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- 나노입자의 굴절을 이용하여 적외선을 우리가 볼 수 있는 빛으로 변환
- 미래에는 부피 큰 야간투시장치 대신 콘택트렌즈만으로 어둠 속에서 충분히 볼 수 있을 것
- 콘택트렌즈의 감도와 공간 분해능을 더욱 향상시켜야 할 것

특수 콘택트렌즈로 야간 시력 개선
새로운 유형의 적외선 시력 보조 장치 덕분에 어둠 속에서도 시력 확보

혁신적인 시력 보조 장치:
미래에는 부피가 큰 야간 투시 장치 대신 콘택트렌즈만으로도 어둠 속에서 충분히 볼 수 있게 될 것이다. 이 새로운 유형의 시력 보조 장치는 나노입자의 굴절을 이용하여 적외선을 우리가 볼 수 있는 빛으로 변환한다. 실험 결과, 이 시력 보조 장치를 사용한 야간 투시 기능은 눈을 감고 여러 색상을 사용하는 경우에도 효과가 있는 것으로 나타났다. 아직 시력이 부족하지만, 연구진은 이러한 적외선 콘택트렌즈의 더욱 최적화된 버전이 야간 투시, 기술, 심지어 색맹에도 도움이 될 수 있다고 설명했다. 

▲ 적외선 콘택트렌즈는 일반 콘택트렌즈와 거의 구별이 불가능하다.

물고기, 뱀, 모기와 같은 일부 동물과 달리 인간은 어둠 속에서 볼 수 없다. 이는 눈의 망막에 있는 시각 색소가 400~700나노미터 파장 범위의 방사선만 감지하여 신경 신호로 변환할 수 있기 때문이다. 야간 투시에 필요한 더 긴 파장의 적외선은 우리 눈에 보이지 않는다.

야간 투시경은 잔여광을 증폭하고 적외선을 가시광선으로 변환하여 시야를 넓힐 수 있지만, 현재 이러한 장치는 쌍안경이나 안경 형태로만 사용 가능하다. 이러한 장치는 상대적으로 부피가 크고 착용하기 불편하며 외부 전원이 필요하다.

적외선 덕분에 어둠 속에서도 시력 확보

허페이 중국과학기술대학교의 마위첸(Yuqian Ma) 교수가 이끄는 연구진은 더욱 편안하고 다재다능한 야간 투시 콘택트렌즈를 개발했다. 연구진은 일반 소프트 콘택트렌즈 제조에도 사용되는 유연한 고분자 소재인 pHEMA를 금, 불화 가돌리늄나트륨, 이테르븀 및 에르븀 이온(Au/NaGdF4: Yb3+, Er3+)으로 구성된 특수 나노입자와 결합했다.

크기가 45nm(나노미터)에 불과한 이 입자들은 800~1,600nm 범위의 근적외선을 흡수해 우리가 볼 수 있는 빛으로 변환한다. 이전 연구에서 연구팀은 이미 이 입자들을 생쥐의 망막에 주입하여 적외선을 볼 수 있도록 했다. 이제 마 교수와 동료들은 이 입자들을 콘택트렌즈에 통합하고, 다양한 조명 조건에서 사람과 생쥐를 대상으로 일련의 실험을 통해 그 기능을 검증했다.

▲ 연구 개요 (출처:관련논문 May 22, 2025 / Near-infrared spatiotemporal color vision in humans enabled by upconversion contact lenses / Cell)

생쥐와 사람의 야간 시력

결과:
투명 야간 시력 콘택트렌즈는 일반 콘택트렌즈와 유사한 기계적, 화학적 특성을 가지고 있으며, 유사한 편안함을 제공한다. 밝은 빛에서의 정상적인 시력에도 영향을 미치지 않는다. 이 적외선 콘택트렌즈를 착용한 생쥐는 행동 실험 결과에서 알 수 있듯이 실제로 적외선 파장을 볼 수 있었다. 생쥐의 동공과 뇌 또한 적외선에 반응했다.

