화장품 제조의 주요 공정 및 원리

화장품 제조의 주요 공정 및 원리

 

1. 가용화 공정

계면활성제의 양을 증가시켜 가면서 물에 녹일 때 처음에는 주로 물 표면으로 계면활성제가 배열되다가 포화 농도 이상이 되면 작은 집합체를 형성하게 되는데 이를 미셀이라고 한다. 계면활성제가 미셀을 형성하게 되면 물에 녹지 않는 소량의 물질을 미셀 내부에 용해시킬 수 있는 성질을 갖게 된다. 즉 물에 녹지 않는 소량의 유성 성분을 계면활성제의 미셀 형성 작용을 이용하여 투명한 상태로 용해시키는 것을 가용화라고 한다. 화장품에 있어서는 화장수, 에센스, 향수 등의 투명한 제품을 제조하는데 이용한다. 특히, 가용화를 목적으로 사용되는 계면활성제를 가용화제라고 한다. 과거 화장품의 가용화 기술은 향을 물에 녹여 투명 화장수를 만드는 것이 주된 목적이었지만 현재는 다양한 제품에 응용되고 있다.

 

2. 유화 공정

가용화 기술이 소량의 유성 성분을 물에 투명하게 녹이는 기술인데 반해, 유화 공정은 많은 양의 유성 성분을 물에 균일하게 혼합하는 공정이다. 즉, 다량의 유성 성분을 물에 일정 기간 동안 안정한 상태로 균일하게 혼합시키는 기술을 유화 기술이라고 한다.

기름을 물에 넣으면 물 위로 뜬다. 이 때 막대를 이용하여 강하게 휘저어 주면 기름이 물에 작은 방울로 분산되면서 우유빛으로 뿌옇게 백탁화된다. 이때 저어주는 것을 멈추게 되면 물속의 기름 방울들은 서로 뭉쳐 다시 물위에 뜨게 된다. 그러나 소량의 계면활성제를 첨가하고 강하게 휘저어 주는 경우 물속의 기름 방울들이 다시 뭉쳐지는 시간이 길어지게 되어 백탁화가 더 오랜 시간 동안 유지된다. 이와 같이 기름 방울이 물에 골고루 분산된 상태를 유화라고 부르며, 유화에 사용된 계면활성제를 유화제라고 한다.

유화는 분산된 부분이 기름 또는 물인가에 따라 수중유(O/W)형과 유화와 유중수(W/O)형으로 유화로 구분한다. 수상(물)에 유상(기름)이 분산된 형태가 O/W형이며, 반대로 유상(기름)에 수상(물)이 분산되어 있는 형태는 W/O형이라고 한다. 또한 W/O 에멀전을 다시 물에 유화시키면 W/O/W 에멀전과 같은 다상 에멀전(multiple emulsion)을 얻을 수 있다. W/O/W 에멀전은 O/W 에멀전에 비해 보습 효과가 뛰어날 뿐 아니라 각종 영양물질과 생리활성물질을 비교적 안정한 상태로 보존시킬 수 있는 장점이 있어 보습 크림을 비롯한 각종 영양 크림의 제조에 응용되고 있다.

실제 공정에서도 이러한 유화 기술에 의해 얻어진 에멀전을 제조한 후 37℃, 45℃, 50℃ 냉온에 각각 제품을 보관한 후 1개월 혹은 6개월까지 내용물 분리여부 등 물리적 변화와 변취, 변색 등의 화학적 변화를 관찰하여 이상 유무를 판정한다.

유화 후 저으면서 냉각시킬 때 냉각하는 시간이 짧으면 비교적 점성이 낮은 유화 제품이 얻어지고, 냉각하는 시간이 길면 점성이 높은 유화 제품이 얻어지므로 냉각하는 속도를 조절해 주어야 알맞은 점성의 제품이 얻어진다.

화장품에서는 크림, 로션류의 기초 화장품은 물론이고 메이크업 화장품에 있어서도 유화 기술을 사용한 것이 많은데 그 이유로 유성 성분과 수성 성분을 비교적 간단한 방법으로 혼합할 수 있으며 단독으로도 사용할 수 있는 오일과는 다른 사용감과 외관을 주기 때문이다. 또 유화의 형태를 달리 함으로써 피부에 주는 작용을 쉽게 조절할 수 있으며, 유분의 양을 조절함으로써 사용목적에 적합한 형태의 제품을 만들 수 있다. 유화 제품을 사용하면 피부에 유용한 미량의 성분을 피부에 균일하게 도포할 수 있으며 유성 성분 단독만으로는 얻을 수 없는 피부의 보호 작용을 나타낼 수 있다. 또한 피부에 얇은 피막을 형성시키는 것이 가능하고 유성성분 단독으로 사용했을 때보다 오일감이 적게 느껴지는 장점이 있다.

