季建軍，倪志林，薛銀春，高克鑫,*

微納加工技術(shù)在包裝防偽中的應(yīng)用研究進(jìn)展

季建軍1，倪志林2，薛銀春1，高克鑫1,2*

（1.江陰中達(dá)軟塑新材料股份有限公司，江蘇 江陰 214400； 2.智能制造學(xué)院，南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094）

對(duì)國內(nèi)外微納加工技術(shù)在包裝防偽中的應(yīng)用研究進(jìn)行梳理，幫助相關(guān)行業(yè)從業(yè)者更清晰、全面地了解當(dāng)前微納加工技術(shù)包裝防偽領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，推動(dòng)微納加工技術(shù)在該領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。本文將相關(guān)研究大致分為微納加工技術(shù)在新型防偽標(biāo)簽的制備、新型防偽材料制備和數(shù)字防偽領(lǐng)域的應(yīng)用研究等3個(gè)方面，并對(duì)相關(guān)研究概況、關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法以及核心防偽機(jī)理進(jìn)行梳理，分析微納加工技術(shù)應(yīng)用于包裝防偽中的優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，聚焦復(fù)合防偽技術(shù)的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向。國內(nèi)外研究綜述表明，微納加工技術(shù)的快速發(fā)展為防偽技術(shù)提供了一種全新的技術(shù)和方法，微納加工技術(shù)與信息技術(shù)等構(gòu)成的復(fù)合防偽技術(shù)更是表現(xiàn)出了巨大的商業(yè)化應(yīng)用潛力。但目前微納加工技術(shù)在包裝防偽中的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，大部分實(shí)驗(yàn)室成果在面臨產(chǎn)業(yè)化落地時(shí)仍受到成本、可靠性等因素的限制。未來在如何滿足精度要求的同時(shí)，進(jìn)一步降低設(shè)備和材料成本，優(yōu)化工藝流程，還需要進(jìn)行更深入的探索研究。

微納加工技術(shù)；防偽技術(shù)；防偽標(biāo)簽；防偽材料；數(shù)字防偽

傳統(tǒng)的包裝防偽技術(shù)主要依靠包裝上的獨(dú)創(chuàng)性設(shè)計(jì)作為其防偽特征，如在包裝材料中添加特殊標(biāo)簽[1]、特殊材料[2]或直接采用特殊材料作為包裝基材[3]，具體應(yīng)用形式包括一次性防揭標(biāo)簽[4]、激光全息標(biāo)識(shí)[5]、RFID標(biāo)識(shí)[6]、二維碼標(biāo)簽[7]等。這些防偽技術(shù)有效的前提是品牌企業(yè)面對(duì)造假者能夠始終保持自己的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。如何保持防偽技術(shù)的持續(xù)有效性和能夠便捷高效地驗(yàn)證防偽，對(duì)企業(yè)和消費(fèi)者都是一個(gè)不小的難題，也促進(jìn)著防偽技術(shù)的快速發(fā)展。目前，防偽技術(shù)已逐漸發(fā)展為一門包括光學(xué)[8]、材料學(xué)[9]、化學(xué)[10]、物理學(xué)[11]、電子信息技術(shù)[12]乃至生物技術(shù)[13]等諸多學(xué)科的交叉學(xué)科。

據(jù)Markets and Markets預(yù)估[14]，全球包裝防偽市場規(guī)模將在2021年到2026年間由1 172億美元提升到2 113億美元，年復(fù)合增長率為12.5%。日益增長的市場需求和市場規(guī)模，促使越來越多的新興技術(shù)開始嘗試應(yīng)用于防偽包裝領(lǐng)域，不斷提出新的防偽技術(shù)以維持防偽有效性。

微納加工技術(shù)從廣義上講是能夠可控地制備出在三維空間中至少有一維處于微米或更小尺度，或由它們作為基本單元構(gòu)成的結(jié)構(gòu)所使用的加工技術(shù)。傳統(tǒng)的微納加工技術(shù)源自微機(jī)電技術(shù)（Micro-Electro- Mechanical System，MEMS），其核心是以光刻、刻蝕、薄膜淀積為主的微電子加工技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)至少微米級(jí)尺度下微結(jié)構(gòu)的可控加工。除此之外，隨著相關(guān)學(xué)科的快速發(fā)展，近些年還出現(xiàn)了諸如自組裝[15]、微納米壓印[16]、激光直寫[17]、微機(jī)械加工[18]等新興微納加工技術(shù)。

