WO1999038702A1 - Bedrucktes wertdokument mit einem lumineszierenden echtheitsmerkmal - Google Patents

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Wittich Kaule
Gerhard Schwenk
Gerhard Stenzel
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Definitions

  • the invention relates to a printed document of value with at least one authenticity feature in the form of a luminescent substance based on host lattice doped with at least one rare earth metal.
  • the rare earth metals can be incorporated together with other substances in host grids in such a way that the excitation and / or emission spectrum of the rare earth metal is influenced in a characteristic manner.
  • suitable absorbent substances for example, part of the excitation and / or emission areas of the rare earth metal can be suppressed.
  • the influence can, however, also consist in a "deformation", e.g. by damping certain areas of the excitation or emission spectra.
  • the object of the invention is to create a document of value with an authenticity marking in the form of luminescent substances which are even more difficult to detect than the prior art and thus offer increased protection against counterfeiting.
  • the solution to this problem results from the independent claims. Further training is the subject of the subclaims.
  • the emission lines of the rare earth metals lying in the IR spectral range are used. Emission lines which are in the near IR range are preferably used, since they can still be detected with inexpensive sensors and, because of the favorable signal / noise ratio, incorrect measurements can be avoided relatively easily. Usually, commercial silicon (Si) or germanium (Ge) detectors are used for this. The farther the emission lines lie in the IR spectral range, the more difficult it is to detect the emission. The general rule is that the defectivity or responsiveness of photodetectors decreases the longer wavelength the radiation to be measured is. This means that the signal / noise ratio of the detected signals generally decreases with increasing wavelength.
  • the invention is now based on the knowledge that the difficult to detect certain substances with increasing emission wavelength in the IR spectral range can be used very advantageously to increase protection against counterfeiting.
  • a luminescent substance whose emission spectrum is outside is therefore used to secure documents of value the sensitivity of Si or Ge detectors.
  • lead sulfide (PbS), indium arsenide (InAs), gallium indium arsenide (GalnAs) or lead selenide (PbSe) detectors must be used.
  • PbS lead sulfide
  • InAs indium arsenide
  • GanAs gallium indium arsenide
  • PbSe lead selenide
  • their defectiveness is ten orders of magnitude lower than that of Si detectors.
  • the measurement-related evaluation of the signals of such a detector is significantly more complex.
  • the substances suitable for ensuring authenticity can be substances based on holmium-doped host lattices.
  • Holmium has emission lines in the wavelength range of 2 ⁇ m and can therefore no longer be detected with GeDetectors, since the sensitivity of Ge detectors in the 1900 nm range goes to zero.
  • the substances according to the invention can be detected using PbS detectors. Since the response sensitivity of the PbS detectors is already very low in the wavelength range of 2 ⁇ m, the holmium must be placed in a host grating that ensures the highest possible effectiveness of the holmium, i.e. ensures the highest possible quantum yield.
  • host grids are used which contain broadband absorbing constituents and which transfer the absorbed energy to the holmium with a high degree of efficiency.
  • the quantum yield of the luminescent substances according to the invention is preferably in the range from 50 to 90%.
  • the invention provides for the luminescent substance in the respective value document to be used in such a high concentration that the properties of the value document are not adversely affected.
  • the maximum concentration depends on various parameters, such as the type of introduction or the desired properties (color or the like) of the value document. If, for example, the luminescent substance is embedded in a paper pulp, the just permissible concentration of foreign substances is a few% by weight. If the permissible concentration of foreign substances is exceeded, this results in significant changes in the properties of the substance. An excessively high concentration of foreign matter in the paper, for example, reduces the tear strength of the paper. If the luminescent substance has its own color, the concentration of about 0.1% by weight may already be sufficient to change the color of the entire paper.
  • the lower limit concentration in the case of colorless or slightly colored, luminescent substances when mixed into the paper pulp is 0.1% by weight.
  • the limit concentration can already be 0.01% by weight.
  • the concentration is preferably in the range from 0.05 to 1% by weight.
  • the lower limit concentration of the luminescent substance in a layer applied to the document of value is approximately 1% by weight, for example for colored luminescent substances.
  • the concentration is in the range from 1 to 40% by weight, preferably in the range from 10 to 30% by weight.
  • the luminescent substances can be introduced into the value document in a wide variety of ways.
  • the luminescent substances can be mixed into a printing ink which additionally contains visually visible color additives.
  • admixing the luminescent substance to the paper pulp is also possible.
  • the luminescent substances can be provided on or in a plastic carrier material which, for example, is at least partially embedded in the paper pulp.
  • the carrier material can have the form of a security thread, a mottled fiber or a planchette.
  • the plastic or paper carrier material can also be attached to any other object, for example for product security.
  • the carrier material is preferably in the form of a label. If the carrier material is part of the product to be secured, as is the case, for example, with tear threads, any other shape is of course also possible.
  • a colorless luminescent substance in the maximum concentration for the printing ink or the coating lacquer, which just barely does not impair the properties of the coating, or a colored luminescent substance in such a low concentration must be used that the transparency of the coating is just given.
  • value document means banknotes, checks, shares, tokens, ID cards, credit cards, passports and also other documents as well as labels, seals, packaging or other elements for product security.
  • the luminescent substances according to the invention have emission spectra. which are so far in the IR spectral range that they can only be detected with the detectors available for this range only with a high outlay in terms of measurement technology, if they are mixed with the document of value to be marked in a maximum amount, but the document does not change.
  • boundary phosphors Such luminescent substances are referred to below as “boundary phosphors”.
