Procedimiento y dispositivo de seguridad
documental por generación de imágenes múltiples.
Antecedentes de la invención
La presente invención se encuadra dentro de las
nuevas técnicas de seguridad basadas en dispositivos ópticos
variables iridiscentes y no iridiscentes. Concretamente, en las
propiedades de los cristales líquidos, que se ha comprobado son
ventajosas para su aplicación como dispositivos de seguridad:
anisotropía, birrefringencia óptica, las distintas fases cristal
líquido que puede adoptar, etc. son cualidades que, manipuladas de
la forma correcta, generan diversos efectos en la luz fácilmente
verificables a simple vista o con ayuda de sencillos dispositivos
ópticos.
En particular, Rumiko Yamaguchi y otros en
"Polarized latent image forming in liquid crystal devices using
polymer surface photo-modification technique",
2004, Proceedings of SPIE Vol. 5618, pp. 166-173,
proponen inducir dos orientaciones ortogonales en cada placa de
confinamiento, dando lugar a una imagen blanco y negro por cada
cara, según el alineamiento del cristal líquido con respecto al
plano de las placas de confinamiento y la orientación del
polarizador o polarización de la luz incidente.
Sin embargo el dispositivo de Rumiko Yamaguchi y
otros cuenta con numerosas desventajas: la utilización de técnicas
de alineamiento combinadas en una misma superficie (UV + frotado, UV
+ calor), limitación a dos imágenes latentes como máximo en cada
dispositivo y la necesidad de placas de confinamiento rígidas
externas que impide su integración en otros elementos como
documentos, embalaje o billetes de banco.
En el documento EP1894736-A2,
Hoffmueller plantea un modelo basado en un cristal líquido con
comportamiento quiral (las moléculas de cristal líquido tienen un
orden orientacional y son ópticamente activas, produciendo una
rotación de la luz al atravesarlas). Sobre un sustrato que sirve de
soporte se depositan dos capas de cristal líquido, la segunda de
ellas con comportamiento quiral. La interacción de la segunda capa
con la primera, cuyas moléculas están parcialmente orientadas,
provoca un diferente entrelazado entre capas con el que se consigue
una variación de color por el giro/inclinación de las moléculas de
cristal líquido. Mediante esta técnica se pueden conseguir dos o más
regiones de distinto color bien diferenciadas. Sin embargo cuenta
con numerosas desventajas: no contempla la generación de escalas de
gris, emplea una doble capa de cristal líquido, sólo proporciona
diferencias de color por regiones y no contempla la creación de
motivos con formas reconocibles o detalles de alta resolución.
Además, con esta técnica, resulta inviable la creación de cuádruple
imagen latente (incluso de doble imagen latente) y la eliminación de
placas de confinamiento externas.
WO2008058670-A1 propone un
dispositivo con estructura de célula de cristal líquido insertado en
los documentos que se desee proteger. El cristal líquido empleado es
un cristal líquido nemático quiral y, asociado a la "célula",
se cuenta con un polarizador lineal de luz. Para comprobar la
autenticidad del elemento verificador, se cuenta con una unidad de
verificación que consta de otro polarizador lineal con un motivo con
la forma del emblema que se desee. Al observar el cristal líquido
entre los dos polarizadores se ha de ver el emblema elegido en un
tono oscuro. Dos importantes desventajas a añadir a las nombradas
para el dispositivo propuesto en EP1894736-A2: la
necesidad de emplear dos polarizadores lineales para llevar a cabo
la verificación y la necesidad de una unidad de verificación que
lleva asociado uno de estos polarizadores.
WO2008067932-A3 propone otro
dispositivo basado en el alineamiento del cristal líquido
(orientación de las moléculas sobre la superficie). El dispositivo
posee dos motivos que se repiten alternativamente creados por la
diferente orientación de las moléculas según la zona en la que se
encuentren. Se induce una orientación homogénea en una zona y una
orientación homeotrópica en otra de manera que sean claramente
visibles a través de un polarizador lineal. Como desventajas: la
necesidad de crear dos tipos de alineamiento diferentes (homogéneo y
homeotrópico) y una capa de material inorgánico (aluminio u óxido de
aluminio). Además, no contempla la generación de escalas de gris,
sólo proporciona diferencias de color por regiones y no contempla la
creación de motivos con formas reconocibles o detalles de alta
resolución.
