Brevet FR2915811A1 — publié le 20081107

RESEAU DIFFUSANT LA LUMIERE L'invention concerne le domaine des vitrages pour bâtiment comprenant des éléments capable de rediriger la lumière venant de l'extérieur dans une direction souhaitée à l'intérieur, généralement le plafond. Ce type de vitrage est généralement qualifié de Daylighting lorsque c'est la lumière solaire visible que l'on cherche à dévier. Ce type de vitrage est généralement considéré comme contribuant à économiser l'énergie du fait de l'utilisation plus efficace en intérieur de lumière extérieure, ce qui permet de réduire l'éclairage artificiel. Le US5009484 enseigne un vitrage comprenant en surface un réseau de diffraction constitué de traits parallèles en relief. Ce document enseigne que le réseau mène habituellement à une diffraction de la lumière se traduisant par une séparation de couleurs. Cet effet n'est pas forcément souhaité. Pour limiter l'ampleur de ce phénomène, ce même document préconise (voir sa figure 3) de juxtaposer verticalement trois réseaux successifs pour chacune des trois couleurs fondamentales, les faisceaux émergents de ces trois couleurs devant se mélanger de nouveau au plafond pour reformer une zone éclairée incolore. Les trois réseaux successifs présentent des périodicités différentes, variant de façon monotone et selon un ordre précis. Ce document enseigne également que ces trois réseaux successifs peuvent être remplacés par un réseau unique dont la périodicité évolue de façon monotone de l'une à l'autre des extrémités de ce réseau unique. Les solutions enseignées par ce brevet fonctionnent quelque peu mais n'empêchent pas toute formation d'irisations. De plus, dans ce document, les motifs diffusants sont penchés, éventuellement variables, et de profondeur variable, ce qui rend très difficile une fabrication industrielle sur de grande surface et à bas coûts. La présente invention a trait à un réseau de surface limitant la séparation apparente des différentes couleurs de la lumière et menant à un éclairage incolore, sans irisation apparente prononcée du plafond. La figure 1 représente un substrat en coupe muni à sa surface d'un réseau diffusant selon l'invention. Selon l'invention, on crée à la surface d'un substrat transparent et selon une direction parallèle à ladite surface un réseau comprenant une alternance d'au moins deux indices de réfraction R1 et R2 par des motifs élémentaires linéaires d'indice R1 séparés par des domaines élémentaires linéaires d'indice R2, lesdits motifs et domaines étant géométriquement complémentaires entre eux. Les motifs et domaines sont complémentaires sur le plan géométrique car ils s'imbriquent les uns dans les autres. C'est pourquoi la seule définition de la géométrie des motifs d'indice R1 est suffisante puisque les domaines d'indice R2 remplissent tout l'espace situé entre les motifs. On définit la géométrie des motifs à partir de leur barycentre, de leur largeur L dans le plan parallèle au substrat, de la distance d d'un barycentre à l'autre entre motifs voisins et de leur profondeur p. Selon l'invention, la distance d entre barycentres de motifs voisins varie de façon non-monotone d'un bord à l'autre du réseau. Le terme non-monotone signifie que cette distance ne fait pas qu'augmenter ou que diminuer quand on va d'un bord du réseau à l'autre bord. Au contraire, cette distance d alterne de plus fortes valeurs avec de plus faibles valeurs quand on passe d'un bord du réseau à l'autre. Ainsi l'invention concerne en premier lieu un substrat transparent comprenant à sa surface un réseau de lignes d'au moins 200 motifs diffusant la lumière, lesdits motifs étant séparés par des domaines d'indice de réfraction différent de celui des motifs, la distance d entre barycentres de motifs voisins variant de manière non-monotone d'un bord à l'autre du réseau, de sorte que pour tout groupe de 20 motifs successifs, la distance d entre barycentres de motifs voisins dudit groupe est au moins une fois supérieure et au moins une fois inférieure