Brevet FR3059939A1 — publié le 20180615

VITRAGE FEUILLETE AYANT UNE COUCHE ELECTROCONDUCTRICE A LIGNE D'ABLATION DONT LES BORDS SONT EXEMPTS DE BOURRELET ET EN PENTE DOUCE L'invention appartient au domaine des vitrages chauffants (fonction antigivre ou antibuée), notamment aéronautiques (avion et hélicoptère) utilisant une couche mince conductrice et transparente. Les vitrages aéronautiques chauffants sont des feuilletés de deux ou trois plis verriers (minéraux) ou organiques. La prévention de l'apparition de givre sur les vitrages aéronautiques peut se faire par chauffage par effet joule au moyen d'une couche mince transparente et électroconductrice. Pour des surfaces de formes non rectangulaires, la couche chauffante est déposée avec des hétérogénéités de résistance de surface (fonction de l'épaisseur déposée), appelé aussi gradient de Rcarré, afin de limiter l'hétérogénéité de densité de puissance surfacique (on ne sait chauffer uniformément que des rectangles). Lorsque la géométrie de la surface chauffante est complexe, ce gradient devient très difficile à réaliser : la solution consiste alors à faire de nombreuses lignes de flux (au moyen d'un laser par exemple). Cela revient à découper la couche en de multiples bandes conductrices de largeur inférieure à 40mm et séparées par des lignes isolantes (sans couche) et très étroites (entre 40 microns et 250 microns). Ces lignes rapprochées permettent de guider le courant, de limiter les écarts de densité de puissance à l'intérieur de chaque bande et ainsi de mieux chauffer toute la surface (disparition des zones froides). La demande US 2010/0159251 Al décrit une ablation de lignes de flux de 48, respectivement 16 pm de large dans une couche électroconductrice au moyen d'un laser YAG 355 nm. Les lignes d'ablation décrites dans la demande US 2013/0082043 Al ont une épaisseur au plus égale à 400, de préférence 50 pm. La demande WO 2007 003849 A2 décrit la formation de couches chauffantes par pyrolyse, pulvérisation cathodique assistée par magnétron... , et l'ablation dans de telles couches, de lignes de flux de 100 à 200 pm de largeur ainsi que de lignes de séparation de phases de 500 pm à 2 mm de largeur (utilisation de courant triphasé) au moyen d'un laser pulsé Nd-YAG 1064 nm. 3059939 2 Cependant l'aspect esthétique (visibilité dans certaines conditions d'observations) de ces lignes d'ablation et la géométrie des bords d'ablation à l'échelle nanoscopique ne sont jamais abordés. Les surfaces chauffantes étant de plus en plus grandes, le nombre de 5 lignes de flux augmente progressivement. De plus, la distance entre les bus- bars étant de plus en plus grande, l'épaisseur de la couche déposée augmente elle aussi et les lignes deviennent de plus en plus visibles. Dans certaines conditions de vol, la présence de ces lignes peut être très perturbante pour les pilotes d'avions. 10 La géométrie des bords de l'ablation a une influence très importante sur la visibilité des lignes, notamment dans des conditions d'observations nocturnes (champ sombre) en présence de sources lumineuses ponctuelles et intenses. Les techniques actuelles d'ablation laser utilisent des impulsions lasers de l'ordre de nano-secondes dont la fréquence, la puissance et la longueur 15 d'onde sont variables d'une machine à une autre. Pour les couches minces transparentes et conductrices déposées sur verre, ces lasers ne permettent pas d'obtenir des ablations « nettes » : il reste sur les deux bords des lignes, dans la zone dite « affectée thermiquement », des bourrelets (surépaisseurs) de matière fondue qui ont en général une hauteur égale à l'épaisseur du dépôt. 