  • the detection technology is so complex that the risk of analyzing the measurement parameters is relatively low. But even if the counterfeiter is concerned about the existence of the luminescent substance would be known, he could, as already explained, only adjust it by exactly adjusting all parameters responsible for the luminescence. Luminescent substances with poorer properties either change the properties of the value document sustainably or are no longer detectable in the detection devices.
  • This figure also shows that Ge detectors of up to approximately 1.8 ⁇ m can be used and that PbS detectors or correspondingly adapted Ga x In-As detectors are preferably used in the range up to 3 ⁇ m.
  • the index x is chooses that the maximum detectivity is at the desired cutoff wavelength.
  • InAs or PbSe detectors can also be used in principle. However, their defectiveness is still a factor of ten below that of PbS detectors.
  • the maximum detectivity is already in the wavelength range of approx. 3 to 4 ⁇ m, so that they are not optimally suited for the detection of holmium.
  • FIG. 2 shows the emission spectrum of a holmium-doped boundary phosphor according to the invention.
  • the emission lines of the holmium occurring in the visible and possibly in the near IR are suppressed by absorbing substances in the host lattice.
  • holmium emits in the wavelength range between 1.8 and 2.1 ⁇ m, and here in particular in the range from 1.9 and 2.1 ⁇ m. Comparing this emission spectrum with the detectivity curves of the sensors shown in Fig. 1, it is found that the emission spectrum of the boundary phosphor according to the invention with detectors of high defectivity, i.e. cannot be detected with Si or Ga As detectors.
  • the host grating for the optically active holmium according to the invention has an optically transparent coating in the wavelength range from 1 ⁇ m to 10 ⁇ m. rich.
  • the host lattice according to the invention also contains iron or chromium as absorbing elements, which absorb practically the entire visible spectral range and thus have a larger excitation range, which is better adapted to broad-spectrum light sources, instead of the individual excitation lines of the holmium occurring in this range.
  • the boundary phosphors according to the invention preferably have a garnet or perovskite structure.
  • host grids with the general formula are used in the case of a garnet structure
  • the grid consists of an yttrium aluminum iron garnet.
  • the garnet structure can be represented by the general formula
  • A A 'each represent an element from the group consisting of yttrium (Y), gadolinium (Gd), scandium (Sc) and lanthanum (La); M stands for iron (Fe) or chromium (Cr) and the index x fulfills the condition 1 ⁇ x ⁇ 4.99, preferably 0.5 ⁇ x ⁇ 2 and the index y fulfills the condition 0 ⁇ y ⁇ 3.
  • Y yttrium
  • Gd gadolinium
  • Sc scandium
  • La lanthanum
  • M stands for iron (Fe) or chromium (Cr)
  • the index x fulfills the condition 1 ⁇ x ⁇ 4.99, preferably 0.5 ⁇ x ⁇ 2
  • the index y fulfills the condition 0 ⁇ y ⁇ 3.
  • index z fulfills the condition 0.05 ⁇ z ⁇ 2, preferably 0.15 ⁇ z ⁇ 0.25.
  • the absorption and thus the brightness of any inherent color of the substance can be adjusted via the proportion of non-absorbing aluminum, so that the luminescent substance can also be used in higher concentrations as an additive for lighter printing inks.
  • M stands for iron (Fe) or chromium (Cr).
  • Y ⁇ -z Ho z Fe ⁇ 3 describe in which the index z fulfills the condition 0.01 ⁇ z ⁇ 0.5, preferably 0.03 ⁇ z ⁇ 0.08.
  • the excitation range of these boundary phosphors lies in the visible spectral range and possibly also in the near IR. This area coincides with the radiation area from strong light sources, such as halogen lamps, flash lamps or the like.
  • the reaction product After cooling, the reaction product is crushed, the flux is washed out with water and air-dried at 100 ° C. To achieve the highest possible grain fineness, the powder is then ground in water in an agitator ball mill until an average grain size of less than 1 ⁇ m is obtained. After filtering and drying, a light green powder is obtained.
  • Gd 2 0 3 gadolinium oxide
  • Y 2 0 3 yttrium oxide
  • Al 2 ⁇ 3 aluminum oxide
  • Fe 2 ⁇ 3 iron oxide
  • Ho 2 Ü3 Holmium oxide
  • Na 2 S0 4 dehydrated sodium sulfate
  • reaction product After cooling, the reaction product is crushed, the flux is washed out with water, sodium chromate formed as a by-product is reduced to chromium (III) sulfate with sulfuric acid / iron sulfate and dried in air at 100 ° C. To achieve the highest possible grain fineness, the powder is then ground accordingly in water in an agitator ball mill.
  • the security against forgery is additionally increased if the luminescent substance is used in the maximum concentration for the respective document of value or security element.
  • the maximum concentration depends on various parameters, e.g. the type of contribution or the desired property of the value document or security element.
  • the security element consists of a label 2, which is composed of a paper or plastic layer 3, a transparent cover layer 4 and an adhesive layer 5.
  • This label 2 is connected to any substrate 1 via the adhesive layer 5.
  • This substrate 1 can be documents of value, ID cards, passports, certificates or the like, but also other objects to be secured, such as CDs, packaging or the like.
  • the luminescent substance 6 is contained in the volume of the layer 3. If layer 3 is a paper layer, the limit concentration of luminescent substance according to the invention is between 0.05 and 1% by weight.
  • the border phosphor could also be contained in a printing ink, not shown, which is printed on one of the label layers, preferably on the surface of layer 3.
  • the maximum concentration which is still possible according to the invention is in the range from 10 to 30% by weight.
