Présentation Stereolux

[Présentation rapide du contexte : projet d'étude industrielle...]

C’est dans ce contexte que nous nous sommes intéressé à ces nouveaux textiles, pour d’une part définir ce

qu’est un textile intelligent et en dresser un état de l’art, et d'autre part analyser (porter un regard prospectif

sur) un scénario d'usage futur des textiles.

[Diapo 2]

Au terme de nos recherches, il nous est apparu que les textiles intelligents regroupent l’ensemble des

textiles, qu’ils soient issus de fibres naturelles ou synthétiques, qui exercent une action sur leur

environnement, ou qui retiennent des informations lié à celui-ci. On a en particulier remarqué qu’ils pouvaient

se différencier en deux catégories: les passifs, ayant un effet sur leur environnement mais n'interagissant

pas avec, et les actifs, qui contrairement aux premiers, ont une action dépendant de l’état de leur

environnement.

Nous avons classé les différents textiles intelligents que nous avons rencontrés par usage, puis par principe

technologique, et donné des exemples de ces textiles ainsi que les entreprises les fabriquant ou de secteurs

les utilisant. Cet état de l’art n’est évidement pas exhaustif mais dresse un portrait des principales

applications des textiles intelligents.

[Diapo 3]

État de l'art :

Un premier usage très répandu est le suivi et la prévention de la santé de l'utilisateur, pour lequel des

capteurs sont intégrés aux textiles pour transférer des caractéristiques physiques de l'utilisateur à lui même

via un mobile, ou à un professionnel de la santé.

Un second usage très lié au premier est le traitement des maladies et l'optimisation du bien être et des

performances. Il s'agit ici d'agir sur l'utilisateur, contrairement au premier usage qui ne consiste qu'à prélever

des informations. Les technologies sont donc différentes : Sont utilisées des diodes électroluminescentes

(DEL) pour le traitement de maladies de peaux par exemple. Des solutions beaucoup plus sophistiquées

grâce aux nanotechnologies sont souvent utilisées : On a retenu principalement le filage de polymères qui

présentent les effets recherchés tel que la cicatrisation et l'intégration de microcapsules (substance à

principe actif dans des microscopiques réservoirs) qui permettent d’offrir des effets antibactériens,

amincissements, ou de protecteurs thermiques.

Une troisième fonction est de rendre les textiles évolutifs, essentiellement visible dans le domaine de la

mode. Pour changer la couleur des textiles en fonction de différents paramètres, sont utilisés des DEL, des

écrans souples ou encore l'utilisation de protéines qui réfracte la lumière de différentes façons, sans

l'utilisation de pigments. Pour faire se mouvoir les textiles, des tissus électroniques, des matériaux à

mémoire de forme ou encore des aimants sont utilisés. Les textiles évolutifs atteignent leur paroxysme avec

la technologie encore en recherche de l'impression 4D qui permettrait le camouflage.

Un dernier usage important se trouve dans l'industrie. Nous avons retrouvé des technologies déjà identifiées

pour les usages précédant comme l'utilisation de polymère associés au cuivre pour des textiles conducteurs

ou encore de la microencapsulation pour des effets auto-nettoyant par exemple. Nous avons aussi noté

l'utilisation d'effets quantiques pour accroître la résistance des fibres, pour des effets d'imperméabilisation ou

encore pour émettre de la lumière.

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Analyse d'un usage et de ses technologies :

Technologies photovoltaïques :

Ces technologies transforment l’énergie solaire en électricité en s’inspirant des panneaux solaires. Unetechnique pour fabriquer des panneaux solaires flexibles en silicium polycristallin (ou monocristallin) pourtant rigide est d’encapsuler ce type de cellules photovoltaïques entre des feuilles de matériau flexible ,dont l’un au moins est transparent , tel que le polycarbonate par exemple.L’avantage de cette technique est de bénéficier des rendements élevés des cellules au silicium cristallin (15à 20 %) et de leur durabilité, tout en préservant certaines propriétés intéressantes des panneaux solairesflexibles, comme leur transportabilité ou leur adaptabilité à des surfaces non planes.Par contre leur mode de production restera plutôt onéreux puisqu’au coût de production des cellulesphotovoltaïques en silicium cristallin s’ajoutera le coût de l’encapsulation et du montage. Ce n’est pas le cas pour les panneaux solaires flexibles produits avec les procédés de dépôt de couchesminces qui intègrent ces étapes dans un même process. Ils sont obtenus par ajout de couches minces dematériaux photovoltaïques tels que le silicium amorphe sur des feuilles métalliques ou plastiques. Le coûtd’obtention de ces panneaux solaires est inférieur aux autres technologies, jusqu’à 2€/W contre 2 à 4 €/W,en plus d’être plus transportable, ce qui en fait une solution très intéressante. Cependant, le rendement estdeux à trois fois moins important que la technologie précédente (environ 8%). C’est une technologie trèsintéressante qui va se développer pour augmenter son rendement dans un délais relativement court. C’estdonc un bon investissement sur le moyen terme.

