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Thermal science & engineering
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
횡방향 열전 효과는 기존의 종방향 열전 효과에 스핀이라는 추 가적인 자유도를 도입한 새로운 열전 효과입니다. 현재 이 분야에서는 주로 비정상 네른스트 효과가 연구되고 있으며, 이는 인가된 온도 구배와 자화 방향에 모두 수직한 전기장을 생성하는 특징이 있습니다. 우리 연구 그룹은 베리 곡률 엔지니어링을 활용한 내재적 메커니즘과 비정질 복합재료를 활용한 외재적 메커니즘을 모두 연구하며, 이를 통해 횡방향 열전 효과를 더욱 향상시키는 방법을 탐구하고 있습니다.
The transverse thermoelectric effect is a novel thermoelectric phenomenon that introduces spin as an additional degree of freedom to the conventional longitudinal thermoelectric effect. In this field, research primarily focuses on the anomalous Nernst effect (ANE), which is characterized by the generation of an electric field perpendicular to both the applied temperature gradient and the magnetization direction. Our research group explores both approaches: Berry curvature engineering for the intrinsic mechanism and amorphous composite materials for the extrinsic mechanism. Through these efforts, we aim to further enhance the transverse thermoelectric effect.
[연구실 논문 실적]
2. Thermal magnon engineering
전하 없이 순수한 스핀만을 전달하는 매그논(magnon)은 전하 없이 순수한 스핀만을 전달하는 준입자로, 낮은 에너지 소모와 같은 특성으로 인해, 차세대 정보 전달자로 주목받고 있습니다. 우리 연구 그룹은 열에너지로 많은 매그논 전류를 생성할 수 있는 방법을 탐구 하고 있으며, 이를 통해 열 매그논 연구의 최선단 연구그룹으로 도약하고자 합니다.
Magnons, quasiparticles that carry pure spin without charge, have garnered attention as next-generation information carriers due to their low energy consumption. Our research group is exploring ways to generate high magnon currents using thermal energy, aiming to establish ourselves as a leading team in the field of thermal magnon research.
[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)
열 에너지를 이용하여 더욱 많은 매그논 전류를 만드는 것에서 멈추지 않고, 실제 연산 소자에 적용할 수 있는 매그논 기반 소자 아이디어를 제시하기도 했습니다. 매그논 전류를 조절할 수 있는 매그논 밸브 구조를 이용한 MRAM 아이디어를 제안하고, 삼성 미래기술육성센터의 지원 을 받아 타 대학들과 협력하여 장기 연구를 진행하였습니다
Beyond merely increasing magnon currents through thermal energy, we have also proposed ideas for magnon-based devices that can be applied to real computational components. Specifically, we introduced an MRAM concept utilizing a magnon valve structure to control magnon currents. Supported by the Samsung Science & Technology Foundation, we have conducted long-term research with other universities.
[관련 과제]
Thermoelectric generation
현대 산업과 운송 부문에서는 막대한 양의 폐열이 발생하며, 이를 보충하기 위해 더 많은 화석연료가 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 industries and transportation sectors, a massive amount of waste heat is generated, leading to increased fossil fuel consumption to compensate for energy losses. 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
우리는 효과적인 에너지 수확을 위해 고효율의 고성능 열전(Seebeck) 소재 및 모듈 구조를 연구하고 있습니다.
We are exploring high-performance thermoelectric (Seebeck) materials and module designs to enable efficient solid-state heat-to-electricity conversion.
[연구실 논문 실적]
J. Park, H. Jin, et al., Energy (2025)
H. Jang, 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
횡방향 열전 발전(transverse thermoelectric generation)은 기존 열전 모듈의 복잡한 구조를 극복할 혁신적인 대안으로 주목받고 있습니다. 우리 연구 그룹은 고성능 횡방향 열전 소재를 위한 새로운 메커니즘을 개발하고, 모듈 내의 열 흐름을 제어하여 횡방향 열전 효율을 극대화하여, 궁극적으로 차세대 열전 변환 시스템을 구현하는 것을 목표로 합니다.
Transverse thermoelectric generation is emerging as an innovative alternative to overcome the structural complexity of conventional thermoelectric modules. Our research group aims to develop new mechanisms for high-performance transverse thermoelectric materials, optimize heat flow within the module to maximize efficiency, and ultimately realize next-generation thermoelectric conversion systems.
