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[최신연구] 바이오제닉스, 쿨링 신소재 'PCM 마이크로 캡슐레이션'

'생분해성 친환경 캡슐, 뛰어난 효능' 피부표면 온도조절 기능 스마트한 원료

# 열노화 타깃 신개념 쿨링 신소재 (특허출원 제10-2019-0124535호) 'PCM 마이크로 캡슐레이션'

 

1. 열노화 예방의 필요성

 

고령화, 액티브시니어의 부상, 건강증진과 웰빙에 대한 욕구 증대 등으로 인해 항노화 수요가 급증하고 있다. 세계적으로 항노화 관련 산업이 뚜렷한 성장세를 보이고 있으며 뷰티 업계에서도 항노화 관련 제품의 시장 규모가 성장하고 있다. 일반적으로 화장품에 서의 항노화는 aging, 자외선에 의한 광노화로 대표된다. 따라서 피부 주름개선과 자외선 차단 등에 부합하는 성분들이 항노화 화장품에 주로 적용되고 있다.

 

그러나 환경과 생활 방식 등이 점차 변화하며 새로운 개념의 피부 노화 원인들이 제시되고 있다. 수년 전부터 집중적으로 조명 받고 있는 원인 중 하나가 적외선에 의한 열노화이다.

 

일반적으로 정상적인 피부 표면온도는 31℃이다. 그러나 한여름 직사광선에 15분 이상 노출되면 우리 피부 온도는 41~43℃까지 상승한다. 피부온도가 올라가면 피부의 콜라겐 분해가 가속화되어 피부 탄력의 저하, 주름생성이 유발되고 광노화도 가속화되어 결과적으로 피부의 노화를 촉진시킨다.

 

그림1 노화의 원인과 열노화

 

 

이와 같은 열에 의한 피부 노화 촉진을 ‘열노화’라 하는데 열노화의 제공 원인은 비단 직사 광선에만 그치지 않는다. 넓은 범위로는 오존층의 파괴와 이로 인한 대기환경의 온난화가 있으며 쉽게 노출될 수 있는 일상생활권의 범위에서는 도시환경, 히터, 사우나, 주방의 열 등 적지 않은 빈도수로 우리 피부는 높은 열에 노출될 수 있다(그림1).

 

피부 온도 상승은 결국 노화를 야기시키는 많은 증상의 근본 원인이 된다. 열노화가 주목받기 시작하며 시장에는 피부 트러블을 일으키는 근본적인 원인을 케어하는 제품의 비율도 증가하고 있는 추세이다. 그러나 이와 같은 제품들의 효능은 일시적이거나 콘셉트에 그치고 있어 기술적으로 검증된 열노화 관련 소재의 개발이 필요한 상황이다.

 

2. 쿨링 신소재 PCM(Phase Change Materials, 상전이물질)


PCM(phase change material, PCM), 즉 상전이 물질은 끓는점, 녹는점과 같이 특정 온도에서 상변화해 물질의 온도 변화 없이 열을 방출하거나 흡수하는 물질이다. 물질의 상변화를 통한 열에너지 저장은 일반적으로 상변화 없이 물질의 온도가 변화하며 열에너지를 저장하는 방법보다 더 많은 양의 열에너지를 저장할 수 있다.

 

유기계, 무기계, 공융혼합물계로 구성된 PCM은 대표적으로 융해열이 높은 물질로 특정 온도에서 녹거나 굳으며 대량의 에너지를 저장하거나 방출한다. 또 기존의 축열재처럼 태양열을 흡수해 온도가 증가하나 열만 흡수하고 더 뜨거워지지 않아 인간이 편안하게 느끼고 전자기기를 허용하는 범위인 20℃에서 35℃ 이내에서 매우 효과적인 쿨링소재이다(그림2).

 

PCM은 다양한 형태의 미활용, 폐에너지를 잠열을 이용해 고농도로 저장해서 이용하며 자동차, 우주항공, 첨단무기, 전자 · 계측 · 통신기기, 핵융합로 냉각, 생물 · 생화학 물질의 보관 · 운반, 물리치료 의학기기 등의 첨단산업 분야와 태양열을 이용한 자연 에너지 이용 분야, 축열 · 축냉 등의 에너지 이용 분야, 레저용 선박, 수산업, 주방용품, 특수 의복 등의 생활산업 분야와 농,수,축산물의 생산과 저장, 유통 등의 식량산업 분야 등 다방면에서 응용되고 있어 산업적인 가치가 매우 큰 소재이기도 하다.

 

그림2 PCM의 작용 원리와 종류

 

 

온도조절 핵심소재 PCM은 미국항공우주국(NASA) 에서 우주항공 산업에 이용목적으로 처음 개발하고 미국 ‘Outlast’사에서 PCM microcapsule을 기능성 섬유에 적용한 이후로 국내외 섬유 산업 분야에서 활발하게 응용되어 수요가 광범위해졌다. 그러나 현재까지 개발된 PCM 소재들 대부분이 섬유를 포함한 생활소재 분야에 국한되어 있고 다양한 마이크로캡슐 벽재물질의 제안이나 벽재물질 변화에 따른 특성 비교 등에서는 연구가 미비한 상황이다.