20 Ce bourrelet est visible dans certaines conditions d'éclairage et d'observations et plus sa hauteur augmente, plus il devient visible. Les inventeurs se sont aperçus que la géométrie des bords d'ablation a une influence très importante sur le mécanisme d'apparition des lignes de flux et sur la détection visuelle de ces lignes dans les conditions particulières 25 décrites précédemment. Ces lignes sont visibles en réflexion lorsque la distance d'observation est faible (inférieure à 500mm) et lorsque la couche est suffisamment épaisse (changement de couleur notable entre la zone sans couche et la zone avec couche). A plus grande distance (> 500mm), elles deviennent invisibles en 30 réflexion. A faible distance, en transmission et en champ clair (ciel bleu par exemple), plus la couche est mince, plus la ligne de flux est difficile à détecter car la variation locale de la transmission lumineuse est faible. Lorsque la distance augmente, elles sont encore plus difficiles à détecter. 3059939 3 Cependant, en transmission et en champ sombre, lorsque la couche a une épaisseur supérieure à 150 nm, il existe quelques cas où la lumière fait ressortir assez nettement ces lignes : lumière intense ponctuelle + angle d'incidence supérieur à 45° ou lumière diffuse intense (par exemple ciel 5 nuageux et observation des lignes sur fond noir). A cet effet, l'invention a pour objet un vitrage feuilleté comprenant, de sa première face destinée à être orientée vers l'atmosphère extérieure, vers sa seconde face, un premier pli de 0,5 à 12 mm d'épaisseur, un premier pli structurel de 3 à 20 mm d'épaisseur, éventuellement un ou plusieurs autres plis 10 structurels de 3 à 20 mm d'épaisseur, et éventuellement un second pli de 0,5 à 12 mm d'épaisseur constituant la seconde face du vitrage, dont au moins la face du premier et/ou du second pli de 0,5 à 12 mm d'épaisseur orientée vers le(s) pli(s) structurel(s), et/ou au moins une face de ce(s) dernier(s) comprend une couche électroconductrice d'épaisseur comprise entre 2 et 1600 nm, 15 excepté sur au moins une ligne d'ablation, caractérisé en ce que les bords de cette ligne ne présentent aucun bourrelet, et en ce que leur pente moyenne est au plus égale à 5 %. En modifiant la géométrie des bords, en les « structurant », les inventeurs ont montré qu'il est possible de rendre les lignes de flux nettement 20 plus difficiles à détecter visuellement. Cette structuration permet de supprimer les bourrelets présents sur les bords d'ablation mais surtout de modifier la pente de ces bords. Un paramètre important qui permet de différencier les lignes fortement visibles en champ sombre des lignes faiblement visibles est la pente moyenne. Celle-ci 25 correspond à la pente de la droite reliant la surface du verre (fond d'ablation) et la surface de la couche. Sa valeur en % est égale à 100 X tangente a (angle de la pente moyenne du bord par rapport au plan du substrat). Pour des valeurs de pente moyenne au plus égales à 5%, les lignes sont très peu visibles. Plus cette valeur augmente, plus les lignes sont visibles. L'important est d'obtenir 30 une variation très progressive de l'épaisseur de la couche de chaque côté de la ligne de flux. La forme des bords peut être rectiligne ou courbe (circulaire, elliptique, parabolique... ). 3059939 4 Un test « simple » pour vérifier l'effet de la structuration des bords sur la visibilité des lignes consiste à observer la surface ablatée en champ sombre en l'éclairant avec une lumière intense et annulaire arrivant sur cette surface avec un angle d'incidence de 45° (ou plus). 5 Une ligne d'ablation peut ici consister en une bande isolante électriquement de 1 à 5 mm de large, refermée sur elle-même de façon à délimiter la périphérie d'une zone chauffante. La structuration des bords d'ablation permet : - de rendre les lignes d'ablation invisibles (ou moins visibles dans le cas 10 de couches très épaisses) quelles que soient les conditions d'observations ; - d'augmenter le nombre de lignes de flux par unité de surface ; - d'améliorer l'homogénéité du chauffage ; - de réduire la puissance électrique nécessaire pour le 15 dégivrage/désembuage des vitrages. Conformément à des caractéristiques préférées du vitrage feuilleté de l'invention : - la largeur de la ligne d'ablation, appelée ligne de flux, est comprise entre 40 et 250 pm ; on entend ici par largeur celle du fond d'ablation ; 20 - le vitrage feuilleté comprend plusieurs lignes de flux sensiblement parallèles et équidistantes, et la distance entre deux lignes de flux voisines est au moins égale à 8 mm, et au