборот, причем:
- по меньшей мере в первом поперечном направлении поперечное расположение переходов является непериодическим,
- возвышения (13) в основном находятся на уровне верхних плато (15; 51) рельефа, а углубления (14) в основном находятся на уровне нижних плато (16; 52) рельефа, так что глубина модуляции рельефа, по существу, одинакова по участку поверхности; и
- рельефная микроструктура (12) поверхности является анизотропной.
8. Элемент по п.7, отличающийся тем, что он имеет характеристическое отношение рельефа поверхности, которое больше 1,1 и меньше 50.
9. Элемент по п.7, отличающийся тем, что рельефная микроструктура поверхности по меньшей мере в направлении, перпендикулярном оси анизотропии, имеет усредненную одномерную автокорреляционную функцию АС(х) с огибающей (31), которая затухает до уровня 10% от значения АС при х=0 в пределах некоторой длины (L) автокорреляции, причем длина (L) автокорреляции меньше двукратного среднего расстояния в поперечном направлении между соседними переходами между возвышениями (13) и углублениями (14).
10. Элемент по п.7, отличающийся тем, что он имеет коэффициент заполнения рельефа поверхности, находящийся в диапазоне от 0,2 до 0,8.
11. Элемент по п.7, отличающийся тем, что гистограмма высот на рельефной микроструктуре поверхности имеет четко выраженные первый и второй пики, так что может быть определена функция качества, имеющая вид
где Δx1 - ширина первого пика и Δx2 - ширина второго пика, измеренные на уровне 1/е полной высоты пика, и d - расстояние между двумя пиками, причем функция М качества больше двух.
12. Элемент по п.7, отличающийся тем, что он имеет узор из множества участков поверхности с создающими оптический эффект рельефными микроструктурами поверхности.
13. Элемент по п.12, отличающийся тем, что узор включает в себя по меньшей мере два типа участков поверхности с анизотропными рельефными микроструктурами поверхности, которые имеют различную ориентацию направлений анизотропии.
14. Элемент по п.12, отличающийся тем, что узор включает в себя по меньшей мере два типа участков поверхности с рельефными микроструктурами поверхности, которые имеют различную глубину оптической модуляции.
15. Элемент по любому из пп.7-14, отличающийся тем, что на рельефную микроструктуру поверхности нанесен слой металла.
16. Способ изготовления копии рельефной микроструктуры поверхности с использованием элемента по любому из пп.5-15 в качестве мастер-матрицы.
17. Элемент, имеющий рельефную микроструктуру поверхности, полученную способом по п.16.
18. Защитное устройство, содержащее элемент, имеющий по меньшей мере один участок поверхности с создающей оптический эффект рельефной микроструктурой поверхности, и выполненный по любому из пп.5-15 или 17.