à la distance moyenne dm des distances d entre barycentres de motifs voisins dudit groupe, dm étant comprise entre 75 nm et 200 pm. Ainsi, quelque soit le groupe de 20 motifs successifs que l'on choisi sur le réseau, on peut constater que la distance d n'est pas constante à l'intérieur de ce groupe. Le réseau comprend généralement au total plus de 100 000 motifs et plus généralement plus de 1 000 000 motifs. Dans un groupe de 20 motifs successifs, on définit la distance moyenne dm entre motifs voisins comme le rapport de la somme de toutes les distances d entre barycentres de motifs voisins du groupe sur le nombre de distances entre barycentres de motifs voisins du groupe. La variation de d à l'intérieur d'un groupe de 20 motifs successif ou même de tout groupe de 20 motifs successifs, peut-être plus importante que de passer une seule fois au-dessus de dm et une seule fois en-dessous de dm. Notamment, quand on va d'un bord du groupe en direction de l'autre bord du groupe, d peut-être au moins deux fois supérieur et au moins deux fois inférieur à la distance moyenne dm des distances d à l'intérieur dudit groupe, les deux fois ou d est supérieur à dm étant séparées par une fois ou d est inférieur à dm, et les deux fois ou d est inférieur à dm étant séparées par une fois ou d est supérieur à dm. La fréquence de cette alternance peut être encore plus grande. Quel que soit le groupe de 20 motifs successifs du réseau, la valeur dm pour le groupe a une valeur de l'ordre de la longueur d'onde du rayonnement que l'on cherche à dévier. Rappelons que les rayonnements lumineux ont sensiblement les longueurs d'onde suivantes : Ultra-violet : 150 à 400 nm Visible : 400 à 800 nm Infrarouge: 800 nm à 100 pm Quel que soit le groupe de 20 motifs successifs, on choisit la valeur dm entre 1/2 et 2 fois la longueur d'onde que l'on cherche à dévier. La valeur dm est donc toujours comprise entre 75 nm et 200 pm. En général, quel que soit le groupe de 20 motifs successifs, dm est compris entre 100 nm et 20 pm. Si c'est la lumière visible que l'on cherche à dévier, on choisi de préférence dm dans la plage de 200 à 600 nm et de préférence dans la plage de 300 à 500 nm. A l'intérieur de tout groupe de 20 motifs successifs, d varie autour du dm du groupe en s'écartant au moins deux fois de dm d'au moins la valeur y, au moins une fois en étant au dessus de dm + y et au moins une fois en étant en-dessous de dm û y. La valeur y dépend du domaine de longueur d'onde que l'on cherche à dévier. On peut dire que généralement, y est d'au moins 5% dm et plus généralement d'au moins 10% dm. La valeur d varie autour de dm en restant généralement à l'intérieur d'une plage entre dm + x et dm û x , la valeur x dépendant de la longueur d'onde que l'on cherche à dévier. Généralement, x est d'au plus 50% dm et plus généralement d'au plus 20% dm. Bien que l'on n'exclut pas qu'ils soient inclinés, les motifs sont généralement non inclinés (l'homme du métier dirait blazés , néologisme issus de l'anglais blazed ), c'est-à-dire symétriques par rapport à la droite perpendiculaire au substrat et passant par le barycentre du motif. Si l'on désigne par DM la valeur moyenne de d pour tout le réseau (pas seulement 20 de ses motifs), a titre d'exemple, la fluctuation de d quand on va d'un bord à l'autre du réseau peut être déterminée et suivre une courbe sinusoïdale autour de la valeur DM. De façon préférée, cette fluctuation est cependant aléatoire. Dans ce cas, la courbe représentant la distribution de d autour de DM est du type courbe de Gauss. Il n'y a dans ce cas aucune périodicité de réseau. On choisit la valeur DM entre 1/2 et 2 fois la longueur d'onde que l'on cherche à dévier. La valeur DM est donc toujours comprise entre 75 nm et 200 pm, et généralement entre 100 nm et 20 pm. Généralement, la largeur L des motifs va de 0,1 DM à 0,9 DM et de préférence de 0,4 DM à 0,6 DM. Généralement, le rapport de la largeur L sur la profondeur des motifs va de 0,2 à 5 et de préférence de 0,4 à 2. Si l'on suit