光学防伪元件及其制备方法与流程

本发明涉及光学防伪领域，具体地，涉及一种光学防伪元件及其制备方法。

背景技术：

在各种光学防伪技术中，为了增加图像的亮度，光学防伪元件一般采用金属镀层或高折射率的无机或有机镀层、甚至多层干涉膜颜色光变镀层。对镀层进行镂空从而形成图案化能够大幅提高光学防伪元件的视觉效果和抗伪造能力。

对镀层进行镂空的传统技术一般有两种，即水洗和碱洗。水洗工艺是在需要镂空的位置先涂布水洗油墨，然后蒸镀镀层，再经过润湿、水洗，使得水洗胶层溶于水中，水洗胶层上覆盖的镀层也随之剥离，从而达到镂空的目的。碱洗工艺利用碱液对镀层(一般为铝层)的化学腐蚀作用达到镂空的目的，即先蒸镀反射层，然后在不需要镂空的位置涂布保护层，然后浸入碱液以腐蚀掉未被保护层覆盖的镀层，从而形成镂空图文。针对铝层，也有公司采用酸代替碱与铝反应进行镂空。在这两种去镀层技术中，涂布水洗胶层或保护层均需与膜上的微结构图像进行套印对准。现有设备的套印误差一般都在0.1mm以上，且难以稳定控制，因此得到连续化的、准确定位的镂空图像具有很高的难度，并致使成品率低。

专利申请CN102460236A提出了另外一种去反射镀层解决方案。首先，提供含有平坦的或深宽比小的凹凸结构的第一区域和含有深宽比更大的凹凸结构的第二区域。接着，在该起伏结构层上，以均匀的表面密度形成金属反射层。然后，在金属反射层上蒸镀不同于金属反射层材料的掩膜层，掩膜 层一般由无机化合物构成，典型的例如为MgF2。掩膜层的厚度需满足以下条件：在第一区域覆盖有完整连续的掩膜层，而第二区域的掩膜层在凹部或凸部之间有开口。接着，将掩模层暴露于可与金属反射层材料反应的气体或液体中。这样，与第二区域对应的金属反射层和掩膜层均被除去，而与第一区域对应的金属反射层得以完整保留。但是，掩膜层往往致密性不好，因此第一区域的部分金属反射层还是会在最后的去金属反射层工艺中遭到损坏，而且会影响产品的耐流通性。蒸镀掩膜层需要专用的蒸镀设备，因此成本也较高。

因此，非常有必要开发一种工艺简单、生产高效、成本低廉的精准镂空解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种光学防伪元件及其制备方法，其工艺简单，生产高效，成本低廉，且能够实现镀层的精准镂空并提高防伪效果。

为了实现上述目的，本发明提供一种光学防伪元件的制备方法，该方法包括：在基材的同一表面上形成具有第一区域和第二区域的起伏结构层，其中所述第一区域中的起伏结构表面的比体积小于所述第二区域中的起伏结构表面的比体积；在所述起伏结构层上形成镀层；在所述镀层上形成保护层，且所述保护层在所述第一区域中的最小厚度大于所述保护层在所述第二区域中的最小厚度；以及将所述光学防伪元件置于能与所述镀层反应的氛围中，直到所述第二区域中的镀层被完全或者部分腐蚀但所述第一区域中的镀层得以保留为止。

本发明还提供一种光学防伪元件，该光学防伪元件至少包括：基材；位于所述基材的同一表面上的具有第一区域和第二区域的起伏结构层，其中所述第一区域中的起伏结构表面的比体积小于所述第二区域中的起伏结构表 面的比体积；仅位于所述第一区域中的起伏结构层上的镀层；以及位于所述镀层上的保护层。

通过上述技术方案，由于第一区域中的起伏结构表面的比体积小于所述第二区域中的起伏结构表面的比体积，因此根据本发明的方法制备的光学防伪元件能够实现镀层的精准镂空，而且其工艺简单，生产高效，成本低廉，并提高了根据本发明的光学防伪元件的防伪效果。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是一种示例性光学防伪元件的俯视图；

图2是沿着图1中的X-X线看到的一种可能的剖面图；以及

图3-8是根据本发明的光学防伪元件的制备方法的流程剖面图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