  • the luminescent substance in or on a carrier material which is subsequently attached to an object as a security element, it is also possible according to the invention to provide the luminescent substance directly in the document of value to be secured or on its surface in the form of a coating.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein bedrucktes Wertdokument mit zumindest einem Echtheitsmerkmal in Form einer lumineszierenden Substanz auf der Basis von mit wenigstens einem Seltenerdmetall dotierten Wirtgitter. Das Wirtsgitter absorbiert im wesentlichen im sichtbaren Spektralbereich, ist im sichtbaren Spektralbereich anregbar und zumindest in Teilbereichen des IR-Spektralbereichs transparent. Bei dem Seltenerdmetall handelt es sich um Holmium. Die lumineszierende Substanz liegt im Volumen des Wertdokuments in einer so hohen Konzentration vor, dass die Eigenschaften des Wertdokuments gerade nicht beeinträchtigt werden.

Description

BEDRUCKTES WERTDOKUMENT MIT EINEM LUMINESZIERENDEN ECHTHEITSMERKMAL
Die Erfindung betrifft ein bedrucktes Wertdokument mit zumindest einem Echtheitsmerkmal in Form einer lumineszierenden Substanz auf der Basis von mit wenigstens einem Seltenerdmetall dotierten Wirtsgitter.
Die Absicherung von Wertdokumenten mittels lumineszierender Substanzen ist bereits seit langem bekannt. Auch die Verwendung von Seltenerdmetallen wurde in diesem Zusammenhang bereits diskutiert. Sie haben den Vor- teil, dass sie schmalbandige Emissionslinien aufweisen, die besonders charakteristisch und deshalb von Emissionen anderer Stoffe messtechnisch sicher unterscheidbar sind. Vorzugsweise werden dabei Stoffe verwendet, die Emissionslinien im unsichtbaren Spektralbereich, insbesondere im infraroten (IR) Spektralbereich aufweisen.
Um den Fälschungsschutz noch zu erhöhen, können die Seltenerdmetalle zusammen mit anderen Stoffen derart in Wirtsgittern eingebaut werden, dass das Anregungs- und/ oder Emissionsspektrum des Seltenerdmetalls in charakteristischer Weise beeinflusst wird. Durch Kombination mit geeigne- ten absorbierenden Stoffen kann beispielsweise ein Teil der Anregungsund/ oder Emissionsbereiche des Seltenerdmetalls unterdrückt werden. Die Beeinflussung kann jedoch auch in einer „Verformung" z.B. durch Dämpfung bestimmter Bereiche der Anregungs- oder Emissionsspektren bestehen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Wertdokument mit einer Echtheitskennzeichnung in Form von lumineszierenden Substanzen zu schaffen, die gegenüber dem Stand der Technik noch schwerer nachweisbar sind und damit einen erhöhten Fälschungsschutz bieten. Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den unabhängigen Ansprüchen. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Wie bereits erläutert, werden zur Echtheitsüberprüfung von Wertdokumen- ten, die im IR-Spektralbereich liegenden Emissionslinien der Seltenerdmetalle genutzt. Vorzugsweise nutzt man Emissionslinien, die im nahen IR- Bereich liegen, da diese noch mit preiswerten Sensoren detektierbar sind und aufgrund des günstigen Signal-/ Rauschverhältnisses Fehlmessungen relativ leicht vermeidbar sind. Üblicherweise verwendet man hierfür handelsübli- ehe Silizium (Si)- oder Germanium (Ge)-Detektoren. Je weiter die Emissionslinien im IR-Spektralbereich liegen, desto schwieriger wird der Nachweis der Emission. Denn ganz allgemein gilt, dass die Defektivität oder Ansprechempfindlichkeit von Fotodetektoren abnimmt, je langwelliger die zu messende Strahlung ist. Das heißt, dass das Signal-/ Rauschverhältnis der detek- tierten Signale mit zunehmender Wellenläge im Allgemeinen geringer wird. Demzufolge werden die zur Auswertung der Signale notwendige Messtechnik und das zu benötigte Know-how immer aufwendiger. Wenn diese messtechnisch schwer nachweisbaren Lumineszenzstoffe darüber hinaus in den zu prüfenden Wertdokumenten nur in geringen Konzentrationen vorliegen, ist ein Nachweis der Emissionslinien nur unter besonderen Bedi- gungen möglich.
Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, dass die mit zunehmender Emissionswellenlänge im IR-Spektralbereich schwierige Nachweisbarkeit bestimmter Substanzen sehr vorteilhaft zur Erhöhung des Fälschungsschutzes genutzt werden kann.
Erfindungsgemäß wird daher zur Absicherung von Wertdokumenten eine lumineszierende Substanz verwendet, deren Emissionsspektrum außerhalb der Ansprechempfindlichkeit von Si- oder Ge-Detektoren liegt. In diesem Fall muss z.B. auf Bleisulfid (PbS)-, Indiumarsenid (InAs)-, Gallium- Indiumarsenid (GalnAs)- oder Bleiselenid (PbSe)-Detektoren zurückgegriffen werden. Deren Defektivität ist aber um Zehnerpotenzen geringer als die von Si-Detektoren, außerdem ist die messtechnische Auswertung der Signale eines solchen Detektors deutlich aufwendiger.
