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미래 모빌리티의 핵심 과제: 효율적 열 관리
미래 모빌리티의 핵심 과제: 효율적 열 관리
전기 모빌리티 시대에 접어들며 효율적인 열관리는 가장 치명적인 현안이 되었습니다. 배터리와 파워트레인 부품은 매우 좁은 온도 범위 내에서 작동해야 하며, 극한의 환경에서는 그 성능이 급격히 저하되기 때문입니다. 이러한 영향은 냉난방 시스템을 가동할 때 더욱 극명하게 나타납니다. 냉난방 시 배터리 전력의 상당 부분이 실내 쾌적함을 유지하는 데 전용되므로, 가용 주행 거리가 즉각적으로 감소하게 됩니다. 실제로 동일한 차량이라도 공조 시스템 작동 여부에 따라 주행 가능 거리가 현저히 차이 나는 것을 알 수 있습니다. 또한, 부적절한 열 제어는 급속 충전 속도, 신뢰성, 안전성 및 배터리의 장기 수명에도 악영향을 미칩니다. 배터리 자체의 효율을 높이는 것도 하나의 방법이지만, 연구 결과에 따르면 동일한 배터리 기술 조건에서도 최적화된 열관리만으로 상당한 에너지 절감이 가능합니다. 따라서 에너지 효율을 극대화하고 일관된 주행 성능을 보장하기 위해서는 혁신적인 열관리 전략 개발이 필수적입니다.
전기 모빌리티 시대에 접어들며 효율적인 열관리는 가장 치명적인 현안이 되었습니다. 배터리와 파워트레인 부품은 매우 좁은 온도 범위 내에서 작동해야 하며, 극한의 환경에서는 그 성능이 급격히 저하되기 때문입니다. 이러한 영향은 냉난방 시스템을 가동할 때 더욱 극명하게 나타납니다. 냉난방 시 배터리 전력의 상당 부분이 실내 쾌적함을 유지하는 데 전용되므로, 가용 주행 거리가 즉각적으로 감소하게 됩니다. 실제로 동일한 차량이라도 공조 시스템 작동 여부에 따라 주행 가능 거리가 현저히 차이 나는 것을 알 수 있습니다. 또한, 부적절한 열 제어는 급속 충전 속도, 신뢰성, 안전성 및 배터리의 장기 수명에도 악영향을 미칩니다. 배터리 자체의 효율을 높이는 것도 하나의 방법이지만, 연구 결과에 따르면 동일한 배터리 기술 조건에서도 최적화된 열관리만으로 상당한 에너지 절감이 가능합니다. 따라서 에너지 효율을 극대화하고 일관된 주행 성능을 보장하기 위해서는 혁신적인 열관리 전략 개발이 필수적입니다.
⦁ 복사 냉각 (Radiative cooling): 에너지 소비 없이 전자기파 방사를 통해 열을 방출하는 기술
⦁ 복사 냉각 (Radiative cooling): 에너지 소비 없이 전자기파 방사를 통해 열을 방출하는 기술
⦁ 열전 냉각 및 가열 (Thermoelectric cooling/heating): 전류를 이용해 정밀한 온도 제어를 수행하는 고효율 열전 소자 기술
⦁ 열전 냉각 및 가열 (Thermoelectric cooling/heating): 전류를 이용해 정밀한 온도 제어를 수행하는 고효율 열전 소자 기술
⦁ 전기변색 (Electrochromic): 전기적 신호로 투과율을 조절하여 태양열 유입을 지능적으로 차단하는 스마트 윈도우 기술
⦁ 전기변색 (Electrochromic): 전기적 신호로 투과율을 조절하여 태양열 유입을 지능적으로 차단하는 스마트 윈도우 기술
Efficient thermal management has become a critical issue in electric mobility. Battery and powertrain components must operate within a narrow temperature window, and their performance drops sharply under extreme conditions. The impact becomes especially clear when drivers use air conditioning or heating: a significant portion of battery power is diverted to maintaining cabin comfort, so the available driving range decreases immediately. In practice, this means that the same vehicle can travel noticeably fewer kilometers simply because the climate control system is running. Poor thermal control also affects fast-charging speed, reliability, safety, and long-term battery life. While improving the intrinsic efficiency of the battery is one possible path, research shows that even with the same battery technology, optimized thermal management alone can deliver meaningful energy savings. Developing advanced strategies is therefore essential to maximize energy efficiency and ensure consistent vehicle performance.
