스킨, 토너 워터 타입 화장품의 원리

가벼운 촉촉함으로 피부를 촉촉하게 만들어주는 스킨, 토너에는 어떤 원리가 적용되어 있을까요? 투명하게 보이지만, 그 안에는 향이나 오일 같은 소량의 오일 성분들이 녹아들어 있습니다. 이는 물에 녹지 않는 유성 성분들을 가용화시켜 투명하게 만든 것인데요. 이번 글에서는 스킨, 토너와 같은 워터 타입 화장품에 적용되는 중요한 원리인 가용화에 대해 알아보겠습니다. 

가용화를 통해 만들어지는 스킨, 토너 화장품

가용화(solubilization)는 유화 및 분산과 함께 기초화장품 제형에서 중요한 기술입니다. 가용화 기술은 19세기 중반부터 시작되었지만, solubilization이라는 말이 사용되기 시작한 것은 1936년 J.W. McBain에 의해 정의되었습니다. 일반적으로 넓게 이용된 것은 1950년대 이후부터였습니다. 1940년대 이전에는 기초화장품 중 화장수에 사용하는 향료를 잘 적용하는 것이 큰 문제였는데, 예를 들어 조합 향료의 성질을 잘 모르는 상태로 사용하기도 하고 또 제품의 사용 목적을 만족시키기 위해 한정된 낮은 농도의 용매(에탄올 등)를 사용하기도 했습니다. 또한 필요한 만큼의 향료를 사용해도 조합 향료의 여러 화학적인 용해도 차이에 따라 침전되거나 혼탁하게 되는 등 원하는 안정도와 제형을 만들어내지 못하는 경우가 많았습니다. 이를 해결하고자 제품을 투명하게 만들기 위해서 여과시키고 불용성의 향료를 흡착하여 제거할 필요성이 생기게 되었습니다. 하지만 이 방법은 여과하며, 여과하는 재료나 방법에 따라 단일 향료가 선택적으로 흡착되어 향이 변할 가능성도 있었습니다. 또한, 향이 흡착되기 때문에 향취를 더 올리기 위해 다량의 향을 사용하면서 경제성 면에서도 좋지 않은 방법이었습니다. 이는 1940년대 후반 계면활성제가 상업적으로 개발되면서 해결될 수 있었습니다.

용매에 불용성 또는 난용성의 물질이 계면활성제의 수용액에 의해서 투명하게 용해하는 현상인 가용화라고 합니다. 또한, 가용화에 직접 작용하는 계면활성제를 가용화제라고 부르고, 가용화된 액체와 고체를 solubilizate이라고 합니다. 가용화 현상은 계면활성제의 micelle이 중요한 역할을 하여 실제로 micelle을 형성하지 않는 낮은 농도에서는 가용화 현상이 보이지 않습니다. 그러나 가용화제의 농도를 높이게 되면 micelle 형성 한계 농도(CMC, critical micelle concentration)가 나타나고 그 이상에서 가용화 현상이 나타나게 됩니다.

유지류, 고급 알코올, 향료, 유용성 염료를 수상 중에 가용화하는 방법에는 2가지가 있습니다. 첫 번째 방법으로는 가용화제와 가용화 시킬 물질을 미리 혼합하여 놓고 혼합한 것을 서서히 수상에 부어 희석하는 방법이 있습니다. 두 번째 방법으로는 가용화제를 수상 중에 미리 용해해 놓고 가용화 시킬 물질을 수상에 넣는 방법이 있습니다. 일반적으로 첫 번째의 경우가 두 번째의 방법에 비해 가용화가 잘 되고, 가용화제의 양도 적게 사용하면서 가용화를 시킬 수가 있습니다. 그러나 유상에 수상을 가용화시키는 형태의 가용화는 두 번째가 양호한 경우가 많습니다.

화장품의 가용화에서 제일 먼저 고려해야 하는 것은 피부 안전성입니다. 양이온 계면활성제는 피부 안전성 문제로 가용화제로 사용하기가 어렵습니다. 음이온 계면활성제는 아주 소량으로 사용되어야 합니다. 따라서, 피부 안전성이 좋은 비이온 계면활성제가 주로 많이 사용되고 있습니다. 그러나 가용화 제품에 있어서는 계면활성제 자신의 자극뿐만 아니라 가용화 시키는 물질 (특히 향료)에 의해 자극이 생길 수도 있고, 가용화제에 의해 가용화 시키는 물질에 의한 잠재적 자극이 겉으로 나타나는 경우도 있습니다. 따라서 가용화 제품 연구에서는 patch test 또는 user test에 의한 피부 자극 시험을 미리 충분히 실시해야 합니다. 가용화제를 선택하는 경우에 피 가용화물에 맞는 가용화와 피부 안전성 등을 같이 고려하면서 선택하는 것도 중요합니다. 

