Патент на изобретение №2344046

(54) СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЦЕННОГО ИЗДЕЛИЯ С ЗАЩИТНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО ТИПА, ЗАЩИТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ БЛОК ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЗАЩИТНОГО ЭЛЕМЕНТА, ЗАЩИЩЕННЫЙ ОТ ПОДДЕЛКИ МАТЕРИАЛ И ЗАЩИЩЕННЫЙ ОТ ПОДДЕЛКИ ЦЕННЫЙ ДОКУМЕНТ

(57) Реферат:

Изобретение относится к способам и средствам защиты от подделки ценных бумаг и изделий, а также к средствам детектирования таких элементов. Способ идентификации ценного изделия с защитным элементом люминесцентного типа содержит слой люминофора с активатором в виде примесной добавки, дискретные физические структуры которой функционально являются центрами люминесценции, путем возбуждения в зоне размещения защитного элемента переменного электрического поля заданной частоты, посредством которого в слое люминофора активируют электролюминесценцию предпробойного типа, после чего осуществляют регистрацию заданных параметров излучения электролюминесценции для последующей идентификации изделия в отношении его подлинности. В качестве люминофора используют состав с центрами электролюминесценции, по меньшей мере, двух энергетических уровней в запрещенной зоне люминофора, а интегральный цвет свечения определяется расположением уровней в запрещенной зоне и частотой возбуждающего электрического поля, при этом возбуждение центров электролюминесценции в разных зонах размещения защитного элемента осуществляют электрическим полем различной частоты. В процессе регистрации параметров излучения фиксируют интегральный цвет свечения возбужденных центров электролюминесценции, по меньшей мере, в двух, разнесенных по плоскости защитного элемента зонах. Защитный элемент люминесцентного типа для идентификации ценных изделий содержит слой люминофора с активатором. Оптико-электронный блок для идентификации защитного элемента люминесцентного типа включает генератор переменного электрического поля с системой электродов и средство регистрации параметров излучения, возбуждаемого в слое люминофора с активатором. Также предложены защищенный от подделки материал и защищенный от подделки ценный документ. Изобретение повышает степень защиты изделий. 5 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к способам и средствам защиты от подделки ценных бумаг и изделий с использованием защитных элементов электролюминесцентного типа, а также к средствам детектирования таких защитных элементов в процессе идентификации (контроля подлинности) изделий. Преимущественная область использования: определение подлинности банкнот, ценных бумаг и кредитных документов, а также стандартизованных знаков соответствия.

Для защиты бумаг и изделий от подделки в настоящее время используются различные методы, одним из которых является создание специальных люминесцирующих защитных элементов, наносимых на само изделие и на его упаковку. В обычных условиях метки не видны, однако при специальном возбуждении области, в структуру которой введен (или нанесен на ее поверхность) люминесцирующий материал, возникает излучение в оптической или близких к ней областях спектра. Излучение регистрируется визуально или с помощью соответствующих фотоприемников, наличие этого излучения и позволяет отличить качественное ценное изделие от некачественного, полуфабриката или от подделки.

Известен способ идентификации ценных изделий с защитными элементами люминесцентного типа, включающий использование люминофора с активатором, в котором в процессе контроля фиксируют свечение в нескольких областях, разнесенных по поверхности изделия, преимущественно одновременно (US 4650320 А, 17.03.1987, G07D 7/12).

Известно, что составы люминофоров на основе сульфида цинка с медью, марганцем имеют центры люминесценции нескольких уровней (Воробьев В.А. Автореферат докторской диссертации «Физико-химические основы синтеза низковольтных катодолюминофоров», Ставрополь, 2006 г., УДК 546.47-31).

Известно оптико-электронное устройство для идентификации изделий, основанное на возбуждении в контролируемой зоне электромагнитного поля и сравнении откликов, например US 5519381, опубл. 21.05.1996 г. Недостатком является то, что такое устройство не может контролировать люминесцентные защитные элементы.