une ligne parallèle au substrat passant par les barycentres des motifs, on passe successivement par l'indice de réfraction R1 des motifs et l'indice de réfraction R2 des domaines entre motifs. Notamment, les motifs peuvent être en verre et les domaines peuvent être de l'air. On est dans ce cas lorsque l'on produit à titre de motifs des excroissances en verre à la surface d'un substrat en verre. L'air ambiant remplit l'espace entre les motifs et constitue naturellement les domaines. Dans ce cas, l'indice R1 est celui du verre, par exemple 1,5 et l'indice R2 est celui de l'air, c'est-à-dire 1. Dans cet exemple, on a réalisé un relief de motif à la surface d'un substrat. Le passage d'un motif à un domaine peut cependant correspondre à une modification d'indice de réfraction ne correspondant pas à un relief. En effet, il peut s'agir de deux matériaux différents imbriqués l'un dans l'autre de telle sorte que la surface soit lisse au toucher. On peut notamment réaliser une telle alternance de matériaux par les techniques d'échange ionique ou basées sur un effet photoréfractif et électrooptique. Les indices de réfractions des motifs et domaines peuvent aller de 1 à 2,2. Généralement les motifs peuvent avoir leur indice de réfraction allant de 1,1 à 1,8. Généralement les domaines peuvent avoir leur indice de réfraction allant de 1 à 1,5. La différence entre les deux indices de réfraction (ceux des motifs et des domaines) peut généralement être compris entre 0,02 et 1,5. En général, si les domaines sont de l'air, les motifs ont un indice de réfraction supérieur à celui des domaines. S'agissant essentiellement d'équiper des vitrages de bâtiments, on choisira les matériaux constituant lesdits vitrages (substrat, éventuelle pièce rapportée sur ledit substrat) avec une transparence satisfaisante. Le réseau selon l'invention sert notamment en application daylighting. Dans ce cas, il est généralement placé sur un vitrage vertical de sorte que les lignes de motifs soient horizontales. On n'exclut pas que les lignes de motifs soient inclinées. Le réseau occupe généralement une hauteur d'au moins 10 cm et plus généralement une hauteur d'au moins 20 cm du vitrage, généralement sur toute la largeur du vitrage. Le réseau selon l'invention peut généralement être réalisé par les techniques suivantes : embossage, photolithographie, transfert, échange ionique, effet photoréfractif ou electrooptique. Un premier procédé comprend l'embossage d'une couche sol-gel ou polymère rapportée sur une feuille transparente (substrat), notamment en verre. L'embossage est une déformation plastique ou viscoplastique réalisée par contact avec un élément structuré, consistant en un rouleau par exemple, et sur lequel est simultanément exercée une pression. Les couches sol-gel utilisables sont en général des couches liquides de précurseur d'oxyde minéral tel que SiO2, AI2O3, TiO2 ..., par exemple en solution dans un mélange eau-alcool. Ces couches durcissent en séchant, avec ou sans moyen auxiliaire de chauffage. Citons comme précurseur de SiO2 le tétraéthoxysilane (TEOS) ou le méthyltriéthoxysilane (MTEOS). Des fonctions organiques peuvent être incluses dans ces précurseurs et la silice finalement obtenue. A titre d'exemple, des silanes fluorés ont été décrits dans le EP799873 pour obtenir un revêtement hydrophobe. L'embossage peut aussi être réalisé sur des couches polymères comme le polyéthylène téréphtalate (PET), le polystyrène, les polyacrylates tels que poly(méthacrylate de méthyle), poly(acrylate de butyle), poly(acide méthacrylique), poly(méthacrylate de 2-hydroxyéthyle) et leur copolymères, les polyépoxy(méth)acrylates, les polyuréthane(méth)acrylates, les polyimides tels que polyméthylglutarimide, les polysiloxanes tels que polyépoxysiloxanes, les poly (éthers vinyliques), les polybisbenzocyclobutènes ... seuls ou en copolymères ou mélanges de plusieurs d'entre eux. L'embossage peut être suivi dans certains cas d'une gravure. La couche sol-gel ou polymère embossée peut y être attaquée