Modulation de l'émissivité infrarouge par effet électrophorétique

Impact of electrophoretic effect on infrared emissivity modulation

• Auteur / Autrice : Alexandre Da Silva
• Direction : Pierre-Henri Aubert, Laurent Dupont, Frédéric Vidal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie - Cergy
• Date : Soutenance le 12/06/2024
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physico-chimie des polymères et des interfaces (Cergy-Pontoise, Val d'Oise ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Roux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Henri Aubert, Laurent Dupont, Frédéric Vidal, Aline Rougier, Sylvain Rivet, Laurent Sauques, Cédric Vancaeyzeele
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aline Rougier, Sylvain Rivet

Mots clés

Mots clés libres

Électrophorétique

Encre

Infrarouge

Formulation

Nanoparticules

Émissivité

Electrophoretic

Infrared

Nanoparticles

Ink

Formulation

Emissivity

Résumé

La modulation d’émissivité infrarouge constitue une des principales solutions pour le contrôle de la température apparente, bénéficiant notamment au camouflage thermique ou encore à la thermorégulation des bâtiments. Cette modulation entre un état de haute ou de faible émissivité peut être obtenue grâce à l’affichage électrophorétique, sous réserve que ce dernier se trouve dans une configuration adéquate par rapport à une source et à un environnement donné. Des nanoparticules d’oxyde de zinc dopées par différents métaux sont utilisées dans ces afficheurs pour produire une modulation d’émissivité en infrarouge, qui provient d’une résonnance localisée du plasmon à leur surface. L’utilisation des microondes pour leur synthèse et l’optimisation de la méthode de purification permettent une accélération et une amélioration de leur reproductibilité. En fonction du dopant utilisé, les nanoparticules présentent des performances d’absorbance infrarouge variables dans les deux principales gammes de longueurs d’onde de détection des caméras infrarouges (3-5 et 8-13 µm). Les nanoparticules dopées à l’aluminium, au gallium et à l’indium sont ensuite formulées en encres électrophorétiques pour être intégrées à des afficheurs du même nom. Par rapport à du solvant pur, ces encres formulées à 30 mg/mL ont présenté des variations de température apparente de l’ordre de 15°C entre 3 et 5 µm, contre environ 8°C entre 8 et 13 µm. Dans un afficheur à électrodes interdigitées asymétriques soumises à un champ électrique, l’utilisation de nanoparticules d’oxyde de zinc dopées à l’aluminium a notamment permis de faire varier l’émissivité et la température apparente de l’afficheur de plus de 4°C entre 8 et 13 µm lors de cycles répétés. Des essais complémentaires ont permis de confirmer le transfert de la première architecture d’afficheur à une seconde architecture, flexible, composée d’électrodes face à face. Constituée d’une grille de nickel fortement ajourée en face avant et d’une contre-électrode pleine en PET-ITO en face arrière, cette architecture a présenté des performances de commutation en infrarouge plus restreintes qui ouvrent des perspectives d’optimisation. L’utilisation d’un substrat souple et l’amélioration de l’assemblage permis par cette nouvelle architecture ont néanmoins permis d’augmenter la longévité des afficheurs passant de quelques semaines à, au moins un an. Cette architecture a également permis un gain de poids conséquent, divisant la masse de l’afficheur électrophorétique par quatre.

Infrared emissivity modulation is one of the key solutions for controlling apparent temperature, benefiting both thermal camouflage and housing thermoregulation. This modulation between high and low emissivity states can be achieved using electrophoretic displays, if they operate in specific configurations according to a given IR source and environment. Zinc oxide nanoparticles doped with various metals are used in these displays to produce infrared emissivity modulation, because of localized surface plasmon resonance. The use of microwaves and the optimization of the purification method led to a drastic reduction in synthesis time, as well as an improvement in the reproducibility of nanoparticle production. Depending on the dopant used, nanoparticles exhibit specific infrared absorbance in the two main detection ranges of infrared cameras (3-5 and 8-13 µm). The nanoparticles with aluminum, gallium and indium as dopants are then formulated into electrophoretic inks for use in similar displays. Compared with pure solvent, inks formulated at 30 mg/mL with these nanoparticles showed apparent temperature variations of around 15°C in the 3 to 5 µm range, and approximately 8°C in the 8 to 13 µm range. In an electrophoretic display equipped with asymmetrical interdigitated electrodes subjected to an electric field, the use of aluminum-doped zinc oxide nanoparticles enabled to tune the emissivity and apparent temperature of the display by more than 4°C during repeated cycles in the 8 to 13 µm range. Further experiments confirmed the transferability of the first display architecture to a flexible one with a face-to-face architecture. Consisting of a highly opened nickel grid on the front and a continuous PET-ITO counter-electrode on the back, this new architecture showed more restricted infrared switching performances, opening new optimization perspectives. Nonetheless, the use of a flexible substrate and the improved assembly made possible by such the new architecture allowed to increase the lifespan of the displays from a few weeks, to at least a year. This architecture has also enabled a significant weight reduction, dividing the total mass of the display by four.