화장품에 사용되는 계면활성제

화장품에 사용되는 계면활성제와 활용

세탁세제, 주방세제 등 다양한 곳에 계면활성제가 활용되지만, 피부에 직접 닿는 만큼 화장품에 자주 사용되는 계면활성제는 따로 있습니다. 화장품에는 주로 어떤 계면활성제가 사용될까요? 계면활성제와 관련되는 계면장력과 표면장력도 함께 알아보며, 화장품의 계면활성제에 대해서 알아보겠습니다.

계면과 표면은 비슷한 개념으로, 계면은 두 물질 사이라는 2개 물질의 상대적인 관점에서 얘기한다면, 표면은 하나의 물질 관점에서 바라보는 개념입니다. 예를 들어, 물방울의 표면은 공기와 기체의 계면이라고 할 수 있어요.

 

계면은 2개의 상이 서로 접하고 있는 경계면으로 기체와 기체, 기체와 액체, 기체와 고체, 액체와 액체, 액체와 고체, 고체와 고체 계면을 생각해볼 수 있습니다. 이중 기체와 기체는 형성이 불가능한 계면입니다. 기체와 액체는 대기 중에 노출된 수면이 될 수 있습니다. 기체와 고체는 책상 위와 같이 고체의 표면이라고 생각할 수 있습니다. 액체와 액체는 물과 기름을 섞어놓은 상태에서 물과 기름의 경계면을 예로 들 수 있습니다. 액체와 고체 계면은 현탁액에서 액체와 고체 가루의 접촉면을 생각해볼 수 있습니다. 고체와 고체는 분말 안에서 입자끼리의 접촉을 생각해 볼 수 있습니다. 이에 반해 표면은 하나의 물질 관점에서 물질의 가장 바깥쪽 가장자리입니다. 

 

계면장력(interfacial tension)은 서로 섞이지 않는 두 액체상의 경계면에 존재하는 힘으로, 서로 다른 2가지 상태의 물질이 만났을 때 경계면의 넓이를 감소시키려고 하는 힘입니다. 계면장력이 낮을수록 물과 잘 혼합될 수 있습니다. 표면장력(surface tension)은 물질의 표면에 존재하는 장력으로, 표면상에 있는 어느 길이에 대해서 이것과 직각 방향으로 잡아당기는 데 필요한 힘입니다. 표면에 있는 분자들 사이에 작용하는 응집력과 일치합니다. 내부에서 물 분자는 서로 다른 방향의 분자 간 인력이 균등해지나 경계면에서의 분자를 보면 물과 물 사이의 인력보다는 물과 공기 사이의 인력이 작기 때문에 위쪽에서 응집력이 작습니다. 따라서, 액체 내부를 향한 힘은 경계면의 분자들을 함께 잡아당겨서 표면적을 줄이려고 합니다. 이것이 바로 한 방울의 액체가 구를 형성하려는 이유입니다.

 

일반적으로 고체의 응집력이 액체보다 크기 때문에 고체의 표면장력이 액체보다 큽니다. 액체인 경우 온도가 상승할수록 응집력이 약해져 표면장력은 감소합니다. 물은 분자 간의 수소결합으로 인하여 비교적 표면장력이 높은 편입니다.

화장품 제형에서 계면활성제는 크게 가용화, 유화에 활용됩니다. 가용화는 토너, 스킨과 같은 수 타입의 제형에 사용되는 방법입니다. 물에 쉽게 용해되지 않는 성분들을 계면활성제를 사용하여 물속에 분산시켜 투명하게 만듭니다. (이때 쓰이는 계면활성제를 가용화제라고 합니다. 계면활성제란 이름은 일반명으로 용도에 따라 가용화제, 유화제, 세정제 등의 명칭을 사용합니다) 계면활성제가 물속에 존재하게 되면, 미셸(micelle)이 생기는데, 이 미셸 내부에 소수성인 불용성 물질들이 존재하며 안정한 용액 상태가 유지됩니다. 미셸이란 계면활성제가 희박한 수용액은 통상의 용액과 동일한 성질을 나타내지만, 농도를 증가시키면 계면활성제가 회합하며 콜로이드가 형성되는데 이를 미셸이라고 합니다. 유화는 로션, 크림의 제조에 사용되는 방법입니다. 물과 오일처럼 섞이지 않는 두 액체를 계면활성제를 넣어 한 상에 다른 한 상을 미세한 입자 상태로 분산시켜 놓는 방법으로 제조한 결과물은 불투명한 외관을 보입니다. 물과 오일은 서로 표면장력이 달라 섞이지 않는데, 계면활성제를 첨가하면 물과 오일의 계면장력이 낮아지며 물과 오일이 서로 잘 분리되지 않고 일시적으로 안정한 혼합상태를 유지하도록 도와줍니다.

