유화(Emulsion), 분산(Dispersion), 가용화(Solubilization) 개념 살펴보기
유화(Emulsion)
유화는 수성 성분과유성 성분을 균일하게 혼합하는 기술입니다. 물과 오일처럼 서로 용해되지 않는 두 액체가 서로 섞여 우윳빛으로 백탄화된 것을 유화(에멀션)이라고 합니다. 오일이 물에 입자 형태로 분산되어 있거나 물이 오일에 분산되어 있는 상태를 말하며 예를 들어 크림, 로션과 같은 화장품 제형에 있어서 중요한 기술 중 하나입니다. 유화 종류는 수중 유형, 유중 수형 2가지로 나뉩니다. 수중 유형은 유상이 수상에 입자 형태로 분산될 때를 말하고 유중 수형은 수상이 유상에 입자 형태로 분산될 때를 뜻합니다. O/W 유화가 다시 오일에 분산된 O/W/O형 또는 W/O/W형의 다중 유화도 만들어집니다. 다중유화는 다른 성분과 접촉하면 안정성 면에서 문제가 있는 약물의 전달 연구로 최근 인지질의 이중막 내에 약물을 내포시켜서 약물 전달 수단으로 사용하려는 리포솜 같은 새로운 제형의 한 방편으로 연구되고 있습니다. 일반적으로 매크로 유화는 입자크기가 대략 0.4um로 현탁되게 보이고 마이크로 유화는 입자 크기가 0.1um이하로 투명하게 보입니다. 입자경이 대략 0.1~0.4um 사이에 있는 청색과 백색을 띤 약간 투명감이 있ㄴ느 유화상태를 미니 유화로 부르기도 합니다.
분산(Dispersion) 이란?
넓은 의미에서 분산매에 어떤 분산상 즉, 입자에 퍼져있는 현상을 뜻합니다. 분산매는 기체와 액체, 고체 어느상이어도 되고 분상상은 기체, 액체, 고체뿐만 아니라 독립된 분자나 이온도 가능합니다. 유화나 가용화도 모두 넓은 의미로 분산의 일종입니다. 유화(에멀션)는 액체가 액체 속에 분산된 경우이고 기체가 액체 속에 분산된 경우는 기포라고 합니다. 분산계는 도료와 잉크, 고무, 화장품, 의약품, 고분자 공업, 종이 코팅 등 여러 공업 분야에 널리 이용되고 있습니다. 고체 입자 크기에 따라 대략 1~10um 정도 입자가 분산된 계를 콜로이드라고 하며 100um 상 입자가 분산된 계를 서스펜션이라고 부릅니다. 네일 에나멜은 서스펜이고 마스카라와 파운데이션은 분산의 예시입니다.
가용화(Solubilization)
가용화는 물에 녹지 않거나 부분적으로 녹는 물질이 계면활성제에 의해 투명하게 용해되어 있는 상태를 말합니다. 수용액에서 계면활성제의 농도가 어느정도 증가하면 계면활성제의 분자나 이온이 회합체를 형성하게 되는데 이를 미셀리가 합니다. 물에 녹기 어려운 오일, 향료 등 성분이 미셀 속으로 들어가서 미세한 입자로 분산됩니다. 미셀 크기는 유화 입자보다 미세하게 매우 작기 때문에 가용화 제품은 빛이 통과되어 투명하게 보입니다. 가용화도 유화처럼 액체가 액체 속에 분산된 경우이지만 분산상에서 계면활성제의 분자, 이온이 집합을 만들어서 미셀을 형성하여 투명하게 보입니다. 미셀이 형성되는 농도를 임계미셀농도라고 부릅니다. 가용화는 임계미셀농도 이하에서 일어나기는 어렵습니다. 이런 회합체는 열역학적으로 평형 상태에서 안정화되어 있습니다. 하지만 유화나 기포의 상태에 있을 때 분산매와 분산 입자 사이에 계면이 존재하고 정말 분리되어 있는 상태보다 계면이 큽니다. 따라서 큰 자유 에너지를 지니게 되므로 불안정한 상태이죠. 따라서 언제 가는 유화는 분리되어 원래의 2 층상으로 될 것입니다. 결국 유화는 분리되게 마련이므로 유화를 다루는 기술자에게 있어서 유화 제품을 원하는 기간 동안 안정화시킬 수 있도록 만드는 것이 중요한 과제 중 하나일 것입니다. 좁은 의미로서 분산이라는 것은 고체 입자가 액체 소에서 퍼져 있는 상태에 국한하고 있는데 유화계와 마찬가지로 이 역시 열역학적으로 불안정합니다. 분산된 고체 입자의 크기를 가능한 미세한 입자로 하면 안정성과 제품의 품질이 향상됩니다. 입자를 분쇄할 때 계면활성제를 첨가해서 분쇄하면 계면활성제가 입자의 표면에 흡착하여 파쇄 기간을 단축하고 입자가 분산매에 쉽게 습윤되어 분산성이 좋아지며 각 입자끼리의 뭉쳐 가라앉는 것을 방지해줍니다. 입자 표면을 다른 물질로 코팅하여 성질을 변화시킴으로써 분산 안정성을 높이기도 합니다.