По способу возбуждения различают разные виды люминесценции. Фотолюминесценция возникает под воздействием засветки люминофора коротковолновым излучением (как правило, из ультрафиолетовой области). Катодолюминесценция – результат действия на люминофор потоков быстрых электронов, электролюминесценция возникает при прохождении сквозь люминофор электрического тока (постоянного или переменного). Радиолюминесценция возбуждается частицами, которые рождаются в процессе радиоактивного распада ядер веществ, специально вводимых в люминесцирующий слой, при хеми- и биолюминесценции испусканием света сопровождается протекание некоторых химических реакций и т.д. На практике наибольшее применение получила фотолюминесценция. Неорганические и органические люминофоры разных цветов свечения применяются для изготовления источников света (прежде всего – ламп дневного света), люминесцентных красок, используются в качестве добавок в обычные красящие составы (в том числе и в защитных целях, поскольку обнаружить такую добавку можно лишь при засветке ультрафиолетовым излучением). Однако большой набор веществ, способных фотолюминесцировать, не является положительным фактором с точки зрения создания средств защиты ценных изделий, поскольку всегда существует вероятность подделки путем подбора люминофора такого же цвета свечения, как и тот, который вводится в защитный краситель.

Круг материалов, в которых можно возбуждать электролюминесценцию, является существенно более узким. Связано это с тем, что для возбуждения электролюминесценции мало иметь соответствующий материал, требуется создать целую конструкцию, которая и начинает испускать свет под воздействием электрического поля. Различают два вида электролюминесценции: инжекционную и предпробойную. В обоих случаях для возникновения эффекта необходимо создать области типа p-n переходов, границ раздела полупроводник-диэлектрик и т.д. От совершенства таких областей (на уровне кристаллической решетки, слоев молекул) во многом зависит не только яркость свечения всей структуры, но и то, будет ли она светиться вообще. Осуществить же синтез электролюминофора и создать источник излучения на его основе задача существенно более сложная, чем в случае фотолюминофора. Поэтому использование электролюминесценции для целей создания защиты ценных изделий является весьма перспективным.

Инжекционная электролюминесценция возникает при прохождении сквозь созданную структуру постоянного электронного тока (типичными представителями излучателей этого типа являются светодиоды). Понятно, что использование в защитных целях люминесценции данного типа затруднительно, так как для этого требуется создание электрической цепи, одним из элементов которой должна являться сама защитная метка. Обеспечить хороший электрический контакт между защитной меткой и источником питания (который, чаще всего, находится вне контролируемого изделия) – достаточно сложная задача.

Для возникновения электролюминесценции предпробойного типа непосредственного контакта люминофора и электродов не требуется. Излучатель представляет собой электрический конденсатор (электроды которого могут иметь различную форму). Мелко дисперсный (средний размер зерен порядка 10 мкм) порошок люминофора (точнее, его смесь со связующим диэлектриком) располагается в межэлектродном пространстве. Свечение возникает под действием переменного электрического поля, при этом наличие сквозного тока сквозь структуру является нежелательным, так как процессы ускорения и умножения носителей заряда, возбуждения центров люминесценции и последующего излучения происходят непосредственно в самом зерне люминофора.

Наиболее широко на практике используются люминофоры на основе сульфида цинка, легированного медью. При синтезе таких люминофоров на поверхности кристаллитов ZnS возникают вкрапления второй фазы, CuxS, где х=2. У границы раздела этих фаз возникают процессы ударного умножения электронов. Возникающая при этом электронная лавина проносится сквозь кристалл, ионизируя на пути атомы решетки, примесные структуры, являющиеся центрами люминесценции. После перемены полярности внешнего напряжения электроны движутся в другом направлении, причем часть из них отдает энергию и рекомбинирует с дырками, захваченными центрами свечения: возникает люминесценция. На переменном напряжении процесс повторяется периодически, и электролюминесценция носит характер кратковременных вспышек, возникающих после перемены полярности напряжения. Поскольку частота переменного поля обычно составляет килогерцы, свечение на глаз воспринимается как непрерывное. Предложение использовать люминофор, работающий в предпробойном режиме, для создания защитных меток на ценном изделии изложено в прототипе – WO 9908881 А1, 25.02.1999, МПК B42D 15/10, который описывает близкое к заявленному устройство.