为了能够对根据本发明的光学防伪元件及其制备方法进行更形象的描述，本申请中以形成图1和图2所示的示例性光学防伪元件为例对本发明进行示例性描述。其中图1是一种示例性光学防伪元件的俯视图，图2是沿着图1中的X-X线看到的一种示例性剖面图。图1中的文字部分为具有镀层的显示区域，其与图2中的起伏结构层2中的第一区域a相对应。一般而言，为了防伪的需要，该显示区域往往采用特殊光学技术制备的具有特殊效果 (例如，全息、结构色效果)的图像。图1中的背景部分为去镀层的镂空区域，其与图2中的起伏结构层2中的第二区域b相对应。此外，图1及图2所示的光学防伪元件包括基材1(例如，薄膜基材)、起伏结构层2、位于起伏结构层2的第一区域a中的镀层3和保护层4、以及位于起伏结构层2的第一区域a和第二区域b中的可能的其他功能涂层5。而且，图2中所示的第一区域a和第二区域b中的光栅结构的数目仅是示意性的，一般情况下，光栅的数目往往很大。

另外，本发明中提及的起伏结构表面的比体积是指在将起伏结构层2置于水平状态的情况下，恰好完全覆盖起伏结构表面的液体体积与起伏结构表面在水平面上的投影面积的比值，以图3和图4所示的剖面图为例，第一区域a中的比体积等于V_a/s，第二区域b中的比体积等于V_b/s。按照此定义，平坦结构可以看做是比体积为零的起伏结构。

本发明提供一种制备光学防伪元件的方法，下面结合图3至图8对该制备方法进行详细描述，该制备方法可以包括步骤S1至S4。

步骤S1、在基材1的同一表面上形成具有第一区域a和第二区域b的起伏结构层2，其中所述第一区域a中的起伏结构表面的比体积小于所述第二区域b中的起伏结构表面的比体积。如图3和图4的示例性剖面图所示。

基材1可以是至少局部透明的，也可以是有色的介质层，还可以是表面带有功能涂层(比如附着力增强层)的透明介质薄膜，还可以是经过复合而成的多层膜。基材1一般由耐物化性能良好且机械强度高的薄膜材料形成，例如，可以使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)薄膜及聚丙烯(PP)薄膜等塑料薄膜形成基材1，而且基材1优选由PET材料形成。若光学防伪元件最终通过烫印的方式应用于有价物品上，则可以在基材1上预先形成剥离层，以方便后续工艺中基材1与起伏结构层2的分离。另外，形成基材1的材料优选是柔性的。

形成起伏结构层2的材料优选具有这样的性质，即在一定的温度和压力下能够变形，以形成所需的起伏结构。形成起伏结构层2的材料可以选自热塑性材料，也可以选自辐射固化材料。

起伏结构层2是具有第一区域a和第二区域b的起伏结构层，其中位于第一区域a中的起伏结构表面的比体积(V_a/s)小于位于第二区域b中的起伏结构表面的比体积(V_b/s)，请见附图3和附图4所示。这样，在在后续步骤中在镀层上形成保护层后，保护层在第二区域b中的起伏结构上的最小厚度(一般位于起伏结构的最顶部)会比保护层在第一区域a中的起伏结构上的最小厚度小，因而第二区域b中的保护层对镀层的保护作用要差。也即，第一区域a和第二区域b中的起伏结构表面比体积的差别是本发明的核心思想。

由于采用根据本发明的方法制备光学防伪元件时，会最终在第一区域a中形成镀层，因此第一区域a中的起伏结构的形貌及尺寸由所需要的光学效果决定，其截面可以是余弦结构、锯齿形结构、柱面结构、球面结构、棱锥结构、方波型结构或者它们的组合。一般而言，第一区域a中的起伏结构表面的比体积优选小于0.2μm³/μm²，更优选小于0.1μm³/μm²。通常，光学防伪领域中最为常用的全息结构的比体积一般都在0.1μm³/μm²以下。