WO2008138539-A1 propone otra
alternativa en la que el dispositivo de seguridad muestra motivos
complejos. El dispositivo está conformado por tres capas poliméricas
superpuestas: la primera y la tercera de cristal líquido polimérico
convenientemente orientado, la capa polimérica restante actúa como
capa intermedia entre las anteriores. Las dos capas de cristal
líquido orientado proporcionan dos imágenes latentes visibles
mediante un polarizador. Girando el polarizador 90º se observa una
de las imágenes o la otra. Se trata de imágenes binarias, no existe
escala de gris. Desventajas principales: proceso de fabricación
complejo, con varias capas poliméricas, soportes, etc; asimismo,
sólo proporciona una imagen latente visible mediante polarizador
lineal, con inversión de color al girar 90º el polarizador.
JP20090 78418-A propone una
estructura formada por: una capa reflectante, una capa intermedia y
la capa de cristal líquido en la que se forma la imagen latente
gracias a dos orientaciones diferentes de las moléculas de cristal
líquido según un determinado patrón de alineamiento. Todas ellas
cubiertas por una capa protectora cuyo índice de refracción se
ajusta al rango del índice de refracción de la luz en la región
visible para la capa intermedia. Desventajas principales: Esta
estructura tiene una sola cara y requiere una capa reflectante.
Descripción
El método propuesto consigue obtener una lámina
de cristal líquido polimerizado con varias imágenes latentes por
cara. El método de fabricación emplea placas de confinamiento que
introducen un patrón de alineamiento en un cristal líquido que pueda
ser polimerizable, dopado con un colorante dicroico. La lámina
resultante mostrará dos o más imágenes latentes cuando se ilumina
con luz polarizada por una u otra cara, o bien al observar la lámina
a través de un polarizador. En realidad no es necesario el uso del
polarizador, basta con observar la lámina con luz parcialmente
polarizada procedente, por ejemplo, de un reflejo con ángulo
suficientemente rasante sobre una superficie dieléctrica (así, una
mesa, un suelo brillante). La descompensación de componentes de
polarización provocada por la proximidad al ángulo de Brewster basta
para observar el efecto. Es también posible observarlo utilizando la
luz emitida por una pantalla plana de cristal líquido, como la de un
ordenador.
La invención consigue obtener una delgada lámina
flexible que contiene un conjunto de imágenes. Dicha lámina,
insertada en un documento, sirve para comprobar su autenticidad.
Generalmente, la apariencia que tiene la lámina será uniforme y
oscura. En cambio, cuando incide luz parcialmente polarizada aparece
uno de los conjuntos de imágenes determinado por la cara del
dispositivo más cercana a la luz polarizada incidente. El segundo
conjunto de imágenes se muestra, por ejemplo, girando levemente la
lámina. Si se ilumina la otra cara del dispositivo se harán visibles
otros conjuntos de imágenes.
La fabricación del nuevo dispositivo contiene
variaciones significativas a la fabricación estándar de pantallas de
cristal líquido.
- -
- Se
parte de un cristal líquido polimerizable.
- -
- Se
dopa el cristal líquido polimerizable con al menos un colorante
dicroico.
- -
- Se
emplean placas de confinamiento, sobre cada una de las cuales se
imprime un patrón de alineaciones de diferente orientación en la
cara interna. La variación de orientación está en el plano de las
placas de confinamiento.
- -
- La
lámina con las imágenes latentes se consigue en varias etapas, que
se pueden resumir en las siguientes:
- \circ
- Primero, se empareda el cristal
líquido entre las dos placas de confinamiento. Las placas de
confinamiento orientan el cristal líquido con el patrón
deseado.
- \circ
- Segundo, se polimeriza el cristal
líquido para asegurar que el patrón de orientaciones sea
permanente.
- \circ
- Tercero, se extrae la lámina de
cristal líquido polimerizada del emparedado o sandwich. El cristal
líquido polimerizado es una fina lámina que ya contiene el patrón de
alineamiento.
La lámina transparente final revelará una o
varias apariencias con el empleo de una fuente de luz polarizada,
luz parcialmente polarizada o un polarizador.
Si los patrones de alineamiento de las placas de
confinamiento de las dos caras han sido distintos, la apariencia
dependerá de la cara orientada hacia la fuente de luz polarizada o
el polarizador.
