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Saint-Gobain rend les verr es intelligents

Michel Le Toullec

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- Sur son site de R&D d'Aubervilliers, le groupe verrier développe des produits et procédés pour le bâtiment et l'automobile, mais aussi pour les écrans plats et le photovoltaïque.

C'est en 1867 que Saint-Gobain s'est installé à Aubervilliers

(Seine-Saint-Denis). En 2006, ce lieu plein d'histoire, classé au patrimoine industriel français, est toujours au coeur des recherches du groupe verrier. C'est ici que sont conçus ses verres intelligents, dont les caractéristiques sont liées à des traitements de surface complexes. Avec ses 320 chercheurs, le site francilien est l'un des principaux pôles de recherche du groupe verrier dans le monde (avec Cavaillon en France et Northboro aux États-Unis).

L'une des vocations du centre d'Aubervilliers est de concevoir des matériaux capables de s'adapter à leur environnement ou de changer de propriétés selon la volonté de l'utilisateur. Dans cette gamme de produits dits intelligents, Saint-Gobain développe des verres autonettoyants qui exploitent les propriétés de photocatalyse du dioxyde de titane. « Sous l'action des rayons ultraviolets, une couche de TiO2 déposée sur la face extérieure du verre provoque la décomposition des polluants organiques, explique Léthicia Guéneau, ingénieur de recherche. En outre, cette surface devient hydrophile : l'eau de pluie s'étale sans former de gouttes et évacue les résidus de la décomposition ainsi que les poussières minérales. »

Des vitrages intérieurs autonettoyants

C'est sur ce principe que fonctionnent les vitrages de la gamme BioClean de Saint-Gobain Glass. Mais le centre de recherche de Saint-Gobain travaille déjà sur la génération future de vitrages autonettoyants. « Nos recherches visent à conférer des propriétés autonettoyantes à des vitrages intérieurs, là où il y a très peu d'ultraviolets, explique Hervé Arribart, directeur scientifique de Saint-Gobain. Il s'agit alors de développer une solution basée sur une couche possédant des propriétés photocatalytiques dans le domaine du visible. Nous étudions notamment des matériaux nouveaux, obtenus par dopage d'oxyde de titane à partir de divers éléments chimiques. La compétition est intense dans ce domaine ; nos principaux concurrents sont japonais. »

Les verres électrochromes présentent, quant à eux, la caractéristique de changer de couleur et de passer du clair au foncé sous l'action d'un courant électrique. Les chercheurs de Saint-Gobain ont ainsi développé un système constitué de cinq couches inorganiques déposées en salle blanche sur le substrat en verre. Deux couches externes conductrices (en oxyde métallique) prennent en sandwich deux couches électrochromes en oxyde de tungstène qui, elles-mêmes, enserrent une couche électrolyte. L'oxyde de tungstène est transparent mais devient bleu lorsqu'il insère des cations et le phénomène est réversible. C'est sur ce modèle que Saint-Gobain a conçu le vitrage électrochrome SGS Lightuning, récemment choisi par Ferrari pour le toit en verre de son modèle Superamerica.

« Actuellement, nous tentons de réduire les coûts de production des vitrages électrochromes pour atteindre le marché du bâtiment et nous cherchons également à obtenir une teinte autre que le bleu en travaillant, cette fois, sur des couches organiques », précise Hervé Arribart. Saint-Gobain exploite par ailleurs son savoir-faire sur les couches minces conductrices dans le domaine de l'électroluminescence. « Nous nous intéressons aux sources lumineuses de grandes surfaces à base de couches minces inorganiques mais également organiques. » La voie aux vitrages capables d'éclairer une fois la nuit tombée est ouverte...

Innover en matière de procédés

Dans un tout autre domaine, les chercheurs du centre d'Aubervilliers développent des solutions pour les écrans plats de télévision. Le groupe a fait son entrée sur ce marché en 2005 en investissant dans une unité de production de verre pour PDP (Plasma Display Panel) en Corée du Sud. Les chercheurs d'Aubervilliers travaillent en particulier sur des filtres optiques pour écrans PDP à durée de vie améliorée. Ces filtres servent à protéger le téléspectateur des interférences électromagnétiques, à réduire les émissions infrarouges et à ajuster la couleur et le contraste. Ils jouent aussi un rôle de protection mécanique du module et réduisent les désagréments liés aux reflets sur l'écran.

Les filtres actuels sont basés sur l'empilement de feuilles en PET (polyéthylène téréphtalate) laminées sur chaque face du substrat en verre. L'une des limites du système est liée à la faible résistance dans le temps du traitement antireflet réalisé sur le film en PET placé du côté du téléspectateur. Saint-Gobain propose une alternative utilisant un procédé dérivé de la fabrication de... pare-brise d'automobiles. Il s'agit en effet d'une vitre feuilletée comprenant une feuille de PVB (polyvinyl butyral) sur une face et un traitement antireflet sur l'autre face. D'un côté, le PVB contient des pigments qui stoppent l'infrarouge. De l'autre, un revêtement antireflet est déposé par pulvérisation cathodique assistée par magnétron de couches de silice et de nitrure de silicium. Outre ses qualités optiques, ce revêtement est particulièrement résistant à l'abrasion, d'où une durée de vie améliorée de l'écran plasma.