基于微納加工技術(shù)制備的防偽特征，具有高精度、高技術(shù)門檻、高一致性的優(yōu)勢(shì)，復(fù)雜工藝參數(shù)和納米材料相較傳統(tǒng)方法具有更高的技術(shù)壁壘，更容易對(duì)造假者產(chǎn)生技術(shù)優(yōu)勢(shì)。從技術(shù)上講，微納加工技術(shù)的防偽形式還未形成定式，有望通過與數(shù)字技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳統(tǒng)防偽油墨技術(shù)等防偽方式進(jìn)行技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建具備動(dòng)態(tài)、持續(xù)化管理，技術(shù)要求高，仿制難度大的新型復(fù)合防偽技術(shù)。

近些年，微納加工技術(shù)在包裝防偽中的應(yīng)用已經(jīng)逐漸成熟和完善，現(xiàn)有研究成果可以大致劃分為以下方面：探索使用各類微加工方法進(jìn)行防偽結(jié)構(gòu)或防偽標(biāo)簽的微納制備，以替代傳統(tǒng)印刷技術(shù)制備的防偽標(biāo)志物；基于微納加工技術(shù)開展新型包裝防偽材料制備，主要集中于新型熒光防偽材料的制備和應(yīng)用研究；結(jié)合近些年發(fā)展迅速的數(shù)字化技術(shù)，結(jié)合微納加工技術(shù)制備的微特征或微結(jié)構(gòu)，提出新的復(fù)合數(shù)字化防偽技術(shù)。

本文針對(duì)近年來微納加工技術(shù)應(yīng)用于包裝防偽中的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述和討論，探討近年來微納加工技術(shù)在新型防偽標(biāo)簽的制備、新型防偽材料制備以及數(shù)字防偽等領(lǐng)域的應(yīng)用和研究進(jìn)展，分析其在包裝防偽應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)和不足，展望該技術(shù)未來面向批量產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展方向。

1 微納加工技術(shù)在新型防偽標(biāo)簽制備中的應(yīng)用

標(biāo)簽防偽是目前主流的包裝防偽技術(shù)。它的邏輯非常簡單，通過制作高技術(shù)含量的防偽標(biāo)簽，驗(yàn)證商品是否具有標(biāo)簽或標(biāo)簽的真?zhèn)?，來?shí)現(xiàn)產(chǎn)品的防偽驗(yàn)證。這個(gè)防偽邏輯有效的基本前提是防偽標(biāo)簽不能被破解。因此，當(dāng)微納加工技術(shù)應(yīng)用于包裝防偽時(shí)，新型防偽標(biāo)簽制備技術(shù)成為了一個(gè)重要的研究方向。

本文按照防偽標(biāo)簽的驗(yàn)證方式，將相關(guān)研究分為以下3類。

1.1 顯微鏡或自然光驗(yàn)偽標(biāo)簽

與傳統(tǒng)的大尺寸標(biāo)簽不同，微納結(jié)構(gòu)自身的微小結(jié)構(gòu)特征同樣可以作為防偽驗(yàn)證的要素，但此時(shí)通常需要額外借助光學(xué)顯微鏡才能對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，在一定程度上提升了防偽門檻和成本。因此，該類技術(shù)采用的微加工技術(shù)通常具有高通量、低成本的特點(diǎn)或潛力，以適當(dāng)平衡因驗(yàn)偽方式造成的成本提升。

以光刻技術(shù)為核心的微電子技術(shù)是目前主流的微納加工技術(shù)之一，但其單次加工成本較高。Tomescu等[19]提出了一種基于光刻和刻蝕的低成本金屬微標(biāo)簽制作方法，可在單個(gè)4英寸硅片上制備近萬個(gè)尺寸在微米級(jí)的具有不同視覺效果的全息背景和微文本，如圖1所示。通過將其與油漆、墨水、紙張進(jìn)行結(jié)合，或簡單地附著在產(chǎn)品表面，起到防偽標(biāo)簽的效果。Diaz等[20]提出了一種基于電子納米壓印技術(shù)的納米晶體防偽碼（Nanocrystals Quick Response，NC-QR）高通量制備方法，可在15 min內(nèi)在一個(gè)4英寸標(biāo)準(zhǔn)硅片上制備超過30萬個(gè)納米晶體二維碼。這些肉眼不可見二維碼可以通過柔性薄膜轉(zhuǎn)移到所需要的產(chǎn)品上。