가용화의 형태 화장품에서의 가용화는 두 가지 타입이 있습니다. 일반적으로 많이 이용되고 있는 것은 향료와 유성 물질을 수상에 투명하게 가용화하는 경우입니다. 다른 경우는, 수용성 물질을 유상에 투명하게 가용화하는 경우입니다. 화장품의 경우는 대부분 첫 번째 경우이며, 이러한 경우에는 친수성이 높은 계면활성제, 즉, HLB 값이 큰 계면활성제를 사용해야 합니다. 반대로 후자의 경우에는 친유성의 계면활성제를 이용해야 합니다. 

가용화에서도 유화와 같은 방법으로 HLB 시스템을 이용하여 가용화제를 선택합니다. W.C. Griffin은 기존의 HLB 시스템을 가용화에 응용하는 것이 가능하다고 했고, 가용화를 위한 최적의 HLB 값의 범위는 15~18 사이라고 하였습니다. 그는 또 효과적인 가용화를 행하는 데 있어 HLB 값이 중요한 요인이라고 생각했고 친수성과 친유성의 밸런스의 적당한 범위는 개개의 오일에 있어서 아주 좁다고 제시하였습니다. S.J. Strianse 및 M. Lanzet은 가용화제 선택의 기준으로서 HLB 시스템을 이용하여 세 가지 종류의 에센셜 오일을 가용화에서 계통적인 연구를 했습니다. 그들 보고에 의하면 하나의 가용화제를 이용하는 것보다도 친유성 및 친수성의 계면활성제를 혼합한 것을 이용하는 것이 양호한 결과를 주고 에센셜 오일에 대한 가용화의 범위는 HLB 값이 13~17이었습니다. 또한 개개에 대한 가용화는 HLB 값이 비교적 좁은 범위(0.5~1.0)에서 일어나는 것으로 나타났습니다. 그러나 화장품의 경우에는 단지 하나의 오일과 물의 단순한 계는 아니고 향료도 단순 향료가 아닌 조합 향료이기 때문에 가용화제의 최적 HLB 값이 변동된다는 것을 고려해야 합니다. 

가용화제는 화장품 제형에서 얼마만큼 처방되어야 할까요? 이론적으로는 형성된 임계농도가 micelle이 피 가용화물을 가용화시키는 데 충분한 계면활성제의 양입니다. 하지만, 실제로 화장품에 가용화를 응용하는 경우에는 피 가용화 물질에 대한 가용화제의 비율은 임계 농도보다 높게 나타나고 있습니다. 예를 들면 스킨, 토너 등에 향료를 가용화하는 경우에는 피 가용화 물질인 향료와 가용화제의 비율은 사용하는 향료 및 가용화제의 종류에 따라 다릅니다. 하지만, 대부분의 경우 향료:가용화제=1:5~6 보통 1:2 ~3의 비율로 이용되고 있습니다. 가용화제 양은 피 가용화 물질을 가용화하는 데 필요한 양보다도 약간 많이 사용하는 경우가 일반적입니다. 하지만, 가용화제를 과도하게 사용하면 그 자체가 피부에 대하여 자극을 주지 않아도 향료의 자극을 도와주는 역할을 하여 피부에 좋지 않습니다. 조합 향료의 가용화에 대해서는 가용화제의 사용량뿐만 아니라 가용화제의 조합도 고려하여 선택하는 것이 효율적인 가용화를 위해 좋습니다.

기존의 화장품에서의 가용화 응용은 스킨, 토너같이 워터 타입 종류에서 향료의 용해가 거의 전부였지만 최근에는 계면화학의 응용으로 기술적 향상과 계면활성제의 개발에 의해 거의 모든 제품에서 응용되고 있습니다. 물에 불용성 또는 난용성의 향료 또는 유지류 같은 물질을 가용화제 도움을 빌려 물에 투명하게 용해하는 것은 제품의 품질뿐만 아니라 생산의 효율성과 경제성 면에서 기여하는 면이 큽니다. 기존의 스킨, 토너에는 피부에 유연 효과를 주는 것이 어려웠지만, 유성 물질을 가용화함으로써 유연 효과를 더하는 것이 가능하게 되었습니다. 유용성 비타민, 호르몬, 기타 약품류를 가용화함으로써 스킨, 토너의 사용 목적과 기능이 확대될 수 있었고, 제품의 품질과 자치를 높일 수 있었습니다. 비타민 A의 전구물질(precursor)이면서 천연 색소로 알려진 B-Carotene은 물에는 녹지 않는 불용성 색소이지만, 가용화제를 이용하면 쉽게 가용화시킬 수 있습니다.