jusqu'à réapparition du matériau de la feuille transparente sous-jacente, en premier lieu dans les parties profondes desdits motifs en relief, puis progressivement jusque dans leurs parties hautes. Ainsi la surface plus ou moins irrégulière obtenue à la fin de la gravure peut être formée entièrement dans la couche sol-gel ou polymère rapportée, ou en partie dans celle-ci et en partie dans ladite feuille transparente, ou encore entièrement dans cette dernière. Les conditions de la gravure doivent être réglées pour que cette surface qui en résulte présente des motifs en relief de dimensions satisfaisant la définition du dispositif de l'invention. On peut citer comme procédés de gravure : une gravure chimique, par un acide notamment, une gravure ionique réactive (Reactive Ion (Beam) Etching = RI(B)E), une gravure par plasma (Inductively Coupled Plasma = ICP). Il est à remarquer que le procédé d'embossage permet le traitement rapide de relativement vastes surfaces, à un coût modéré. Un autre procédé possible de fabrication du réseau selon l'invention comprend une photolithographie. Ce procédé consiste généralement à munir d'abord le substrat transparent d'une première couche dans laquelle pourront être formés lesdits motifs en relief. Cette première couche est comparable à la couche sol-gel ou polymère rapportée du procédé d'embossage. Elle peut d'ailleurs être de la même nature que celle-ci, notamment en silice. Dans une deuxième étape du procédé, on dépose une deuxième couche d'une résine photosensible. Celle-ci est durcie en des localisations définies, par exposition à un rayonnement ciblé. Ainsi est constitué un masque, au-dessus de la première couche à graver, après élimination des parties non durcies de la résine photosensible. Puis on grave, de la même manière que décrit ci-dessus relativement à l'étape facultative du procédé par embossage. D'éventuels résidus de la résine photosensible peuvent être éliminés. Un autre procédé de fabrication du réseau selon l'invention comprend le transfert d'une couche nanostructurée. Une couche en adhésion sur un premier support est mise en adhésion sur un second, de manière à constituer un dispositif selon l'invention. La couche peut être en matière plastique ou similaire. Un autre procédé utilisable repose sur un échange ionique, par exemple d'ions Na+ par des Ag+ dans un verre minéral. Enfin, on peut utiliser un effet photoréfractif, selon lequel une lumière modulée induit une modulation spatiale de l'indice de réfraction du matériau (exemple : cristal photoréfractif en titanate de Baryum). On peut également utiliser un effet électrooptique selon lequel un champ électrique induit une modulation spatiale de l'indice de réfraction du matériau. La figure 1 représente un substrat en coupe muni à sa surface d'un réseau diffusant selon l'invention. Le substrat 1 comprend à sa surface une multiplicité de lignes parallèles de motifs m; à section rectangulaire. Les motifs sont donc linéaires et parallèles dans une direction perpendiculaire à la figure 1. Ces motifs sont donc des parallélépipèdes dont la figure 1 ne montre que les sections. Tous les motifs ont la même géométrie mais leur distance entre voisins varie. Ces motifs ont un indice de réfraction R1. Ils sont séparés par de l'air qui constitue donc les domaines entre motifs. Ces domaines d'air ont un indice de réfraction R2, généralement environ de valeur 1. La ligne en pointillé 2 passe par les barycentres de tous les motifs. Cette ligne passe aussi alternativement par les motifs et par les domaines d'air, et quand on va d'un bord à l'autre du réseau sur cette ligne, on passe donc alternativement par les indices de réfraction R1 et R2. Le barycentre d'un motif est bien entendu celui de la matière dépassant du substrat, c'est-à-dire venant en excroissance du substrat par rapport à la ligne A A', c'est-à-dire la matière sur la profondeur p des motifs. A titre d'exemple, on a indiqué la distance d1 entre les motifs m1 et m2. Un groupe de 20 motifs successifs