Защитное покрытие для голографических изображений

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ(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) Защитное покрытие для голографических изображений, содержащее слой металла,отличающееся тем, что дополнительно содержит последовательно расположенные на нем слой сульфида цинка толщиной 50-500 нм и слой диоксида кремния толщиной 10-50 нм, а в качестве металла используется хром при толщине слоя 10-20 нм. Заявляемая полезная модель относится к области полиграфии и может быть использована 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 представляет собой тисненый рисунок 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 88322012.12.30 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 голографических изображений, выполненных на полимерном материале, является нанесение на них разнообразных защитных покрытий. Известно защитное покрытие для голографического изображения, представляющее собой пленку лака или краски 1. Такое покрытие наносится поверх слоя, непосредственно содержащего голографическое изображение. Однако ввиду совсем незначительных различий в коэффициенте преломления защитного лака и защищаемого слоя (и тот, и другой слои являются полимерами) 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 изделий с такими покрытиями. В частности, накопление статического электричества недопустимо на упаковочных материалах. Для предупреждения накопления статического электричества обычно используют электропроводные покрытия. Наиболее близким к заявляемому техническому решению, его прототипом является покрытие для голографических изображений, представляющее собой пленку алюминия требуемой толщины 2. Минимальная толщина покрытия при этом определяется условием необходимой сплошности покрытия и зависит от метода его нанесения. Максимальная толщина покрытия зависит от характера рисунка и размера зерен алюминия, определяющего его блеск. Прототип позволяет получать изображения, характеризующиеся интенсивной игрой света за счет высокой отражающей способности алюминия. Изделия с такими покрытиями не накапливают статическое электричество. Недостатком прототипа является его относительно невысокое качество из-за низкой износостойкости, обусловленной как чрезвычайно низкой твердостью алюминия, так и его 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 алюминия являются непрозрачными. В процессе нанесения покрытия металлическая пленка частично планаризирует микрорельеф голографического изображения, что ослабляет дисперсию и игру света на дифракционных элементах голограммы. Задачей заявляемой полезной модели является повышение качества покрытия за счет увеличения его износостойкости. Поставленная задача решается тем, что защитное покрытие для голографических изображений, содержащее слой металла, дополнительно содержит последовательно расположенные на нем слой сульфида цинка толщиной 50-500 нм и слой диоксида кремния толщиной 10-50 нм, а в качестве металла используется хром при толщине слоя 10-20 нм. Сущность заявляемого технического решения заключается в повышении твердости и химической стойкости покрытия при одновременном увеличении прозрачности. Все слои заявляемого покрытия являются прозрачными, а их коэффициенты преломления вследствие принципиально иной, неорганической природы используемых материалов достаточно сильно отличаются от коэффициента преломления полимерного слоя,непосредственно содержащего голографическое изображение. Это позволяет обеспечить высокий коэффициент отражения света от границы раздела этих слоев и высокую дисперсию света на дифракционных элементах изображения. Дополнительным преимуществом заявляемого покрытия является усиление игры света за счет внутреннего отражения меж 2 88322012.12.30 ду его слоями, а также за счет интерференционного поглощения, зависящего от угла падения света. При изменении угла падения света на изображение с заявляемым покрытием меняется не только дисперсионная картина рассеяния, но и цвет изделия в целом, обусловленный изменением длины волны поглощаемого света. Все слои заявляемого покрытия являются неорганическими и характеризуются высокой твердостью, что обеспечивает их износостойкость. Твердость по Бринеллю алюминия составляет 170 МПа 3, а хрома - 1060 МПа 4. Значение твердости пленок сульфида цинка занимает промежуточное положение, а диоксида кремния - наиболее высокое из всех рассматриваемых слоев. Первый слой покрытия является абсолютно конформным,что обеспечивает максимальную дисперсию света на дифракционной решетке полимерного слоя. Некоторая планаризация микрорельефа голографического изображения более толстыми вышележащими защитными слоями не ухудшает игру света на полимерном основании в силу того, что эти слои являются абсолютно прозрачными. Хром играет роль адгезионного слоя и предупреждает накопление статического электричества в изделии, что особенно важно при изготовлении упаковки. Кроме того, различие в коэффициентах преломления хрома и полимерного слоя, содержащего голографическое изображение, максимально по сравнению с остальными материалами покрытия. Это позволяет получить максимальную дисперсию и игру света на дифракционных элементах изображения. Сульфид цинка играет роль непосредственно защитного слоя. В связи с этим его толщина в составе покрытия является максимальной. Это твердая прозрачная пленка, сохраняющая эластичные свойства в достаточно широких интервалах толщины. Однако химическая стойкость, в частности влагостойкость, этого слоя относительно невысока, в связи с чем он дополнительно защищен слоем диоксида кремния. Диоксид кремния является прозрачным, химически стойким и очень твердым материалом. Он защищает слой сульфида цинка от воздействия внешних факторов, в частности от окисления влагой воздуха. 