이러한 유화는 여러 가지 장점이 있음에도 불구하고 마치 물에 기름이 혼합된 것과 같은 열역학적으로 불안정한 상태이므로 결국은 분리되어 물층과 기름층으로 나누어진다. 따라서 화장품 분야에서도 유화를 어떻게 하면 사용 기간 동안 안정한 상태로 만들 수 있는가를 위해 많은 연구를 하고 있다. 물에 기름을 유화시켜 안정한 상태로 유지하기 위해서는 우선 기름 방울을 미세하게 해주는 것이 좋으며 이 때 사용하는 장치가 호모믹서(homo mixer)이다.

 

3. 분산 공정

물에 모래를 넣고 강하게 저어주면 모래가 일시적으로 물에 분산되지만 저어주는 것을 멈추면 곧 모래가 가라 앉게 된다. 그러나 흙탕물의 경우 약간 더 물에서 분산 상태를 유지할 수 있다. 또한 여기에서 계면활성제를 첨가한 경우는 안정한 분산 상태를 오랫동안 유지할 수 있는 것이다. 화장품에서 분산이란 안료 등의 고체 입자를 액체 속에 균일하게 혼합시키는 것을 말하는 것으로 이 때 사용되는 계면활성제를 분산제라고 한다.

분산은 가용화, 유화와 함께 화장품의 제조에서 계면활성제의 3대 작용으로 매우 중요하다. 화장품에서 고체 입자를 액체에 분산시킨 것으로는 파운데이션, 마스카라, 아이라이너, 네일에나멜 등이 있다. 그러나 이들을 장시간 그대로 두게 되면 고체 입자의 침전이 일어나기도 하고 고체 입자 간의 응집에 의해 사용할 때 뭉침이 생기거나 얼룩이 생기기도 한다. 또한 사용할 때 퍼짐성이 나빠지고 커버력과 광택도 저하된다. 대부분의 메이크업 화장품의 형태는 고체를 액체에 분산한 형태로 실험적으로 분산 기술은 유화 기술과 유사하다.

 

4. 에어로졸 공정

에어로졸(aerosol)은 물리학적으로 「기체 중에 고체 또는 액체의 미립자가 분산되어 있는 콜로이드 상태」를 말한다. 최초로 개발된 살충제, 헤어 스프레이가 본래 의미에서의 에어로졸인데, 가스의 압력을 이용하여 내압용기로부터 액체 등을 토출하는 제품까지 총칭하여 에어로졸이라 부른다. 현재 에어로졸 제품은 그 기능의 편리성 때문에 화장품에 널리 이용되고 있으며 토출 상태에 따라 용도를 분류하면 다음과 같다.

① 분무 상태 제품: 헤어 스프레이 등

② 분말 상태 제품: 파우더 스프레이 등

③ 거품 상태 제품: 헤어 스타일링 폼 등

④ 페이스트 상태 제품: 크림 등

이 가운데 화장품 분야에서 널리 이용되고 있는 것은 거품 상태 제품과 분무 상태 제품이다.

 

1) 에어로졸의 원리와 구조

(1) 에어로졸의 원리

에어로졸의 원리는 내압밀폐 용기 내에서 분산시키는 내용물과 분사제(가스)를 넣어 분사제의 압력으로 내용물이 균일하게 분사 또는 토출시키는 것이다. 예를 들어 용해 상태의 원액에 액화 가스를 40~70% 정도 용해시키면 분무상으로 분사된다. 유화상태의 원액에 액화가스를 5~15% 혼합하면 거품 상태로 토출된다.

 

(2) 에어로졸의 구조

에어로졸 제품의 구성을 나타내면 아래와 같다.

① 분산시키는 내용물(원액): 액체, 분말 등

② 분사제: 액화 가스, 압축 가스

③ 분사장치: 밸브, 버튼

④ 내압용기: 금속, 유리, 플라스틱

분사제의 압력으로 용기 내부는 가압상태가 되고 상부의 버튼을 누르면 분사장치가 열려 액층(원액+분사제)이 분사된다. 버튼을 놓으면 분사 장치가 닫혀 분사가 중지된다.