Согласно данному, известному из уровня техники техническому решению, люминесцирующая область формируется на поверхности или в самом слое вещества-носителя (например, ценного изделия), а затем на ее поверхность наносится опознавательный элемент обычного типа, допускающий визуальную или механическую проверку подлинности изделия. Люминесцирующая область светится в результате внешнего воздействия: оптического (фотолюминесценция), механического или электрического (электролюминесценция) типа, являясь, по существу, источником фоновой подсветки, которая позволяет распознать нанесенный поверх этой поверхности опознавательный элемент.

Недостатком как вышеописанных аналогов, так и прототипа является недостаточная степень защиты ценного изделия вследствие использования люминофоров, цвет свечения которых остается неизменным. В то же время, применяя специально разработанные люминофоры, спектр электролюминесценции которых зависит от параметров возбуждающего напряжения, можно качественным образом повысить степень защищенности ценного изделия.

Задачей заявленного изобретения является создание способа идентификации ценных изделий с защитными элементами люминесцентного типа, самого защитного элемента и оптико-электронного блока для его регистрации, которые в совокупности позволяли бы повысить степень защиты изделий за счет использования в качестве люминесцентного материала защитных элементов – электролюминофоров с центрами люминесценции, по меньшей мере, двух различных энергетических уровней, интегральный цвет свечения которых определяется частотой возбуждающего электрического поля.

Поставленная задача решается способом идентификации ценного изделия с защитным элементом люминесцентного типа, содержащим слой люминофора с активатором в виде примесной добавки, дискретные физические структуры которой функционально являются центрами люминесценции, путем возбуждения в зоне размещения защитного элемента переменного электрического поля заданной частоты, посредством которого в слое люминофора активируют электролюминесценцию предпробойного типа, после чего осуществляют регистрацию заданных параметров излучения электролюминесценции для последующей идентификации изделия в отношении его подлинности, в котором в качестве люминофора используют состав с центрами электролюминесценции, по меньшей мере, двух энергетических уровней в запрещенной зоне люминофора, а интегральный цвет свечения люминофора определяется расположением уровней в запрещенной зоне и частотой возбуждающего электрического поля, при этом возбуждение центров электролюминесценции в разных зонах размещения защитного элемента осуществляют электрическим полем различной частоты, а в процессе регистрации параметров излучения фиксируют интегральный цвет свечения возбужденных центров электролюминесценции, по меньшей мере, в двух, разнесенных по плоскости защитного элемента зонах.

При этом в качестве люминофоров используют составы системы А₂В₆, например цинксульфидный электролюминофор, легированный медью.

Кроме того, в качестве люминофоров используют составы А₂В₆, например цинксульфидный электролюминофор, легированный марганцем.

Кроме того, фиксируют интегральный цвет свечения в зонах одновременно.

Задача решается также защитным элементом люминесцентного типа для идентификации ценных изделий, содержащим слой люминофора с активатором в виде примесной добавки, дискретные физические структуры которой функционально являются центрами люминесценции, активирующими в слое люминофора электролюминесценцию предпробойного типа под воздействием переменного электрического поля заданной частоты, в котором в качестве люминофора используют состав с центрами электролюминесценции, по меньшей мере, двух уровней, интегральный цвет свечения которых определяется частотой возбуждающего электрического поля.

При этом в качестве люминофоров используют составы системы А₂В₆, например цинксульфидный электролюминофор, легированный медью.

Кроме того, в качестве люминофоров используют составы А₂В₆, например цинксульфидный электролюминофор, легированный марганцем.

Задача решается также оптико-электронным блоком для идентификации защитного элемента люминесцентного типа, включающим генератор переменного электрического поля с системой электродов и средство регистрации параметров излучения, возбуждаемого в слое люминофора с активатором в виде примесной добавки, дискретные физические структуры которой функционально являются центрами люминесценции, активирующими в люминофоре электролюминесценцию предпробойного типа под воздействием переменного электрического поля заданной частоты, в котором генератор электрического поля выполнен, по меньшей мере, двухканальным, с возможностью создания, посредством каждой пары электродов, упомянутой системы переменного электрического поля различной частоты, возбуждающего в слое люминофора электролюминесценцию с различным цветом свечения в разных областях идентифицируемого защитного элемента, для чего пары электродов упомянутой системы пространственно разнесены вдоль слоя люминофора, представляющего собой состав с центрами электролюминесценции, по меньшей мере, двух уровней, интегральный цвет свечения которых определяется частотой возбуждающего электрического поля.