plus égale à 40, et par ordre de préférence croissant, 25 et 20 mm ; cette distance définit la largeur des bandes électroconductrices ; 25 - la largeur de la ligne d'ablation, appelée ligne de séparation de phase, est comprise entre 0,5 et 2 mm ; lorsque la couche chauffante du vitrage est alimentée en courant triphasé, il y a deux telles lignes de séparation de phase ; malgré la largeur de celles-ci, leur visibilité décroit grâce aux mesures de l'invention, et leur vision est beaucoup moins gênante dans 30 les conditions d'utilisation, telles que celles d'un vol de jour ou de nuit ; - chaque ligne d'ablation coupe sensiblement orthogonalement deux bandes d'amenée de courant disposées le long de deux côtés opposés du vitrage, et présente une courbure et éventuellement une inflexion lorsque ces deux côtés opposés forment un angle entre eux ou lorsque 3059939 5 les deux extrémités de la ligne d'ablation ne sont pas en face l'une de l'autre, mais décalées l'une par rapport à l'autre ; cette géométrie favorise l'homogénéité de chauffage sur toute la surface du vitrage quand celle-ci est complexe et s'écarte de la géométrie d'un rectangle ; 5 ainsi évite-t-on des zones froides, éventuellement mal ou non dégivrées ou désembuées ; - la pente moyenne des bords de la ligne d'ablation est au plus égale à 2 % ; - le(s) pli(s) de 0,5 à 12 mm d'épaisseur est (sont) en verre renforcé chimiquement ; - le(s) pli(s) structurel(s) est (sont) en verre semi-trempé thermiquement ou renforcé chimiquement, ou en matériau polymère tel que poly(méthacrylate de méthyle), polycarbonate ou poly(téréphtalate d'éthylène) ; 15 - la couche électroconductrice consiste en une couche d'oxyde d'indium dopé à l'étain (ITO), oxyde d'étain dopé au fluor (Sn02:F) ou oxyde de zinc dopé à l'aluminium (AZO), ou en une couche métallique telle que d'or ou d'argent ; - le(s) pli(s) de 0,5 à 12 mm d'épaisseur et le(s) pli(s) structurel(s) sont 20 collés deux à deux par une couche adhésive intercalaire consistant chacune, indépendamment l'une de l'autre, en une couche de polyvinylbutyral (PVB), polyuréthane (PU) ou poly(éthylène-acétate de vinyle) (EVA) de 0,5 à 20, de préférence 1 à 16 mm d'épaisseur. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un vitrage 25 feuilleté tel que décrit ci-dessus, caractérisé en ce qu'au moins un pli de 0,5 à 12 mm d'épaisseur ou au moins un pli structurel, dont une face comprend une couche électroconductrice d'épaisseur comprise entre 2 et 1600 nm, est soumis du côté de cette dernière, à une ablation laser par impulsions de durées au plus égales à 100, de préférence 20 et de manière particulièrement préférée 15 ps, 30 et au moins égales à 2, de préférence 5 ps. La réalisation des lignes de flux peut se faire par ablation laser, avec des lasers à impulsions de l'ordre de pico ou femto-secondes. Il est important que le tir laser soit effectué du côté de la couche électroconductrice ; en effet s'il était effectué du côté de la face du pli opposée à cette couche, l'ablation serait 3059939 6 aisée, les bords seraient nets mais à pente plus importante, de l'ordre de 30 ° au lieu de 5 ° par exemple. L'ablation laser peut être remplacée par une attaque chimique de la couche. 5 Comme il sera vu plus en détails dans la suite, il est possible de procéder en plusieurs étapes en faisant varier la largeur du motif (en réalisant des retraits partiels de la couche sur des largeurs de plus en plus faibles) et la profondeur de l'ablation. C'est intéressant pour augmenter la structuration des bords de l'ablation, notamment dans le cas de couches épaisses (> 800nm) 10 et/ou pour diminuer l'angle des bords de la ligne d'ablation et réduire encore plus la visibilité de celle-ci. Selon des caractéristiques préférées du procédé de l'invention : - l'ablation est effectuée à une vitesse de déplacement du pli par rapport au laser de 10 à 600, de préférence 50 à 350 mm/s ; le laser, ou la tête 15 laser pouvant être équipée d'un scanner, est également susceptible de se déplacer par rapport au pli de verre ou équivalent, qui peut alors être fixe ; - un scanner est associé au