Die für die Echtheitsabsicherung geeigneten Substanzen können Stoffe auf der Basis von holmiumdotierten Wirtsgittern sein. Holmium weist Emissi- onslinien im Wellenlängenbereich von 2 μm auf und kann daher mit GeDetektoren nicht mehr nachgewiesen werden, da die Ansprechempfindlichkeit von Ge-Detektoren im Bereich von 1900 nm gegen null geht. Mit entsprechendem Aufwand können die erfindungsgemäßen Substanzen allerdings mit Hilfe von PbS-Detektoren nachgewiesen werden. Da auch die An- Sprechempfindlichkeit der PbS-Detektoren im Wellenlängenbereich von 2 μm bereits sehr gering ist, muss das Holmium in ein Wirtsgitter eingesetzt werden, das eine möglichst hohe Effektivität des Holmiums gewährleistet, d.h. für eine möglichst hohe Quantenausbeute sorgt. Erfindungsgemäß werden Wirtsgitter verwendet, die breitbandig absorbierende Bestandteile enthalten und die absorbierte Energie mit einem hohen Wirkungsgrad auf das Holmium übertragen. Vorzugsweise liegt die Quantenausbeute der erfindungsgemäßen lumineszierenden Substanzen im Bereich von 50 bis 90 %.
Außerdem ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die lumineszierende Sub- stanz im jeweiligen Wertdokument in so hoher Konzentration zu verwenden, dass die Eigenschaften des Wertdokuments gerade nicht beeinträchtigt werden. Die maximale Konzentration hängt von verschiedenen Parametern ab, wie z.B. der Art der Einbringung oder den gewünschten Eigenschaften (Farbe oder dergleichen) des Wertdokuments. Wird der Lumineszenzstoff beispielsweise in eine Papiermasse eingebettet, so liegt die gerade noch zulässige Konzentration von Fremdstoffen bei wenigen Gew.%. Überschreitet man die zulässige Fremdstoffkonzentration, so hat dies deutliche Änderungen der Stoffeigenschaften zur Folge. Eine zu hohe Fremdstoffkonzentration im Papier beispielsweise reduziert die Reißfestigkeit des Papiers. Besitzt der Lumineszenzstoff eine Eigenfarbe, so reicht gegebenenfalls bereits die Konzentration von etwa 0,1 Gew.%, um die Farbe des gesamten Papiers zu verändern. Eine überhöhte Fremdstoffkonzentrati- on in Druckfarben macht die Farben brüchig und reduziert die gute Haftung auf der Dokumentenoberfläche. Auch hier kann bereits eine Konzentration von 1 Gew.% eines farbigen Lumineszenzstoffes genügen, um den Gesamtfarbeindruck der Druckfarbe zu verfälschen. Dient dieser Lumineszenzstoff gleichzeitig als Farbpigment, kann die Grenzkonzentration andererseits auch erst bei dem physikalisch maximal möglichen Feststoffanteil von ca. 80 Gew.% erreicht werden.
Erfindungsgemäß liegt die untere Grenzkonzentration im Falle farbloser oder leicht gefärbter, lumineszierender Substanzen bei Einmischung in die Papiermasse bei 0,1 Gew.%. Bei stärker gefärbten Lumineszenzstoffen kann die Grenzkonzentration auch schon bei 0,01 Gew.% liegen. Vorzugsweise liegt die Konzentration im Bereich von 0,05 bis 1 Gew.%. Die untere Grenzkonzentration der lumineszierenden Substanz in einer auf das Wertdokument aufgebrachten Schicht beträgt dagegen etwa 1 Gew.%, beispielsweise für farbige Lumineszenzstoffe. Je nach Schichtzusammensetzung und Ver- wendungszweck liegt die Konzentration im Bereich von 1 bis 40 Gew. %, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 30 Gew.%.
Das Einbringen der lumineszierenden Substanzen in gerade noch zulässiger, d.h. die genannten Eigenschaften des Wertpapiers nicht verändernder Kon- zentration verhindert Fälschungsversuche, bei denen in Unkenntnis der echten Lumineszenzstoffe weniger effektive Ersatzstoffe mit ähnlichen Emissionslinien eingesetzt werden, die aber dann, um messbare Signale zu erhalten, in höherer Konzentration dem Wertdokument beigegeben werden müs- sen. Dies führt zu erkennbaren Veränderungen des Wertdokuments oder der die lumineszierende Substanz enthaltende Druckfarbe. Im Falle farbiger Stoffe würde dies beispielsweise auch zu einer Verfärbung des Wertdokuments oder der Druckfarbe führen.
Die lumineszierenden Substanzen können gemäß der Erfindung auf verschiedenste Art und Weise in das Wertdokument eingebracht werden. So können die lumineszierenden Substanzen beispielsweise, wie bereits erwähnt, einer Druckfarbe zugemischt werden, die zusätzlich visuell sichtbare Farbzusätze enthält. Aber auch ein Zumischen der lumineszierenden Sub- stanz zur Papiermasse ist möglich. Ebenso können die lumineszierenden Substanzen auf oder in einem Kunststoffträgermaterial vorgesehen werden, welches beispielsweise zumindest teilweise in die Papiermasse eingebettetwird. Das Trägermaterial kann hierbei die Form eines Sicherheitsfadens, einer Melierfaser oder einer Planchette haben.
Das Kunststoff- oder Papierträgermaterial kann jedoch auch an jedem beliebigen anderen Gegenstand, z.B. zur Produktsicherung befestigt werden. Das Trägermaterial ist in diesem Fall vorzugsweise in Form eines Etiketts ausgebildet. Wenn das Trägermaterial Bestandteil des zu sichernden Produkts ist, wie es z.B. bei Aufreißfäden der Fall ist, ist selbstverständlich auch jede andere Formgebung möglich. In bestimmten Anwendungsfällen kann es sinnvoll sein, die lumineszierende Substanz als unsichtbare Beschichtung auf dem Wertdokument vorzusehen. Sie kann dabei vollflächig oder auch in Form von bestimmten Mustern, wie z.B. Streifen, Linien, Kreisen oder auch in Form von alphanummerischen Zeichen vorliegen. Um die Unsichtbarkeit des Lumineszenzstoffes zu gewährleisten, muss erfindungsgemäß entweder ein farbloser Lumineszenzstoff in der für die Druckfarbe oder den Beschich- tungslack maximalen Konzentration, die gerade noch nicht die Eigenschaf - ten der Beschichtung beeinträchtigt, verwendet werden oder ein farbiger Lumineszenzstoff in einer so geringen Konzentration, dass die Transparenz der Beschichtung gerade noch gegeben ist.