另外，采用根据本发明的方法制备光学防伪元件时，会最终在第二区域b中形成镂空结构，也即第二区域b中最后一般不形成光学效果。第二区域b中的起伏结构的截面可以是余弦结构、锯齿形结构、柱面结构、球面结构、棱锥结构、方波型结构或者它们的组合，优选为锯齿形结构。第二区域b中的起伏结构表面的比体积越大越有利于本发明的实施，一般优选大于0.2μm³/μm²，更优选大于0.5μm³/μm²。另外，第二区域b中的起伏结构的周期优选大于1μm、小于20μm，深度优选大于0.3μm、小于10μm。这是因为第二区域b中的起伏结构的周期太大，则后续去镀层步骤中的反应时间太长， 势必会造成第一区域a中的镀层尤其是第一区域a边缘的镀层受到腐蚀；第二区域b中的起伏结构的深度太大，则对于制版和复制的要求过高，不利于工程的实施。

另外，还需要指出的是，起伏结构表面的比体积与起伏结构的深宽比之间没有必然的关系。如图4的示例性剖面图所示，第一区域a中的起伏结构的深度和宽度与第二区域b中的起伏结构的深度和宽度分别相等，两者只是关于水平面对称，但第一区域a中的起伏结构表面的比体积(V_a/s)明显小于第二区域b中的起伏结构表面的比体积(V_b/s)。因此，这样的结构也可以满足本发明的要求。另外，光学黑、结构色、零级等光学结构通常有着较大的深宽比(通常大于0.3)，但其比体积却很小，一般小于0.2um³/um²，因此，这样的结构也仍然可以适用于本发明。因此，在步骤S1中，可以在第一区域a中形成含有深宽比大于0.3和小于0.3的起伏结构，只要该起伏结构表面的比体积小于第二区域b中的起伏结构表面的比体积，就能够在后续的去镀层步骤中保留第一区域a中的镀层并去除第二区域b中的镀层，使得根据本发明的制备方法能够在第一区域a中同时保留深宽比大的光学结构和深宽比小的光学结构上的镀层、并精准地去除第二区域b中的镀层，从而形成精准镂空的光学防伪元件。

需要强调一点，尽管小深宽比的普通全息光栅结构在光学防伪领域仍占有主导地位，但大深宽比(尤其是深宽比大于0.3)的光学微结构，例如光学黑、结构色、零级等，越来越体现出重要的防伪价值，因而在第一区域a中同时精准保留深宽比大的光学结构和深宽比小的光学结构上的镀层3具有重要的意义。

步骤S2、在所述起伏结构层2上形成镀层3。如图5的示例性剖面图所示。

镀层3的目的一般是增加图像保留区的亮度，或者提供光变效果。镀层 3可以是单层物质镀层，也可以是多层物质镀层。就单层物质镀层而言，镀层3可以是金属镀层，也可以是无机或有机化合物镀层。单层金属镀层可以由Al、Cu、Ni、Cr、Ag、Fe、Sn、Au、Pt等金属或其混合物和合金形成，由于铝的成本低廉且亮度高，因此优选采用铝形成单层金属镀层。单层金属镀层的光学密度一般大于1.5但小于4.0。单层化合物镀层一般由折射率较高的材料形成，如ZnS、TiN、TiO₂、TiO、Ti₂O₃、Ti₃O₅、Ta₂O₅、Nb₂O₅、CeO₂、Bi₂O₃、Cr₂O₃、Fe₂O₃、HfO₂、ZnO等。就多层物质镀层而言，可以是第一镀层/第二镀层叠合的双镀层结构，其中与起伏结构层2相邻接的第一镀层一般具有特定的功能，如增强第二镀层与起伏结构层2的附着牢度；也可以是多层干涉膜型镀层，且该多层干涉膜型镀层至少包括依次层叠的反射层、介电层和吸收层，并且该吸收层与所述起伏结构层2相接触。其中，所述反射层由铝、银、铜、锡、铬、镍、钛或它们的合金构成，所述介电层由MgF₂、SiO₂、ZnS、TiN、TiO₂、TiO、Ti₂O₃、Ti₃O₅、Ta₂O₅、Nb₂O₅、CeO₂、Bi₂O₃、Cr₂O₃、Fe₂O₃、HfO₂或ZnO构成，所述吸收层由铬、镍、铝、银、铜、锡、钛或它们的合金构成。这样，在后续的去镀层工序后，就可以获得具有光变效果的精准镂空镀层的薄膜光学防伪元件。