Поставленная задача решается также защищенным от подделки материалом, таким как бумага, пластик, ткань и иные материалы для изготовления банкнот, ценных бумаг, кредитных карт, документов, свидетельств и иных подобных изделий, содержащих элемент по любому из пунктов 5, или 6, или 7 формулы изобретения.

Поставленная задача решается также защищенным от подделки ценным документом, таким как банкнота, ценная бумага, кредитная карта, свидетельство и иной подобный документ, снабженным защитным элементом по любому из пунктов 5, или 6, или 7 заявленной формулы изобретения, и который допускает возможность, по меньшей мере, визуального его контроля.

Изобретения иллюстрируются графическими материалами.

Фиг.1 – зонная схема электролюминофора с центрами свечения (зеленый и голубой) разного типа (уровня).

Фиг.2 – пример расположения защитного электролюминесцирующего элемента на ценном изделии (А – ценное изделие, В – область, в которой размещен защитный люминесцирующий элемент).

Фиг.3 – пример возможного варианта расположения групп электродов, обеспечивающих возбуждение электролюминесценции в двух разнесенных областях защитного элемента на двух заданных частотах.

Фиг.4 – пример практической реализации схемы оптико-электронного блока для выявления защитных электролюминесцентных эффектов.

Фиг.5 – цветовая диаграмма (точке I соответствует излучение, возникающее при возбуждении используемого электролюминофора на частоте питающего напряжения 400 Гц, точке II – излучение, возникающее при возбуждении напряжением с частотой 4000 Гц).

С физической точки зрения способ идентификации ценных изделий реализуется следующим образом.

Пример 1. В качестве идентификационной защитной метки используют защитный элемент, который включает слой люминофора с активатором в виде примесной добавки. Дискретные физические структуры примесной добавки функционально являются центрами люминесценции. В зоне размещения упомянутого защитного элемента возбуждают переменное электрическое поле заданной частоты, посредством которого в люминофоре активируют электролюминесценцию предпробойного типа. После чего осуществляют регистрацию заданных параметров излучения люминесценции для последующей идентификации изделия в отношении его подлинности. Отличительными особенностями способа является следующее. В качестве электролюминофора используют состав с центрами люминесценции, по меньшей мере, двух уровней, при этом интегральный цвет свечения определяется расположением уровней в запрещенной зоне и частотой возбуждающего электрического поля. Возбуждение электролюминофора в разных областях защитного элемента и/или в различные моменты времени осуществляют электрическим полем различной частоты. В процессе регистрации параметров излучения фиксируют интегральный цвет свечения возбужденных центров люминесценции, по меньшей мере, в двух, разнесенных по плоскости защитного элемента областях, преимущественно одновременно.

В качестве люминофора использовали в примере цинксульфидный электролюминофор, легированный марганцем.

Ценное изделие А содержит область В (фиг.2), формируемую, например, на поверхности изделия А методом трафаретной печати, способную светиться в переменном электрическом поле. Для этих целей используется люминофорно-диэлектрическая смесь, причем диэлектрик сам может иметь окраску, что позволяет создавать рисунок (опознаваемый элемент) обычного типа, допускающий визуальную или механическую проверку защиты изделия. Для возбуждения свечения защитная область прижимается к системам (например, к двум), преимущественно гребенчатых прозрачных электродов (материалом которых может являться, например, двуокись олова), нанесенных на прозрачную (например, стеклянную) подложку. Электрическое напряжение подается на обе системы электродов. На первую систему – одной частоты, на вторую – другой частоты, одновременно или в различные моменты времени. Возможна также подача частотно-модулированного напряжения на обе системы электродов. Возникающее свечение в разных областях защитного элемента фиксируется фотоприемными средствами.

Для достижения технического результата – повышения степени защищенности ценного изделия – на практике был использован цинксульфидный электролюминофор, меняющий цвет свечения в зависимости от частоты возбуждающего переменного электрического поля. Достигнутый результат подтверждается фиг.5, на которой изображена цветовая диаграмма, соответствующая свечению использованного в изделии люминофора. Точка I соответствует возбуждению на частоте 400 Гц (излучение на глаз воспринимается как желто-зеленое), точка II – возбуждению на частоте 4000 Гц (излучение имеет отчетливую голубую компоненту).

