화장품에 사용되는 고체 안료의 분류와 성질

액체-고체 분산에서 고려되어야 할 중요한 요인 중 하나는 분산되는 고체와 분산되는 매질의 성질입니다. 안료 미분체 입자의 성질은 각각 특유의 성질을 갖고 있기 때문에 처방 시에는 미리 사용하는 안료의 성질을 충분히 검토하고 파악해둘 필요가 있습니다. 이번 글에서는 고체 안료의 분류와 성질에 대해 알아보겠습니다. 

화장품에 사용되는 무기안료와 유기안료

화장품용 안료에는 무기계와 유기계가 있으며 각각의 종류 또는 입자의 형상 등에 따라 물에 적시기 쉬운 것과 오일에 적시기 쉬운 것으로 나누어집니다. 일반적으로 무기안료는 물에 적시기 쉬우며 오일에는 적시기 어렵습니다. 이와 반대로 유기안료는 오일에 적시기 쉽고 물에 적시기 어렵습니다.

분산매에 적시기 어려운 분체는 분산매의 표면에 떠버리기 때문에 분산매가 분체에 스며들기 어려워 분산시키는 것이 매우 어렵습니다. 따라서 사용하는 분체가 어떠한 분산매에 적셔지는 정도를 미리 알아 적용하는 것은 제형에 있어 매우 중요한 요인입니다. 예를 들어, 색조 화장품 중 메이크업 베이스 같이 O/W형의 유화 제형을 분산매로 하는 제품의 경우에는 무기 안료와 같이 물에 적시기 쉬운 안료를 사용하는 것이 좋습니다. 반대로 립스틱이나 아이섀도 등과 같이 유지나 왁스류의 혼합물을 분산매로 할 경우에는 유기 안료와 같이 오일에 적시기 쉬운 안료를 이용하는 것이 좋습니다. 분산매에 대해 적시기 쉬운 성질을 친매성(lyophility)이라고 합니다. 

 

무기안료와 같이 물에 적시기 쉬운 것을 친수성(hydrophility), 유기안료와 같이 오일에 적시기 쉬운 것을 친유성 (lipophility) 또는 소수성(hydropho- bity)이라고 합니다. 안료 표면에 성질에 따라서도 같은 유기안료라도 친유성의 정도에 차이가 있습니다. 반대로 무기안료에서도 친수성의 성질이 약하고 친유성에 가까운 성질을 갖고 있는 것도 있습니다.

 

안료의 적심에 관한 연구로는 F.E. Bartell의 접촉각, 습윤열 등의 측정에 의해 적심의 상태에 대한 물리화학적인 검토가 이루어진 연구가 있습니다. 접촉각에 의한 평가의 방법에 따르면, 미분체에 대해서 분산매의 접촉각이 90도 이상의 경우에는 적시기가 어렵고, 90도보다 작으면 작을수록 적시기 쉽다고 합니다.

 

일반적으로 안료의 적심에 대한 간단한 측정 방법으로는 모세관상승법이 이용되고 있습니다. 그러나 이 방법은 모세관에서의 미분체 충진방법, 모세관내벽의 혼탁의 정도 등에 따라 그 값이 달라 기초적인 연구에서는 적용이 가능하지만, 화장품과 같이 분산질 및 분산매 등 여러 종류의 물질이 혼합된 것은 정확한 결과를 내기 어려운 방법입니다. 

안료의 적심을 평가하는 또 하나의 방법으로서 흡액량의 측정에 의한 방법이 있습니다. 이 방법은 안료의 적심현상을 평가하는 데는 비교적 좋은 척도이며, 계면활성제의 분산효과를 검사하기 위해서도 좋은 방법입니다. 또 실험적으로도 아주 간단하여 숙련되면 실험상의 오차도 거의 없어 실용적인 방법이기도 합니다. 

안료의 입자는 일반적으로 분산매 중에서 표면에 전하를 갖고 있는 것으로 알려져 있습니다. 이 전하의 원인은 안료입자 자체의 대전과 다른 물질이 안료입자 표면에 흡착하여 일어나는 대전 때문인 것으로 생각해 볼 수 있습니다. 안료가 물속에 분산된 경우에는 안료 표면의 일부가 용해하며 생긴 ion을 흡착함에 따라 전하를 갖게 됩니다. 즉 물과 접촉하고 있는 안료입자의 표면은 (+)나 (-)의 전하를 띠게 됩니다.  

