전재우 팀장(다이텍연구원 기능성섬유본부/기능소재연구팀), 이현주 선임연구원(다이텍연구원 기능성섬유본부/기능소재연구팀), 이준영 전임연구원(다이텍연구원 기능성섬유본부/기능소재연구팀)

 

코스메틱 섬유(화장품 기능 섬유)는 사람의 몸, 특히 피부에 화장품 기능의 유효성분을 지속적으로 방출할 수 있는 물질을 함유한 섬유제품이라고 유럽표준화위원회(European Committee for Standardization(CEN))에서 공식적으로 정의 하고 있다.

화장품의 유효성분을 담지화해서 원사를 제조할 때 혼입해 유효성분이 서서히 방출되도록 제어함으로써 지속적으로 유효성분을 피부로 전달·침투되게 하거나, 후가공 기술로 바인더를 사용해서 캡슐을 섬유 표면에 고착시켜 마찰 등에 의해서 캡슐이 깨지면서 유효성분이 방출되어 피부로 전달·침투되게 하는 원리이다.

후가공 방식의 경우 초기 방출효과는 우수하나 효과의 지속성이 떨어지며, 특히 성능 내구성에 한계를 나타내고 있는 반면, 원사 혼입 방식의 경우 즉효성은 떨어지지만 지속적으로 효능 부여가 가능하며, 특히 성능 내구성과 용도전개 확대가 가능한 강점을 가지고 있다.

하지만, 원사 혼입방식의 경우 기술적 난이도가 매우 높아 현재 전 세계적으로도 몇몇 선두 업체에서만 제조 기술을 보유하고 있으며, 가장 대표적인 업체는 스페인 Nurel로 화장품 기능 유효성분 담지체 혼입 코스메틱 나일론 원사를 개발하여 세계 시장을 선점하고 있는 상황이며, 현재도 성능 업그레이드를 위한 개발을 진행 중에 있다.

대부분의 의류는 1년 이상의 장기 성능을 보장할 수 있어야 하며, 장기간 유지 및 균일한 효능 발현과 함께 섬유 가공 조건에서의 변성이나 소실이 발생하지 않는 안정성을 갖추어야 한다. 경피흡수가 가능한 천연 및 합성물질은 대부분이 저분자량 물질로서 산화 및 환원 반응에 노출되기 쉽고, 열에 대한 안정성이 떨어지므로 섬유소재에 적용하는 경우, 일반 화장품에 적용되는 리포좀 등의 형태로는 적용이 불가능하다.

화장품 기능성의 유효성분을 외부 환경과 격리시키거나 고분자화함으로써 상기의 조건을 만족할 수 있는데, 외부 환경과 격리시키기 위해서는 내열성 캡슐형 또는 다공성 무기 담지체의 도입이 필요하다. 캡슐형 담지체가 기능성 물질을 담지하는 형태는 hollow형과 분산형이 대표적이다.

캡슐형 담지체의 벽체를 구성하는 방법은 miniemulsion, suspension polymerization 등의 화학적 중합을 이용하는 방법과 emulsification-diffusion, ionic complex 등의 물리화학적 방법을 이용하는 것이 일반적이다. 지용성을 갖는 기능성 물질의 담체는 통상 지용성 고분자 등으로 구성되어야 캡슐 내부에 담지하는 것이 가능하며, 폴리스티렌, 폴리비닐아세테이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 멜라민-포름알데히드, 요소수지, 실리카 등이 벽체 물질로 적용 가능하다. 수용성을 갖는 기능성 물질의 담체화는 같은 이유로 친수성 고분자 등을 적용해야 하며, 알지네이트, β-사이클로덱스트린, 젤라틴 등과 같이 생체 내에서 일어나는 칼슘포스페이트 반응을 통해 가교를 형성하는 방법과 키토산, 폴리비닐알코올, 히알루론산 등과 같이 물리화학적 겔화를 이용하는 방법 등이 고려되고 있다. 대부분의 저분자량의 물질은 고분자화가 되면 열안정성 등과 같은 특성이 개선되며, 기능성 물질의 고분자화는 와인 숙성 중에 일어나는 폴리페놀의 고분자화 반응에 기초하여 다양한 고분자화법을 개발하는 것이 가능하다. 또한 기능성 물질을 고분자 물질에 그라프트하여 기능성과 내구성을 향상시키는 방법도 가능한데, 라디칼계 개시제를 적용하는 화학적 도입법과 효소 촉매를 이용하여 도입하는 방법 등이 가능하다.

