Development and application of a novel spectrometer device for the analysis of banknote security features

Abstract

Sicherheitsdokumente, wie zum Beispiel Banknoten, sind immer öfter Angriffen von Fälschern ausgesetzt. Um die illegale Reproduktion von Banknoten in Grenzen halten zu können, besteht für die Hersteller solcher Dokumente die ständige Notwendigkeit, neue, schwer fälschbare Sicherheitsmerkmale zu entwickeln.<br />Dem heutigen Stand der Technik entsprechend, wird eine Vielzahl von Pigmenten und Druckfarben für die Herstellung von Sicherheitsmerkmalen benutzt. Ein kurzer Überblick über die Eigenschaften von einigen im Sicherheitsdruck verwendeten Materialien, sowie der zur Charakterisierung dieser Stoffe verwendeten Messverfahren, wird in den ersten Kapiteln dieser Arbeit gegeben. Wegen der zahlreichen Messverfahren, welche zur Feststellung der Stoffeigenschaften von Sicherheitspigmenten angewandt werden, müssen Hersteller von Sicherheitsdokumenten oft eine große Anzahl von Messgeräten anschaffen, um effektive Sicherheitselemente entwickeln oder überprüfen zu können.<br />Aus diesem Grund wurde im Zuge dieser Arbeit ein optisches Messinstrument entwickelt, welches die Möglichkeit bietet, die am häufigsten angewandten Messverfahren mit Hilfe nur eines Gerätes durchzuführen. Dabei bietet das genannte Messinstrument die Möglichkeit zur Messung von Fluoreszenz- und Phosphoreszenzeigenschaften, sowie von winkelabhängigen Farbeffekten von goniochromatischen Sicherheitspigmenten. Weiters können die temperatur-abhängigen Eigenschaften von thermochromen Druckfarben und die Polarisationseffekte von flüssigkristallinen Pigmenten vermessen werden. Um eine Charakterisierung der Lichtechtheit zu erlauben, wurde ausserdem eine Xenon-Lichtquelle für Zwecke der künstlichen Alterung von Druckfarben installiert.<br />Eine Beschreibung der Konstruktionsweise und der für den Bau des optischen Messinstrumentes verwendeten Komponenten ist im Hauptteil dieser Arbeit zu finden.<br />Um die Funktionsfähigkeit des neu entwickelten Gerätes zu zeigen, wurden zahlreiche Sicherheitspigmente und Druckfarben, welche im Banknotendruck Verwendung finden, charakterisiert. Die Messungen werden im dritten Teil dieser Arbeit präsentiert.<br />

Counterfeiting of security documents has become everyday business in organized crime and is a problem worldwide. Therefore, security printers are in constant need of developing new security devices which withstand the threats of reproduction.<br />The state of the art in manufacturing security documents includes the usage of a multitude of inks and pigments. In order to give an overview, some basic properties of materials used for security printing, as well as methods required for the exact characterization of these materials are described in this essay.<br />Naturally, since the types of materials applied in security features are various, a large number of different instruments is usually needed for characterization of the properties intrinsic to these pigments and inks.<br />In order to comply with the needs of a printing works manufacturing security documents, a spectrometer device which combines the ability of measuring fluorescent and phosphorescent properties of luminescent pigments, as well as angle dependent colorimetric properties of gonio-apparent pigments, was constructed. Furthermore, the instrument is capable of measuring the temperature dependent properties of thermochromic inks, polarization effects inherent to liquid crystalline pigments. Since the stability of materials used in long lasting security documents is an important issue, the light fastness properties of prints can be tested by means of accelerated aging with a xenon light source.<br />The main part of this work therefore describes the conception of the new optical device and the choice of components used for its construction.<br />In order to illustrate the functionality and versatility of this instrument, the properties of various security features were characterized with the new spectrometer and are presented in the course of this work.