镀层3一般是同型覆盖于起伏结构层2上，但若镀层3较厚，有时蒸镀工序后，镀层3的上表面与起伏结构层2的表面略微不同型覆盖。一般情况下，都不影响本发明的实施。

步骤S3、在所述镀层3上形成保护层4，且所述保护层4在所述第一区域a中的最小厚度大于所述保护层4在所述第二区域b中的最小厚度。如图6和7的示例性剖面图所示。

由于第一区域a中的起伏结构表面的比体积小于第二区域b中的起伏结构表面的比体积，因此在在镀层3上形成保护层4之后，保护层4在第二区域b中的起伏结构上的最小厚度t_b(一般位于起伏结构的最顶部)会小于保 护层4在第一区域a中的起伏结构上的最小厚度t_a，因而，第二区域b中保护层4对镀层3的保护作用要差。因此，在后续的去镀层步骤中，在一定的时间内，腐蚀氛围会通过第二区域b中的保护层4的脆弱点到达并腐蚀第二区域b中的镀层3；而在此时间内，第一区域a中的保护层4对该区域中的镀层3形成有效的保护。这样，便获得了仅精确位于第一区域a中的镀层3并形成了第二区域b中的镂空。

更优选地，在通过涂布方式形成保护层4时，可以选择合适的保护胶涂布量，使得所形成的保护层4的比体积V_保护层/s大于第一区域a中的起伏结构表面的比体积V_a/s而小于第二区域b中的起伏结构表面的比体积V_b/s。这样，保护层4在第一区域a中的起伏结构的顶端上的厚度t_a明显大于零，因而对第一区域a中的起伏结构上的镀层3的保护性非常好，而保护层4在第二区域b中的起伏结构的顶端上的厚度t_b非常接近于零，因而保护层4对第二区域b中的起伏结构上的镀层3的保护性非常差。很明显，第一区域a中的起伏结构表面的比体积与第二区域b中的起伏结构表面的比体积之间的差别越大，则本发明的可实施性就越高。一般要求保护层4在第一区域a和第二区域b中的比体积大于0.1um³/um²、小于1um³/um²，优选大于0.2um³/um²、小于0.5um³/um²。另外，保护胶的涂布粘度越小越有利于流平，因此，保护胶液的粘度一般优选小于100cP，更优选小于50cP。形成保护层4的材料可以是以聚酯、聚氨酯、丙烯酸树脂或者其组合为主树脂的清漆或者油墨。

可以理解，图4所示的起伏结构层2在形成镀层3以及保护层4的工序后(也即得到如图7所示的示例性剖面图)，仍然可以满足保护层4在第二区域b中的起伏结构上的最小厚度t_b小于保护层4在第一区域a中的起伏结构上的最小厚度t_a的要求，因此，这样的结构也可以满足本发明的要求。

步骤S4、将所述光学防伪元件置于能与所述镀层3反应的氛围中，直到所述第二区域b中的镀层3被完全或者部分腐蚀但所述第一区域a中的镀 层3得以保留为止。如图8的示例性剖面图所示。

如步骤S3中所述，保护层4在第二区域b中的起伏结构上的最小厚度t_b小于保护层4在第一区域a中的起伏结构上的最小厚度t_a，因而第二区域b中保护层4对镀层3的保护作用要差。因而，能与镀层3反应的氛围会通过第二区域b中保护层4的脆弱点到达并腐蚀该区域中的镀层3，直到第二区域b中的镀层3被完全腐蚀或者所需要的部分腐蚀程度为止。而此时，由于保护层4在第一区域a中的起伏结构上的最小厚度t_a较厚，因此第一区域a中保护层4对镀层3的保护作用较好，因而第一区域a中的镀层3没有被腐蚀或者被腐蚀的程度非常低。通常，第二区域b中的镀层3被完全腐蚀后，镀层3上的保护层4也随之浮脱。有时，保护层3的成膜性很好，第二区域b中的镀层3被完全腐蚀后，保护层4仍然悬浮于起伏结构层2上，但这并不影响光学防伪元件的后续加工。如果镀层3为多层镀层结构，则可能位于第二区域b中的镀层3中的其中一层或几层镀层被腐蚀，也可能镀层3中的所有镀层被腐蚀。