Enfin, avec la technologie photovoltaique organique, des cellules solaires à pigments photosensibles quis’inspirent du phénomène de la photosynthèse sont directement imprimées sur le textile en couches minces.Leur coût de fabrication est des plus économiques de par le procédé de fabrication mais également par lecoût des matériaux utilisés, car la matière première est elle même bon marché et les quantités utilisées sonttrès faibles. De plus, elle ne présente pas l’inconvénient de moins bien fonctionner à une chaleur tropimportante, elle ne nécessite pas l’utilisation de produits toxiques et elle est moins fragile que les autrestechnologies. Leur rendement est par contre encore très faible de l’ordre de 4 à 6% et leur durée de vie estbeaucoup moins élevée. Elle est considérée comme une technologie d’avenir pour laquelle l’enjeu actuel estd’améliorer le rendement, qui est conditionné par la maîtrise et la compréhension des mécanismes devieillissement des cellules. C’est donc un investissement intelligent sur du long terme.De tels textiles existent déjà et sont développés par des sociétés comme Heliatek ou le consortium françaisSoltex. Heliatek est parvenu à développer des produits photovoltaiques organiques avec un rendementatteignant 12%. Cependant les produits commercialisables n’atteignent que environ 5%. Cette entreprise a

réussi a réunir beaucoup d’investisseurs européens pour poursuivre leur développement.

La technologie photovoltaique est donc prometteuse, en particulier en ce qui concerne le développement decellules en couches minces et de cellules organiques. Elle présente une densité de puissance élevée (Laquantité maximale d’énergie récupérable est de 10 W/m2 dans un bureau éclairé, et peut atteindre 1 kW/m2au soleil). Cependant, elle nécessite un amélioration du rendement qui est encore très faible (et quipermettrait de diminuer le coût de production). Il faut de plus noter que cette source d’énergie est soumise àde nombreux aléas (nuages, nuit) et nécessite une exposition permanente du dispositif qui restreint sesapplications.

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Technologie piézoélectrique :Cette technologie consiste à convertir une tension en énergie électrique grâce aux matériauxpiézoelectriques.Cette technologie peut aussi être utilisée pour convertir l’énergie cinétique en énergie électrique : en plaçantdes composants sur des très petits rails, afin de permettre le déplacement vertical, et en positionnant àchaque extrémité de ces rails des systèmes piézoélectriques, l’énergie cinétique du composant esttransmise au composant piézoélectrique qui va la transformer en électricité.Cette seconde solution n’est pas envisageables pour des vêtements mais peut être intégrée à destéléphones ou à des chaussures par exemples. Cependant, l’enjeu de la miniaturisation et de l’allègementsemble contrarier une solution de récupération d’énergie cinétique, énergie qui est proportionnel à la massede l’objet.

Un second dispositif permet de récupérer l’énergie de la marche au niveau de la pliure du genou ou sous letalon grâce à la déformation d’un polymère électrostrictif. Le rendement de la technologie piézoélectrique esttrès bon (de l’ordre de 80%), ce qui permet une puissance potentiellement récupérable légèrement inférieurà 10 W, ce qui est comparable à l’énergie solaire, bien que celle-ci ait un rendement beaucoup plus faible. Ilfaut souligner cependant que de tels dispositifs peuvent peser près d’un kilo, ce qui représente un effortsupplémentaire lié au port de l’équipement.

Un troisième dispositif est encore à l’état de recherche : Remplacer les fibres du textile par des fibrespiézoélectriques, qui permettraient donc de récupérer l’énergie lors de la déformation des vêtements. Cettetechnologie est dite prometteuse. Cependant, peu d’informations sont accessibles sur celle-ci, tel que lerendement ou le coût. Il semble que cette solution soit plus utilisée pour du monitoring (relevé decaractéristiques physiques) que pour générer de l’électricité.La société Orange a utilisé la technologie piézoélectrique pour créer un t-shirt capable de recharger unportable grâce à la pression des ondes sonores. Testé lors d’un festival, il avait en un week-end amasséassez d’énergie pour recharger deux portables. Cependant, en conditions acoustiques normales, l’énergierécupérée est beaucoup plus faible.

Technologie thermoélectrique :Cette technologie, principalement destinée aux habits, est l’une des premières à laquelle on pense lorsquel’on s’imagine un textile générateur d’énergie. Elle utilise la différence entre la température entre le corps etl’extérieur et les fibres du tissu pour générer un signal électrique très faible, qui ne peut pour l’instantalimenter que des appareils à très basse consommation. L’efficacité maximale d’une thermopile ne peutexcéder 3 %. Dès lors, la puissance récupérable est relativement faible, de l’ordre de 60 µW/cm2 avec ungradient de 5°C. Cette technologie n’est donc pas très prometteuse, mais permet de générer suffisammentd’énergie pour une montre par exemple.

