화장품의 제조 장치

화장품의 제조 장치

 

화장품(의약부외품 포함)에는 여러 가지 형태가 있고, 또 색상과 냄새의 차이에 따라서 그 종류가 수 없이 많다. 이 때문에 우수한 품질의 화장품을 제조하기 위한 화장품 연구에 병행하여 제조 장치와 제조 공정 등의 기술 개발도 활발히 진행되고 있다. 요즘 화장품 제조는 사용 원료의 계량에서부터 최종 제품의 포장에 이르기까지 깨끗한 상태로 일관된 컴퓨터 제어 공장에서 이뤄지고, 사람이 작업에 참여하지 않는 공장자동화가 적극적으로 도입되고 있다.

화장품 제조를 살펴보면, 품질 보증을 철저히 하기 위하여 화장품공업연합회의 자체기준으로 제정된 화장품 GMP(Good Manufacturing Practice)에 근거하여 화장품을 제조하는 것은 강조할 필요도 없다.

화장품의 제조 장치는 제품의 제조 장치와 성형, 충진, 포장 장치로 크게 분류된다. 제조 장치는 메이크업 제품을 제조하기 위한 분체 등의 분쇄기, 분산기나 크림, 유액 등의 유화기, 냉각기가 있으며 성형 장치에는 립스틱 등의 스틱상 제품의 자동 성형기나 파운데이션, 아이컬러 등의 프레스 성형기 등이 있다.

 

1. 분쇄기; Grinders

습식·건식, 연결식·배치식, 분쇄용·미분쇄용 등으로 분류하며 분산기에도 습식 분쇄기로 이용 가능한 것이 있다. 여기에서는 건식 분쇄기에 대하여 설명한다.

화장품용 본체는 이미 작게 분쇄된 것을 이용하는 것이 많기 때문에 분쇄만을 목적으로 사용하는 경우는 적으며, 응집 입자를 쪼개고 혼합을 빠르게 하려는 목적이 크다. 혼합 과정에서 발열을 수반하는 것도 있는데, 이 때문에 유기 성분의 변질을 초래하는 것도 있다. 또 기계화학적 효과로 인해 입자 표면의 성질이 변하며, 심한 경우는 결정 구조 등의 내용물이 변하는 경우도 있다.

 

분쇄력의 형태	분쇄기의 구조	분쇄기의 명칭
압축 분쇄형	조쇄형	브레이크, 도지, 싱클 터글 분쇄기
	선동형	자일러터리, 콘, 하이드로 콘 분쇄기
	회전형	로울 싱글 로울, 디스크 분쇄기
	절구형	스탬프 밀
	해머형	헤머밀, 임펠러브레커, 임팩트분쇄기, 레이몬드수작밀, 딧인터그레이터, 디스맴브레이터, 티탄밀
충격압축 분쇄형	유체에너지형	제트밀, 제트 분쇄기, 마이크로나이저, 리덕션나이저, 분사식 분쇄기, 에어밀
	회전원통형	볼, 튜브밀, 로드밀, 코니칼, 트리콘밀, 힐데브란트 밀
전단 분쇄형	회전형	컷팅 밀, 로우터리 분쇄기, 전단 롤밀
마찰 분쇄형	회전형	펜 밀, 아트리션 밀, 에지라나, 샌드 그라인더
	선동형	스크류 분쇄기, 탑식 분쇄기
	원심력형	원심 롤밀(한틴톤, 레이몬드, 그리힌 밀), 원심 볼밀(투울렛, 후라밀)
	전원통형	링 로울밀(켄트, 스타테반트 밀), 고속 보밀 저속 볼밀, 하이스위볼밀

<분쇄기의 종류>

 

2. 분체혼합기; Powder mixing equipment

분체의 혼합 방법에는 습식법과 건식법이 있으며 분체를 혼합하는 혼합기로는 회전형과 고정형이 있다(건식법). 회전형 혼합기는 용기 자체가 회전하는 것을 원통형, 2중 원통형, 정입방형, 필라멘트형, V형 등이 있으며 고정형 혼합기 용기는 고정되어 있는 것으로 스크류형, 리본형 등의 교반 장치가 용기 내에 부착되어 있다. 분체혼합기는 분말화장품의 색조 및 향료의 분사에 이용되고 그 외에 분말의 예비 혼합에 이용된다.

 

3. 분산·유화기; Dispersion and Emulsification equipment

1) 프로펠러 믹서

프로펠러가 회전봉의 앞끝에 부착된 구조를 이루고 있다. 분산력이 약하므로 예비적인 분산과 유화에 이용된다.