Efficient thermal management has become a critical issue in electric mobility. Battery and powertrain components must operate within a narrow temperature window, and their performance drops sharply under extreme conditions. The impact becomes especially clear when drivers use air conditioning or heating: a significant portion of battery power is diverted to maintaining cabin comfort, so the available driving range decreases immediately. In practice, this means that the same vehicle can travel noticeably fewer kilometers simply because the climate control system is running. Poor thermal control also affects fast-charging speed, reliability, safety, and long-term battery life. While improving the intrinsic efficiency of the battery is one possible path, research shows that even with the same battery technology, optimized thermal management alone can deliver meaningful energy savings. Developing advanced strategies is therefore essential to maximize energy efficiency and ensure consistent vehicle performance.
⦁ Radiative cooling
⦁ Radiative cooling
⦁ Thermoelectric cooling/heating
⦁ Thermoelectric cooling/heating
⦁ Electrochromic
⦁ Electrochromic
복사 냉각 (Radiative cooling): 전력 소모 없는 수동형 열 제어 기술
복사 냉각 (Radiative cooling): 전력 소모 없는 수동형 열 제어 기술
복사 냉각은 열을 대기의 투과 창(8~13μm 영역)을 통해 차가운 외계 우주로 직접 방출함으로써, 전력을 소비하지 않고도 온도를 조절하는 수동형 열 제어 기술입니다. 이 과정은 외부 동력을 필요로 하지 않는다는 점에서 기존의 냉각 방식들과 근본적으로 차별화됩니다. 적외선 방사율(Emissivity)은 극대화하고 태양광 흡수율(Solar absorption)은 최소화하도록 설계된 나노 소재를 활용하면, 직사광선 아래에서도 주변 기온보다 낮은 온도를 유지하는 '서브-앰비언트(Sub-ambient)' 냉각을 구현할 수 있습니다. 이러한 수동형 냉각 기술은 전기 모빌리티 분야에서 배터리와 주요 부품의 과열을 줄이는 유망한 해결책을 제시합니다. 실제로 현대자동차와 같은 글로벌 기업들은 에너지 효율 개선, 주행 거리 연장, 그리고 시스템 신뢰성 향상을 위해 이 기술의 잠재력을 적극적으로 탐색하고 있습니다.
복사 냉각은 열을 대기의 투과 창(8~13μm 영역)을 통해 차가운 외계 우주로 직접 방출함으로써, 전력을 소비하지 않고도 온도를 조절하는 수동형 열 제어 기술입니다. 이 과정은 외부 동력을 필요로 하지 않는다는 점에서 기존의 냉각 방식들과 근본적으로 차별화됩니다. 적외선 방사율(Emissivity)은 극대화하고 태양광 흡수율(Solar absorption)은 최소화하도록 설계된 나노 소재를 활용하면, 직사광선 아래에서도 주변 기온보다 낮은 온도를 유지하는 '서브-앰비언트(Sub-ambient)' 냉각을 구현할 수 있습니다. 이러한 수동형 냉각 기술은 전기 모빌리티 분야에서 배터리와 주요 부품의 과열을 줄이는 유망한 해결책을 제시합니다. 실제로 현대자동차와 같은 글로벌 기업들은 에너지 효율 개선, 주행 거리 연장, 그리고 시스템 신뢰성 향상을 위해 이 기술의 잠재력을 적극적으로 탐색하고 있습니다.
Radiative cooling enables passive temperature regulation by emitting heat through the atmospheric transparency window (8–13 μm) directly into the cold outer space. This process requires no external power, making it fundamentally different from conventional cooling methods. By designing materials with high infrared emissivity and low solar absorption, surfaces can achieve sub-ambient cooling even under sunlight. In electric mobility, such passive cooling offers a promising route to reduce battery and component overheating, and companies like Hyundai Motor are actively exploring its potential to improve efficiency, driving range, and system reliability.
Radiative cooling enables passive temperature regulation by emitting heat through the atmospheric transparency window (8–13 μm) directly into the cold outer space. This process requires no external power, making it fundamentally different from conventional cooling methods. By designing materials with high infrared emissivity and low solar absorption, surfaces can achieve sub-ambient cooling even under sunlight. In electric mobility, such passive cooling offers a promising route to reduce battery and component overheating, and companies like Hyundai Motor are actively exploring its potential to improve efficiency, driving range, and system reliability.
(Reference: Yeongju Jung†, Minwoo Kim†, Seongmin Jeong, Sangwoo Hong, Seung Hwan Ko*, "Strain-insensitive outdoor wearable electronics by thermally robust nanofibrous radiative cooler", ACS Nano, 18(3), 2312–2324, 2024.)
(Reference: Yeongju Jung†, Minwoo Kim†, Seongmin Jeong, Sangwoo Hong, Seung Hwan Ko*, "Strain-insensitive outdoor wearable electronics by thermally robust nanofibrous radiative cooler", ACS Nano, 18(3), 2312–2324, 2024.)