El cristal líquido está dopado con uno o varios
colorantes dicroicos. La orientación del cristal líquido, y con ello
la del colorante, se puede predeterminar acondicionando
adecuadamente las caras internas de las placas de confinamiento
usado en la producción de la lámina.
Las placas de vidrio, que se emplean
habitualmente como substratos en la fabricación de dispositivos de
cristales líquidos convencionales, se sustituyen en la presente
invención por unas placas de confinamiento. Estas placas de
confinamiento pueden ser de cualquier material opaco o transparente,
y se utilizan únicamente durante el proceso de fabricación.
Otro aspecto innovador de este procedimiento es
el relativo a cómo se ha de variar la orientación del cristal
líquido en el plano de las placas de confinamiento. Esto se consigue
de dos modos distintos:
- a)
- Usando técnicas de alineamiento comunes en la
producción de dispositivos de cristales líquidos, pero definiendo
distintas zonas según un patrón. En la fabricación estándar de
pantallas de cristal líquido, se acondicionan las placas de
confinamiento para obtener una misma orientación del cristal líquido
en toda la superficie; en este tipo de dispositivos, por el
contrario, se generan varias orientaciones en cada superficie.
Posteriormente, una vez polimerizado el cristal líquido, se eliminan
las placas de confinamiento externas obteniendo una lámina delgada y
flexible.
- b)
- Empleando electrodos interdigitados con variación de
orientación de los electrodos en el plano de las placas de
confinamiento. En este caso se requiere el empleo de tensiones
eléctricas durante el proceso de fabricación, no así durante el uso
ordinario del dispositivo. Los electrodos se construyen por técnicas
fotolitográficas o micromecánicas, haciendo que conformen un motivo.
Posteriormente se deposita una capa de cristal líquido cuya
orientación se controla aplicando tensiones a los electrodos, de
modo que el cristal líquido se reoriente por conmutación en el plano
(IPS o in-plane switching). De ese modo se obtiene
un alineamiento múltiple que refleja el motivo impuesto por los
electrodos. Provocado el alineamiento, el cristal líquido se
polimeriza in situ para generar una lámina delgada y flexible
con la impronta conferida por los electrodos. Una vez polimerizado,
se puede eliminar la tensión aplicada ya que el material mantiene la
orientación prefijada por la distribución de tensión de los
electrodos.
Para conseguir imágenes múltiples, las placas de
confinamiento reciben varios tratamientos según el patrón en
distintos puntos de cada una de las dos superficies, aislando unos
de otros por diferentes procedimientos: máscaras, fotolitografía,
barreras físicas, deposición selectiva, evaporación térmica, chorros
de tinta, o cualquier otro procedimiento empleado habitualmente en
fabricación microelectrónica.
Estos tratamientos promueven una configuración
homogénea (también denominada en plano o paralela a las placas de
confinamiento) del cristal líquido, pero con diferentes
orientaciones, que determinan las zonas que eventualmente aparecen
claras u oscuras al iluminar con luz polarizada. Ello da lugar a
varias imágenes por cara en la lámina de cristal líquido dopado
resultante. La variación en las direcciones de alineamiento permite
definir una escala de grises e incluso color en las imágenes.
Por último, la polimerización del cristal
líquido consigue que la lámina, al ser separada de las placas de
confinamiento, pueda ser utilizada de forma autónoma en múltiples
aplicaciones con las imágenes latentes ya definidas.
\vskip1.000000\baselineskip
Novedades aportadas en la invención
Esta aplicación parte de un fenómeno descrito en
la bibliografía científica ya citada, la generación de dos imágenes,
blanca y negra, latentes en un dispositivo rígido. Se introduce una
serie de innovaciones que permiten convertir el fenómeno en un
producto utilizable como sistema de seguridad documental. Las
aportaciones, sobre las cuales se basan las reivindicaciones, son
fundamentalmente cuatro:
- 1.
