Doctorat décerné à Jing Gong pour vitrages microstructurés

L'utilisation des bâtiments vitrés est une tendance mondiale de l'architecture moderne. Cependant, le vitrage peut induire une grande perte thermique en hiver et augmenter la consommation d'électricité pour la climatisation en été. Les rayons solaires peuvent également provoquer un éblouissement.

Afin de résoudre ces problèmes, un nouveau vitrage multifonctionnel avec des microstructures optiques encapsulées dans une couche de polymère est proposé; le but est d'améliorer le contrôle thermique saisonnier, l'éclairage naturel, la protection contre l'éblouissement et la visibilité. Cette couche de polymère est ensuite laminée sur une vitre. Le vitrage proposé repose sur la combinaison de la géométrie des microstructures et les couches optiques.

Selon la géométrie des microstructures, deux types de microstructures optiques sont suggérés et développés : i) microstructure optique rétro-réfléchissante en forme de

«L» , et ii) concentrateurs paraboliques de grandeur micrométrique. Les microstructures optiques suggérées sont applicables pour différents angles d'incidence par rapport à l'horizon, différentes orientations de façades, au localisations variés et divers climats.

Les travaux de la présente thèse sont divisés en trois parties: simulation afin d'estimer les avantages potentiels du vitrage proposé, fabrication d'échantillons et caractérisation expérimentale.

Avant la fabrication, la simulation par tracée de rayons est utilisée pour optimiser les paramètres géométriques des microstructures. Des modèles de calcul sont développés pour la simulation et une validation expérimentale est effectuée. La transmittance dépendante de l'angle pour les microstructures optiques est calculé utilisant la simulation de « ray­ tracing ». La sensibilité de la transmittance dépendante de l'angle par rapport à la hauteur des microstructures est analysée. Les gains solaires dynamiques et la transmittance directe en fonction des heures de la journée sont calculés afin d'évaluer les avantages thermiques potentiels. Afin d'explorer pleinement les avantages potentiels de l'éclairage naturel et la protection contre l'éblouissement, les indices sur l'éclairement lumineux, l'uniformité, l'éblouissement et directivité sont utilisés pour évaluer la performance d'une façade orientée au sud à Lausanne, Suisse, et équipée avec les microstructures

Pour rediriger la lumière de la manière désirée, des microstructures avec rapport hauteur/largeur élevé et des microstructur'es avec surplombs sont nécessaires. Malheureusement, la fabrication de telles microstructures reste difficile en utilisant les technologies existantes. En laboratoire, les procédures de fabrication des microstructures optiques encapsulées sont classées en cinq étapes. Tout d'abord, un moule avec les microstructures est fabriqué par ablation laser. Alternativement, une méthode de gravure à balayage mécanique sur matériaux

mous est développée. Ensuite, la fonne du moule est répliquée une fois (négatif de la fom1e) ou deux fois (forme identique) afin d'obtenir les microstructures désirées. Cette réplication est effectuée en utilisant du polydiméthyl-siloxane (PDMS), avec l'introduction d'une intercouche d'hypromellose (HPMC). Pour la troisième étape, le moule de PDMS est utilisé comme tampon pour l'impression UV avec un polyester acrylate polymère hyper- ramifié (HBP) sur un substrat de verre. Après cela, les couches métalliques sont déposées par évaporation the1mique sur les surfaces sélectionnées de la microstructure HBP. Pour finir, le même matériau (HBP) est utilisé pour remplir les rainures des microstructures avec les couches optiques pour l'impression UV, et par conséquent, les microstructures optiques enclavées sont obtenues. Cette thèse démontré la faisabilité de la fabrication des microstructures, développe les nouveaux procédés de traitement, et analyse la fidélité de forme de chaque étape de fabrication.

La caractérisation structurelle est réalisée pendant les étapes de fabrication à l'aide de microscopie optique traditionnelle, microscopie confocale, et microscopie électronique à balayage (SEM) . Concernant la caractérisation optique , un goniophotomètre est utilisé pour évaluer la transmittance dépendante de l'angle et la redirection de la lumière des échantillons fabriqués. Différents spectromètres sont utilisés pour obtenir le spectre de réflectance et de transmittance des couches déposés.

Mots-clés: Vitrages multifonctionnels, Microstructures optiques, Couches mmces fonctionnelles, Dynamique thernüque saisonnière, L'éclairage naturel, Ablation laser, Gravure à balayage mécanique, L'impression UV.

En relation avec ce travail, le prix du meilleur article scientifique en optique anidolique a été décerné à Jing Gong et al. pour leur article intitulé Feasibility study on a novel daylighting system with embedded micro compound parabolic concentrators (CPCs), présenté à la Conférence SPIE Optical Engineering & Applications du 19-20 août 2018, à San Diego, USA .

Cette thèse a été dirigée par le Dr Andreas Schueler et le Prof. Jean-Louis Scartezzini du Laboratoire d'Energie Solaire et de Physique du Bâtiment de l'EPFL.