적외선 색각 구현하는 HgTe 콜로이드 양자점 업컨버터 개발

연구 배경: 적외선은 왜 보이지 않는가

인간의 눈은 약 400~700 nm 파장 대역의 전자기파만을 감지한다. 망막에는 옵신 단백질과 공유결합된 레티날로 구성된 광흡수 색소가 존재하는데, 700 nm 이상의 적외선은 이 색소에 흡수되지 않아 뇌로 전기 신호가 전달되지 않는다. 따라서 야간 시야 개선이나 의료·보안 분야에서 적외선을 직접 육안으로 감지하는 기술에 대한 수요는 오래전부터 존재했다.

기존에도 적외선을 가시광선으로 변환하는 업컨버전 나노입자를 마우스 눈에 주사하거나, 비선형 광학 효과를 이용한 웨어러블 렌즈로 적외선 시각화를 시도한 사례가 있었다. 그러나 이 방법들은 좁은 근적외선 대역에만 적용 가능하고, 파장에 따른 색 구분 기능이 없다는 한계를 안고 있었다.

HgTe 양자점·OLED 복합 구조의 동작 원리

Ge Mu, Xin Tang 연구팀이 채택한 핵심 구조는 반도체 물질인 텔루르화수은(HgTe) 콜로이드 양자점(CQD)을 유기발광다이오드(OLED) 위에 적층한 형태다. 양자점은 크기가 수 나노미터에 불과하기 때문에 내부 전자가 세 방향 모두에서 구속된다. 이 양자 구속 효과로 인해 전자는 연속 에너지 대역 대신 불연속적인 원자 유사 에너지 부밴드만을 점유할 수 있다.

적외선 광자가 HgTe 양자점에 흡수되면 전자-정공 쌍(여기 운반자)이 생성되고, 이들은 OLED의 전자 에너지 밴드로 이동한다. 이 전달 과정이 원활한 이유는 OLED의 전자 밴드 구조가 HgTe 양자점의 에너지 부밴드와 정렬되도록 설계되었기 때문이다. OLED 내부에는 적색 발광층과 청록색(cyan) 발광층이 각각 존재하며, 정공 포획 장벽이 엔지니어링되어 있다. 입사 적외선의 세기나 파장이 달라지면 여기 운반자가 두 발광층에 분배되는 비율이 바뀌면서 출력되는 적색-청록색 혼합 비율이 달라진다. 이것이 적외선 파장 정보가 가시광선 색 정보로 변환되는 핵심 메커니즘이다.

웨어러블 안경으로의 개념 증명

연구팀은 이 업컨버터를 경량 반투명 안경에 통합하는 실증 실험을 수행했다. 착용자는 2 μm 이상의 파장을 가진 적외선을 700 cd m⁻² 이상의 휘도로 감지할 수 있었으며, 일반 가시광선 시야에는 영향이 없었다. 즉, 적외선 색각과 정상 시야가 동시에 유지된다.

향후 전망과 한계

Tang 연구자는 이 업컨버터를 망막의 광감응 단백질에 결합시켜, 손상된 광수용체 세포를 우회하고 망막 신경세포를 자극하는 이식형 차세대 망막 바이오닉 광수용체로 발전시킬 수 있다고 밝혔다. 가시광선과 적외선 양쪽에서 시각 기능을 회복시키는 것이 목표다.

다만 현재 논문 단계에서 제시된 성과는 개념 증명 수준이며, 생체 적합성 검증, 이식 후 장기 안정성, 인체 임상 적용까지는 상당한 추가 연구가 필요하다. 또한 CQD-OLED 계면에서의 운반자 이동 메커니즘에 대한 이해가 이번 성과의 핵심 기반이었다고 연구팀은 밝혔으며, 이는 향후 소자 최적화에도 중요한 기초를 제공할 것으로 보인다. 이번 연구는 국제학술지 Science Advances에 게재됐다(Sci. Adv. 12, eaed0245, 2026).