열전 냉각 및 가열 (Thermoelectric cooling/heating)
열전 냉각 및 가열 (Thermoelectric cooling/heating)
열전 냉각 및 가열은 전류를 가했을 때 접합부에서 열 이동이 일어나는 펠티에 효과(Peltier effect)를 기반으로 작동하며, 이를 통해 온도를 능동적으로 제어할 수 있습니다. 수동형 방식과 달리, 이 방식은 냉각과 가열을 동시에 수행할 수 있을 뿐만 아니라 응답 속도가 빠르고 정밀한 온도 조절이 가능하다는 장점이 있습니다. 우리 연구실은 기존의 딱딱한 모듈 형태를 넘어, 다양한 표면에 밀착될 수 있는 신축성 열전 소자(Stretchable thermoelectric devices)를 개발하여 이 기술을 한 단계 더 발전시키고 있습니다. 이러한 유연성은 자동차 부품과의 통합에 새로운 가능성을 열어줍니다. 예를 들어, 스티어링 휠(핸들)이나 차량 시트에 내장된 열전 시스템은 사용자에게 최적화된 열적 쾌적함과 안전을 제공할 수 있습니다. 이처럼 능동적 제어, 신속한 응답성, 그리고 기계적 다재다능함의 결합은 열전 기술이 차세대 모빌리티 열관리 분야의 유망한 솔루션임을 입증하고 있습니다.
열전 냉각 및 가열은 전류를 가했을 때 접합부에서 열 이동이 일어나는 펠티에 효과(Peltier effect)를 기반으로 작동하며, 이를 통해 온도를 능동적으로 제어할 수 있습니다. 수동형 방식과 달리, 이 방식은 냉각과 가열을 동시에 수행할 수 있을 뿐만 아니라 응답 속도가 빠르고 정밀한 온도 조절이 가능하다는 장점이 있습니다. 우리 연구실은 기존의 딱딱한 모듈 형태를 넘어, 다양한 표면에 밀착될 수 있는 신축성 열전 소자(Stretchable thermoelectric devices)를 개발하여 이 기술을 한 단계 더 발전시키고 있습니다. 이러한 유연성은 자동차 부품과의 통합에 새로운 가능성을 열어줍니다. 예를 들어, 스티어링 휠(핸들)이나 차량 시트에 내장된 열전 시스템은 사용자에게 최적화된 열적 쾌적함과 안전을 제공할 수 있습니다. 이처럼 능동적 제어, 신속한 응답성, 그리고 기계적 다재다능함의 결합은 열전 기술이 차세대 모빌리티 열관리 분야의 유망한 솔루션임을 입증하고 있습니다.
Thermoelectric cooling and heating operate on the Peltier effect, where applying an electrical current drives heat transfer across a junction, enabling active control of temperature. Unlike passive methods, this approach allows both cooling and heating with fast response times and precise temperature regulation. Our research further advances this concept by developing stretchable thermoelectric devices, which move beyond rigid modules and can conform to diverse surfaces. Such flexibility opens new possibilities for integration into automotive components; for instance, thermoelectric systems embedded in steering wheels or car seats could provide adaptive thermal comfort and safety. This combination of active control, rapid responsiveness, and mechanical versatility highlights thermoelectric technology as a promising solution for next-generation mobility thermal management.
Thermoelectric cooling and heating operate on the Peltier effect, where applying an electrical current drives heat transfer across a junction, enabling active control of temperature. Unlike passive methods, this approach allows both cooling and heating with fast response times and precise temperature regulation. Our research further advances this concept by developing stretchable thermoelectric devices, which move beyond rigid modules and can conform to diverse surfaces. Such flexibility opens new possibilities for integration into automotive components; for instance, thermoelectric systems embedded in steering wheels or car seats could provide adaptive thermal comfort and safety. This combination of active control, rapid responsiveness, and mechanical versatility highlights thermoelectric technology as a promising solution for next-generation mobility thermal management.
(Reference: Yeongju Jung†, Joonhwa Choi†, Yeosang Yoon, Huijae Park, Jinwoo Lee*, Seung Hwan Ko*, "Soft multi-modal thermoelectric skin for dual functionality of underwater energy harvesting and thermoregulation", Nano Energy, 95, 107002, 2022.)
(Reference: Yeongju Jung†, Joonhwa Choi†, Yeosang Yoon, Huijae Park, Jinwoo Lee*, Seung Hwan Ko*, "Soft multi-modal thermoelectric skin for dual functionality of underwater energy harvesting and thermoregulation", Nano Energy, 95, 107002, 2022.)
