Способ изготовления изделия с голографическим изображением

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ С ГОЛОГРАФИЧЕСКИМ ИЗОБРАЖЕНИЕМ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Белый Алексей Владимирович Ших Сергей Константинович Сенько Сергей Федорович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ изготовления изделия с голографическим изображением, при котором формируют на прозрачном полимерном носителе слой, содержащий голографическое изображение, формируют адгезионный слой хрома толщиной от 10 до 20 нм, осуществляют вакуумное нанесение слоя халькогенидов толщиной до 500 нм, после чего наносят слой диоксида кремния толщиной от 10 до 50 нм. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что минимальная толщина слоя халькогенидов составляет 50 нм. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что все слои защитного покрытия наносятся в едином технологическом цикле. Заявляемое изобретение относится к области полиграфии и может быть использовано при изготовлении различных изделий, содержащих голографическое изображение, в частности защитных элементов ценных бумаг, этикеток, рекламной продукции, упаковки и т.п. Голографическое изображение в подавляющем большинстве случаев получают путем тиснения рисунка в тонком слое полимерной пленки, нанесенной на требуемое основание. Этот рисунок по сути является дифракционной решеткой с размером тисненых элементов,соизмеримым с длиной волны света, за счет чего и создается игра света на элементах рисунка. Игра света зависит от размера элементов, коэффициента отражения и ряда других факторов. Существенным недостатком рассматриваемого рисунка является чрезвычайно низкая износостойкость, обусловленная как малым размером элементов рисунка, так и свойствами материала, на котором он выполнен. Традиционным способом повышения износостойкости различных изделий, в том числе и топографических изображений, выполненных на полимерном материале, является нанесение на них разнообразных защитных покрытий. 18277 1 2014.06.30 Известен способ изготовления защитных элементов для ценных документов, включающий формирование на прозрачном носителе, содержащем голографическое изображение, скрытого изображения на основе полимерного материала и последующее нанесение механически прочного лакового покрытия 1. Защитная пленка лака наносится как поверх слоя, содержащего скрытое изображение,так и поверх слоя, непосредственно содержащего голографическое изображение. При этом ввиду совсем незначительных различий в коэффициенте преломления защитного лака и защищаемого изображения (и та, и другая пленки являются полимерными) вследствие уменьшения коэффициента отражения на границе их раздела игра света значительно тускнеет, голографическое изображение теряет контраст и зачастую становится практически невидимым. Кроме того, полимерные материалы склонны к накоплению статического электричества, что значительно ограничивает область применения таких изделий. В частности, накопление статического электричества недопустимо на упаковочных материалах. Наиболее близким к заявляемому изобретению, его прототипом является способ изготовления оптического защитного элемента, включающий формирование на прозрачном полимерном носителе слоя, содержащего голографическое изображение, и последующее вакуумное нанесение слоя халькогенидов различного состава с высоким показателем преломления 2. Состав халькогенидов варьируют для получения требуемого цвета защитного покрытия. Толщина слоя халькогенида в соответствии с описанием изобретения составляет от 10 до 500 нм. Прототип позволяет получать изображения, характеризующиеся интенсивной игрой света за счет большой разницы в показателях преломления голографического слоя и защитного покрытия. Недостатком прототипа является его относительно невысокое качество из-за низкой износостойкости, обусловленной как сравнительно невысокими механическими свойствами пленок халькогенидов, так и их склонностью к окислению. Это в процессе эксплуатации изделий, а также в процессе хранения приводит к быстрому накоплению дефектов изображения в виде множества царапин и матовых пятен вплоть до полной потери игры света. Кроме того, пленки халькогенидов характеризуются невысокой адгезией к полимерным материалам. Это приводит к локальному отслоению защитного покрытия и потере потребительских качеств изделия. Задачей заявляемого изобретения является повышение качества изделия за счет увеличения его износостойкости и повышения адгезии защитного покрытия. Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления изделия с голографическим изображением, при котором формируют на прозрачном полимерном носителе слой, содержащий голографическое изображение, далее, согласно изобретению, формируют адгезионный слой хрома толщиной от 10 до 20 нм, осуществляют вакуумное нанесение слоя халькогенидов толщиной до 500 нм, после чего наносят слой диоксида кремния толщиной от 10 до 50 нм а также тем, что минимальная толщина слоя халькогенидов составляет 50 нм а также тем, что все слои защитного покрытия наносятся в едином технологическом цикле. Сущность заявляемого технического решения заключается в повышении твердости и химической стойкости защитного покрытия при одновременном усилении химического взаимодействия между защитным покрытием и субстратом. Хром является химически очень активным металлом и легко обменивается электронами с контактирующими слоями. Свободные электроны обеспечивают образование адгезионных химических связей как с полимерным основанием за счет реакции с его функциональными группами, так и с последующим слоем халькогенида. Это обеспечивает высокую адгезию защитного покрытия и предупреждает накопление статического электричества в изделии, что особенно важно при изготовлении упаковки. 2 18277 1 2014.06.30 Игра света на дифракционной решетке голографического изображения зависит от разницы коэффициентов преломления полимерного основания и защитного покрытия. Хром характеризуется коэффициентом преломления 3,3, что больше уровня значений, характерных для большинства халькогенидов (2,1 для 3,0 для 23 и т.п.). В связи с этим наличие слоя хрома только усиливает дисперсию света на голографическом изображении. Диоксид кремния является абсолютно прозрачным, чрезвычайно химически стойким и очень твердым материалом. Он характеризуется высокой адгезией к слою халькогенида и защищает его от воздействия внешних факторов, в частности от окисления влагой воздуха, а также повышает износостойкость защитного покрытия в целом. Дополнительным преимуществом многослойного покрытия является усиление игры света за счет внутреннего отражения между его слоями, а также за счет интерференционного поглощения, зависящего от угла падения света. Поскольку толщина слоя хрома меньше шага голографического микрорельефа, этот слой является абсолютно комфортным, и его можно также рассматривать как дополнительную дифракционную решетку,усиливающую игру света. При изменении угла падения света на поверхность изделия меняется не только дисперсионная картина рассеяния, но и цвет изделия в целом, обусловленный изменением длины волны поглощаемого света. Поскольку интерференционное поглощение наблюдается для толщин пленок больше 50 нм, заявляемое техническое решение предусматривает повышение нижней границы интервала толщины слоя халькогенида именно до этого значения. При меньших толщинах этого слоя длина волны поглощаемого излучения даже при больших углах падения выходит за пределы видимого диапазона. Нанесение всех слоев защитного покрытия в едином технологическом цикле в вакууме позволяет предотвратить контакт отдельных слоев с влагой воздуха при межоперационном хранении и предотвратить их окисление. Это позволяет повысить качество покрытия за счет предупреждения образования неконтролируемых соединений на границах раздела слоев, а также снизить трудовые затраты на его получение. Толщина слоя хрома менее 10 нм, например 5 нм, не позволяет получить сплошные пленки. На планарных участках изделия пленки такой толщины являются сплошными, но на голографическом микрорельефе они являются островковыми, вследствие чего изделие приобретает склонность к локальному расслоению и потере потребительских качеств. При толщине слоя хрома более 20 нм, например 40 нм, он заметно теряет прозрачность и приобретает хрупкость, что заметно ухудшает игру света на голографическом изображении и механические характеристики изделия в целом. Это связано с высоким коэффициентом поглощения хрома и существенным нарастанием механических напряжений при увеличении