Unter der Bezeichnung „Wertdokument" sind im Rahmen der Erfindung Banknoten, Schecks, Aktien, Wertmarken, Ausweise, Kreditkarten, Pässe und auch andere Dokumente sowie Etiketten, Siegel, Verpackungen oder andere Elemente für die Produktsicherung zu verstehen.
Die erfindungsgemäßen lumineszierenden Substanzen weisen Emissions- spektren auf. die so weit im IR- Spektralbereich liegen, dass sie mit den für diesen Bereich verfügbaren Detektoren nur unter hohem messtechnischen Aufwand gerade noch nachweisbar sind, wenn sie dem zu markierenden Wertdokument in maximaler, aber das Dokument nicht verändernder Menge zugemischt werden.
Derartige Lumineszenzstoffe werden im Folgenden als „Grenzleuchtstoffe" bezeichnet.
Sie besitzen gegenüber den übrigen, nicht an diesen Grenzen liegenden Leuchtstoffen den sicherungstechnischen Vorteil, dass sie auf anderen technischen Gebieten praktisch nicht eingesetzt werden und daher im Handel auch nicht erhältlich sind. Ferner ist die Nachweistechnik derart aufwendig, dass das Risiko der Analyse der messtechnischen Parameter relativ gering ist. Aber selbst wenn dem Fälscher die Existenz des Lumineszenzstoffs be- kannt wäre, könnte er ihn, wie bereits erläutert, nur nachstellen, indem er alle für die Lumineszenz verantwortlichen Parameter exakt nachstellt. Lumineszenzstoffe mit schlechteren Eigenschaften verändern entweder die Eigenschaften des Wertdokuments nachhaltig oder sind in den Detektionsein- richtungen nicht mehr nachweisbar.
Weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figur und der Beispiele erläutert.
Fig. 1 Defektivität verschiedener Detektoren,
Fig.2 Emissionspektren eines erfindungsgemäßen Grenzleuchtstoffs,
Fig. 3 erfindungsgemäßes Sicherheitselement im Querschnitt.
Fig. 1 zeigt die Defektivität D* verschiedener Detektoren in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ. Sie ist ein Maß für die Ansprechempfindlichkeit des Detektors. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden die Kurven nur im Bereich ihres Empfindlichkeitsmaximums dargestellt. Aus dieser Figur ergibt sich, dass Si- und Ga As-Detektoren im Bereich oberhalb 1,1 μm nicht mehr eingesetzt werden können. Die Empfindlichkeit von Galiumarsenid kann durch Indiumzusätze weiter in den IR-Spektralbereich verschoben werden. So ist ein Gao,7lno,3As-Detektor bis etwa 1,2 μm einsetzbar, während ein Gao,3lno,7 As-Detektor bis etwa 3 μm einsetzbar ist. Allerdings nimmt in diesem Bereich die Defektivität stark ab. Aus dieser Figur ergibt sich ferner, dass Ge-Detektoren bis etwa 1,8 μm verwendbar sind und dass im Bereich bis zu 3 μm vorzugsweise PbS-Detektoren oder entsprechend angepasste GaxIn -ι As-Detektoren verwendet werden. Der Index x wird dabei so ge- wählt, dass das Detektivitätsmaximum bei der gewünschten Grenzwellenlänge liegt. Prinzipiell sind auch InAs-oder PbSe-Detektoren einsetzbar. Ihre Defektivität liegt jedoch noch eine Zehnerpotenz unter derjenigen von PbS- Detektoren. Zudem liegt das Detektivitätsmaximum bereits im Wellenlän- genbereich von ca. 3 bis 4 μm, so dass sie für den Nachweis von Holmium nicht optimal geeignet sind.
In Fig. 2 ist das Emissionsspektrum eines erfindungsgemäßen holmiumdotierten Grenzleuchtstoffes dargestellt. Die im sichtbaren und gegebenenfalls im nahen IR auftretenden Emissionslinien des Holmiums werden durch absorbierende Substanzen im Wirtsgitter unterdrückt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, emittiert Holmium im Wellenlängenbereich zwischen 1,8 und 2,1 μm, und hier insbesondere im Bereich von 1,9 und 2,1 μm. Vergleicht man dieses Emissionsspektrum mit den in Fig. 1 dargestellten Detektivitätskurven der Sensoren, so stellt man fest, dass das Emissionsspektrum des erfindungsgemäßen Grenzleuchtstoffes mit Detektoren hoher Defektivität, d.h. mit Si- oder Ga As-Detektoren nicht nachgewiesen werden kann. Auch mit GeDetektoren, deren Detektivitätsmaximum bereits weiter in den IR- Spektralbereich verschoben ist, kann das in Fig. 2 gezeigte Emissionspek- trum nicht gemessen werden. Erst mit PbS-Detektoren ist ein solcher Nachweis möglich. Diese Detektoren sind jedoch um ca. 2 Zehnerpotenzen weniger empfindlich als Silizium. Das bedeutet, dass das Signal-/ Rauschverhältnis wesentlich schlechter ist als bei Si-Detektoren und daher ein höherer messtechnischer Aufwand notwendig ist, um das Lumineszenzsignal des Grenzleuchtstoffes auswerten zu können. Gemäß der Erfindung wird gerade jedoch dieser Umstand dazu genutzt, die Fälschungssicherheit zu erhöhen.