- La eliminación de las placas de confinamiento
externas del producto final. Para ello se ha desarrollado un
procedimiento de polimerización de cristales líquidos que permite
mantener la orientación inducida por las placas en su ausencia. El
resultado es la obtención de una lámina delgada capaz de mantener
las propiedades ópticas de la célula descrita. Así pues, la lámina
delgada y flexible, apta para su inserción en un documento o
embalaje, que constituye la innovación fundamental de esta
invención, se consigue realizando los procesos de orientación sobre
un cristal líquido monomérico (mesógeno reactivo) que se polimeriza
una vez orientado. De este modo las placas de confinamiento externas
se hacen superfluas una vez polimerizado el material, pudiendo
extraerse el mismo. El resultado es una lámina cuyo espesor es el
correspondiente a la distancia predeterminada entre las placas de
confinamiento, la cual puede seleccionarse durante el proceso de
fabricación. Se obtiene el efecto descrito con láminas muy delgadas,
entre 2 y 100 \mum, que resultan completamente flexibles. El
efecto se mantiene cuando la lámina se encapsula entre capas
protectoras, lo cual mejora aún más sus posibilidades de utilización
en seguridad documental.
- 2.
- La generación de escalas de gris, por dos
métodos diferentes, que permite la creación de imágenes
complejas.
- -
- Si se
desea conseguir una imagen en blanco y negro, se promueven dos
alineamientos mutualmente ortogonales en las zonas elegidas de las
placas de confinamiento, tal como se ha descrito
anteriormente.
- -
- Si se
requiere una escala de grises, entonces se promueven zonas con
orientaciones variables en el plano de las placas de confinamiento.
Dichas zonas pueden generarse con alineamientos no lineales
continuos o discretos.
- \circ
- Continua: variando continuamente
la alineación espacial entre 0º y 360º. Un ejemplo de variación
continua de alineamiento es un frotado circular en una cara, que
crea un alineamiento tangencial con respecto al centro de
frotado.
- \circ
- Discreta: empleando un número
finito de direcciones de alineación. Por ejemplo, se generan
imágenes sencillas de tres niveles de gris empleando alineamientos
de 0º, de 45º y de 90º con respecto al eje de polarizador. Aumentado
el número de ángulos de alineamientos aumenta el número de tonos de
gris. Otro ejemplo puede ser con imágenes superpuestas en escala de
gris, empleando alineamientos especulares con respecto al eje del
polarizador. Así si consigue dos imágenes por cara. Se puede mejorar
el contraste de una u otra imagen empleando un retardador de cuarto
de onda y un polarizador circular.
-
- En alineamiento
continuo, la dirección de alineamiento de las moléculas de cristal
líquido en cada punto presenta un pequeño giro con respecto a la
dirección de las moléculas de un punto inmediatamente adyacente. El
resultado es un motivo fácilmente reconocible con escala de gris
desplegada en un semicírculo. Un frotado radial produce una película
similar que varía continuamente por el dispositivo, pero con la
escala de gris invertida. Combinando un frotado circular
(tangencial) en una cara con un frotado radial en la otra resultan
dos motivos no figurativos de fácil reconocimiento.
En el caso de alineamiento discreto se consigue
una escala con un determinado número de niveles de gris típicamente
empleado en un formato de zonas o para conseguir apariencias
figurativas.
-
- Alternativamente, se pueden generar imágenes
complejas de alta calidad empleando motivos grabados en electrodos
externos interdigitados. Estos electrodos se emplean una sola vez
por muestra. Se aplica un campo eléctrico entre los electrodos
interdigitados situados en una o ambos de las placas de
confinamiento. El cristal líquido se orienta conmutando sobre el
plano de placas según las líneas de campo aplicado (in plañe
switching). Variando la orientación del interdigitado de los
electrodos si consigue una variación del orientación del cristal
líquido en analogía de las técnicas de alineamiento
variable.
-
- Seguidamente se
polimeriza el cristal líquido y se separan las placas de
confinamiento para obtener la lámina resultante. Las placas de
confinamiento con los electrodos pueden entonces utilizarse para
generar el mismo motivo en una nueva muestra. Este procedimiento
resulta adecuado para la fabricación industrial de estas láminas, ya
que las placas de confinamiento, que son el elemento más costoso y
complejo, son reutilizables.
- 3.
- Generación de imágenes múltiples. Con una
orientación de polarización de luz, o de polarizador, se consigue el
mismo nivel de gris inclinando la orientación de alineamiento en
sentido horario o antihorario. Por lo tanto, se puede duplicar el
número de motivos generados creando en la práctica una imagen
cuádruple. Dos imágenes aparecen al colocar el polarizador delante y
detrás de la lámina, tal como se ha descrito anteriormente. Las
otras dos se generan girando el polarizador en cada caso.