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 ростом механических напряжений при увеличении толщины. Толщина слоя сульфида цинка менее 50 нм, например 30 нм, не позволяет обеспечить требуемую защиту голографического изображения от механических повреждений ввиду малой прочности. Кроме того, при такой толщине слоя ухудшается игра света вследствие потери интерференционной составляющей. Прозрачная пленка приобретает цвет, обусловленный интерференционным поглощением, только при толщине не менее 50 нм. При меньшей толщине длина волны поглощаемого света выходит за пределы видимого диапазона. Сходное явление наблюдается и при относительно большой толщине пленок. Поэтому использование толщины более 500 нм, например 800 нм, нецелесообразно как ввиду увеличения материальных затрат без соответствующего увеличения эксплуатационных качеств,так и вследствие заметного ухудшения игры света. Толщина слоя диоксида кремния менее 10 нм, например 5 нм, не обеспечивает его сплошность и необходимую химическую стойкость покрытия в целом. А при толщине этого слоя более 50 нм, например 100 нм, этот слой становится слишком хрупким, что приводит в процессе эксплуатации к быстрому возникновению микротрещин в покрытии. Заявляемое техническое решение поясняется фигурой, где приведено поперечное сечение изделия, содержащего голографическое изображение и заявляемое защитное по 3 88322012.12.30 крытие. Изделие содержит основание 1, на котором сформирован полимерный слой 2 с тисненым рисунком 3. На поверхности рисунка последовательно выполнены слои хрома 4, сульфида цинка 5 и диоксида кремния 6. Заявляемое защитное покрытие для голографических изображений представляет собой последовательную совокупность слоев хрома 4, сульфида цинка 5 и диоксида кремния 6. Заявляемое покрытие обеспечивает защиту изображения за счет следующих факторов. Все слои покрытия наносятся в вакууме. В связи с этим покрытие непосредственно,без зазоров контактирует с полимерным слоем, являющимся дифракционной решеткой. Покрытие является прозрачным, поэтому свет легко проникает сквозь него и дифрагирует на элементах голографического изображения, создавая характерную игру. Покрытие является твердым и эластичным. Поэтому при абразивном взаимодействии с внешней средой оно не разрушается, как это имеет место в случае использования прототипа. Хром, как металл, характеризуется высокой концентрацией свободных электронов,которые, с одной стороны, обеспечивают электропроводность и защиту от статического электричества. С другой стороны, свободные электроны обеспечивают образование адгезионных химических связей как с полимерным основанием за счет реакции с его функциональными группами, так и с последующим слоем сульфида цинка. Сульфид цинка - прозрачный твердый материал, обеспечивающий механическую прочность покрытия в целом. Именно этот слой выполняет основное функциональное назначение покрытия за счет комплекса своих физико-механических свойств. Диоксид кремния - прозрачный слой, характеризующийся чрезвычайно высокой химической стойкостью. За счет его использования достигается высокая устойчивость покрытия в целом к длительному воздействию влаги, кислорода и других факторов. В комплексе своих свойств заявляемая совокупность слоев защитного покрытия обеспечивает повышение его качества за счет повышения твердости, износостойкости и прозрачности, а также обеспечивает интенсивную игру света на дифракционных элементах голографического изображения. Заявляемое покрытие получали и испытывали следующим образом. В качестве основания использовали полипропиленовую пленку с нанесенным на нее полимерным слоем с голографическим изображением, полученным методом тиснения. Нанесение покрытий производили на вакуумной установке ВУ-1 А электронно-лучевым методом. Перед нанесением покрытия поверхность основания очищалась от загрязнений сначала путем отмывки в моющем растворе, а затем непосредственно в вакуумной камере обработкой в плазме кислорода в течение 20 с. В вакуумной камере пленка располагалась на расстоянии 400 мм от тигеля электронно-лучевой пушки. Слои заявляемого покрытия получали путем последовательного испарения химически чистых хрома, сульфида цинка и кварца. Для контроля некоторых характеристик покрытий изготавливали тестовые образцы, в которых в качестве подложки использовали кварцевое стекло. При нанесении покрытий напряжение, подаваемое на электроннолучевую 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 слоев полученных покрытий приведена в таблице. Относительную износостойкость покрытий 0/ определяли с использованием нанометрического комплекса на базе атомного силового микроскопа Нанотоп 203 М по ширине царапиныпри заданной нагрузке. В качестве величины сравнения использовали износостойкость 0 прототипа. Влагостойкость покрытия оценивали визуально по образо ванию матового налета и при помощи микроскопа при увеличении 250 по образованию интерференционного окрашивания после кипячения образцов в воде в течение 10 мин. Прозрачность покрытия определяли на основе его светопропускания в процентах, изме 4 88322012.12.30 ренного с помощью люксметра. Игру света на голографических элементах оценивали визуально по пятибалльной шкале. Результаты испытаний приведены в таблице. Сравнительные результаты испытаний покрытий Толщина слоев, нм Игра Примечания, светопроВлагостойкость 0/ света,Сульфид Диоксид пускание,Хром балл цинка кремния 5 отдельные матовые пятна стойко стойко микротрещины при многократном изгибе цвета побежалости прототип по всей поверхно- 1,0 4 покрытие непрозрачно сти, матовые пятна Из приведенных данных видно, что износостойкость защитного покрытия по сравнению с прототипом возросла примерно в 3 раза. Оно является влагостойким и оптически прозрачным, что усиливает игру света на дифракционных элементах голографического рисунка. Данные для покрытий, не удовлетворяющих заявляемым требованиям по толщине, выделены серой заливкой. Такие покрытия, 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 защитного покрытия для голографических изображений за счет придания ему прозрачности, повышения износостойкости, влагостойкости, а также улучшения игры света на дифракционных элементах защищаемого изображения. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5