圖1 微米級(jí)金屬微標(biāo)簽

激光直寫技術(shù)是一種無掩膜數(shù)控減材加工技術(shù)，可以直接在加工基材表面制備微圖案結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)微圖案技術(shù)具有無須掩模、可編程、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢(shì)。Lapidas等[21]提出了一種基于飛秒打印的物理不可克隆的防偽標(biāo)簽，可以實(shí)現(xiàn)高分辨率、大編碼容量等離體子三維幾何納米結(jié)構(gòu)的制備，該結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的光散射行為，在逐點(diǎn)打印過程中，納米結(jié)構(gòu)幾何形狀的不可控隨機(jī)變化導(dǎo)致打印的每個(gè)像素散射顏色都具有隨機(jī)變化，從而大幅提升結(jié)構(gòu)隨機(jī)度，以提升防偽效果。Fei等[7]提出了一種可生物降解的藥品防偽標(biāo)簽。通過二氧化碳激光在聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate，PMMA）基板上雕刻出所需結(jié)構(gòu)并作為模具，采用模塑工藝獲得防偽標(biāo)簽，該標(biāo)簽可以直接添加到藥品或膠囊底部，直接通過肉眼觀測驗(yàn)偽。

近年來，也誕生了一些新的光學(xué)的防偽標(biāo)識(shí)制備技術(shù)，但相關(guān)研究大多還處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段。如Babu等[22]提出了一種基于隨機(jī)分布的反射微粒的光學(xué)防偽標(biāo)簽。標(biāo)簽尺寸為1 cm2，其中包含2～3個(gè)/mm2的防偽粒子，這些肉眼不可見的微粒被嵌入產(chǎn)品表面，搭配特定光學(xué)器件，可以直接使用手機(jī)進(jìn)行反射成像驗(yàn)證。

自組裝指分子、納米材料等基本結(jié)構(gòu)單元，在特定工藝條件下自發(fā)形成有序結(jié)構(gòu)的一種技術(shù)。目前已逐步應(yīng)用于功能性微納米材料的合成和制備[23]中。Chang等[24]采用蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝法制備的纖維素納米晶體手性光子薄膜，在微細(xì)尺寸上具有彩虹結(jié)構(gòu)色和獨(dú)特的指紋紋理，并通過超聲波微粉碎處理，使其與聚合物基體混合，制備了具有使用防偽和識(shí)別功能的柔性薄膜和涂層，可以通過肉眼和偏光顯微鏡進(jìn)行防偽驗(yàn)證。Yuan等[25]提出了一種新的震動(dòng)輔助切削方法，用于在金屬自由曲面上加工微灰度圖案，從而在塑料制品及藥品的生產(chǎn)模具中直接賦予了防偽標(biāo)記，而無須額外加工，極大地提高了防偽標(biāo)記的復(fù)制難度。

1.2 熒光驗(yàn)偽標(biāo)簽

傳統(tǒng)的熒光防偽標(biāo)簽又稱紫外線光防偽，基于特殊的熒光油墨制備防偽標(biāo)簽，使自然光下無法觀察到防偽標(biāo)記，而只有在熒光光源的照射下才能觀測到，具有不易發(fā)覺、不易模仿的優(yōu)勢(shì)，但防偽油墨技術(shù)進(jìn)步依賴于印刷工藝的提升和油墨配方的改進(jìn)。

基于微納加工技術(shù)，Yao等[26]開發(fā)了一系列基于多色上轉(zhuǎn)換微粒（Multicolor upconversion Micro-Particles，UCMPs）油墨的防偽標(biāo)簽，通過旋涂、沖壓、絲網(wǎng)印刷等簡單工藝，在PET基材上獲得了在自然環(huán)境下光學(xué)透明，但在980 nm激光的誘發(fā)下可以展示出多色光的防偽標(biāo)簽。該技術(shù)具有成本低、工藝簡單、應(yīng)用前景廣闊等優(yōu)勢(shì)。Yang[27]提出了一種基于摻雜技術(shù)的柔性雙模防偽設(shè)計(jì)。作者采用了一系列基于深紅/近紅外雙發(fā)射的熒光材料，通過調(diào)整摻雜劑的濃度，在熒光模式下通過不同波長的濾鏡，可以實(shí)現(xiàn)雙模防偽標(biāo)簽的獨(dú)立設(shè)計(jì)和檢測，雙模檢測不受順序限制，具有簡單、靈活的特點(diǎn)，在多層信息加密方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