est représenté, la moyenne des distances di entre motifs voisins (mi et mi-F1) de ce groupe étant indiquée comme étant dm. Lorsqu'on part du bord supérieur du groupe de 20 motifs en allant en direction de l'autre bord du même groupe, d passe d'abord sous dm, puis, quand on descend, d passe au-dessus de dm, puis repasse en dessous, puis repasse au-dessus, etc. La distance d entre barycentres de motifs voisins fluctue donc autour de dm. Le réseau selon l'invention sert notamment en application daylighting. Dans ce cas, il est placé sur un vitrage vertical, de sorte que les lignes de motifs soient horizontales. Le réseau occupe généralement une hauteur d'au moins 10 cm et plus généralement une hauteur d'au moins 20 cm du vitrage, généralement sur toute la largeur du vitrage et dans la partie supérieure du vitrage. Les motifs peuvent être situés sur la face du vitrage recevant la lumière incidente ou sur la face du vitrage ou la lumière émerge (face tournée vers l'intérieur du bâtiment). EXEMPLE 1 (comparatif) On dépose une couche de 360 nm d'épaisseur en silice par sol-gel sur les 50 cm situés en partie supérieure d'un vitrage de marque planilux commercialisé par Saint-Gobain Glass France. De façon connue de l'homme du métier, on a réalisé une texture de motifs linéaires en relief de profondeur 360 nm et de largeur 200 nm. Les motifs sont perpendiculaires au plan du film. L'écart entre les barycentres de ces motifs passait progressivement de 300 à 500 nm quand on passe d'un bord du réseau à l'autre bord (soit en parcourant les 50 cm de réseau). La vitre est alors placée comme fenêtre de mur extérieur. La vitre redirige de la lumière provenant de l'extérieur vers le plafond, mais on distingue des irisations. EXEMPLE 2 On procède comme pour l'exemple 1, sauf que l'écart entre les barycentres varie entre 300 et 500 nm de façon aléatoire sur les 50 cm de réseau. Aucune irisation n'est observée. REVENDICATIONS 1. Substrat transparent comprenant à sa surface un réseau de lignes d'au moins 200 motifs diffusant la lumière, lesdits motifs étant séparés par des domaines d'indice de réfraction différent de celui des motifs, la distance d entre barycentres de motifs voisins variant de manière non-monotone d'un bord à l'autre du réseau, de sorte que pour tout groupe de 20 motifs successifs, la distance d entre barycentres de motifs voisins dudit groupe est au moins une fois supérieure et au moins une fois inférieure à la distance moyenne dm des distances d entre barycentres de motifs voisins dudit groupe, dm étant comprise entre 75 nm et 200 pm. 2. Substrat selon la revendication précédente, caractérisé en ce que pour tout groupe de 20 motifs successifs, d s'écarte de la distance moyenne dm des distances d à l'intérieur dudit groupe au moins une fois en étant au dessus de dm + y et au moins une fois en étant en-dessous de dm û y, y étant d'au moins 5% dm. 3. Substrat selon la revendication précédente, caractérisé en ce que y est d'au moins 10% dm. 4. Substrat selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour tout groupe de 20 motifs successifs, d reste à l'intérieur de dm + x et dm û x, x étant d'au plus 50% dm. 5. Substrat selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, si DM représente la valeur moyenne des distances d entre barycentres de motifs voisins pour tout le réseau, la largeur L des motifs va de 0,1 DM à 0,9 DM. 6. Substrat selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport de la largeur L sur la profondeur des motifs va de 0,2 à 5. 7. Substrat selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le rapport de la largeur L sur la profondeur des motifs va de 0,4 à 2. 8. Substrat selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les indices de réfraction des motifs et domaines sont choisi dans la plage de 1 à 2,2. 9. Fenêtre comprenant un substrat de l'une des revendications précédentes 10. Utilisation d'un substrat de l'une des revendications de substrat précédentes pour rediriger la lumière solaire vers un plafond.