Brevet FR2915814A1 — publié le 20081107

EXTRACTEUR DE LUMIERE NANOSTRUCTURE La présente invention concerne un extracteur de lumière, comprenant une feuille transparente et une source lumineuse orientée vers l'intérieur de la feuille. Il peut s'agir d'une unique source lumineuse ou de plusieurs d'angles d'incidence identiques ou différents. Ces sources émettent chaque fois une ou plusieurs longueurs d'onde. Sont particulièrement appropriées des sources basse consommation telles que DEL, tube fluorescent, notamment de faibles volumes, io insérables dans le chant du vitrage. La source lumineuse est positionnée, le cas échéant insérée, dans toute partie notamment périphérique de la feuille, telle que le chant ou une face principale, et son orientation angulaire réglée, de telle sorte que la lumière pénètre à l'intérieur de la feuille. 15 Si les deux faces de la feuille sont parfaitement planes, la lumière issue de la source et cheminant à l'intérieur de la feuille est totalement réfléchie alternativement sur les deux faces. Pour extraire la lumière d'au moins l'une des deux faces, on sait créer des irrégularités de surface par de nombreuses technologies disponibles : sablage, 20 attaque acide, pulvérisation électrostatique de poudre, laquage, impression telle que sérigraphie, pouvant être suivi chaque fois par un ponçage. Quand la source lumineuse est active, la lumière est diffusée par les irrégularités de surface. Celles-ci peuvent être astucieusement réparties, de manière à produire une diffusion de lumière uniforme sur toute la surface. Elles 25 peuvent être au contraire localisées, de manière à produire une inscription, un logo ou tout motif décoratif. Quand la source lumineuse n'est pas active, les irrégularités de surface sont partiellement visibles, de sorte que la transparence à travers la feuille est plus ou moins affectée. 30 Les inventeurs se sont donnés pour tâche la mise à disposition d'un extracteur de lumière qui, dans l'état non actif de la ou des sources lumineuses, reste parfaitement transparent. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif comprenant une feuille transparente dont une face au moins présente au moins une partie texturée, et au moins une source lumineuse orientée vers l'intérieur de la feuille, ladite partie texturée consistant en une répétition de motifs en relief de pas p, largeur w et hauteur h, satisfaisant les relations 100 nm p 1000 nm 0,2 Les motifs en reliefs sont formés sur les deux faces ou, de préférence, sur io une seule car dans de nombreuses applications, l'utilisateur est supposé se trouver d'un seul côté de la feuille transparente. La largeur w des motifs fait référence à la largeur de leur partie haute (en excroissance). Cette largeur est égale au pas p lorsque la partie basse de structuration (ou texturation) peut être considérée comme ponctuelle, par exemple 15 dans le cas d'un profil sinusoïdal, comme il sera vu plus en détails ci-dessous. Quand au contraire cette partie basse n'est pas ponctuelle, la largeur du motif est une fraction du pas. Les dimensions définies de p entre 100 et 1000 nm, w et h ont deux effets techniques principaux. 20 A l'état non actif de la source lumineuse, la ou les parties texturées sont parfaitement invisibles par tout observateur ; la feuille est totalement transparente, aucune différence n'étant perceptible à cet égard entre des parties texturées et d'autres éventuellement non texturées. De plus, ces dimensions de p, w et h sont adaptées à l'extraction des 25 longueurs d'ondes du visible (entre 400 et 700 nm), et aussi un peu en-deçà (ultraviolet). Selon d'autres caractéristiques préférées de l'invention : - 250 nm Les sections des lignes parallèles dans un plan qui leur est perpendiculaire peuvent former - des carrés, rectangles, triangles, trapèzes, arcs de cercles, portions d'ellipses ... distants les uns des autres et reliés à leurs bases par des io segments de droites (0,2 - une sinusoïde, ou des triangles, trapèzes, arcs de cercles, portions d'ellipses ... jointifs à leurs bases (w = p). Dans une deuxième variante, lesdits motifs en relief comprennent des lignes non parallèles (deux réseaux de lignes croisées) et/ou des plots. On forme 15 alors une structure de réseau de diffraction pouvant être dit de dimension 2/bidimensionnel. Dans la deuxième direction de structuration, les caractéristiques géométriques p, w et h suivent les mêmes règles que dans la première direction, mais les dimensions peuvent être différentes. La section des plots dans des plans parallèles au plan principal de la 20 feuille transparente peut emprunter toutes géométries : rectangulaire, carrée, hexagonale, circulaire, ellipsoïdale ... De multiples arrangements des plots à la surface de la feuille transparente sont possibles : - alignements selon deux directions perpendiculaires en lignes et 25 colonnes ; - hexagonal (le plus compact) ; - alignements en lignes, plots de deux lignes voisines décalés d'un demi-pas (cubique face centrée) ... Il est également possible de former un pavage de domaines hexagonaux 30 structurés par exemple selon des lignes de caractéristiques géométriques p, w, h conformes à