除了對(duì)防偽油墨的改進(jìn)利用外，基于微納加工技術(shù)，還有效實(shí)現(xiàn)了在不使用熒光油墨的前提下制備熒光防偽標(biāo)簽，進(jìn)一步提高了防破解能力。Jaiswal等[28]設(shè)計(jì)了一種亞微米尺度的熒光防偽標(biāo)簽。該標(biāo)簽基于嵌入在不發(fā)光聚合物層中的發(fā)光層，采用雙光子光刻技術(shù)逐步寫入發(fā)光層和非發(fā)光層，實(shí)現(xiàn)了僅紫外光可見的嵌入結(jié)構(gòu)的制作。這種方法可以拓展為多層模式，將不同編碼的信息沿結(jié)構(gòu)高度進(jìn)行空間定位，從而實(shí)現(xiàn)分層防偽。

鈣鈦礦是一類陶瓷氧化物，具有良好的結(jié)構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)定性，且具有很強(qiáng)的摻雜能力。通過對(duì)鈣鈦礦摻雜不同價(jià)態(tài)和半徑的陽離子，可使其具有多種物理化學(xué)性能，這種摻雜了不同陽離子的鈣鈦礦物質(zhì)目前主要應(yīng)用于燃料電池和太陽能電池領(lǐng)域。近年來，逐漸有研究者開始探索鈣鈦礦材料在防偽標(biāo)簽制備中的應(yīng)用。Sun等[29]提出了一種超薄、穩(wěn)定、圖案化的多色熒光標(biāo)簽制備方法，由鈣鈦礦/聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）復(fù)合薄膜制成。該標(biāo)簽的厚度和質(zhì)量分別為1.2 μm和1.2 mg，不易察覺，可粘貼在任意彎曲的基材表面作為防偽標(biāo)簽，如圖2所示。該技術(shù)制備的防偽標(biāo)簽具有超薄、穩(wěn)定、可調(diào)等特點(diǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)防偽應(yīng)用中具有一定的應(yīng)用潛力。Sheng等[30]利用激光直寫技術(shù)，基于可逆離子遷移和不可逆非輻射中心效應(yīng)，采用405 nm連續(xù)激光器，在鈣鈦礦微米片上實(shí)現(xiàn)了熒光猝滅，基于熒光差形成永久性的微圖案結(jié)構(gòu)。該技術(shù)制備的鈣鈦礦微米片可作為熒光標(biāo)簽應(yīng)用于微加密領(lǐng)域，在包裝防偽領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用潛力。

圖2 帶有柔性圖案的鈣鈦礦/ PVDF復(fù)合薄膜

3）微納光學(xué)防偽標(biāo)簽。微納光學(xué)防偽在一定程度上也屬于防偽標(biāo)簽的一種，其特點(diǎn)是通過構(gòu)建微米乃至納米級(jí)微陣列結(jié)構(gòu)，使得材料可以在自然光條件下，發(fā)出肉眼可見的光學(xué)防偽圖案，而無須使用紅外、激光等外界因素進(jìn)行激發(fā)。這類相關(guān)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于如何有效設(shè)計(jì)和制備以微透鏡、微結(jié)構(gòu)陣列為代表的光學(xué)元件，并研究光學(xué)元件的成像機(jī)理。早在2002年，Leech等[31]就開始基于灰度光刻法制備像素化的微陣列結(jié)構(gòu)，如圖3所示。該工藝可以基于微米級(jí)微浮雕結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，如肖像、字母、符號(hào)等特征的光學(xué)顯示，起到光學(xué)防偽驗(yàn)證的效果。但由于結(jié)構(gòu)主體為AZ P4000系列光刻膠，材料成本過高，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化批量制備。

Minh等[32]提出了一種制備二維光子晶體結(jié)構(gòu)的模具和柔性標(biāo)簽的方法。通過聚苯乙烯顆粒自組裝、氧反應(yīng)離子刻蝕、物理氣相沉積（鉻層Cr）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）復(fù)制的方式，制備出了具有納米凹/凸點(diǎn)的可重復(fù)使用印模?；谠撚∧?fù)制出的柔性標(biāo)簽在不同觀測角度下會(huì)展現(xiàn)出獨(dú)特的結(jié)構(gòu)色。該工藝制造方法簡單，成本效益高，印?？芍貜?fù)使用，在防偽標(biāo)簽制備領(lǐng)域具有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用潛力。