 

2) 디스퍼; Disper

고속으로 회전하는 봉의 끝에 터빈형의 회전 날개를 부착시킨 것이며, 분산력은 프로펠러 믹서보다 강하다.

 

3) 호모 믹서; Homo mixer

엑팬밤바형의 믹서라고도 한다. 터빈형의 회전 날개를 원통으로 둘러싼 구조이며, 통 속에서 대류가 일어나도록 고안되어 균일하고 미세한 유화 입자가 만들어진다.

 

4) 호모 나이저; Homogenizer

시료에 고압을 가하여, 작은 구멍으로 분출시킨다. 대단히 강력한 연속식 유화기이다.

 

5) 콜로이드 분쇄기

한쪽은 고정되고 다른 한쪽은 고속 회전하는 2개의 소결체의 좁은 틈으로 시료를 통과시킨다.

 

6) 자갈 분쇄기

혼합 용기 내부에 시료와 함께 직격 10mm정도의 딱딱한 자갈을 넣고, 이를 강력한 교반기로 휘젓는다. 자갈의 마찰에 의해 분산이 일어난다. 분체의 분산에 적당하다.

 

7) 초음파 유화기

초음파 발생 장치로부터의 초음파를 시료에 조사하는 방법과 진동편이 있는 관 내부로 시료를 흘려 보낼 때 초음파가 발생하도록 하는 것이다.

 

4. 반죽·혼합기; Kneading equipment

반죽·혼합기는 분말이 많이 배합되어 유동성이 적은 화장품 제조에 이용된다.

1) 니이더

강력한 리본형 혼합기이다. 진공흡입(탈기)장치와 연결하는 것이 가능하기 때문에 점도가 높고 거품이 들어가기 쉬운 화장품의 제조에 적당하다.

 

2) 롤러

예전부터 이용되고 있는 기계로 혼합·반죽하는 힘이 강하다. 롤러의 수에 따라 2단 롤러, 3단 롤러가 있다. 립스틱과 에나멜 등 색조가 중요한 화장품에 적당하다.

 

3) 뇌궤기(挼潰機)

분말의 응집 입자를 갈아서 으깸과 동시에 단계적으로 적셔주기 때문에 얇게 펴주는 공정에 적당하다.

 

5. 냉각 장치; cooling equipment

1) 냉각교반법

용기의 외부로부터 차게 하여 냉각 효과의 촉진과 균일화를 보존하기 위해 섞는다. 급격한 온도 하강에 따라 성질이 변화하는 비누 등 유화제를 많이 배합한 계, 냉각하면서 여러 가지 물질을 첨가, 분산시키는 경우 등에 쓰이는 방법이다. 실제로 이중 가마에 냉각수를 통과시키면서 가마의 표면을 긁어 주는 패들식의 교반으로 냉각시킨다. 일반적으로 이 가마에는 호모 믹서와 디스퍼가 쌍으로 부착되어 있으며, 진공으로 기포를 제거하면서 유화 제품을 제조하는 장치로서 사용되고 있다.

 

2) 열교환기법

(1) 플레이트식 열교환기; plate heat exchanger

플레이트가 좁은 가격으로 층을 이루어 나란히 배치되어 있는데, 이 내부를 유화계와 냉매가 교대로 흐르면서 냉각된다. 유화계의 흐름과 냉매의 흐름은 반대 방향으로 고온의 유화계는 흐름에 따라 냉매와 플레이트를 경계로 열교환되면서 냉각된다. 유화계의 유동하는 층의 간격이 협소하므로 점도가 낮은 유약을 급냉하는 것에 적당하며, 점도가 높아지면 냉각 작업이 어렵다.

 

(2) 보테이터식 열교환기; scarpered surface heat exchanger

원통이 외벽이 냉매에 의해 냉각된다. 이 원통 내부에 유화계가 흐르면서 냉각된 통과 접촉하여 열교환이 일어나서 냉각되며, 일부 통에 부착되는 것은 떨어져 나간다. 또 내부의 물질을 휘저으면서 밀어 흘려 보내는데 결과적으로 급속히 냉각시켜 흘려 보낸다. 점도가 높은 유액 또는 크림에 일반적으로 널리 이용된다.

 

6. 성형기; molding machines

립스틱, 파운데이션, 아이섀도 같은 내용물을 성형하여 최종 용기에 넣으면 제품이 된다. 대표적인 예로 립스틱과 고형 파운데이션의 성형기는 다음과 같다.

 

1) 립스틱의 성형

립스틱의 성형에는 여러 가지 방법이 있다. 성형기의 종류에 따라 나누면 예로부터 이용된 금형 성형법과 최근에 개발된 자동 성형법인 오지브·캡슐 성형법이 있다.

