중국과학기술대학교(USTC)의 쉐 티안(XUE Tian) 교수와 마 위첸(MA Yuqian) 교수가 이끄는 연구팀은 여러 연구팀과 협력하여 상향변환 콘택트렌즈(UCL)를 통해 인간의 근적외선(NIR) 시공간 색각을 구현하는 데 성공했습니다. 이 연구는 2025년 5월 22일(미국 동부시간) 셀(Cell)에 온라인으로 게재되었으며, 보도자료에도 소개되었습니다.셀 프레스.
자연에서 전자기파는 파장 범위가 매우 넓지만, 인간의 눈은 가시광선이라고 알려진 좁은 부분만 인식할 수 있기 때문에 스펙트럼의 적색 끝 너머에 있는 NIR 빛은 우리에게 보이지 않습니다.
그림 1. 전자기파와 가시광선 스펙트럼 (XUE 교수 연구팀 제공 이미지)
2019년, 쉐 티안(XUE Tian) 교수, 마 위첸(MA Yuqian), 한 강(HAN Gang)이 이끄는 연구팀은 동물의 망막에 상향변환 나노물질을 주입하여 포유류에서 최초로 육안으로 근적외선(NIR) 이미지 인식 기능을 구현하는 획기적인 성과를 달성했습니다. 그러나 인간에게 유리체내 주입을 적용하는 데 한계가 있기 때문에, 이 기술의 핵심 과제는 비침습적 방법으로 인간이 근적외선 빛을 인식할 수 있도록 하는 것입니다.
고분자 복합소재로 제작된 연성 투명 콘택트렌즈는 착용 가능한 솔루션을 제공하지만, UCL 개발에는 두 가지 주요 과제가 있습니다. 하나는 고상향변환 나노입자(UCNP) 도핑을 필요로 하는 효율적인 상향변환 성능 확보이고, 다른 하나는 높은 투명도를 유지하는 것입니다. 그러나 나노입자를 고분자에 첨가하면 광학적 특성이 변하여 고농도와 광학적 투명도의 균형을 맞추기가 어렵습니다.
연구진은 UCNP의 표면 개질과 굴절률이 일치하는 고분자 재료의 스크리닝을 통해 가시광선 영역에서 90% 이상의 투명도를 유지하면서 7~9%의 UCNP 집적도를 달성하는 UCL을 개발했습니다. 또한, UCL은 만족스러운 광학 성능, 친수성, 그리고 생체적합성을 보였으며, 실험 결과 쥐 모델과 인간 착용자 모두 근적외선(NIR)을 감지할 뿐만 아니라 시간적 주파수까지 구분할 수 있음을 보여주었습니다.
더욱 인상적인 점은, 연구팀은 기존 UCL이 사용자에게 근적외선(NIR) 이미지에 대한 조잡한 인식만을 제공한다는 한계를 극복하기 위해 UCL과 최적화된 광학 이미징을 통합한 웨어러블 안경 시스템을 설계했다는 것입니다. 이러한 발전은 사용자가 가시광선 시력에 필적하는 공간 해상도로 근적외선 이미지를 인식할 수 있도록 하여 복잡한 근적외선 패턴을 더욱 정확하게 인식할 수 있도록 합니다.
자연환경에 널리 존재하는 다중 스펙트럼 근적외선(NIR)에 더욱 효과적으로 대처하기 위해, 연구진은 기존 UCNP를 삼색 UCNP로 대체하여 삼색 상향변환 콘택트렌즈(tUCL)를 개발했습니다. tUCL은 사용자가 세 가지 다른 근적외선 파장을 구분하고 더 넓은 근적외선 색상 스펙트럼을 인식할 수 있도록 했습니다. tUCL은 색상, 시간 및 공간 정보를 통합함으로써 다차원 근적외선 인코딩 데이터를 정확하게 인식하고 향상된 스펙트럼 선택성과 간섭 방지 기능을 제공합니다.
그림 2. tUCL이 통합된 웨어러블 안경 시스템을 통해 관찰한 가시광선 및 근적외선 조명 하의 다양한 패턴(서로 다른 반사 스펙트럼을 갖는 시뮬레이션된 반사 거울)의 색상 표현. (XUE 교수 연구팀 제공 이미지)
그림 3. UCL은 인간이 근적외선 빛을 시간적, 공간적, 색채적 차원에서 인지할 수 있도록 합니다. (XUE 교수 연구팀 이미지)
UCL을 통해 인간의 NIR 시각을 위한 웨어러블 솔루션을 보여준 이 연구는 NIR 색각에 대한 개념 증명을 제공했으며 보안, 위조 방지, 색각 결핍 치료 분야에서 유망한 응용 분야의 문을 열었습니다.
논문 링크:https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.019
(글: XU Yehong, SHEN Xinyi, 편집: ZHAO Zheqian)
게시 시간: 2025년 6월 7일