基于衍射光柵的全息和光學(xué)可變圖像也可以直接用肉眼進(jìn)行觀測，在防偽上已經(jīng)廣泛應(yīng)用。周榮勇[33]結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)在鎳片上加工出了尺寸為60 μm×60 μm的微像素陣列，并通過納米壓印技術(shù)將結(jié)構(gòu)復(fù)制到聚丙烯薄膜上，產(chǎn)生光變色防偽效果?；诩{米壓印技術(shù)制備的光柵可達(dá)亞微米級(jí)，具有特殊的衍射特性和獨(dú)特的防偽效果。與傳統(tǒng)光刻方法相比，該方法還具有速度快、環(huán)節(jié)少、成本低等優(yōu)勢(shì)。Bai等[34]等通過微壓印技術(shù)，制作了一種通過反射光識(shí)別的層級(jí)無序光子結(jié)構(gòu)（Hierarchical Disordered Photonic Superstructures，HDPS）防偽標(biāo)簽，在自然光下標(biāo)簽各區(qū)域幾乎無色差，但在反射光下標(biāo)記區(qū)域因雙重光學(xué)效應(yīng)顯示混合顏色，其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得較難被偽造，大幅提高了防偽安全性。

圖3 相互連接的柱狀微結(jié)構(gòu)及共同組成的字母E

2 微納加工技術(shù)在新型防偽材料制備中的應(yīng)用

本文所指的防偽材料可以簡單地理解為以防偽油墨為主要形式的，在特殊條件刺激下表現(xiàn)出特定防偽性能的材料。其中，防偽油墨根據(jù)激發(fā)方式的不同，又可分為光學(xué)變色、紅外激發(fā)、紫外激發(fā)、溫敏、壓敏等類型。近些年，開始涌現(xiàn)出越來越多基于微納米技術(shù)的新型防偽材料制備工藝。

2.1 防偽發(fā)光材料

防偽發(fā)光材料具有可視性好、驗(yàn)偽便捷等優(yōu)勢(shì)，被普遍認(rèn)為是理想的信息加密和防偽材料之一。其中，防偽熒光材料的配方和工藝是有效防偽的核心技術(shù)。

在配方方面，莫燕等[35]采用高折射率ZnS納米材料，在防水高光相紙上，以蓋印和噴墨打印的方式形成具有特殊結(jié)構(gòu)色性能的防偽印章印文。該印章印文直視時(shí)幾乎不可見，但僅通過改變一定的觀察角度，即可看到清晰的結(jié)構(gòu)色印章印文。周乘風(fēng)[36]在傳統(tǒng)的玻璃材質(zhì)中添加稀土元素形成獨(dú)有的熒光特色材料，通過高溫將稀土元素和傳統(tǒng)玻璃混合后獲得的新型熒光玻璃，可以根據(jù)特定頻率的激光展現(xiàn)出不同顏色的熒光效果，起到防偽作用。碳量子點(diǎn)[37]（Carbon Quantum Dots，CQDs）作為一種新興的碳基熒光納米材料，具有成本低、易制備、熒光穩(wěn)定性良好和毒性低等優(yōu)點(diǎn)，可被用于制作熒光油墨和具有特定圖案的防偽標(biāo)簽，如圖4所示。因碳量子點(diǎn)在發(fā)光機(jī)理上有熒光、上轉(zhuǎn)換發(fā)光和磷光等形式[29]，通過不同發(fā)光形式的組合可以形成雙模、三模防偽，提高防偽效果。Fukuoka等[38]將具有拉曼活性分子的自組裝納米金粒子應(yīng)用于隱身納米標(biāo)簽，形成了新型的防偽技術(shù)。通過自組裝技術(shù)，將10 ng的納米金顆粒組裝沉積在商用片劑上，來構(gòu)建肉眼不可見的納米標(biāo)簽。隨后采用波長為785 nm的激光照射1 s后，即可采集到明顯的表面增強(qiáng)拉曼散射（Surface Enhancement of Raman Scattering，SERS）信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了通過便攜式拉曼光譜儀對(duì)商用片劑的高通量防偽認(rèn)證。