Das Wirtsgitter für das erfindungsgemäße optisch aktive Holmium hat im Wellenlängenbereich von 1 μm bis 10 μm einen optisch transparenten Be- reich. Das erfindungsgmäße Wirtsgitter enthält ferner als absorbierende Elemente Eisen oder Chrom, die praktisch im gesamten sichtbaren Spektralbereich absorbieren und damit anstelle der in diesem Bereich auftretenden einzelnen Anregungslinien des Holmiums einen größeren und an breitban- dig leuchtende Lichtquellen besser angepassten Anregungsbereich haben.
Vorzugsweise weisen die erfindungsgemäßen Grenzleuchtstoffe eine Granat- oder Perovskitstruktur auf. Um eine möglichst hohe Effektivität des Holmiums zu garantieren, werden im Falle einer Granatstruktur Wirtsgitter mit der allgemeinen Formel
A3M5-χAlxOι2
verwendet, worin A für ein Element aus der Gruppe Scandium (Sc), Yttrium (Y), Lanthan (La) und Gadolinium (Gd); M für Eisen (Fe) oder Chrom (Cr) steht und der Index x die Bedingung 0 < x < 4,99, vorzugsweise 0,5 < x < 2, erfüllt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Gitter aus einem Yttrium- Aluminium-Eisen-Granat.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform lässt sich die Granatstruktur durch die allgemeine Formel
A'3-yAyM5-χAlχOl2
beschreiben, worin A, A' jeweils für ein Element aus der Gruppe Yttrium (Y), Gadolinium (Gd), Scandium (Sc) und Lanthan (La); M für Eisen (Fe) oder Chrom (Cr) steht und der Index x die Bedingung 1 < x < 4,99, vorzugsweise 0,5 < x < 2 und der Index y die Bedingung 0 < y < 3 erfüllt. Für eine bevor- zugte Ausführungsform des Lumineszenzstoffes ergibt sich daraus für y = 1 die Formel
A'Y2-zHθzFe5-xAlχOi3,
wobei der Index z die Bedingung 0,05 < z < 2 vorzugsweise 0,15 < z < 0,25 erfüllt.
Über den Anteil an nichtabsorbierendem Aluminium lässt sich die Absorpti- on und damit die Helligkeit einer eventuell vorhandenen Eigenfarbe des Stoffes einstellen, so dass die lumineszierende Substanz auch in höherer Konzentration als Zusatzstoff für hellere Druckfarben eingesetzt werden kann.
Wird für das Wirtsgitter eine Perovskitstruktur verwendet, so lässt sich diese durch die allgemeine Formel
Figure imgf000012_0001
beschreiben, worin
A für ein Element aus der Gruppe Scandium (Sc), Yttrium (Y) und der
Lanthanide und
M für Eisen (Fe) oder Chrom (Cr) steht.
Die bevorzugte Ausführungsform für den Grenzleuchtstoff in einer Perovskitstruktur lässt sich damit durch die Formel
Yι-zHozFeθ3 beschreiben, worin der Index z die Bedingung 0,01 < z < 0,5, vorzugsweise 0,03 < z < 0,08 erfüllt.
Der Anregungsbereich dieser Grenzleuchtstoffe liegt im sichtbaren Spektral- bereich und gegebenenfalls zusätzlich im nahen IR. Dieser Bereich deckt sich mit dem Strahlungsbereich von starken Lichtquellen, wie Halogenlampen, Blitzlampen oder dergleichen.
Im Folgenden werden einige Beispiele der erfindungsgemäßen Grenzleucht- Stoffe näher erläutert.
Beispiel 1:
Herstellung von holmiumaktiviertem Yttrium- Aluminium-Chrom- Mischgranat (Y2,7Hoo,3Crι,2Al3,8Ch2):
47,16 g Yttriumoxid (Y2O3), 29,96 g Aluminiumoxid (A1203), 14,11 g Chrom(III)oxid (Cr203), 8,77 g Holmiumoxid (Ho203) und 100 g entwässertes Natriumsulfat (Na2S04) werden innig vermischt und im Korundtiegel 12 Stunden auf 1100 °C in einer reduzierenden Inert- gasathmosphäre aus Kohle monoxid und Waserstoff (Formiergas) erhitzt.
Nach dem Abkühlen wird das Reaktionsprodukt zerkleinert, mit Wasser das Flussmittel herausgewaschen und bei 100 °C an Luft getrocknet. Zur Erzielung einer möglichst hohen Kornfeinheit wird das Pulver anschließend in einer Rührwerkskugelmühle in Wasser vermählen bis eine mittlere Korngröße von kleiner als 1 μm vorliegt. Nach dem Filtrieren und Trocknen erhält man ein hellgrünes Pulver .
Beispiel 2:
Herstellung von holmiumaktiviertem Yttrium-Gadolinium-Eisen-
Aluminium-Mischgranat (GdYι,78Hoo.22Fe3 Al2Oι ) :
23,68 g Gadoliniumoxid (Gd203), 26,26 g Yttriumoxid (Y203), 13,32 g Aluminiumoxid (Al2θ3), 31,3 g Eisenoxid (Fe2θ3), 5,43 g Holmium- oxid (Ho2Ü3) und 100 g entwässertes Natriumsulfat (Na2S04) werden innig vermischt und im Korundtiegel 12 Stunden auf 1100 °C erhitzt.