Alternativamente, se pueden visualizar las imágenes separadas
empleando un retardador de cuarto de onda alineado con la lámina y
un polarizador circular.
- \quad
- Si se emplean motivos sin escala de gris, las dos
imágenes de cada cara aparecen de forma independiente. Si los
motivos tienen escala de gris, las imágenes aparecen superpuestas,
pudiendo incrementarse el contraste de una u otra variando la
orientación del polarizador.
- 4.
- La adición de colores, por dos métodos
diferentes:
- \quad
- Se puede incorporar una paleta de colores a la
lámina, a partir de la escala de gris, introduciendo una matriz RGB
en la cara externa de la lámina de cristal líquido ya polimerizada,
o en la cara interna de una de las capas protectoras de polímero ya
mencionadas. La matriz tiene que estar situada tal que los puntos
claros u oscuros de la lámina coincidan con el pixelado del
matriz.
- \quad
- Alternativamente, se pueden generar motivos de
colores de baja o media resolución empleando colorantes dicroicos de
diversos colores, que se depositan en las zonas escogidas de la
lámina de cristal líquido sin polimerizar por medio de máscaras o
utilizando un sistema de impresión por chorro de tinta. Los
colorantes han de ser solubles en el cristal líquido. Una vez
orientado y polimerizado el monómero, los colorantes hacen que las
zonas varíen entre un estado oscuro y otro coloreado.
Figuras
La figura 1 muestra un ejemplo de dispositivo
con:
- -
- Placas
de confinamiento (1 y 2)
- -
- Patrones de alineamiento aplicados a las
placas de confinamiento (3 y 4)
- -
- Las
moléculas orientadas de cristal líquido dopadas con el colorante
dicroico. (5)
- -
- Imagen
latente 1 en la cara A (6)
- -
- Imagen
latente 2 en la cara A (8)
- -
- Imagen
latente 1 en la cara B (7)
- -
- Imagen
latente 2 en la cara B (9).
Realización preferente de la invención
El dispositivo se construye a partir de dos
placas de confinamiento (1 y 2) que son tratados con patrones de
alineamiento (3 y 4).
La capa de cristal líquido dopado con el
colorante dicroico (5) se inserta en la separación entre las placas
cuyos patrones deseados de alineamiento ya se han definido.
Se consiguen inducir distintos tipos de
alineamiento de forma selectiva para obtener los motivos deseados en
las dos caras A y B.
Con la ayuda de luz polarizada se identifican
los motivos latentes creados.
En la capa de alineamiento de cara A (4) se
emplean tres direcciones de alineamiento. Según la orientación del
polarizador se harán visibles un motivo (6) u otro (8).
En la cara B (5) se emplean hasta cuatro
direcciones de alineamiento de manera que, dependiendo de la
dirección de polarización con la que la luz incida sobre ella, se
podrán verificar unas formas (7) u otras (9).
Aplicación industrial
La presente invención está destinada a ser
implementada como elemento de seguridad documental frente a la
falsificación de billetes, documentos identificativos, tarjetas
bancarias, cheques, embalaje y, en general, cualquier elemento cuyo
valor intrínseco aconseje su autentificación. La comprobación se
realiza aprovechando que la zona aparecerá clara u oscura
dependiendo únicamente de la orientación del cristal líquido en la
cara de entrada. Si es paralelo a la polarización, entonces el
colorante absorberá la luz y se obtendrá un estado oscuro. Si es
perpendicular a la polarización, entonces no la absorberá y se
obtendrá un estado claro. Si se invierten las caras de entrada y
salida, las zonas claras y oscuras dependerán de su orientación en
la otra cara. Por lo tanto, se puede inducir una imagen sin más que
forzar el alineamiento de las zonas correspondientes en una de las
caras. La otra cara puede contener otra imagen diferente,
independiente de la primera. El efecto se observa manteniendo fijo
el polarizador y volteando la célula, o bien manteniendo fija la
célula y colocando el polarizador delante y detrás.
Incluso, para observar el efecto, no es
necesario utilizar un polarizador; basta con emplear luz ligeramente
polarizada, como la procedente de un reflejo en el suelo o en una
mesa. Este hecho favorece su implementación masiva como elemento de
seguridad en etiquetas o billetes de banco, por ejemplo.