장기간의 기능성 유지를 위해서는 가공제의 release profile이 물리적 확산에 의존하는 zero-order를 보여야 하며, 이를 위해 △벽체 물질의 선정 및 조건 (두께, 확산성 등) △담지체 캡슐의 크기 및 분포, 그리고 △barrier 역할을 수행하는 M/B수지의 조성 및 특성을 고려하는 것이 필요하다. 물리적 확산에 의해서 일정량의 기능성 유효성분이 장기간에 걸쳐 균일하게 작용zero-order release할 수 있도록 하기 위해서는 원사 내부에서 기능성 물질의 확산 속도를 제어하기 위한 barrier 역할을 수행하는 M/B의 조성 및 특성 제어가 필수적이다.

화장품 기능을 갖는 유효성분을 외부 환경으로 보호할 수 있는 또 한 가지 방법은 무기담지체를 이용하는 것이다. 무기담지체는 1~30nm의 나노기공을 갖고 있으며, 비표면적이 600~1000m2/g을 갖는 나노다공성 물질로서, 제올라이트, 메조포러스실리카 (MCM-41, SBA-15, MSU) 등이 있으며, 기공의 배열 및 제조 공정에 따라 특성 및 적용범위가 다양하다. 특히, 제올라이트는 1nm 이하의 기공크기를 갖고 있어, 분자 수준의 큰 물질 담지에는 효과적이지 못한 문제점을 가지고 있다. 하지만 메조포러스 실리카 소재는 1992년 미국 Mobil에서 처음 만들어진 다공구조물로서, 기공크기가 2-5nm를 갖고 있어, 기존 제올 라이트 소재로는 불가능했던 금속촉매 및 기능성 물질의 담지를 가능케 하여 다양한 분야에 적용될 수 있는 다기능성 소재로 각광 받고 있다. 또한 섬유 복합화를 위해서는 무기담지체의 입도가 매우 중요한데, 제올라이트의 경우에는 5~100마이크로 크기를 가지고 있어 복합화가 어려운 반면에, 메조포러스 실리카는 1~3마이크로 크기를 가지고 있어 복합화 제형이 용이하다.

코스메틱 섬유 개발에 중요한 핵심 기술 중의 하나인 상기와 같은 담지체를 방사공정에 적용하기 위해 원사에 혼입이 가능하도록 담지체의 size를 1㎛ 이하로 제어할 수 있어야 하며, 방사 조건(260℃ 이상)에서 견딜 수 있는 내열성을 가져야 한다. 특히, 지속적으로 유효성분을 방출할 수 있는 방출제어 기술이 필요하다.

코스메틱 섬유 제품의 주요 기능은 착용함으로써 지방(셀룰라이트) 분해 촉진, 보습, 피부 탄력증진, 주름개선 등의 신뢰성 있는 미용효과를 부여하는 것으로 slimming & correcting panty, plumping bra, soothing sleeves, cleansing sock, moisturizing gloves, antiaging shirt, pillowcase, skin-care outdoor 등 다양한 제품에 적용이 가능하다.

이러한 코스메틱 섬유 원천 기술개발로 다양한 화장품의 기능을 섬유에 적용할 수 있어 향후 다양한 제품의 용도 전개가 가능할 것으로 보이며, 국내 화장품 기능 섬유 시장이 크게 활성화 될 것으로 보인다. 지방·셀룰라이트 분해 기능 섬유의 경우 슬리밍 이너웨어, 기능성 압박의류 및 스포츠웨어 제품 개발로 활용이 가능하고, 보습·탄력증진 기능 섬유의 경우 이너웨어뿐만 아니라 스킨케어 아웃도어 제품 개발에 활용이 가능하다. 화장품 기능 섬유의 경우 의류용뿐만 아니라 침구류 및 인테리어 내장제로도 활용이 가능할 것으로 보이고, 이러한 원천기술로 메디컬·헬스케어 분야로도 용도 전개가 가능할 것으로 기대된다.

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