[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
저희 연구팀은 횡방향 열전 효과를 활용한 열 유속 센서를 연구하고 있습니다. 이러한 효과는 센서 구조 설계에 있어 혁신적인 가능성을 열어주며, 궁극적으로 우리는 높은 감도와 기계적 유연성을 갖춘 차세대 열 유속 센서를 개발하는 것을 목표로 하고 있습니다.
Our research team is investigating heat flux sensors based on the transverse thermoelectric effect. This effect enables innovative structural designs, and our ultimate goal is to develop next-generation heat flux sensors with high sensitivity and mechanical flexibility.
[연구실 논문 실적]
H. Yu, H. Jin et al, In preparation
K. M. Bang, H. Jin, et al., Applied Thermal Engineering (2025)
Solid state cooling & thermal management
기존의 응축기 기반 냉각 시스템은 냉매에 의존하며, 크기가 크고 구조가 복잡하다는 한계를 가지고 있습니다. 또한, 냉매로 인한 지구 온난화 문제와 낮은 에너지 효율성에 대한 우려가 커지고 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 열전 냉각, 자기 냉각과 같은 고체 냉각 기술이 유망한 솔루션으로 주목받고 있습니다. 이 기술들은 냉매 없이 고체 재료를 이용해 열을 직접 전달함으로써, 구조를 단순화하고 소형화가 가능하며 환경 친화적인 특성을 갖추고 있습니다. 이에 따라 전자기기 및 배터리 열관리 시스템을 포함한 다양한 산업 분야에 활용될 것으로 기대되고 있습니다. 저희 연구 그룹은 소재 개발, 장치 설계, 시스템 통합에 이르는 종합적인 연구를 수행하며, 차세대 고체 냉각 기술을 선도하고 산업 분야의 열관리 혁신을 주도하는 것을 목표로 하고 있습니다.
Conventional condenser-based cooling systems rely on refrigerants and are constrained by their large size and complex structures. Moreover, growing concerns over the global warming potential of refrigerants and their low energy efficiency have become significant issues. As an alternative, solid-state cooling technologies, such as thermoelectric and magnetocaloric cooling, have emerged as promising solutions. These systems operate without refrigerants, using solid materials to directly transfer heat, which enables simpler designs, miniaturization, and enhanced environmental sustainability. They are expected to be applied across various industries, including electronics and battery thermal management systems. Our group carries out comprehensive research covering materials development, device design, and system integration, aiming to lead the advancement of next-generation solid-state cooling technologies and to drive innovation in thermal management for industrial applications.
[세부 연구 주제]
1. Thermal Management of Semiconductor Devices Using Thermoelectric Cooling
열전 냉각은 펠티에 효과를 기반으로 한 냉각 기술로, 전고체 디바이스로 제작이 가능해 국소 지점의 온도를 정밀하게 제어하는 데 효과적인 기술입니다. 이러한 장점 덕분에 반도체 디바이스에서 발생하는 국소 과열점을 효율적으로 냉각할 수 있는 기술로 주목받고 있습니다. 본 연구실은 소재, 소자, 제어 시스템을 종합적으로 연구하여, 반도체 냉각에서 실용 가능한 수준의 열전 냉각 기술을 구현하는 연구를 수행하고 있습니다.
Thermoelectric cooling, which operates based on the Peltier effect, can be implemented as a fully solid-state device. This makes it highly effective for managing localized hot spots, especially in semiconductor applications. Its distinct advantages position thermoelectric cooling as a promising solution to the thermal challenges faced by high-performance electronics. Our group conducts integrated research across materials, devices, and control systems to advance thermoelectric cooling technologies for semiconductor thermal management.
[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. Thermal Management through Temperature Distribution Prediction Using Artificial Intelligence
산업 분야에서 열전달은 다변수 문제로, 전통적인 해석 기법은 시간과 비용이 많이 소요되는 한계가 있습니다. 본 연구실은 인공지능(AI) 기반의 예측 모델을 활용하여 다양한 환경 및 조건에서의 온도 분포를 신속하고 정확하게 예측하는 연구를 수행하고 있습니다. AI 모델을 통해 복잡한 열거동을 효과적으로 분석함으로써 전자·기계 시스템의 열 설계 프로세스의 효율성을 크게 향상시키는 것을 목표로 합니다.
In industrial applications, heat transfer problems are multivariable and conventional analytical methods are often limited by high time and cost requirements. Our group is developing AI-based prediction model to rapidly and accurately predict temperature distributions under a variety of environmental conditions. By leveraging this AI model, we aim to derive optimized thermal management strategies and significantly enhance the efficiency of the thermal design process in electronic and mechanical systems.