Solid State Cooling & Thermal Management

기존의 응축기 기반 냉각 시스템은 냉매가 필수적이며, 시스템 크기가 크고 구조가 복잡하다는 한계를 지니고 있습니다. 특히 냉각 기술의 수요가 급증함에 따라, 온실가스 냉매 사용으로 인한 지구 온난화 문제가 심각한 우려로 떠오르고 있습니다. 이러한 배경에서 높은 효율을 가지며 냉매 배출이 없어 친환경적인 고체 냉각(solid-state cooling) 기술이 차세대 냉각 기술로 주목받고 있습니다. 고체 냉각 기술은 냉매 없이, 고체 소재 자체의 열역학적 성질을 이용해 열을 제어합니다. 대표적으로 열전 효과(thermoelectric), 칼로릭(caloric) 효과(electrocaloric, magnetocaloric, barocaloric, elastocaloric 등)를 기반으로 하며, 소형화, 구조의 단순화, 높은 신뢰성, 친환경성 등의 장점을 지닙니다. 저희 연구실은 열전 냉각 기술과, 두 개 이상의 칼로릭 효과를 복합적으로 활용하는 멀티칼로릭(multicaloric) 기술을 중심으로, 소재 발굴부터 소자 및 시스템 설계에 이르는 다각도에서 고체 냉각 기술의 기초연구를 수행하고 있습니다. 이를 통해 전자기기 및 배터리의 열관리 시스템을 포함한 산업 전반에 걸친 열관리 혁신과 지속 가능한 미래 냉각 기술 개발을 선도하는 것을 목표로 합니다.
Conventional condenser-based cooling systems rely on refrigerants and are constrained by their large size and complex structures. With the rapidly growing demand for cooling technologies, the environmental concerns associated with refrigerant-induced global warming are becoming increasingly serious. In this context, solid-state cooling technologies—characterized by their high efficiency without the use of refrigerants—are gaining attention as eco-friendly alternatives for next-generation cooling. Solid-state cooling controls heat directly through the intrinsic thermodynamic properties of solid materials, eliminating the need for conventional refrigerants. Key mechanisms include the thermoelectric effect and various caloric effects, such as electrocaloric, magnetocaloric, barocaloric, and elastocaloric effects. These technologies offer advantages, such as compactness, structural simplicity, high reliability, and environmental sustainability. Our laboratory conducts fundamental research on solid-state cooling technologies, focusing on both thermoelectric cooling and multicaloric cooling that combine two or more caloric effects. Our research spans from the discovery of new materials to the design of devices and systems, aiming to build a comprehensive foundation for this emerging field. Ultimately, we strive to lead innovation in thermal management across various industries while contributing to the development of sustainable, next-generation cooling solutions.
[세부 연구 주제]
1. Thermal Management of Semiconductor Devices using Thermoelectric Cooling
[연구실 논문 실적]
J. Park, H. Jin, et al., Energy Conversion and Management (accepted)
S. J. Park, H. Jin, et al., Applied Thermal Engineering (2023)
S. J. Park, H. Jin, et al., Applied Thermal Engineering (2022)
K. M. Bang, H. Jin, et al., ACS Applied Electronic Materials (2021)
2. Maximizing Performance of Solid-State Cooling Technologies via Multicaloric Effects
[주요 참고 문헌]
3. Thermal Management through Temperature Distribution Prediction using Artificial Intelligence
Thermal Physics