이 새로운 콘택트렌즈는 사람에게도 효과가 있었다. 실험 대상자들은 어둠 속에서도 볼 수 있었고, 예를 들어 깜빡이는 적외선 신호, 문자, 기하학적 무늬의 모스 부호 패턴을 인식했다. 또한 이러한 신호가 오는 방향도 인식할 수 있었다. "콘택트렌즈를 착용하지 않으면 피험자는 아무것도 볼 수 없지만, 렌즈를 착용하면 깜빡이는 적외선을 선명하게 볼 수 있다는 것은 매우 분명하다"고 중국과학기술대학교의 선임 저자인 티안 쉐(Tian Xue)는 보고했다.

▲ 적외선 콘택트렌즈 제조 공정. © Sheng Wang

눈을 감았을 때 시력 향상

실험 결과, 눈을 감았을 때 야간 시력이 더욱 향상되었다. 연구팀은 "쥐 눈꺼풀의 빛 투과율은 535nm 파장의 빛에 대해 0.388%, 980nm 파장의 적외선에 대해 23.292%였다"고 기술했다. 인간에서도 유사한 결과가 관찰되었다. "피험자가 눈을 감았을 때 근적외선에 대한 민감도는 3.7배 증가한 반면, 가시광선에 대한 민감도는 4.5배 감소했다.“

연구진은 눈을 감으면 일반 빛의 방해 잡음이 감소하기 때문에 적외선 신호를 더 잘 감지할 수 있다고 설명한다. Xue는 "콘택트렌즈를 착용한 사람이 눈을 감으면 근적외선이 가시광선보다 눈꺼풀에 더 효과적으로 투과되기 때문에 깜박임 정보를 더 잘 받을 수 있으며, 따라서 가시광선의 간섭이 적다"고 요약했다.

다색 시야

재료 과학자들은 콘택트렌즈를 더욱 최적화했다. 이를 위해 나노입자에 툴륨 이온과 네오디뮴 이온(Tm3+, Nd3+)을 첨가했다. 이를 통해 나노입자는 적외선 스펙트럼의 다양한 파장을 가시광선 파장으로 변환하여 파란색, 녹색, 빨간색의 세 가지 색상으로 변환할 수 있다. 따라서 콘택트렌즈 착용자는 "변환된" 적외선 이미지에서 다양한 색상의 글자와 같은 더 자세한 정보를 볼 수 있다.

연구진의 설명에 따르면, 유사한 색상 코딩 기술은 향후 적록색맹과 같은 색맹 사용자를 위한 시각 보조 도구로도 사용될 수 있다. 쉐는 "적색 가시광선을 녹색 가시광선과 유사한 것으로 변환함으로써 이 기술은 색맹 사용자에게 보이지 않는 것을 보이게 할 수 있다"고 말했다.

보안 기술 최적화

시각 보조 도구는 향후 다른 용도로도 활용될 수 있다. "이 소재는 다양한 용도로 활용될 수 있다. 예를 들어, 보안, 구조, 암호화 또는 위조 방지 분야에서 정보를 전송하는 데 깜박이는 적외선을 활용할 수 있다"고 Xue는 설명했다.

그러나 이를 위해서는 콘택트렌즈의 감도와 공간 분해능을 더욱 향상시켜야 한다. 현재 이 렌즈는 LED에서 나오는 적외선만 감지한다. 하지만 앞으로는 강도가 약한 적외선도 감지할 수 있게 될 것이다. 또한, 콘택트렌즈는 빛이 망막 근처에서 변환되어 산란되기 때문에 아직 모든 미세한 디테일을 포착할 수 없다. 그러나 최적화된 나노입자는 향후 이러한 산란을 방지할 수 있을 것이다.
(Cell, 2025; doi: 10.1016/j.cell.2025.04.019)
출처: Cell Press

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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