celles du dispositif de l'invention. Les domaines hexagonaux ont des côtés de 2 à 5 pm notamment. Les lignes de deux domaines hexagonaux voisins sont parallèles à deux côtés non parallèles des hexagones. Un tel pavage, inspiré de la structure d'une aile de papillon, permet l'extraction uniforme, quelque soit la direction d'observation, d'une couleur privilégiée. Il limite dans une certaine mesure le phénomène d'irisation. Selon une réalisation avantageuse, ladite partie texturée comprend plusieurs domaines définis par des valeurs (pi, w;, h;) correspondant à l'extraction de couleurs différentes, chaque domaine ayant des dimensions non inférieures à 20 x p;. Ces domaines consistent par exemple en bandes de 100 pm de large, elles-mêmes constituées de lignes parallèles. Ladite feuille transparente est de préférence en matériau verrier, io notamment en verre flotté silicosodocalcique, ou en matière plastique : polycarbonate, poly(méthacrylate de méthyle), polyvinylbutyral, polyoléfine, polyuréthane, résine ionomère, copolymère ou mélange de différents polymères Lesdits motifs en relief peuvent être constitués 15 - en totalité du matériau de ladite feuille transparente, - en partie seulement du matériau de ladite feuille transparente qui, dans ce cas, en forme en général la base, prolongée de manière continue d'au moins une partie en un autre matériau la recouvrant, - ou en totalité d'une couche recouvrant ladite feuille transparente. 20 Ces caractéristiques seront expliquées plus en détails dans la suite en référence aux différents procédés d'obtention des motifs en relief. La feuille transparente du dispositif de l'invention peut être monolithique. Dans une autre réalisation de l'invention, ladite feuille transparente est associée à au moins une autre feuille transparente dans un vitrage feuilleté ou 25 multiple. Rappelons qu'un vitrage feuilleté est constitué de plusieurs feuilles transparentes telles que verre, polycarbonate, reliées entre elles par des couches adhésives intercalaires : polyvinylbutyral, polyuréthane. Un vitrage multiple est constitué de plusieurs feuilles transparentes 30 monolithiques (verre, matière plastique) ou feuilletées reliées entre elles deux à deux avec interposition d'une lame de gaz (air) û en général en communication avec un produit dessiccant û. La feuille transparente du dispositif de l'invention, elle-même, peut être munie de toutes couches fonctionnelles habituelles, en particulier sur la face de la feuille opposée à celle comportant lesdits motifs en relief. On peut citer en tant que couches fonctionnelles, une couche hydrophobe, photocatalytique autonettoyante, de contrôle thermique (bas émissive, anti-solaire), une couche réfléchissante pour accroître l'extraction de lumière (faisant perdre plus ou moins la transparence) ... De telles couches fonctionnelles peuvent aussi être portées par d'autres feuilles transparentes faisant partie d'un même vitrage feuilleté ou multiple. io Quand ladite feuille transparente du dispositif de l'invention est intégrée dans un vitrage feuilleté, lesdits motifs en relief peuvent être situés à l'intérieur du feuilleté, délimités par deux matériaux d'indices de réfraction nécessairement différents. Les motifs en relief peuvent être formés sur l'un des deux matériaux, l'autre en épousant la forme par exemple par fluage. 15 L'invention a d'autre part pour objet trois procédés de fabrication d'un dispositif décrit ci-dessus. Un premier procédé comprend l'embossage d'une couche sol-gel ou polymère rapportée sur ladite feuille transparente. L'embossage est une déformation plastique ou viscoplastique réalisée par contact avec un élément 20 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 25 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. Par exemple des silanes fluorés ont été décrits dans le document EP 799 873 pour obtenir un revêtement hydrophobe. 30 L'embossage peut aussi être réalisé sur des couches polymères. Peuvent être cités - 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 ... io 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 15 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 20 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). 25 Il est à remarquer que le procédé d'embossage permet le traitement rapide de relativement vastes surfaces, à un coût modéré. Un second procédé de fabrication du dispositif de l'invention comprend une photolithographie. Ce procédé consiste généralement à munir d'abord ladite feuille 30 transparente 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 troisième procédé de l'invention comprend le transfert d'une couche io 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. L'invention a d'autre part pour objet un procédé d'extraction d'une partie ou de la totalité des longueurs d'onde émises par au moins une source 15 lumineuse, mettant en oeuvre un dispositif décrit précédemment. La source lumineuse, orientée vers l'intérieur de la feuille transparente, peut être monochromatique ou composée de plusieurs longueurs d'onde du domaine visible, infra-rouge ou ultra-violet. Dans le premier cas, la longueur d'onde source est extraite par ladite