열 과학 및 공학(Thermal Science and Engineering)은 열, 온도 및 에너지의 전달, 변환 및 저장 메커니즘에 따른 물리적 현상을 이해하고 응용하는 학문입니다. 현대 산업 및 기술에서 열은 발전, 냉각, 전자기기 동작 등 다양한 과정에서 핵심적인 역할을 하며, 이러한 메커니즘을 정확히 이해하고 제어하는 것은 성능 개선 및 에너지 효율 향상에 필수적입니다. 특히 고체 기반 열 과학 및 공학은 단순하고 견고한 구조와 빠른 반응 속도 등의 장점으로 인해 미세하고 국소적인 열 관리 및 고성능 전자 및 소재 설계에서 필수적이며, 특히 반도체 및 나노기술 발전에 중요한 역할을 합니다. 고체 내에서의 열은 포논(phonon), 매그논(magnon) 등 다양한 준입자의 거동 및 상호작용에 의해 전달되며, 이에 대한 깊은 이해를 통해 새로운 열 효과를 발견하고 더 높은 성능의 물질을 개발할 수 있습니다. 우리 연구 그룹은 이러한 준입자들의 거동을 분석하고, 이를 응용하는 연구를 수행하고 있습니다.
Thermal Science and Engineering is the study of understanding and applying the physical phenomena related to the mechanisms of heat, temperature, and energy transfer, conversion, and storage. In modern industries and technologies, heat plays a key role in various processes such as power generation, cooling, and the operation of electronic devices. Accurately understanding and controlling these mechanisms is essential for improving performance and enhancing energy efficiency. In particular, solid-state thermal science and engineering is essential for precise and localized thermal management and high-performance electronic and material design due to its advantages of simple and robust structures and fast response times, which are especially important for the advancement of semiconductors and nanotechnology. Heat transfer in solids occurs through the behavior and interaction of various quasiparticles, such as phonons and magnons. A deep understanding of these mechanisms can lead to the discovery of new thermal effects and the development of higher-performance materials. Our research group analyzes the behavior of these quasiparticles and conducts research to apply these insights.
[세부 연구 주제]
1. Transverse Thermoelectric Effect
[연구실 논문 실적]
2. Thermal Magnon Engineering
[연구실 논문 실적]
J. S. Kim, H. Jin et al., In preparation
J. S. Kim, H. Jin et al., In preparation
J. S. Kim, H. Jin et al., In preparation
3. Magnon Valves for Next-Generation Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM)
[관련 과제]
Thermoelectric Generation

현대 산업과 운송 부문에서 화석연료가 에너지로 치환되면서, 실제 사용되는 에너지 대비 약 두 배에 달하는 양이 폐열로 손실되고, 이를 보완하기 위해 더 많은 연료가 소비됩니다. 하지만 이 버려지는 열을 효과적으로 회수해 전기에너지로 변환할 수 있다면, 에너지 효율을 혁신적으로 높이고, 화석연료 의존도를 줄이며, 탄소 배출 저감에도 기여할 수 있습니다. 우리 연구 그룹은 열전 발전(thermoelectric generation)을 통해 이러한 가능성을 실현하고, 궁극적으로 지속 가능한 사회 구현에 기여하고자 합니다.
열전 발전은 열에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 기술로, 열전 소재, 전극, 세라믹 기판, heat sink 등으로 구성된 모듈을 통해 구현됩니다. 우리 연구 그룹은 열전 소재의 합성과 물성 제어부터 모듈 설계 및 최적화까지 아우르는 다학제적 연구를 수행하며, 기존 열전 발전 기술의 효율을 극대화하고 차세대 열전 발전 기술을 탐색합니다.
In modern industrial and transportation sectors, the conversion of fossil fuels to energy results in waste heat losses nearly twice the amount of energy actually used, requiring additional fuel consumption to compensate. However, if this waste heat can be effectively recovered and converted into electrical energy, we can significantly enhance overall energy efficiency, reduce dependence on fossil fuels, and mitigate carbon emissions. Our research group aims to realize this potential through thermoelectric generation, ultimately contributing to a more sustainable society. Thermoelectric generation is a technology that directly converts heat into electricity using modules composed of thermoelectric materials, electrodes, ceramic substrates, and heat sinks. Our research group conducts multidisciplinary studies spanning from the synthesis and property control of thermoelectric materials to module design and optimization. Through this approach, we strive to enhance the efficiency of existing thermoelectric power generation technologies and explore next-generation thermoelectric solutions.
[세부 연구 주제]
1. High-Performance Thermoelectric (Seebeck) Materials and Modules
[연구실 논문 실적]
J. Park, H. Jin, et al., Energy (2025)
J. Ha, H. Jin, et al., ACS Applied Material & Interfaces (2024)
S. Byeon, H. Jin, et al., Journal of Alloys and Compounds (2024)
S. Byeon, H. Jin, et al., Journal of Alloys and Compounds (2023)
M.Y. Kim, H. Jin, et al., Journal of Materials Chemistry A (2023)
S. Lee, H. Jin, et al., Materials & Design (2021)
Headline 1 - ScienceDaily
2. Transverse Thermoelectric Materials and Modules
[연구실 논문 실적]
J. Ha, H. Jin, et al., In preparation
H. Yu, J. Park, H. Jin, et al., In preparation
K. M. Bang, H. Jin, et al., Applied Energy (2024)
M. Y. Kim, H. Jin, et al., Energy & Environmental Science (2021)
Headline 1 - Herald News
M. Y. Kim, H. Jin, et al., Advanced Science (accepted)
3. Transverse Thermoelectric Heat Flux Sensors
[연구실 논문 실적]
H. Yu, H. Jin, et al, In preparation
K. M. Bang, H. Jin, et al., Applied Thermal Engineering (2025)