Пример 2.

Все действия осуществляли как в примере 1, но в качестве люминофора использовали в примере цинксульфидный электролюминофор, легированный медью.

Характеристика защитного элемента, используемого для реализации заявленного способа идентификации, полностью вытекает из вышеприведенного описания (поскольку они однозначно взаимосвязаны) и более подробного описания не требует.

Технический результат достигается посредством того, что цвет свечения электролюминофора, как известно, определяется не только природой центров люминесценции, вводимых в его основу, но и частотой возбуждающих напряжений, U₁ и U₂ по фиг.3 (т.е. частотой генерируемого переменного электрического поля). Время, в течение которого длится возбуждающий импульс, в итоге определяет, какие центры люминесценции успеют захватить дырки для последующей рекомбинации и какая доля этих дырок успеет за один период изменения поля (период возбуждения) прорекомбинировать с электронами. В электролюминофоре можно создать центры люминесценции нескольких типов (уровней), характеризуемых разной энергетической глубиной залегания в запрещенной зоне. От того, какие из этих центров успеют принять участие в создании световых импульсов, зависит общий (интегральный) цвет свечения электролюминофора. Как правило, уменьшение периода возбуждения (повышение частоты напряжения питания) сопровождается сдвигом спектра электролюминесценции цинксульфидных электролюминофоров в коротковолновую область: «зеленые» люминофоры становятся «зелено-голубыми», «желто-зеленые» – «лимонно-желтыми» и т.д. Существует такие люминофоры, изменение (на порядок) частоты возбуждения которых приводит к отчетливому эффекту изменения цвета свечения, фиксируемого как глазом, так и фотоприемными устройствами. Синтез подобных люминофоров требует проведения специальных, достаточно трудоемких исследований и построения соответствующей производственной базы. То есть воспроизвести рассматриваемый в рамках данного изобретения эффект несанкционированным образом (и тем самым преодолеть защиту ценного изделия) весьма затруднительно. Объясняется это тем, что, как ранее указывалось, различная глубина залегания соответствующих уровней центров люминесценции регламентирует неодинаковую вероятность захвата ими дырок и, соответственно, возможность варьирования их вкладов в формирование интегрального спектра электролюминесценции при изменении времени, отводимого на этот процесс (путем повышения или понижения частоты возбуждающего напряжения), находится в достаточно широких пределах.

На фиг.4 представлен пример практической реализации общей схемы оптико-электронного блока для выявления защитных электролюминесцентных эффектов.

Позициями обозначены: 1 – область люминесценции защищенного изделия; 2 – подложка прозрачная; 3 – группы (две) прозрачных электродов, преимущественно гребенчатой формы; 4 – блок питания (генератор переменного электрического поля) с двумя каналами, с выхода которых на группы 3 электродов подаются два переменных электрических сигнала разной частоты; 5 и 6 – фотоприемные средства, настроенные на разные спектральные области свечения, возникающего при электролюминесценции на разных частотах возбуждающего напряжения в разных зонах люминесцирующей области 1.

Оптико-электронный блок для идентификации защитного элемента люминесцентного типа включает генератор переменного электрического поля (блок 4 питания) с системой электродов и средства 5 и 6 регистрации параметров излучения, возбуждаемого в слое люминофора. Как следует из вышесказанного, данный блок предназначен для работы исключительно с электролюминофорами с активаторами в виде примесных добавок, дискретные физические структуры которых функционально являются центрами люминесценции, активирующими в люминофоре электролюминесценцию предпробойного типа под воздействием переменного электрического поля заданной частоты. Генератор электрического поля выполнен, по меньшей мере, двухканальным с возможностью создания посредством каждой пары (группы 3) электродов упомянутой системы переменного электрического поля различной частоты, возбуждающего в слое люминофора электролюминесценцию с различным цветом свечения в разных областях исследуемого агента подлинности. Для чего пары электродов упомянутой системы пространственно разнесены вдоль слоя электролюминофора, представляющего собой состав с центрами люминесценции, по меньшей мере, двух уровней, относительное пространственное расположение которых характеризуется глубиной их залегания в слое люминофора, а интегральный цвет свечения определяется частотой возбуждающего электрического поля.