 

2) 에어로졸의 분사제

분사제는 액화 가스와 압축 가스 2가지로 나뉜다.

 

(1) 액화 가스; Liquefied gas

상온에서는 기체로 존재하고 가압함에 따라 용이하게 액화하는 가스이다. 밀폐된 용기 내에서 액체와 기체가 공존하기 때문에 안정된 압력을 얻을 수 있다.

① 액화 석유 가스; Liquefied petroleum gas (LPG)

저급 탄화수소인 프로판, 부탄 등의 배합 비율에 따라 압력을 조절하여 이용한다. 가격이 싸고 냄새도 적은 가연성 가스이다. 인화성이 강하므로 원액 처방이나 밸브 종류를 잘 선정하여 분사시의 세기나 분사량을 조절하여 안전성을 높일 필요가 있다.

 

② 디메틸에테르; Dimethyl ether (DME)

DME의 특징은 물에 대한 용해성이 좋고, 헤어 스프레이 등에 이용되는 세팅제와의 상용성이 좋다는 것이다. 따라서 스프레이에 LPG를 혼합하거나 단독으로 사용한다. DME도 가연성 가스이기 때문에 인화성에 대하여는 LPG와 같은 주의가 필요하다.

 

③ 프레온 가스; Chlorofluorocarbon

프레온은 일반적으로 분자가 염소, 불소, 탄소, 수소로 구성되고 각종 구조의 저비점인 물질을 총칭하는 것이다. 안정성, 불활성, 안전성 때문에 지금까지 에어로졸 제품의 분사제로 널리 이용되어 왔다. 그러나 특정 프레온 가스는 오존층 파괴의 원인이 되는 것으로 판명되어 세계적으로 사용을 금지하는 추세이다. 현재 특정 프레온 가스의 대체로서 오존층 파괴 등 환경에 나쁜 영향을 미치지 않는 프레온 가스의 대체 물질 개발이 진행되고 있다.

 

(2) 압축 가스; Compressed gas

질소 가스, 탄산 가스 등 상온, 저압하에서는 액화하지 않는 가스를 말한다. 용기에 압축된 상태로 충전된 가스는 원액에 용해하지 않고 원액 상부의 기상으로부터 압력을 가하는 작용을 한다. 액화 가스에 비교하여 상용성, 반응성, 가연성 등의 문제는 없다. 그러나 사용함에 따라서 용기 내의 압력이 저하되기 때문에 특수밸브, 버튼의 검토가 필요하다.

 

3) 에어로졸의 원액 (분사 물질)

액체, 분말, 크림 상태의 원액이 있다. 토출 상태, 사용 방법, 내용물의 사용성에 따라 어떤 원액, 가스를 선정할 것인지, 또 원액과 가스의 비율, 가스의 압력을 어떻게 설정할 것인지 충분히 검토할 필요가 있다. 에어로졸의 원액은 특이 다음의 시험으로 문제가 없는지 확인하고 처방해야 한다.

 

(1) 용해도 시험

원액 조성에 따라서는 함유된 성분이 가스와 혼합되었을 때 석출되거나 분리될 염려가 있으므로 가스에 대한 원액의 용해도를 각 온도 조건에서 확인한다.

 

(2) 내압 시험

내용물의 토출 성능은 내압에 큰 영향을 받는다. 적당한 토출 상태를 확보하기 위해서 또  내압의 법규상 허용된 범위 내에 들어가도록 원액과 가스의 혼합물에 대하여 각 온도 조건에서 내압 변화를 측정한다.

 

(3) 토출 시험

통상 사용하는 온도의 범위 내에서 안정된 사용성을 보증하기 위해 각 온도에서 토출 상태 또는 분사 상태를 확인한다.

 

(4) 저온 시험

내용물 조성에 따라서는 저온에서 원액 점도의 급격한 상승, 또는 원액에 포함된 성분이 석출, 분리를 일으킬 수도 있다. 따라서 냉각 충전을 하는 경우 저온(-30~40℃) 상태에서 안정성, 점성을 확인할 필요가 있다.

 

(5) 기타

원액의 pH, 비중, 용기에의 영향, 각 온도에서의 점도, 안정성에 관해서도 확인한다. 분사제와의 상용성이 나쁜 원액, 고점도의 원액 등은 특히 주의할 필요가 있다.