Etude de membranes photoniques dans le MIR pour le confort thermique individuel

Study of photonic membranes in the MIR for individual thermal comfort

• Auteur / Autrice : Mohamed Boutghatin
• Direction : Yan Pennec, Vincent Thomy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, photonique
• Date : Soutenance le 29/03/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marie Raquez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joël Charrier, Stéphane Giraud, Valérie Gaucher, Michèle Carette
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Béatrice Dagens, Fadi Issam Baida

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fourier, Spectroscopie infrarouge à transformée de

Éléments finis, Méthode des

Diélectriques

Thermorégulation

Cristaux photoniques

Textiles intelligents

Mots clés libres

Membrane photonique

Infrarouge moyen

Confort thermique

Photonic membrane

Mid infrared

Thermal comfort

Résumé

Les vêtements sont des acteurs essentiels de notre quotidien afin de satisfaire le confort thermique du corps humain. Cependant, les vêtements conventionnels présentent généralement des performances thermiques médiocres et peu contrôlées. En effet, une variation brutale de la température de la pièce affecte considérablement le confort thermique du corps. D’où la nécessité d’utiliser de manière continue des systèmes de chauffage, ventilation, et climatisation (CVC) dans des espaces clos, afin de maintenir un environnement thermique approprié de la pièce. Cependant cette solution montre clairement ses limites par une consommation énergétique considérable qui affecte les secteurs de l’économie, de l’énergie et de l’environnement. Le développement de nouveaux textiles capables de gérer, à proximité de la peau, la température du corps humain, sur une large gamme de températures ambiantes, sans apport d'énergie supplémentaire, apparaît alors comme une solution alternative d’une urgente nécessité.Le corps humain, pour une température de peau de 34°C, émet des rayonnements électromagnétiques (EM) dans le moyen infrarouge (MIR) responsables de plus de 50% des pertes thermiques d’un individu. Une compréhension et une maîtrise de ces rayonnements permettraient de contrôler la température du microclimat, espace d’air entre le corps et le textile. Dans ce contexte, concevoir des textiles passifs, qui modulent les rayonnements MIR, présente un défi pour la communauté scientifique.Le but de la thèse est d’étudier théoriquement et expérimentalement les réponses spectrales dans le MIR (5-15 µm) de différentes membranes à faibles indices de réfraction afin de contrôler la thermorégulation individuelle. Nous avons démontré que l’insertion de particules dans des membranes permettait de moduler son absorption et donc, selon la loi de Kirchhoff, son émissivité. Sur la base de ces résultats, nous avons proposé un tissu asymétrique à réchauffement radiatif haute performance pour des environnements présentant des températures allant de froide à modérée. Dans un deuxième temps, nous avons élargi l’étude aux propriétés de transmission, réflexion, absorption et diffusion de membranes photoniques à base de polymère. Nous avons montré que celles-ci, sous certaines conditions géométriques, étaient capables de moduler le rayonnement EM dans le MIR, permettant ainsi d’agir sur la thermorégulation du microclimat.Le travail de thèse est basé sur des calculs analytiques et numériques par la méthode des éléments finis (FEM). L’étude numérique a été accompagnée par des expériences de fabrication en salle blanche à l’IEMN et de caractérisation par spectroscopie infrarouge (FTIR).

Clothing is an essential part of our daily life in order to satisfy the thermal comfort of the human body. However, conventional clothing generally exhibits poor thermal performance and weakly controlled. Indeed, a sudden change in the temperature of the room considerably affects the thermal comfort of the body. Hence the need for continuous use of heating, ventilation, and air conditioning (HVAC) systems in indoor areas, in order to maintain an appropriate thermal environment of the room. However, this solution clearly shows its limitations by the huge energy consumption which affects the sectors of economy, energy, and environment. Therefore, the development of new textiles able to manage the temperature of the human body close to the skin, over a wide range of ambient temperatures, without additional energy input, appears to be an urgently needed alternative solution.The human body, at a skin temperature of 34 °C, emits electromagnetic (EM) radiation in the mid-infrared (MIR) responsible for more than 50% of individual’s heat loss. Understanding and control those radiation would make it possible to control the temperature of the microclimate, corresponding to the air space between the body and the textile. In that context, designing passive textiles, which modulate MIR radiation, presents a challenge for the scientific community.The objective of the thesis is to theoretically and experimentally study the spectral responses in the MIR (5-15 µm) of different membranes with low refractive indexes in order to control individual thermoregulation. We have shown that the insertion of particles into membranes modulates its absorption and therefore, according to Kirchhoff's law, its emissivity. Based on these results, we proposed a high performant radiative warming asymmetric fabric for environments from cold to moderate temperatures. Secondly, we extended the study to the transmission, reflection, absorption and diffusion properties of polymer-based photonic membranes. We have shown that these latter, under specific geometric conditions, were able to modulate the EM radiation in the MIR, thus making it possible to act on the thermoregulation of the microclimate.The thesis work is based on analytical and numerical calculations by the finite element method (FEM). The numerical study was coupled with cleanroom manufacturing experiments at IEMN and infrared spectroscopy characterization (FTIR).