Technologie à partir de nano-générateurs triboélectriques (de TSGN) :Cette technologie n’est encore que peu exploitée. Elle repose sur le constat suivant : la friction de deuxmatériaux triboélectrique produit un courant électrique. Pour récupérer cette énergie, la surface d’un filconducteur peut être revêtue d’une forêt de nanocylindres de ZnO positionnés perpendiculairement à lasurface des fils. Lorsque deux fils de ce type entrent en contact, lors d’un effort de friction par exemple, ungrand nombre de nanocylindres de ZnO se déforment par flexion. Afin de récupérer la différence de potentielgénérée par effet piezoélectrique, les nanocylindres d’un des deux fils doivent être recouverts d’une contre-électrode. La tension produite par ce nanogénérateur est récupérable entre le fil conducteur et la contre-électrode. Bien que prometteur, ce type de dispositifs nécessite l’utilisation d’un procédé de synthèsehydrothermale difficilement industrialisable.

Pour stocker l’énergie :Les technologies précédentes permettent de générer de l’énergie, mais il est parfois nécessaire de lastocker, si elle n’est pas directement transférée à un système extérieur. Pour cela, le textile intègre dessupercondensateurs : des fibres stockent de l’énergie et sont rechargeables grâce à l’utilisation de latechnologie des batteries à couches minces super condensatrices (actuellement en recherche).Les supercondensateurs présentent l’avantage de pouvoir se charger beaucoup plus rapidement qu’unebatterie ainsi que d’avoir une durée de vie beaucoup plus longue (Après 10 000 cycles de charge /décharge, le supercondensateur conserve 93% de sa capacité, tandis qu’une batterie traditionnelle à unedurée de vie d’environ 1000 charges)

[Diapo 6]

Quel scénario pour le textile générateur d’énergie ?Remarquons d’abord que, quelque soit la technologie, le textile générateur d’énergie ne permet de récupérer

que des faibles quantités d’énergie, et d’abord parce que l’énergie disponible à l’échelle d’une personne est

relativement faible. Si cette énergie “portable” se révèle être pratique pour recharger des appareils

électroniques tels que des mobiles, qui se déchargent souvent rapidement, elle ne permet qu’une utilisation

“gadget”. Et quand bien même ces textiles pourrait récupérer des quantités plus importantes d’énergie, ils

seraient incapable de les stocker, le stockage de l’énergie étant une grande problématique de ce siècle dont

les enjeux concernent notamment sa portabilité. Ainsi, si le public cible se restreignait aux utilisateurs de

téléphones portables, ce futur produit ne recevrait que peu d’intérêt de la part de celui-ci, le rendement étant

encore faible et le coût élevé pour une utilisation limitée. De plus, remplacer la batterie par un vêtement

générateur d’énergie reviendrait à rendre le mobile dépendant de ce vêtement. Si celui-ci est défectueux, le

second en subira les conséquences.

En revanche, de tels textiles générateurs d’énergie semblent avoir plus d’avenir lorsque cette technologie

sert à créer des dispositifs médicaux implantés, où l’utilité est plus justifiée et pour laquelle les investisseurs

sont plus généreux.

On remarquera aussi le développement de textiles générateurs d’énergie à des échelles plus importantes

qu’à celle d’un homme et qui mettent donc en jeu des quantités d’énergie plus importantes : Heliatek et

Paranet Germany ont déjà créé un dôme sur lequel ils ont fixé des textiles photovoltaïques. Leur but est de

créer une structure gonflable sans apport extérieur d’énergie. Cependant, la fabrication de ces tissus

nécessite des terres rares et des trempages dans des bains de produits chimiques dont la production n’est

pas toujours respectueuse de l’environnement. En effet, leur extraction est extrêmement polluante. Il faut

noter que de tels projets ne pourront se développer que s’il respectent l’environnement. Dans un contexte où

la conscience environnementale est de plus en plus présente et où les normes sont de plus en plus

exigeantes, une attention plus particulière sera porté sur les projets respectueux de l’environnement de la

part des investisseurs. Et bien souvent, la production de ces textiles nécessite l’utilisation de métaux rares

(oxyde de zinc / or / platine) ou un trempage dans un bain de produits chimiques ce qui peut avoir un effet

négatif sur l’environnement.

La technologie la plus prometteuse est la cellule photovoltaique pour les textiles générateurs

d’énergie, organique ou obtenu par couche minces. En effet, même si les rendements sont encore

très faibles, l’énergie solaire est la plus généreuse et l'efficacité de cette technologie va augmenter

au cours du temps grâce à la recherche, c’est celle qui a le plus de marge de progression, d’autant

plus que les cellules photovoltaïques organiques sont plus respectueuses de l’environnement que

les autres solutions exposées.