partie texturée. Dans le second, une ou plusieurs des 20 longueurs d'onde de la source sont extraites. L'invention est illustrée par l'exemple suivant. Un dispositif comprend une feuille transparente de verre commercialisé sous la marque Planilux par la société Saint-Gobain Glass, dont une face présente une partie texturée consistant en lignes à section carrée définies par un 25 pas p, une largeur w et une hauteur h. Une DEL émettant au moins une longueur d'onde X0 est intégrée dans le chant de la feuille, la direction d'incidence de la lumière faisant un angle einc avec la normale à la feuille. Pour observer une couleur de la longueur d'onde émise X dans la 30 direction perpendiculaire à la feuille transparente, on satisfait la relation 211 nverre(2,O) sineinc = Ao 211 p X0 soit p 8 10 20 nverre(2,o) Sineinc Fixons einc = 50 et h = w = b b Pour le bleu : X0 .480 nm et nverre (Xo) = 1,531 on calcule : p (Xb) = 409 nm h(xb)=w(xbo)=204nm v v ao = 550 nm et nverre (Xo) = 1,524 V on calcule : p (Xo) = 471 nm v v h (Xo) = w (Xo) = 235 nm r r Pour le rouge : X0 = 640 nm et nverre (Xo) = 1,521 25 on calcule : p (Xor) = 549 nm r r h (Xo) = w (Xo) = 274 nm En supposant l'émission des longueurs d'onde X0, Xô et Xô avec l'angle 30 d'incidence e;nc fixé à 50 , les nanostructurations définies précédemment pour chacune des trois couleurs, extraient respectivement du vitrage le bleu, le vert et le rouge. Pour extraire les trois couleurs simultanément du vitrage, la partie texturée consiste en un partage de domaines correspondant aux caractéristiques 35 calculées pour les trois couleurs, chaque domaine ayant des dimensions non inférieures à 10 fois son pas p caractéristique. Si au contraire, la partie texturée ne répond aux caractéristiques calculées que pour une couleur, seule celle-ci sera observée de manière prépondérante dans la direction perpendiculaire à la feuille. p 2 15 Pour le vert 15 Une autre réalisation de l'invention consiste à fixer p, w, h, calculer l'angle 6inc correspondant à l'extraction de la longueur d'onde X0 dans la direction perpendiculaire à la feuille, et disposer la DEL en conséquence. En effectuant la même opération avec trois sources émettant respectivement ? et on obtient l'extraction simultanée des trois couleurs perpendiculairement à la feuille, cette fois avec trois DEL différentes, positionnées selon trois angles 6inc différents. On choisit le réseau tel que le vert est extrait perpendiculairement. ô = 550 nm v 6inc = 50 v donc p (Xo) = 471 nm, comme calculé ci-dessus. b r v b r Ensuite on calcule 6inc (Xo) et 6inc(X0) pour que p (Xo) = p (Xo) = p (X0). b On obtient 6inc (Xo) = 41,7 r 6inc (Xo) = 63,3 Ainsi peut-on extraire du dispositif une lumière blanche se décomposant 20 en bleu, vert et rouge, selon les deux réalisations différentes. REVENDICATIONS 1. Dispositif comprenant une feuille transparente dont une face au moins présente au moins une partie texturée, et au moins une source lumineuse orientée vers l'intérieur de la feuille, caractérisé en ce que ladite partie texturée consiste en une répétition de motifs en relief de pas p, largeur w et hauteur h, satisfaisant les relations 100nmp1000nm i0 0,2 w 1 p 0,2h 10 w 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que 250nmp500nm. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 15 que 0,3 P 0,7. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que 0,4 w 0,6. p 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 20 que 0,5 2 w 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits motifs en relief comprennent des lignes parallèles. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 25 que lesdits motifs en relief comprennent des lignes non parallèles et/ou des plots. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite partie texturée comprend plusieurs domaines définis par des valeurs (pi, w;, h;) correspondant à l'extraction de couleurs différentes, 30 chaque domaine ayant des dimensions non inférieures à 20 x p;. 2915814 Il 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite feuille transparente est en matériau verrier ou en matière plastique. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 5 que lesdits motifs en relief sont constitués en totalité ou en partie du matériau de ladite feuille transparente, ou en totalité du matériau d'une couche recouvrant celle-ci. 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite feuille transparente est associée à au moins une autre feuille io transparente dans un vitrage feuilleté ou multiple. 12. Procédé de fabrication d'un dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend l'embossage d'une couche sol-gel ou polymère rapportée sur ladite feuille transparente. 13. Procédé de fabrication d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 15 11, caractérisé en ce qu'il comprend une photolithographie. 14. Procédé de fabrication d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend le transfert d'une couche nanostructurée. 15. Procédé d'extraction d'une partie ou de la totalité des longueurs d'onde 20 émises par au moins une source lumineuse, mettant en oeuvre un dispositif selon l'une des revendications 1 à 11.