圖4 柔性二維光子晶體結(jié)構(gòu)標(biāo)簽在折彎前后的顯示效果

工藝方面，謝少文[39]通過微波法和熱分解法制得的納米級(jí)復(fù)合水凝膠可以在特定波長的紅外照射下發(fā)出特定熒光。基于水凝膠的特質(zhì)，防偽部分具有高強(qiáng)韌性和出色的自修復(fù)性能，可以保障材料在惡劣環(huán)境下的防偽效果。同時(shí)，納米級(jí)熒光也使包裝防偽具有了隱蔽性。Marappa等[40]通過超聲波、水熱法和溶液燃燒法制備了一種強(qiáng)烈的紅色Y2O3:Eu3+納米顆粒，該種粒子在潛在指紋識(shí)別應(yīng)用中具有極高的靈敏度、再現(xiàn)性和可靠性，在防偽發(fā)光材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用潛力。

微接觸印刷是一種利用高分子彈性印章，在材料表面印刷微米甚至納米級(jí)圖案的印刷技術(shù)，其原理與傳統(tǒng)凸版印刷的原理相近，但是圖案精度可以達(dá)到微米級(jí)尺度。基于微接觸印刷工藝，可以實(shí)現(xiàn)線型立體條碼和行列式立體條碼的有效制備[41]，在應(yīng)用于貴重商品包裝印刷防偽領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前尚未應(yīng)用于批量生產(chǎn)。

2.2 復(fù)合防偽材料

材料復(fù)合防偽系統(tǒng)的組合需要統(tǒng)籌考量技術(shù)兼容性以及成本，從簡單、易理解的出發(fā)點(diǎn)上形成對(duì)商品的有效保護(hù)。本文提到的材料復(fù)合特指將多種基于材料特性或者經(jīng)過特殊工藝處理過的新型材料組合在一起應(yīng)用于產(chǎn)品包裝[42]，例如將激光全息薄膜和水印紙[43]結(jié)合，其特點(diǎn)是能夠形成1+1大于2的防偽效果。Wang等[44]在研究中提出將鑭系金屬有機(jī)骨架（Eu-MOF）和CH3NH3PbBr3（MAPbBr3）鈣鈦礦引入紙漿纖維（Pulpfibers，PFs）中，制備熒光防偽和加密紙。這種加密紙本身具備用特定頻率的激光核驗(yàn)真?zhèn)蔚哪芰Γ梢栽诖嘶A(chǔ)上運(yùn)用物理復(fù)合的概念，搭配前文提到的上轉(zhuǎn)換油墨或者其他具有一種或多種防偽特性的印刷材料，從而形成完整的物理復(fù)合防偽系統(tǒng)。Yao等[45]將量子點(diǎn)聚合物基體（Quantum Dot Polymer Matrix，QDs）和膽甾體液晶薄膜（Cholesteric Liquid Crystal Film，CLC）進(jìn)行疊加整合，制備了具備多重防偽特性的復(fù)合薄膜。利用二者在不同溫度下的相對(duì)位置不同導(dǎo)致的熒光光譜變化，實(shí)現(xiàn)三重圖案復(fù)合光學(xué)防偽，大幅提高了防偽破解難度。

3 微納加工技術(shù)在數(shù)字防偽中的應(yīng)用

數(shù)字防偽技術(shù)又稱數(shù)碼防偽技術(shù)，是基于計(jì)算機(jī)、信息編碼、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)形成的綜合防偽技術(shù)的統(tǒng)稱。微納加工技術(shù)在制備微尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)具有顯著優(yōu)勢(shì)，這使得其應(yīng)用于數(shù)字防偽時(shí)可以制備信息含量更巨大的載體結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)構(gòu)本身更難被破解和復(fù)制。