전기 변색 (Electrochromic)
전기 변색 (Electrochromic)
전기변색 소자는 인가된 전압에 따라 광학적 특성을 가역적으로 조절할 수 있는 기술입니다. 가시광선 영역의 전기변색 기술은 주로 스마트 윈도우에 적용되어, 입사하는 태양광을 투과시키거나 차단함으로써 실내 광환경을 최적화하는 핵심적인 역할을 합니다. 이와 더불어, 열에너지 관리 측면에서 적외선(IR) 영역대의 전기변색 기술 역시 매우 중요합니다. 적외선 방사율을 고방사와 저방사 상태로 자유롭게 전환함으로써 복사에 의한 열 손실을 능동적으로 제어할 수 있기 때문입니다. 특히 이러한 특성은 겨울철에도 냉각이 지속되는 수동형 복사 냉각의 한계를 효과적으로 극복하게 해줍니다. 이처럼 환경 변화에 유연하게 대응하는(Adaptive) 전기변색 열 제어 기술은 차세대 모빌리티의 에너지 효율을 극대화할 수 있는 혁신적인 전략으로 업계의 큰 주목을 받고 있습니다.
전기변색 소자는 인가된 전압에 따라 광학적 특성을 가역적으로 조절할 수 있는 기술입니다. 가시광선 영역의 전기변색 기술은 주로 스마트 윈도우에 적용되어, 입사하는 태양광을 투과시키거나 차단함으로써 실내 광환경을 최적화하는 핵심적인 역할을 합니다. 이와 더불어, 열에너지 관리 측면에서 적외선(IR) 영역대의 전기변색 기술 역시 매우 중요합니다. 적외선 방사율을 고방사와 저방사 상태로 자유롭게 전환함으로써 복사에 의한 열 손실을 능동적으로 제어할 수 있기 때문입니다. 특히 이러한 특성은 겨울철에도 냉각이 지속되는 수동형 복사 냉각의 한계를 효과적으로 극복하게 해줍니다. 이처럼 환경 변화에 유연하게 대응하는(Adaptive) 전기변색 열 제어 기술은 차세대 모빌리티의 에너지 효율을 극대화할 수 있는 혁신적인 전략으로 업계의 큰 주목을 받고 있습니다.
Electrochromic devices are an innovative technology capable of reversibly tuning optical properties under an applied voltage. In the visible spectrum, electrochromics are primarily utilized in smart windows, playing a critical role in optimizing indoor environments by selectively transmitting or blocking incident sunlight. Beyond visible light, electrochromic control in the infrared (IR) region is equally vital for thermal management. By enabling the seamless switching of infrared emissivity between high- and low-emissivity states, these devices can actively regulate radiative heat loss. This capability is particularly significant as it effectively overcomes the limitations of passive radiative cooling, which can otherwise lead to unwanted overcooling during winter months. This adaptive (environmentally responsive) electrochromic thermal control is gaining significant attention from the mobility industry as a next-generation strategy to maximize the energy efficiency of future transportation systems.
Electrochromic devices are an innovative technology capable of reversibly tuning optical properties under an applied voltage. In the visible spectrum, electrochromics are primarily utilized in smart windows, playing a critical role in optimizing indoor environments by selectively transmitting or blocking incident sunlight. Beyond visible light, electrochromic control in the infrared (IR) region is equally vital for thermal management. By enabling the seamless switching of infrared emissivity between high- and low-emissivity states, these devices can actively regulate radiative heat loss. This capability is particularly significant as it effectively overcomes the limitations of passive radiative cooling, which can otherwise lead to unwanted overcooling during winter months. This adaptive (environmentally responsive) electrochromic thermal control is gaining significant attention from the mobility industry as a next-generation strategy to maximize the energy efficiency of future transportation systems.
(Reference: Yeongju Jung†, Kyung Rok Pyun†, Sejong Yu, Jiyong Ahn, Jinsol Kim, Jung Jae Park, Min Jae Lee, Byunghong Lee, Daeyeon Won, Junhyuk Bang, Seung Hwan Ko*, "Laser-Induced Nanowire Percolation Interlocking for Ultrarobust Soft Electronics", Nano-Micro Letters, 17, 127, 2025.)
(Reference: Yeongju Jung†, Kyung Rok Pyun†, Sejong Yu, Jiyong Ahn, Jinsol Kim, Jung Jae Park, Min Jae Lee, Byunghong Lee, Daeyeon Won, Junhyuk Bang, Seung Hwan Ko*, "Laser-Induced Nanowire Percolation Interlocking for Ultrarobust Soft Electronics", Nano-Micro Letters, 17, 127, 2025.)
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