 

3. PCM의 화장품 소재 적용


독자적인 캡슐화 기술을 보유하고 있는 (주)바이오제닉스는 신소재 PCM의 효율적인 쿨링효과에 주목했다. 기존에 쿨링 소재로 사용되고 있는 부탄, 프로판, 디메칠에텔 등의 액화가스와 에탄올, 변성알코올의 경우 피부에 뿌리면 액체에서 기체로 빠르게 증발이 일어나면서 피부의 열을 빼앗아가 순식간에 몇 도씩 낮아지는 효과에 시원함을 느낄 수 있으나 매우 일시적이다.

 

또 피부에 자극을 남기고 특히 다량의 알코올은 피부를 건조하게 만들어 콜라겐 합성을 저하시킬 수도 있다. 그러나 PCM의 쿨링 메커니즘을 화장품에 도입할 경우, 피부 표면에서의 쿨링효과는 물론 지속적인 피부 온도 조절 효과도 기대할 수 있어 혁신적인 열노화 예방 효과가 예상된다.

 

PCM을 화장품에 물리적으로 적용하기 위해서는 마이크로 캡슐 제조를 통한 캡슐화로 액체 상태에서의 누출을 방지하고 세탁, 드라이클리닝, 날씨로부터 보호하거나 제형 내에서 유출로 인한 변질, 안정성 감소를 차단하는 안정화 기술이 요구된다.

 

따라서 현재 기능성 생활소재 분야에서 광범위하게 사용되고 있는 PCM 마이크로 캡슐화 소재로 이들의 90% 이상은 멜라민이나 폴리우레탄과 같은 고분자소재를 벽재물질로 사용해 캡슐화되어 있다. 여기서 문제가 되는 부분은 바로 벽재물질로 해당 물질 들은 환경이슈가 제기되고 있는 성분들로 실제 인체에 사용하기에는 매우 한정적이며 미세플라스틱 이슈 등 높은 수준의 법적 규제가 요구되는 화장품 분야로의 적용은 거의 불가능하다.

 

독자적인 마이크로 캡슐화 기술을 보유하고 있는 (주)바이오제닉스는 혁신적인 쿨링 시스템을 갖고 있으나 상기 서술한 것과 같이 화장품 산업의 적용에는 한계가 있는 PCM의 화장품 원료화에 착수해 약 2년 여간의 연구 끝에 원료 개발을 완료했다.

 

(주)바이오제닉스에서 캡슐화에 성공한 1~30μm의 PCM 마이크로 캡슐의 차별화 포인트 첫번째는 생분해성의 친환경 캡슐이란 점이다. 상기 서술한 바와 같이 기존 산업용에 적용되는 PCM 캡슐의 벽재 물질은 인체 부적합성과 미세플라스틱 이슈 등으로 화장품 적용 자체가 불가했으나 (주)바이오제닉스의 PCM 캡슐은 생체적합성 벽재 물질들을 적용해 PCM을 캡슐화 함으로서 화장품 원료로의 적용을 가능하게 했다.

 

두번째 포인트는 뛰어난 효능이다. 원료의 쿨링 효과와 피부 자극의 최소화 등 화장품 소재로서의 필요 충분 조건들이 충족되도록 개발된 쿨링 신소재 PCM 마이크로 캡슐은 주변의 열에 의해 피부 표면 온도를 조절하고 지속적인 온도 조절 기능을 갖는 시스테믹하면서도 스마트한 원료이다. 그림3은 PCM 마이크로 캡슐 원료의 쿨링 효과를 테스트한 자료이다.

 

그림3 PCM 마이크로 캡슐 원료의 쿨링 효과

 

 

화장품 원료로 개발된 PCM 마이크로 캡슐은 ‘자동온도조절 기능을 갖는 코어-쉘 PCM 마이크로캡 슐과 이를 포함하는 피부외용 쿨링 화장료 조성물’이라는 타이틀로 2020년 국내 특허출원(특허출원 제 10-2019-0124535호)과 국제 특허출원 (PCT)을 마친 상태이다(그림5).

 

4. PCM 활용한 항노화 화장품과 기능성 생활용품 시장 성장 가능성

 

그림4 PCM 캡슐의 응용 제품군

 

 

국내외적으로 항노화 시장과 기능성 생활소재 산업의 가파른 성장에 맞춰 복합적인 기능성을 겸비한 기능성 소재들의 개발이 활발히 이뤄지고 있다. PCM 마이크로 캡슐은 화장품 원료로서 이제 첫 발을 내 딛지만 향후 화장품 산업에서의 활용, 그리고 다양한 산업 분양의 응용 가능성 모색을 통해 한 가지 소재로 화장품 시장과 생활용품 시장의 동시 공략이 가능한 기술적 우위의 원료로 거듭날 것으로 예상된다.

 

국내외적으로 항노화 시장과 기능성 생활소재 산업의 가파른 성장에 맞춰 복합적인 기능성을 겸비한 기능성 소재들의 개발이 활발히 이뤄지고 있다. PCM 마이크로 캡슐은 화장품 원료로 이제 첫 발을 내딛지만 향후 화장품 산업에서의 활용, 그리고 다양한 산업 분양의 응용 가능성 모색을 통해 한 가지 소재로 화장품 시장과 생활용품 시장의 동시 공략이 가능한 기술적 우위의 원료로서 거듭날 것으로 예상된다.

 

그림5 ‘자동온도조절 기능을 갖는 코어-쉘 마이크로캡슐의 제조방법’ 특허증

 

 

문의처
(주)바이오제닉스 www.biogenics.co.kr

주소 : 본사 | 34036 대전광역시 유성구 테크노 11로 40

영업사무소 | 13466 경기도 성남시 분당구 운중로 146 젬벡스타워 402호

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