3.1 二維碼防偽

二維碼是近年來迅速推廣應(yīng)用的一種數(shù)字編碼方式，相比傳統(tǒng)的條形碼能存儲(chǔ)更多的信息，也能表示更多的數(shù)據(jù)類型。二維碼防偽是通過生成與產(chǎn)品一一對(duì)應(yīng)的加密信息，用戶通過特定掃碼系統(tǒng)或直接使用手機(jī)軟件進(jìn)行解碼檢驗(yàn)。相比傳統(tǒng)的印刷二維碼，基于微納加工技術(shù)制備的微尺度二維碼具有信息含量更高的優(yōu)勢(shì)。Jaiswal等[28]提出了一種雙光子聚合輔助制備用于防偽標(biāo)記的熒光微二維碼。通過使用雙光子光刻將二維碼圖案逐步寫入發(fā)射層和非發(fā)射層，將二維碼嵌入非發(fā)射聚合物層中的發(fā)射層，從而使二維碼在自然光下不可見，受熒光激發(fā)后發(fā)射層中的結(jié)構(gòu)才可被觀測。該工藝最大的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)的制備，從而實(shí)現(xiàn)信息沿結(jié)構(gòu)高度上的堆疊，大幅提升二維碼的信息含量。You等[46]開發(fā)了一種基于智能手機(jī)識(shí)別的上轉(zhuǎn)換熒光（Upconversion Fluorescent）3D二維碼。將帶有RGB熒光的納米顆粒與三色油墨進(jìn)行混合，借助一種改進(jìn)打印機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)多層打印和拆分，從而直接在藥物表面打印出3D二維碼。二維碼由3層不同顏色的二維碼組成，每層都編碼了藥物不同方面的信息，如圖5所示。通過特定APP對(duì)三色二維碼進(jìn)行解碼，可以有效提高偽造難度。Xu等[47]提出了一種基于自組裝和全息光刻光子架構(gòu)的光學(xué)復(fù)用防偽膜的制備工藝，該工藝運(yùn)用全息光刻一維/二維表面光子晶體編碼技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三維光子藍(lán)相液晶的自組裝。所提出的雙層結(jié)構(gòu)可以在三維空間中展示不同角度的多幅圖像，結(jié)合二維碼技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多重加密防偽的效果。Li等[48]提出了一種聚合物表面動(dòng)態(tài)微納米褶皺圖案，可以受外界刺激進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料表面性能的動(dòng)態(tài)調(diào)整。通過將表面圖案設(shè)置成二維碼，依靠外界刺激就能夠形成動(dòng)態(tài)化的二維碼保護(hù)機(jī)制，提升防偽圖案的隨機(jī)性和不固定性。

圖5 多層打印圖案分層分析圖

3.2 新型數(shù)字編碼防偽

除了在常規(guī)二維碼防偽中應(yīng)用外，越來越多的研究者開始基于微納加工技術(shù)制備的微型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研發(fā)對(duì)應(yīng)的新型數(shù)字編碼技術(shù)和識(shí)別算法，進(jìn)一步發(fā)揮微納結(jié)構(gòu)在信息儲(chǔ)存方面的優(yōu)勢(shì)。Lin等[49]制備了具有多種圖案的鈣鈦礦納米晶體薄膜防偽標(biāo)簽，可實(shí)現(xiàn)單價(jià)為2.1×10?4美元的低成本、高通量的防偽標(biāo)簽的制備。每個(gè)標(biāo)簽都具有獨(dú)特的形狀和紋理，結(jié)合一套匹配識(shí)別算法，可以在約12.17 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)防偽驗(yàn)證，其編碼容量高達(dá)2.1×10623。Cheng等[50]采用自組裝輔助真空過濾法，制備了銀納米立方體和纖維素納米纖維組成的高柔性穩(wěn)定等離子體納米紙，具有高熒光、高拉曼增強(qiáng)和優(yōu)異的力學(xué)性能，拉曼強(qiáng)度在整個(gè)納米紙表面隨機(jī)分布。通過表面等離子體共振、熒光信息和SERS多路光信號(hào)編碼進(jìn)行多重防偽。其中表面等離子體共振和熒光信息是第1層防偽，可被肉眼觀測；具有隨機(jī)拉曼強(qiáng)度分布的SERS作為第2層防偽，基于機(jī)器視覺技術(shù)可以通過拉曼光譜數(shù)據(jù)庫進(jìn)行驗(yàn)證。該技術(shù)因其優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性和力學(xué)性能，在低成本防偽標(biāo)簽的開發(fā)方面具有巨大的商業(yè)化潛力。Park等[51]提出了一種利用高能脈沖激光，直接在產(chǎn)品表面刻印多個(gè)反射式光柵的方法，并從其衍射條紋的旋轉(zhuǎn)角度分析其序列號(hào)的復(fù)合防偽技術(shù)，結(jié)合高精度激光探測器后其具有較高的防偽復(fù)雜性。對(duì)于低水平防偽，則可以直接采用智能手機(jī)進(jìn)行防偽驗(yàn)證。Tang等[52]根據(jù)光學(xué)微透鏡的光學(xué)特性和減色法理論，通過分析反射亮度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間的關(guān)系，建立了一種新的微鏡像素防偽模型，利用可變編碼角度將字符或人像編碼到微鏡陣列中，作為新型防偽標(biāo)記。Ruffato等[53]首次嘗試用帶有特定強(qiáng)度和相位分布的結(jié)構(gòu)光束來設(shè)計(jì)和制作用于照明的全息圖編碼信息，并采用迭代傅里葉變換算法對(duì)選定的輸入圖像和入射場進(jìn)行優(yōu)化相位模式的計(jì)算。對(duì)給定輸入光束的全息圖模式進(jìn)行計(jì)算，產(chǎn)生的全息圖與螺旋相位板之間形成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖6所示，即沒有正確的照明密鑰，就無法有效處理編碼信息，這極大地提高了防偽效果。

