一种可用于防伪技术中的光学变色薄膜

　　要制成光学防伪薄膜，其设计需满足以下条件：

　　在颜色的设计上，可以为名贵色（如金色）、复合色（如紫红色）、纯单色（如饱和绿色），以使防伪颜色明显区别于普通油墨所能印制的颜色，从而提高防伪性能。

　　在防伪特征的设计上，以人眼能够明显观测到为准则，即反射色颜色亮度较高，与周围环境有明显的对比度，改变不同观测角度，颜色变化明显。

　　用简单的膜系生产成品率高的防伪膜。对于给定光谱反射率的防伪膜，既可以用全介质膜系，也可以用金属介质组合膜设计与制作，区别主要是膜层材料不同。实验证明，全介质膜需要的膜层多，制造工艺复杂，而金属介质组合膜层少，制作相对简单。

　　1.膜系结构设计

　　利用TFC膜系设计软件进行设计，膜系结构采用简单的金属介质膜系结构。

　　金属反射层的作用是为了加强反射，使变色后颜色效果更明显。一般来说，大多数金属材料都有对光的反射特性，而Al是反射率最高的材料之一，又便于成膜，所以最终选择了Al作为反射层金属材料。Al的厚度对颜色变化没有直接的影响，选择大于85nm以上的膜厚即可实现反射。

　　介质层主要决定的是膜系颜色变化，随着介质层厚度的增加，薄膜呈现颜色所对应的波长由短波向长波方向移动。本次实验分别选择了单层的Al2O3或者Al2O3与TiO2两种介质组合的介质层结构。对于单层的Al2O3，通过软件模拟发现，正入射情况下，介质层厚度在65nm以下，人眼分辨不出是否有颜色，厚度在80～130nm时呈现蓝紫色，厚度在130～430nm时，颜色由黄绿色向红色变化。

　　半透半反层选用的同样是金属，对于整个膜系来说，其能起到增加颜色饱和度的作用，多选用吸收系数和折射率接近的金属材料，如Cr、Ti、Fe和Pd等，考虑到材料的稳定性，本实验选用Cr，通过软件模拟得出，Cr膜的厚度在4～10nm范围内较好。

　　具体膜系设计方案如表1所示，选择不同厚度的金属层、介质层和半透半反层组合，可实现表1所示的颜色变化。

　　表1中的方案1～3（通过变化膜系结构中各层的厚度来实现三种不同方案），均采用单层介质薄膜结构，对于自然光（复色光），可以采用干涉方法，使复色光通过某一薄膜层后，复色光中某一波长的光线反射增强。

　　由增反膜原理可知，要想得到此结果，介质层的折射率n1、空气的折射率n0和反射层的折射率n2必须满足公式（1）的条件，薄膜的光学厚度必须满足公式（2）的条件。然而，这两个条件实际上很难满足，因为很难得到这样的材料。

　　方案4采用了多层高折射介质膜，且可以解决上述问题。由公式（1）可知，要提高膜层材料的折射率n1，需要提高基层材料的折射率n2。多层镀膜就是在基底上先镀一层高折射率的膜，称为H膜，然后再镀一层低折射率的膜，称为L膜，最后镀一层高反射率的膜，称为H膜，如此间隔地镀膜就得到多层复合膜，方案4采用了折射率差异较大的TiO2和Al2O3。

　　2.实验研究

　　在前期理论分析与模拟的基础上，实验采用多靶磁控溅射的方式制备变色膜，各功能层均在真空状态下制备，避免了制备一层后在空气中暴露等不利因素。同时，采用厚度控制系统能精确控制薄膜厚度，而厚度是介质层制备时影响成膜效果的关键因素。因此，对于制备满足设计需要的变色薄膜，提高成膜质量非常关键。

　　为便于防伪膜的转移，实验选用了不干胶基底材料，在其表面镀防伪变色膜。另外，考虑到实验的可实现性，本实验选用了两种不干胶基底材料：MZ0063（面纸为50μmPET、胶黏剂为S333、底纸为80g／ｍ2白格拉辛），BW0299（面纸为50μm透明BOPP、胶黏剂为S692N、底纸为30μmPET）。表2为不同观察角度下获得的薄膜变色效果。

　　本文分析模拟了光学变色薄膜的变色理论，即每个确定的膜系都具有特定的反射光谱，并随着入射角的变化而变化，所以，可通过这个理论分别来测量光变薄膜在不同角度下的反射率，从而更加明确地控制光变薄膜颜色变化，大大提高印刷品的防伪作用。

　　另外，在实验中，通过控制成膜条件及各功能层的厚度，制得了金属介质系列光学变色薄膜。对薄膜微观形貌与厚度进行表征，结果表明：以Al－Al2O3－Cr为组成结构，薄膜的颜色会发生从绿色到紫色的变化，以Al－TiO2－Al2O3－Cr为组成结构，薄膜的颜色会发生从紫红色到金色的变化，实验结果与理论变色结论一致。

　　薄膜厚度与均匀性的控制往往是影响变色效果的关键因素，若厚度控制不精确，则达不到需要的变色效果；均匀性控制不好，则会使颜色变化不一致。

　　区别于传统的在普通玻璃片和PET、BOPP薄膜上镀制防伪变色薄膜，选用不干胶基底的薄膜标签（表面材料为PET或BOPP）镀制防伪变色薄膜，可便于完成变色薄膜的转移，如应用于烟、酒包装的局部防伪，或是作为包装产品的基底承印材料。今后，可在该防伪变色薄膜上镀制不同的变色图案，有望实现更高级别的防伪。