En parallèle du développement de ces matériaux intelligents, les chercheurs du centre d'Aubervilliers ont également pour mission d'innover en matière de procédés. Tout commence au niveau du four. Les chercheurs modélisent à la fois le bain de verre et la chambre de combustion. Ils peuvent ainsi déterminer les flux thermiques, les températures des parois mais aussi étudier les bulles au sein du verre ou l'évolution des envols dans la chambre de combustion. Chercheur au centre d'Aubervilliers, Jean-Marc Flesselles étudie, en particulier, les phénomènes de transfert dans les fours industriels. Il s'intéresse notamment au couplage convection-rayonnement et à la réduction des émissions de polluants comme les NOx.

D'autres recherches portent sur la mise en oeuvre du verre. Ainsi, les questions de contraintes lors de l'assemblage de plaques en verre trempé sont étudiées en partenariat avec l'École des mines de Douai. Ce travail porte sur l'utilisation du verre comme véritable matériau de structure et vise à prédire sa résistance. Les chercheurs ont alors calculé les contraintes résiduelles autour des zones d'assemblage par insertion d'un connecteur métallique au sein de plaques de verre trouées et chanfreinées. Ce travail permet au final d'optimiser la géométrie de la plaque de verre pour un renforcement maximal dans la zone d'assemblage.

Toujours dans le domaine des procédés, les chercheurs étudient la déposition de couches minces qui vont apporter des fonctions spécifiques au substrat en verre. « Nous utilisons principalement la pulvérisation cathodique assistée par magnétron, une technique de dépôt sous vide sur de grandes surfaces de verre ; nous travaillons également sur la déposition chimique en phase vapeur et par procédé sol-gel », indique Hervé Arribart.

S'inspirer du vivant

L'adhésion entre les différentes couches déposées sur le verre est l'un des sujets en cours. Ce travail est notamment réalisé dans le cas de couches d'argent et d'oxyde métallique qui adhèrent mal en raison du caractère non réactif de l'argent. Ce type de structure multicouche est développé pour de futures cellules solaires. Dans le photovoltaïque, d'autres travaux sont menés en collaboration avec le Centre de recherche de Jülich (Allemagne) sur des couches minces en silicium hydrogéné déposées sur un substrat en verre nanostructuré par gravure par plasma. Les chercheurs étudient en particulier la capacité d'une telle structure à capter la lumière (light-trapping).

Pour analyser des structures multicouches aussi complexes, les chercheurs du centre d'Aubervilliers disposent d'outils à la mesure de la tâche. « Grâce à la spectrométrie de masse d'ions secondaires, SIMS, nous sommes capables d'étudier la composition superficielle du verre mais aussi celle des différentes couches minces », explique Patrice Lehuédé, chef du service microanalyses. L'épaisseur analysée est de l'ordre du nanomètre et le décapage avec un faisceau d'ions permet de réaliser des profils en profondeur jusqu'à plusieurs dizaines de microns.

Ce principe permet d'ana-lyser tous les ions simultanément, y compris les plus légers comme l'hydrogène et le lithium. « Nous sommes aussi équipés d'un microscope électronique à balayage à canon à effet de champ pour l'analyse de la texture et de la rugosité des surfaces et des couches minces », indique le chercheur.

Enfin, des recherches bien plus surprenantes sont réalisées au centre d'Aubervilliers de Saint-Gobain. En partenariat avec le laboratoire de chimie de la matière condensée de l'université Pierre-et-Marie-Curie, les chercheurs tentent de s'inspirer du vivant pour la conception de futurs matériaux et systèmes. « Nous avons pris modèle sur certains nénuphars, dont l'eau ne mouille pas les feuilles, précise Hervé Arribart. En répliquant sur la surface d'un vitrage la texture très caractéristique que l'on trouve à la surface de ces feuilles, constituée d'une multitude de petits reliefs très marqués, nous avons ainsi réussi à lui conférer le même caractère non-mouillant, que l'on qualifie également de superhydrophobe. »

L'ENTREPRISE

Saint-Gobain Recherche à Aubervilliers Avec ses 320 chercheurs, le site regroupe : - Le laboratoire mixte CNRS/Saint-Gobain "Surface du verre et interfaces" - Le centre de recherche des matériaux du pôle produits pour la construction de Saint-Gobain - Saint-Gobain Conceptions Verrières, une unité d'ingénierie de fours verriers industriels - La direction technique internationale de Saint-Gobain Glass

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