Nach dem Abkühlen wird das Reaktionsprodukt zerkleinert, mit Wasser das Flussmittel herausgewaschen und bei 100 °C an Luft ge- trocknet. Zur Erzielung einer möglichst hohen Kornfeinheit wird das
Pulver anschließend in einer Rührwerkskugelmühle in Wasser entsprechend vermählen.
Nach dem Filtrieren und Trocknen erhält man ein hellgrünes Pulver mit einer mittleren Korngröße von kleiner als 1 μm.
Beispiel 3:
Herstellung von holmiumaktiviertem Yttrium-Chrom-Perovskit
Figure imgf000014_0001
47,91 g Yttriumoxid (Y2O3), 37,94 g Chrom(III)oxid (Cr203), 14,15 g Holmiumoxid (H02O3) und 100 g entwässertes Natriumsulfat (Na S04) werden innig vermischt und im Korundtiegel 20 Stunden auf 1100 °C erhitzt.
Nach dem Akühlen wird das Reaktionsprodukt zerkleinert, mit Wasser das Flussmittel herausgewaschen, als Nebenprodukt entstandenes Natriumchromat mit Schwefelsäure/ Eisensulfat zu Chrom(III)sulfat reduziert und bei 100 °C an Luft getrocknet. Zur Erzielung einer möglichst hohen Kornfeinheit wird das Pulver anschließend in einer Rührwerkskugelmühle in Wasser entsprechend vermählen.
Nach dem Filtrieren und Trocknen erhält man ein grünes Pulver mit einer mittleren Korngröße von kleiner als 1 μm.
Erfindungsgmäß wird die Fälschungssicherheit zusätzlich erhöht, wenn die lumineszierende Substanz in der für das jeweilige Wertdokument bzw. Sicherheitselement maximalen Konzentration verwendet wird. Die maximale Konzentration hängt dabei von verschiedenen Parametern ab, wie z.B. der Art der Einbringung oder den gewünschten Eigenschaft des Wertdokuments bzw. Sicherheitselements.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sicherheitselements. Das Sicherheitselement besteht in diesem Fall aus einem Etikett 2, das sich aus einer Papier- oder Kunststoffschicht 3, einer transparenten Abdeck- schicht 4 sowie einer Klebstoffschicht 5 zusammensetzt. Dieses Etikett 2 ist über die Kleberschicht 5 mit einem beliebigen Substrat 1 verbunden. Bei diesem Substrat 1 kann es sich um Wertdokumente, Ausweise, Pässe, Urkunden oder dergleichen aber auch um andere zu sichernde Gegenstände, wie beispielsweise CDs, Verpackungen o. ä. handeln. Der Lumineszenzstoff 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel im Volumen der Schicht 3 enthalten. Handelt es sich bei der Schicht 3 um eine Papierschicht, so beträgt die Grenzkonzentration an Lumineszenzstoff erfindungsgemäß zwischen 0,05 und 1 Gew.%.
Alternativ könnte der Grenzleuchtstoff auch in einer nicht gezeigten Druckfarbe enthalten sein, die auf eine der Etikettenschichten, vorzugsweise auf die Oberfläche der Schicht 3 aufgedruckt wird. Die erfindungsgemäß gerade noch mögliche Maximalkonzentration bewegt sich in diesem Fall im Bereich von 10 bis 30 Gew.%.
Statt den Lumineszenzstoff in oder auf einem Trägermaterial vorzusehen, das anschließend als Sicherheitselement auf einem Gegenstand befestigt wird, ist es gemäß der Erfinding auch möglich, die lumineszierende Sub- stanz direkt in das zu sichernde Wertdokument bzw. auf dessen Oberfläche in Form einer Beschichtung vorzusehen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Bedrucktes Wertdokument mit zumindest einem Echtheitsmerkmal in Form einer lumineszierenden Substanz auf der Basis von mit wenigstens einem Seltenerdmetall dotierten Wirtsgitter, das im Wesentlichen im sichtbaren Spektralbereich absorbiert und anregbar ist und zumindest in Teilbereichen des IR-Spektralbereichs transparent ist, wobei das Seltenerdmetall Holmium ist und der Lumineszenzstoff im Volumen des Wertdokuments in einer so hohen Konzentration vorliegt, dass die Eigenschaften des Wertdo- kuments gerade nicht beeinträchtigt werden.
2. Bedrucktes Wertdokument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lumineszenzstoff in einer Konzentration von höchstens 5 Gew.% im Dokumentenmaterial enthalten ist.
3. Bedrucktes Wertdokument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wertdokument aus Papier besteht und die lumineszierende Substanz im Papier in einer Konzentration von 0,05 bis 1 Gew.% vorliegt.
4. Bedrucktes Wertdokument mit zumindest einem Echtheitsmerkmal in Form einer lumineszierenden Substanz auf der Basis von mit wenigstens einem Seltenerdmetall dotierten Wirtsgitter, das im Wesentlichen im sichtbaren Spektralbereich absorbiert und anregbar ist und zumindest in Teilberei- chen des IR-Spektralbereichs transparent ist, wobei das Seltenerdmetall Holmium ist und der Lumineszenzstoff in einer auf dem Wertdokument aufgebrachten Schicht in einer so hohen Konzentration vorliegt, dass die Eigenschaften der Schicht nicht beeinträchtigt werden.
5. Bedrucktes Wertdokument nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die auf das Wertdokument aufgebrachte Schicht eine Druckfarbe ist, in welcher die lumineszierende Substanz in einer Konzentration von 1 bis 40 Gew. %, vorzugsweise von 10 bis 30 Gew.%, vorliegt.