 

(1) 금형 성형기

금속제의 조립형 금형에 용융한 립스틱을 흘려 부어서 냉각한 후 성형기를 수직으로 분리하여 성형물을 분리하는 것이다. 금형의 재질로는 열전도도가 우수한 금속이 이용되고, 성형 온도 조건이 쉽게 조절되며, 또 성형 시간이 짧도록 고안되어 있다. 금형 내부의 분리제 도포, 과충전 물질의 제거, 금형의 청소 등 사람의 손에 의한 미세한 작업 공정을 필요로 한다. 성형을 마친 성형품은 용기에 넣어 마무리한다.

 

(2) 오지브·캡슐 성형기

자동 성형법으로 개발된 방식으로 성형기 재료로서 수지제의 오지브 또는 캡슐로 불리는 거푸집에 내용물을 부어 성형한다. 가장 유명한 성형법은 영국의 에직토레스트사가 개발한 ejector(EJ)법이다. 성형기에는 체인 콘 베어 위에 여러 개의 용기가 거꾸로 늘어서 있는 것처럼 홀더에 매달려 있으며, 체인 콘 베어는 일정하게 움직여 각 성형기 구간을 통과한다. 이 방법에 의해 립스틱 성형이 자동화되고 대량 생산이 가능하게 되었다. 립스틱 내용물의 처방 변화에 대응하여 성형 각 프로세스 온도-시간의 엄밀한 설정이 요구되는데, 실제 이들 설정 조건이 립스틱 성형성이 좋고, 나쁨에 큰 영향을 준다.

 

2) 파운데이션 성형기

최근의 분말 화장품 성형에는 대부분 자동 프레스기가 사용되고 있다. 이 장치는 턴테이블식으로 되어 있는데 우선 회전 원반에 달린 프레스의 오목 모양에 금속의 용기가 파트피이더로부터 자동적으로 공급된다. 그리고 다음 구간으로 회전하고 그곳에서 호퍼(hopper)내의 내용물 일정량이 접시에 투입된다. 다음 구간에서 이 분말이 일정 유압에 의해 중간 접시를 고정시킨 금형에 의해 프레스되고 성형품이 완성된다. 그 후에 금형은 자동적으로 청소가 되고, 다시 용기가 공급되어 연속 작업이 이뤄진다. 만들어진 성형품은 크리닝 머신에 의해 주변에 부착된 분말이 자동적으로 제거되고, 최종 용기로 완성된다.

이 성형에서는 프레스 시의 조건이 중요한 포인트이다. 분말의 성질에 따라 프레스압, 프레스 횟수를 조정할 필요가 있다. 예를 들어 운모 등의 펄 분말이 포함된 것은 공기가 빠져나가기 어려워서 투입하기 어려우므로 다단계로 프레스를 하거나 1회 프레스 중에 압력 변화를 주는 등의 조작이 가능하다. 또 용기의 형태에 따라 성형품의 주변부만 굳어지는 경우가 있어 프레스하기 전에 문말의 밀도 분포를 조정하거나, 프레스 하는 금형의 형상을 변화시키는 등의 방법으로 경도의 균일화를 꾀하고 있다.

 

7. 충전·포장기; filling and packaging machines

충전기는 충전하는 내용물의 상태와 용기의 종류, 용량에 따라 다양하다. 화장수나 유액에는 병 충전기, 크림 상의 내용물에는 입구가 넓은 병 또는 튜브 충전기, 분체상의 내용물에는 종이 상자나 자루 충전기, 또 에어로졸 제품에는 특수한 장치를 갖춘 충전기가 사용된다.

충전기의 종류가 너무 많으므로 각각에 대한 기계의 설명은 생략하지만, 모두 충전량의 정밀도가 좋은 것, 충전 속도가 빠른 것, 세정성이 용이한 것이 요구된다. 충전은 청결하며 위생 상태가 좋은 환경에서 이루어져야 한다. 특히 액상으로 미생물 오염에 유의하여야 하는 아이라이너, 마스카라류는 클린 룸 내에서 작업한다.

포장, 마무리 공정에서는 라벨 부착기, 발인기(coding machines), 포장기, 중량 검사기(weight checker)가 이용된다. 접착제나 종이의 발전에 따라 라벨 접착기의 성능이 향상되었다. 제조 기호 등의 날인에는 잉크 제터 방식이 적용되는 것이 많고 케이스 끼우기나 상자 채우기에는 컬트너 등이 이용되어 인원 감축이 이뤄지고 있다.