至此，根据本发明的光学防伪元件的制备方法就实现了镀层的精确镂空。

进一步地，在步骤S4之后，根据本发明的光学防伪元件的制备方法还可以包括以下步骤：涂布功能涂层5。这样就能够得到图2所示的示例性光学防伪元件。该功能涂层5可以是单层，也可以是多层。功能涂层5一般具有保护作用，也即保护镀层3在使用环境中不被外界条件腐蚀，同时该功能涂层5一般还具有与其他基材(例如纸张)粘合的作用。

根据本发明的光学防伪元件的制备方法适合于制作标签、标识、宽条、透明窗口、开窗安全线等，尤其适合制作烫印标。

本发明还提供一种光学防伪元件，如图2所示，该光学防伪元件至少包括：基材1；位于所述基材1的同一表面上的具有第一区域a和第二区域b的起伏结构层2，其中所述第一区域a中的起伏结构表面的比体积小于所述 第二区域b中的起伏结构表面的比体积；仅位于所述第一区域a中的起伏结构层2上的镀层3；以及位于所述镀层3上的保护层4。

优选地，第一区域a中的起伏结构的形貌及尺寸由所需要的光学效果决定，其截面可以是余弦结构、锯齿形结构、柱面结构、球面结构、棱锥结构、方波型结构或者它们的组合。一般而言，第一区域a中的起伏结构表面的比体积优选小于0.2μm³/μm²，更优选小于0.1μm³/μm²。通常，光学防伪领域中最为常用的全息结构的比体积一般都在0.1μm³/μm²以下。

优选地，由于第二区域b中形成镂空结构，因此第二区域b中最后一般不形成光学效果。第二区域b中的起伏结构的截面可以是余弦结构、锯齿形结构、柱面结构、球面结构、棱锥结构、方波型结构或者它们的组合，优选为锯齿形结构。第二区域b中的起伏结构表面的比体积一般优选大于0.2μm³/μm²，更优选大于0.5μm³/μm²。另外，第二区域b中的起伏结构的周期优选大于1μm、小于20μm，深度优选大于0.3μm、小于10μm。这是因为第二区域b中的起伏结构的周期太大不利于该光学防伪元件制备过程中第一区域a中镀层3的保留；第二区域b中的起伏结构的深度太大，则对制版和复制的要求过高，不利于光学防伪元件的制备。

另外，还需要指出的是，起伏结构表面的比体积与起伏结构的深宽比之间没有必然的关系。如图4的示例性剖面图所示，第一区域a中的起伏结构的深度和宽度与第二区域b中的起伏结构的深度和宽度分别相等，两者只是关于水平面对称，但第一区域a中的起伏结构表面的比体积(V_a/s)明显小于第二区域b中的起伏结构表面的比体积(V_b/s)。另外，光学黑、结构色、零级等光学结构通常有着较大的深宽比(通常大于0.3)，但其比体积却很小，一般小于0.2um³/um²。所以，第一区域a中可以同时含有深宽比大于0.3和小于0.3的起伏结构，只要该起伏结构表面的比体积小于第二区域b中的起伏结构表面的比体积即可，因此根据本发明的光学防伪元件能够在第一区域 a中同时保留深宽比大的光学结构和深宽比小的光学结构上的镀层，同时形成第二区域的精准镂空。

需要强调一点，尽管小深宽比的普通全息光栅结构在光学防伪领域仍占有主导地位，但大深宽比(尤其是深宽比大于0.3)的光学微结构，例如光学黑、结构色、零级等，越来越体现出重要的防伪价值，因而在第一区域a中同时含有深宽比大的光学结构和深宽比小的光学结构上的镀层3具有重要的意义。

另外，由于在描述根据本发明的制备方法时已经描述了基材1、起伏结构层2、镀层3、保护层4的结构和形成材料等，因此此处不再赘述。

优选地，如图2所示，根据本发明的光学防伪元件还可以包括位于第一区域a和第二区域b中的功能涂层5。该功能涂层5可以是单层，也可以是多层。功能涂层5一般具有保护作用，也即保护镀层3在使用环境中不被外界条件腐蚀，同时该功能涂层5一般还具有与其他基材(例如纸张)粘合的作用。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。