액체 메이크업 중에 분산되고 있는 무기안료도 이러한 전하의 영향을 받습니다. 그러나 분체에 따라 전하가 생기지 않는 경우도 있습니다. 이와 같이 이온이 조금도 생기지 않는 분체에 대해서는 전하가 (+)냐 (-)냐에 상관없이 대부분 Coehn의 법칙에 따라 지배되고 있습니다. Coehn의 법칙은 '계수가 큰 물질이 작은 물질과 접촉할 때에는 전자가 (+)의 전하를 띤다'는 법칙입니다. 물의 유전 계수는 특별히 높기 때문에 분체를 물에 분산시키는 경우에는 대부분이 (-)로 대전됩니다. 또 물속에 있어서는 (-)로 대전되고 있는 것도 유전 계수가 낮은 분산매에 분산시키면 (+)로 대전되는 경우도 있습니다.

 

일반적으로 물 속에서 (+)로 대전되는 것은 물보다 유전계수가 크거나 물 중에서 OH가 생기는 것입니다. 이산화티탄, 산화아연, 탄산칼슘 등이 여기에 속합니다. 이러한 하전의 종류나 세기는 안료의 분산에 중요한 요인입니다. 각각 전하를 갖는 안료입자 간에 반발이 일어나 응집이 방지되어 제형을 안정화할 수 있습니다. 수계의 분산매에서 안료의 분산에서는 이러한 입자표면의 하전효과를 이용하면 안정성 향상에 좋습니다.

 

비수계 분산매에서 안료입자의 하전은 수계의 분산매보다 큰 편은 아니지만, 안료입자에 흡착되고 있는 미량의 수분, 분산매에 의한 이온성 성질의 생성, 분산매 중에 함유된 미량의 수분, 이온성 계면활성제의 전리에 의해 영향을 받는다고 합니다.

안료입자의 분산성은 분산매(dispersion medium)의 성질에도 영향을 받습니다. 분산계 안료의 응집은 고체-액체 계면이 응집하여 고체-고체 계면에서 변화하는 현상으로 고체 표면에서 액체가 떨어지는 것을 의미합니다. 분산매와 고체 (입자)와 만나는 접촉각이 일정하다는 조건 하에서 표면장력이 크면 클수록 응집현상이 일어나지 않습니다. 안료입자 표면이 분산매로 흡착하면 에너지 차원에서 안정화되어 안료의 입자는 응집되기 어렵게 됩니다. 그러나 실제로 화장품에서 분산매의 조성은 다양한 성분으로 구성되어 있고, 분산매 중에 미량의 불순물이 함유되어 있습니다. 따라서, 이러한 분산매 성분 중  어떠한 것이 안료입자의 표면에 흡착되는지 알기 어려운 점이 있습니다. 

액체-고체 분산의 안정성은 안료입자와 분산매의 극성에도 영향을 받습니다. 안료입자에 대한 분산매 극성의 차가 크면, 고체-액체 간에 계면장력은 0 미만이 되고, 분산매가 안료입자의 표면에 적셔지기 어렵게 되어, 분산계는 불안정하게 됩니다. 반대로 극성의 차가 작게 되면 계면장력은 0 이하가 되고, 분산매가 안료입자의 물 표면에 적셔지기 쉬어져 분산계는 안정화 됩니다. 분산매와 안료입자가 같은 극성 또는 같은 비극성일 경우에는 계면장력은 0 이하 거나 약 0이 되어 그 분산계는 안정합니다. 반대로 분산매가 극성, 안료입자가 비극성 또는 그 반대인 경우에는 계면장력은 0 미만이 되어 불안정하게 됩니다. 

 

극성 외에도 용해도지수(solubility parameter, 8)가 분산에 연관성을 갖는 것이 보고되어 있습니다. 다른 여러 종의 용매 중에 넣어 분산시켰을 때에 용매의 응집력이 안료 입자 사이의 균형을 유지하게 되면, 입자의 분산이 잘 되었다고 할 수 있습니다. 또한 특정 용해도지수에서 비교적 양호한 분산을 보여주는 경우도 있다고 합니다. 

분산매 중 함유된 불순물도 분산에 영향을 줍니다. 비수계의 분산에서는 안료나 분산매 중에 함유된 미량의 수분이 분산, 응집에 큰 영향을 줍니다. 분산계에선 고체-액체의 계면에 있는 수분만이 영향을 미치며, 이러한 수분은 계면활성제를 이용하여 해결할 수 있습니다. 분산매에 따라서는 제조 후와 어느 정도 시간이 경과한 뒤에 분산 상태가 달라지기도 합니다. 이는 시간 경과에 따라 수분이 흡착되거나 분산매 자체가 보관 환경에 따라 변질되는 경우도 있기 때문입니다.