laser de manière à déplacer le spot laser pour produire une ligne d'ablation relativement large, telle que de 0,5 à 2 mm 20 de largeur ; le laser est déplacé sur la couche électroconductrice selon un motif (cercle, losange...) défini au moyen du scanner ; le déplacement de ce motif lui-même engendre une ligne continue d'une largeur égale à celle du motif. L'invention a également pour objet l'application d'un vitrage feuilleté tel 25 que décrit ci-dessus comme vitrage dégivrant et/ou désembuant utilisant une couche électroconductrice transparente pour un véhicule de transport aérien, terrestre notamment ferroviaire, aquatique notamment marin, blindé civil ou militaire. L'invention sera mieux comprise à la lumière de l'exemple de réalisation 30 suivant, en référence aux représentations schématiques ci-jointes dans lesquelles - les Figures 1 à 4 représentent des géométries différentes de bords de lignes d'ablation ainsi que la pente moyenne de ces bords pour les trois premières de ces figures ; 3059939 7 les Figures 5 et 6, respectivement 7 à 9 illustrent un premier, respectivement un second modes de réalisation du procédé de l'invention. Sur chacune des neuf Figures, un pli 1 de verre renforcé chimiquement 5 de 3 mm d'épaisseur est muni d'un revêtement 2 d'oxyde d'indium dopé à l'étain (ITO) de 300 nm d'épaisseur. Le revêtement 2 est exempt conformément à une ligne dont le fond d'ablation 3 a une largeur de 80 pm. Sur les Figures 1 à 3 est représentée la pente moyenne d'angle a qui, conformément à l'invention, doit être au plus égale à 5 %. Aucun bord de ces lignes d'ablation ne présente de bourrelet ou surépaisseur de hauteur correspondant à l'épaisseur de matière fondue par l'ablation. Les Figures 1, 3 et 4 représentent des bords d'ablation rectilignes 15 obliques, à simple (Figure 3) ou double (Figure 4) gradin. La Figure 2 représente des bords d'ablation courbes. Deux procédés sont décrits ici. On utilise un laser commercialisé par la Société Trumpf sous la référence commerciale TruMicro 5070 et de caractéristiques suivantes : 20 Longueur d'onde 1030 nm Puissance moyenne 100 W Fréquence 400 - 600 kHz Energie d'impulsion inférieure à 250 pJ Impulsions inférieures à 10 ps. 25 Dans un premier procédé, deux étapes sont représentées aux Figures 5 et 6. Dans une première étape (Figure 5), on procède à une ablation partielle 5 selon une ligne de 200 - 300 pm de largeur sur une profondeur de 150 nm. Pour cette première étape, le laser est réglé avec les paramètres 30 suivants : Focale 250 mm Laser 50 kHz - énergie / impulsion 50 ou 60 pJ à ajuster Motif circulaire de 250 pm défini par un scanner Vitesse de scan 1250 mm/s 3059939 8 Laser fixe, vitesse du pli 100 mm/s. Dans une deuxième étape (Figure 6), on procède à une seconde ablation totale 7 selon une ligne de fond d'ablation 3 de 80 pm de large comme déjà indiqué. 5 Pour cette seconde étape, le laser est réglé avec les paramètres suivants : Focale 250 mm Laser 25 kHz - énergie / impulsion 120 pJ Pas besoin d'un scanner Io Laser fixe, vitesse du pli 150 mm/s. Un second procédé alternatif est représenté sur les Figures 7, 8 et 9. Le pli 1 est ici muni au départ d'une couche 8 susceptible d'être retirée par ablation laser comme décrit précédemment. Il peut également s'agir d'une couche d'ITO. 15 Dans une première étape (Figure 7), on effectue une ablation totale 6 de la couche 8 conformément à une ligne. Dans une seconde étape (Figure 8), on forme à la surface du produit de la première étape une couche d'ITO 2. Dans la troisième et dernière étape, on effectue une ablation laser totale zo 7 de la couche 2 d'ITO selon un fond d'ablation 3 de 80 pm de large. REVENDICATIONS1. Vitrage feuilleté comprenant, de sa première face destinée à être orientée vers l'atmosphère extérieure, vers sa seconde face, un premier pli de 0,5 à 12 mm d'épaisseur, un premier pli structurel de 3 à 20 mm d'épaisseur, éventuellement un ou plusieurs autres plis structurels de 3 à 20 mm d'épaisseur, et éventuellement un second pli de 0,5 à 12 mm d'épaisseur constituant la seconde face du vitrage, dont au moins la face du premier et/ou du second pli de 0,5 à 12 mm d'épaisseur orientée vers le(s) pli(s) structurel(s), et/ou au moins une face de ce(s) dernier(s) comprend une couche électroconductrice d'épaisseur comprise entre 2 et 1600 nm, excepté sur au moins une ligne d'ablation, caractérisé en ce que les bords de cette ligne ne présentent aucun bourrelet, et en ce que leur pente moyenne est au plus égale à 5 %. 2. Vitrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la largeur de la ligne d'ablation, appelée ligne de flux, est comprise entre 40 et 250 pm. 3. Vitrage selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs lignes de flux sensiblement parallèles et équidistantes, et en ce que la distance entre deux lignes de flux voisines est au moins égale à 8 mm, et au plus égale zo à 40, et par ordre de préférence croissant, 25 et 20 mm. 4. Vitrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la largeur de la ligne d'ablation, appelée ligne de séparation de phase, est comprise entre 0,5 et 2 mm. 5. Vitrage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que 25 chaque ligne d'ablation coupe sensiblement orthogonalement deux bandes d'amenée de courant disposées le long de deux côtés opposés du vitrage, et présente une courbure et éventuellement une inflexion lorsque ces deux côtés opposés forment un angle entre eux ou lorsque les deux extrémités de la ligne d'ablation ne sont pas en face l'une de l'autre, mais décalées l'une par rapport à 30 l'autre. 6. Vitrage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pente moyenne des bords de la ligne d'ablation est au plus égale à 2 %. 3059939 10 7. Vitrage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le(s) pli(s) de 0,5 à 12 mm d'épaisseur est (sont) en verre renforcé chimiquement. 8. Vitrage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que 5 le(s) pli(s) structurel(s) est (sont) en verre semi-trempé thermiquement ou renforcé chimiquement, ou en matériau polymère tel que poly(méthacrylate de méthyle), polycarbonate ou poly(téréphtalate d'éthylène). 9. Vitrage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche électroconductrice consiste en une couche d'oxyde d'indium dopé à Io l'étain (ITO), oxyde d'étain dopé au fluor (Sn02: F) ou oxyde de zinc dopé à l'aluminium (AZO), ou en une couche métallique telle que d'or ou d'argent. 10. Vitrage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le(s) pli(s) de 0,5 à 12 mm d'épaisseur et le(s) pli(s) structurel(s) sont collés deux à deux par une couche adhésive intercalaire consistant chacune, 15 indépendamment l'une de l'autre, en une couche de polyvinylbutyral (PVB), polyuréthane (PU) ou poly(éthylène-acétate de vinyle) (EVA) de 0,5 à 20, de préférence 1 à 16 mm d'épaisseur. 11. Procédé de fabrication d'un vitrage feuilleté selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un pli de 0,5 à 12 mm d'épaisseur zo ou au moins un pli structurel, dont une face comprend une couche électroconductrice d'épaisseur comprise entre 2 et 1600 nm, est soumis du côté de cette dernière, à une ablation laser par impulsions de durées au plus égales à 100 ps. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les impulsions ont 25 des durées au plus égales à 20, de préférence 15 ps. 13. Procédé selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que les impulsions ont des durées au moins égales à 2, de préférence 5 ps. 14. Procédé selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que l'ablation est effectuée à une vitesse de déplacement du pli par rapport au laser 30 de 10 à 600, de préférence 50 à 350 mm/s. 15. Procédé selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce qu'un scanner est associé au laser de manière à déplacer le spot laser pour produire une ligne d'ablation relativement large, telle que de 0,5 à 2 mm de largeur. 3059939 11 16. Application d'un vitrage feuilleté selon l'une des revendications 1 à 10 comme vitrage dégivrant et/ou désembuant utilisant une couche électroconductrice transparente pour un véhicule de transport aérien, terrestre notamment ferroviaire, aquatique notamment marin, blindé civil ou militaire. 5