Таким образом, как следует из приведенных примеров все объекты настоящего изобретения успешно и с высокой степенью надежности могут быть использованы для защиты и идентификации ценных изделий от подделки с использованием защитных элементов (меток) электролюминесцентного типа.

Формула изобретения

1. Способ идентификации ценного изделия с защитным элементом люминесцентного типа, содержащим слой люминофора с активатором в виде примесной добавки, дискретные физические структуры которой функционально являются центрами люминесценции, путем возбуждения в зоне размещения защитного элемента переменного электрического поля заданной частоты, посредством которого в слое люминофора активируют электролюминесценцию предпробойного типа, после чего осуществляют регистрацию заданных параметров излучения электролюминесценции для последующей идентификации изделия в отношении его подлинности, отличающийся тем, что в качестве люминофора используют состав с центрами электролюминесценции, по меньшей мере, двух энергетических уровней в запрещенной зоне люминофора, а интегральный цвет свечения определяется расположением уровней в запрещенной зоне и частотой возбуждающего электрического поля, при этом возбуждение центров электролюминесценции в разных зонах размещения защитного элемента осуществляют электрическим полем различной частоты, а в процессе регистрации параметров излучения фиксируют интегральный цвет свечения возбужденных центров электролюминесценции, по меньшей мере, в двух, разнесенных по плоскости защитного элемента зонах.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве люминофора используют электролюминофоры системы А₂В₆, например, цинксульфидный электролюминофор, легированный медью.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве люминофора используют электролюминофоры системы А₂В₆, например, цинксульфидный электролюминофор, легированный марганцем.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что фиксируют интегральный цвет свечения в зонах одновременно.

5. Защитный элемент люминесцентного типа для идентификации ценных изделий, содержащий слой люминофора с активатором в виде примесной добавки, дискретные физические структуры которой функционально являются центрами люминесценции, активирующими в слое люминофора электролюминесценцию предпробойного типа под воздействием переменного электрического поля заданной частоты, отличающийся тем, что в качестве люминофора используют состав с центрами электролюминесценции, по меньшей мере, двух уровней, интегральный цвет свечения которых определяется частотой возбуждающего электрического поля.

6. Защитный элемент по п.5, отличающийся тем, что в качестве люминофора используют электролюминофоры системы А₂В₆, например, цинксульфидный электролюминофор, легированный медью.

7. Защитный элемент по п.5, отличающийся тем, что в качестве люминофора используют электролюминофоры системы А₂В₆, например, цинксульфидный электролюминофор, легированный марганцем.

8. Оптико-электронный блок для идентификации защитного элемента люминесцентного типа, включающий генератор переменного электрического поля с системой электродов и средство регистрации параметров излучения, возбуждаемого в слое люминофора с активатором в виде примесной добавки, дискретные физические структуры которой функционально являются центрами люминесценции, активирующими в люминофоре электролюминесценцию предпробойного типа под воздействием переменного электрического поля заданной частоты, отличающийся тем, что генератор электрического поля выполнен, по меньшей мере, двухканальным, с возможностью создания посредством каждой пары электродов упомянутой системы переменного электрического поля различной частоты, возбуждающего в слое люминофора электролюминесценцию с различным цветом свечения в разных областях идентифицируемого защитного элемента, для чего пары электродов упомянутой системы пространственно разнесены вдоль слоя люминофора, представляющего собой состав с центрами электролюминесценции, по меньшей мере, двух уровней, интегральный цвет свечения которых определяется частотой возбуждающего электрического поля.

9. Защищенный от подделки материал, такой как бумага, пластик, ткань и иные материалы для изготовления банкнот, ценных бумаг, кредитных карт, документов, свидетельств и иных подобных изделий, содержащих элемент по любому из пп.5, или 6, или 7.

10. Защищенный от подделки ценный документ, такой как банкнота, ценная бумага, кредитная карта, свидетельство и иной подобный документ, снабженный защитным элементом по любому из пп.5, или 6, или 7, который допускает возможность, по меньшей мере, визуального его контроля.

РИСУНКИ