圖6 全息圖像和螺旋相位板的對(duì)應(yīng)關(guān)系原理

4 結(jié)語

從目前行業(yè)的發(fā)展來看，主流的防偽包裝技術(shù)正逐漸向更加精細(xì)和精密的加工方向發(fā)展。微納米技術(shù)微型化、批量化、成本低的鮮明特點(diǎn)恰好能夠滿足未來防偽技術(shù)發(fā)展的需要，兩者的結(jié)合具有天然的優(yōu)勢(shì)。隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展，以及近年來各種新微納米材料的廣泛使用，基于微納加工技術(shù)的新型防偽技術(shù)不斷出現(xiàn)，并在新型防偽標(biāo)簽制備、新型防偽材料制備以及數(shù)字化防偽領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用。不僅進(jìn)一步提高了防偽特征的復(fù)雜性和破解門檻，還在其基礎(chǔ)上誕生了一系列數(shù)字編碼技術(shù)。

目前，微納加工技術(shù)在包裝防偽領(lǐng)域的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，未來還可以嘗試從防偽標(biāo)簽的低成本批量制備、微納光學(xué)結(jié)構(gòu)的耐用性研究、微尺寸防偽標(biāo)簽低成本驗(yàn)證方案等產(chǎn)業(yè)化相關(guān)方面開展深入研究，推動(dòng)微納加工技術(shù)盡早在包裝防偽領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

一方面，主流微納加工技術(shù)所采用的精密儀器和尖端技術(shù)的成本較高；另一方面，目前大部分微結(jié)構(gòu)相對(duì)脆弱，難以在復(fù)雜的日常運(yùn)輸過程中維持其強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)完整性，使得成本和可靠性成為阻礙微納米技術(shù)在包裝防偽中進(jìn)一步應(yīng)用的主要因素。如何在滿足精度要求的同時(shí)，進(jìn)一步降低設(shè)備和材料成本，優(yōu)化工藝流程，還需要進(jìn)行更深入的探索研究。

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Application and Development Progress of Micro-nano Processing Technologies in Packaging Anti-counterfeiting

JI Jian-jun1, NI Zhi-lin2, XUE Yin-chun1, GAO Ke-xin1,2*

(1. Jiangyin Zhongda Flexible Plastic New Material Co., Ltd., Jiangsu Jiangyin 214400, China; 2. College of Intelligent Manufacturing, Nanjing University of Science and Technology, Jiangsu Nanjing 210094, China)

The work aims to provide an overview of the research on the application of micro-nano processing technologies in packaging anti-counterfeiting to help practitioners in related industries to understand more clearly and comprehensively the current development and application status of micro-nano processing technologies in packaging anti-counterfeiting, and promote their promotion and application in this field. In this work, relevant research was divided into three aspects, namely, the application research of micro-nano processing technology in the preparation of new anti-counterfeit labels, the preparation of new anti-counterfeit materials and digital anti-counterfeiting field. Relevant research profiles, key scientific and technological implementation methods and core anti-counterfeiting mechanisms were sorted out. Advantages, disadvantages and the development trend of micro-nano processing technologies in packaging anti-counterfeiting were analyzed. Challenges and future development directions of composite anti-counterfeiting technologies were highlighted. This research shows that the rapid development of micro-nano processing technologies provides a new tool and technology for anti-counterfeiting technology. The composite anti-counterfeiting technology composed of micro-nano processing technology and information technology, etc. has shown great potential for commercial application. However, the application of micro-nano processing technologies in packaging anti-counterfeiting is still in the initial stage, and most of the laboratory results are still limited by cost and reliability when facing industrialization. How to further reduce the cost of equipment and materials and optimize the process flow while meeting the accuracy requirements in the future requires more in-depth exploration and research.

micro-nano processing technology; anti-counterfeiting technology; anti-counterfeiting label; anti-counterfeiting material; digital anti-counterfeiting

TB485.9

A

1001-3563(2023)19-0149-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.19.019

2023-03-21

江陰中達(dá)軟塑新材料股份有限公司-南京理工大學(xué)產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目（1224021281746）

責(zé)任編輯：曾鈺嬋