толщины. Толщина слоя диоксида кремния менее 10 нм, например 5 нм, не обеспечивает его сплошность и необходимую химическую стойкость покрытия в целом. А при его толщине более 50 нм, например 100 нм, этот слой становится слишком хрупким, что приводит в процессе эксплуатации к быстрому возникновению микротрещин в покрытии. В совокупности отличительных признаков заявляемая последовательность формирования слоев изделия обеспечивает повышение его качества за счет повышения твердости,износостойкости, адгезии, а также улучшения цветографических характеристик. Заявляемый способ реализуют следующим образом. В качестве основания использовали полипропиленовую пленку с нанесенным на нее слоем полиметилметакрилата, в котором методом горячего тиснения формировали голографическое изображение. Нанесение защитных слоев производили на вакуумной установке ВУ-1 А электронно-лучевым методом. В качестве халькогенида использовали сульфид цинка. Перед нанесением слоев поверхность основания очищалась от загрязнений сначала путем отмывки в моющем растворе, а затем непосредственно в вакуумной 3 18277 1 2014.06.30 камере обработкой в плазме кислорода в течение 20 с. В вакуумной камере пленка располагалась на расстоянии 400 мм от тигеля электронно-лучевой пушки. Слои защитного покрытия получали путем последовательного испарения химически чистых хрома, сульфида цинка и кварца. Осаждение проводилось как в едином технологическом цикле(1 цикл), так и при раздельном нанесении всех слоев (3 цикла). При нанесении пленок напряжение, подаваемое на электронно-лучевую пушку, составляло 6-6,5 кВ, а ток электронного луча диаметром 10 мм не превышал 40 мА. Это позволило поддерживать скорость нанесения сульфида цинка в пределах 1-3 нм/с, что в совокупности с другими параметрами обеспечивает получение достаточно плотного, оптически прозрачного слоя . Толщина пленок защитных покрытий приведена в таблице. Сравнительные характеристики полученных покрытий Толщина слоев, нм Количе суль- диоксид ство тех- Влагостойп/п хром фид кость крем- нологическ их циклов цинка ния 1 5 100 20 1 стойко 2 10 100 20 1 стойко 3 15 100 20 1 стойко 4 20 100 20 1 стойко стойко отдельные матовые пятна стойко стойко недостаточная прозрачность отсутствует интерференционная окраска стойко стойко матовые пятна по всей поверхности микротрещины при многократном изгибе Относительную износостойкость изделий / определяли с использованием нанометрического комплекса на базе атомного силового микроскопа Нанотоп 203 М по ширине царапиныпри заданной нагрузке. В качестве величины сравнения использовали износостойкостьпрототипа. Влагостойкость изделий оценивали по образованию матового налета визуально и при помощи микроскопа при увеличении 250 после кипячения образцов в воде в течение 10 мин. Игру света на топографических элементах оценивали визу 4 18277 1 2014.06.30 ально по пятибалльной шкале. Адгезию А определяли путем измерения усилия на отрыв прикрепленных к поверхности с помощью эпоксидной смолы контактных площадок фиксированной площади. Для минимизации влияния усадки смолы на результаты измерений в нее при отверждении добавляли наполнитель. Испытания проводили на разрывной машине с ценой деления 0,005 кг. Результаты измерений приведены в таблице. Из приведенных данных видно, что износостойкость изделий по сравнению с прототипом возросла примерно в 2 раза. Они являются влагостойкими, механически прочными и характеризуются адгезией, сравнимой по величине с прочностью контактирующих материалов на разрыв, что свидетельствует об образовании прочной химической связи между слоями. Многослойное защитное покрытие, полученное в едином технологическом цикле, усиливает игру света на дифракционных элементах голографического рисунка. Данные для изделий, не удовлетворяющих заявляемым требованиям, - пп. 1, 5, 6, 8, 11, 14 таблицы. Такие изделия, как видно из таблицы, характеризуются более низкими эксплуатационными качествами, не позволяющими в полной мере решить поставленную задачу. Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет повысить качество изделия, содержащего голографическое изображение, за счет повышения его износостойкости,влагостойкости, а также улучшения адгезии защитного покрытия. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5