6. Bedrucktes Wertdokument nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die lumineszierende Substanz als unsichtbare zumindest teilweise Besch 'htung auf dem Wertdokument vorgesehen ist.
7. Bedrucktes Wertdokument nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lumineszierende Substanz einer Druckfarbe zugemischt ist, die zusätzlich visuell sichtbare Farbzusätze enthält.
8. Bedrucktes Wertdokument nach wenigstens einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung die Form eines oder mehrerer Streifen aufweist.
9. Bedrucktes Wertdokument nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der optisch transparente Bereich des mit Sel- tenerdmetall' n dotierten Wirts gitters im Bereich zwischen 1 μm und 10 μm liegt.
10. Bedrucktes Wertdokument nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirtsgitter als absorbierende Elemente Eisen oder Chrom enthält.
11. Bedrucktes Wertdokument nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirtsgitter eine Granat- oder Perovskitstruktur aufweist.
12. Bedrucktes Wertdokument nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Granatstruktur durch die allgemeine Formel
A3M5-χAlχOι2
beschreiben lässt, worin
A für ein Element aus der Gruppe Yttrium, Gadolinium, Scandium und Lanthan;
M für Eisen oder Chrom steht und der Index x die Bedingung 0 < x < 4,99 erfüllt.
13. Bedrucktes Wertdokument nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Index x die Bedingung 0,5 < x < 2 erfüllt.
14. Bedrucktes Wertdokument nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich die lumineszierende Substanz durch die Formel
Ys-zHozFes-xAlxO
beschreiben lässt, worin der Index z die Bedingung 0,05 < z < 2 und vor- zugsweise0,15 < z < 0,25 erfüllt.
15. Bedrucktes Wertdokument nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Granatstruktur durch die allgemeine Formel
A'3-yAyM5-χAlχOl2
beschreiben lässt, worin A, A' jweils für ein Element aus der Gruppe Yttrium, Gadolinium, Scandium und Lanthan; M für Eisen oder Chrom steht und der Index x die Bedingung 1 < x < 4,99, vorzugsweise 0,5 < x < 2 erfüllt und der Index y die Bedingung 0 < y < 3.
16. Bedrucktes Wertdokument nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich die lumineszierende Substanz durch die Formel
A'Y2-zHozFe5-χAlχ012
beschreiben lässt, worin der Index z die Bedingung 0,05 < z < 2, vorzugsweise 0,15 < z < 0,25 erfüllt.
17. Bedrucktes Wertdokument nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Perovskitstruktur durch die allgemeine Formel
AMOs
beschreiben lässt, worin
A für ein Element aus der Gruppe Scandium, Yttrium und der Lanthanide; M für Eisen oder Chrom steht.
18. Bedrucktes Wertdokument nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass sich die lumineszierende Substanz durch die Formel
Yι-zHozCr03 beschreiben lässt, worin der Indes z die Bedingung 0,01 < z <0,5, vorzugsweise 0,03 < z < 0,08 erfüllt.
19. Bedrucktes Wertdokument nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass sich die lumineszierende Substanz durch die Formel
Yi.zHozFeOs
beschreiben lässt, worin der Index z die Bedingung 0,01 < z < 0,5, vorzugs- weise 0,03 < z < 0,08 erfüllt.
20. Bedrucktes Wertdokument nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die lumineszierende Substanz eine Quantenausbeute von 50 bis 90 % aufweist.
21. Sicherheitselement, welches zumindest ein Trägermaterial und eine lumineszierende Substanz auf der Basis von mit wenigstens einem Seltenerdmetall dotier :en Wirtsgitter aufweist, das im Wesentlichen im sichtbaren Spektralbereich absorbiert und anregbar ist und zumindest in Teilbereichen des IR-Spektralbereichs transparent ist, wobei das Seltenerdmetall Holmium ist, und die lumineszierende Substanz in einer so hohen Konzentration im Volumen des Trägermaterials vorhanden ist, dass die Eigenschaften des Sicherheitselements gerade nicht beeinträchtigt werden.
22. Sicherheitselement nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial aus Papier besteht, und die lumineszierende Substanz im Papier in einer Konzentration von höchstens 6 Gew.%, vorzugsweise im Bereich von 0,05 bis 1 Gew.% vorliegt.
23. Sicherheitselement nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial aus Kunststoff besteht, und die lumineszierende Substanz im Kunststoff in einer Konzentration von höchstens 10 Gew. % vorliegt.
24. Sicherheitselement, welches zumindest ein Trägermaterial und eine lumineszierende Substanz auf der Basis von mit wenigstens einem Seltenerdmetall dotieren Wirtsgitter aufweist, das im Wesentlichen im sichtbaren Spektralbereich absorbiert und anregbar ist und zumindest in Teilbereichen des IR-Spekt.albereichs transparent ist, wobei das Seltenerdmetall Holmium ist, und der Lumineszenzstoff in einer auf das Trägermaterial aufgebrachten Schicht in einer so hohen Konzentration vorliegt, dass die Eigenschaften der aufgebrachten Schicht gerade nicht beeinträchtigt werden.
25. Sicherheitselement nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die lumineszierende Substanz in einer Druckfarbe in einer Konzentration im
Bereich von 1 bis 40 Gew.%, vorzugsweise von 10 bis 30 Gew.% vorliegt.
26. Sicherheitselement nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitselement die Form eines Streifens oder Bandes aufweist.
27. Sicherheitselement nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial als Sicherheitsfaden oder Melierfaser ausgebildet ist.
28. Sicherheitselement nach wenigsten einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitselement als Etikett ausgebildet ist.
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