유화 제형에는 다양한 종류가 있습니다. O/W(Oil in Water)는 물에 오일이 분산되어있는 형태로, 가장 일반적이고 흔한 유화 제형입니다. W/O(Water in Oil)는 오일에 물이 분산된 형태로, O/W에 비해 오일리한 무거운 사용감을 가집니다. S/W (Silicone in Water)는 물에 실리콘 오일을 분산시킨 형태로 실리콘 오일만의 사용감을 살린 제형입니다. W/S(Water in Silicone)는 실리콘 오일에 물이 분산된 형태로 W/O 타입 제형의 무거운 사용감을 개선해줍니다. W/O/W (Water in Oil in Water)는 W/O 제형을 한 번 더 유화시킴으로써 유상이던 외상을 한 번 더 수상으로 유화시켜 W/O 제형의 사용감은 유지하면서 안정성을 더 높인 다중 에멀젼으로 W/O형 에멀젼을 물에 분산한 것입니다. O/W/O(Oil in Water in Oil)는 O/W 제형을 한 번 더 유화시켜 외상을 한 번 더 유상으로 유화시킨 제형으로 O/W형의 에멀젼이 오일에 분산한 것입니다.

 

O/W 제형과 W/O 제형을 구분할 수 있는 방법이 있습니다. 먼저 O/W는 물이 대부분이기 때문에 높은 전기전도도를 나타내지만, W/O는 전기전도도가 매우 낮습니다. O/W 타입은 물에 잘 혼합되지만, W/O 타입은 전혀 혼합되지 않기 때문에 물에 희석해보는 방법도 있습니다. O/W 타입의 경우 수용성 염료가 분산이 잘 되며, W/O 타입은 유용성 염료가 분산이 잘 되므로 유용성 또는 수용성 색소를 분산시켜보는 것도 방법입니다. 또한, 사용감에 차이가 있기 때문에 직접 사용해봄으로써 구분할 수 있습니다.

 

HLB(Hydrophile – Lipophile Balance)는 계면활성제가 물에 쉽게 용해되느냐 용해되지 않느냐를 나타내는 수치로, 친수성인지, 친유성인지 상대적인 성질을 의미합니다. 이 값이 작을수록(친유성 계면활성제일수록) 비극성이며, 유기화합물(탄화수소)이며 탄소 체인이 깁니다. 이 값이 클수록(친수성 계면활성제일수록) 극성이며, 무기화합물(O, S, K, Na 등)이며 탄소 체인이 짧습니다.

 

계면활성제는 이온성에 따라 음이온, 양이온, 양쪽성, 비이온 계면활성제로 구분해 볼 수 있습니다. 음이온 계면활성제 (Anion Surfactants)는 물에 용해될 때 친수기 부분이 음이온(anion)으로 해리되는 계면활성제로, 세정력과 기포력이 우수하여 샴푸, 세안용 비누에 주로 사용됩니다. 종류로는 고급지방산 비누, 알킬황산에스터염, 폴리옥시에틸렌알킬에테르 황산염, 아실 N-메틸 타우린 염 등이 있습니다. 양이온 계면활성제 (Cationic Surfactants)는 물에 용해될 때 친수기 부분이 양이온(Cationic)으로 해리되는 계면활성제로, 정전기를 방지하는 성질을 가지고 있으며, 헤어 린스, 트리트먼트 등에 배합됩니다. 양쪽성 계면활성제 (Amphoteric Surfactants)는 분자 내에 양이온성 관능기와 음이온성 관능기를 1개 혹은 그 이상을 동시에 가진 것을 말합니다. 일반적으로 알칼리성 하에서 음이온, 산성 하에서 양이온으로 해리됩니다. 다른 이온성 계면활성제와 비교해 피부 자극성과 독성이 낮습니다. 강한 세정력과 살균성을 가지며, 기포력 및 유연효과를 가집니다. 샴푸, 비듬 샴푸, 에어로졸에 주로 사용합니다. 비이온 계면활성제 (Nonionic Surfactants)는 분자 중에 이온으로 해리되지 않는 수산기, 에테르결합, 에스터 등을 분자 중에 가진 계면활성제로 일반적으로 친수기인 폴리옥시에틸렌 사슬 혹은 수산기를 갖는 화합물로 구분됩니다. 친수기인 폴리옥시에틸렌 사슬의 길이에 따라, 혹은 수산기의 수에 따라 물에 약간 용해되는 것부터 물에 잘 용해되는 것까지 많은 종류로 합성이 가능합니다. 계면활성제 중 피부 안전성이 가장 우수하여, 클렌징 제품뿐만 아니라 기초 제형에서 가용화제 또는 유화제로도 많이 사용됩니다.