기획특집: 화장품 기술 트렌드 · 기획특집: 화장품 기술 트렌드 14...

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KIC News, Volume 13, No. 4, 2010 11 최근 화장품 산업의 신소재 개발 연구 김 도 훈이 수 진이 현 석오 성 근*강 학 희김 진 웅 아모레퍼시픽 기술연구원, *한양대학교 화학공학과 Development of Advanced Functional Materials in Cosmetic Industry Do-Hoon Kim, Soo-Jin Lee, Hyunsuk Lee, Seong-Geun Oh*, Hak-Hee Kang, and Jin-Woong Kim Amore-Pacific Co. R&D Center, Gyeonggi-do 449-729, Korea *Department of Chemical Engineering, Hanyang University, Seoul 133-791, Korea Abstract: 미에 대한 관심이 높아지면서, 최근 급성장 하고 있는 화장품 산업의 연구 개발현황을 소재 기술 중심으로 살펴보았다. 화장품은 유기화학, 무기화학, 생화학, 조직공학, 계면화학, 재료공학 등 다양한 학문분야의 융합에 의하 여 개발된다. 보통, 이런 학문들의 기술적 진보를 화장품 산업이 선행적으로 상용화하는 경향이 있다. 특히, 최근에항노화, 미백, 자외선, 항염, 비만과 같은 고기능성 제품들이 이슈화되어가고 있어, 이들 제품들이 요구하는 효능을 발현하는 소개기술의 진보가 이루어져야 한다. 따라서, 본 기획특집에서는 천연물 소재, 지질 소재, 친환경 소재, 유체 소재를 중심으로 최근 화장품 신소재 기술에 대하여 소개하고자 한다. Keywords: cosmetic materials, supercritical CO2, lipid assembly, natural actives, microfluidics 1. 서 1) 최근 미에 대한 관심이 높아지면서, 화장품 시 장이 매년 급성장을 하고 있으며, 이러한 시장 성 장은 화장품 기술의 비약적 발전에 기반을 두고 있다. 미용을 목적으로 하는 기존 접근도 확대되 어가고 있고, 질병의 예방과 치료의 개념이 도입 된 고기능성, 다기능성을 발휘하는 미백, 주름개 , 자외선 차단, 항염, 비만 등과 같은 기능성 화 장품들 또한 최근 급속도로 성장하고 있다. 이러 한 화장품 산업의 변화 발전에 맞추어 신소재와 신기술의 개발, 타 산업과 기술 융합을 통한 새로 운 개념의 화장품들이 지속적으로 시장에 나타나 고 있다. 국내 화장품 기술발전은 1960년대부터 시작되 었다고 할 수 있다. 당시, 화장품 기술은 화장품 제조에 초점이 맞춰져 대부분 진행되었으며, 특히 유화와 관련된 계면연구가 주력이었다. 초기, 유화 주저자 (E-mail: [email protected]) 제를 사용하여 제품의 분산 안정도를 높여 주는 연구, 제조 공정 제어 연구, 사용감을 개선하는 연 구가 주로 이루어졌다. 1980년대에는 피부에 노 , 미백에 대한 관심이 매우 높아졌으며, 이를 해 결하고자 하는 연구가 많이 진행되었다. 생물학적 방법을 통한 효능소재 개발과 이를 효율적으로 피 부에 전달하기 위하여, liposome과 같은 encapsu- lation 기술이 도입된 제품들이 출시되었다. 1990 년대 들어, 보다 효능 지향적인 제품들이 출시되 었으며, 보습, 보호 기능에 더하여 미백, 주름 예방 등 유효성이 중요시되었다. 이러한 효능을 갖기 위하여 vitamin 및 천연 추출물 등을 포함하는 다 양한 소재 개발이 이루어졌으며, 이러한 성분들을 제품 내에서 안정화시키고 피부에 효과적으로 흡 수시킬 수 있는 제재기술 개발에 많은 노력이 집 중되었다. 21세기에 들어 화장품 산업의 기술은 피부과학 분야에서는 노화억제, 멜라닌생성 억제, 탈모, 드름, 피부자극 완화 등의 연구가 활발히 진행되 기획특집: 화장품 기술 트렌드

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Page 1: 기획특집: 화장품 기술 트렌드 · 기획특집: 화장품 기술 트렌드 14 공업화학 전망, 제13권 제4호, 2010 Figure 4. 바이플라보노이드에 의한 휴먼

KIC News, Volume 13, No. 4, 2010 11

최근 화장품 산업의 신소재 개발 연구

김 도 훈⋅이 수 진⋅이 현 석⋅오 성 근*⋅강 학 희⋅김 진 웅†

아모레퍼시픽 기술연구원, *한양대학교 화학공학과

Development of Advanced Functional Materials in Cosmetic Industry

Do-Hoon Kim, Soo-Jin Lee, Hyunsuk Lee, Seong-Geun Oh*, Hak-Hee Kang, and Jin-Woong Kim†

Amore-Pacific Co. R&D Center, Gyeonggi-do 449-729, Korea

*Department of Chemical Engineering, Hanyang University, Seoul 133-791, Korea

Abstract: 미에 대한 관심이 높아지면서, 최근 급성장 하고 있는 화장품 산업의 연구 개발현황을 소재 기술 중심으로

살펴보았다. 화장품은 유기화학, 무기화학, 생화학, 조직공학, 계면화학, 재료공학 등 다양한 학문분야의 융합에 의하

여 개발된다. 보통, 이런 학문들의 기술적 진보를 화장품 산업이 선행적으로 상용화하는 경향이 있다. 특히, 최근에는

항노화, 미백, 자외선, 항염, 비만과 같은 고기능성 제품들이 이슈화되어가고 있어, 이들 제품들이 요구하는 효능을

발현하는 소개기술의 진보가 이루어져야 한다. 따라서, 본 기획특집에서는 천연물 소재, 지질 소재, 친환경 소재, 유체

소재를 중심으로 최근 화장품 신소재 기술에 대하여 소개하고자 한다.

Keywords: cosmetic materials, supercritical CO2, lipid assembly, natural actives, microfluidics

1. 서 론

1)

최근 미에 대한 관심이 높아지면서, 화장품 시

장이 매년 급성장을 하고 있으며, 이러한 시장 성

장은 화장품 기술의 비약적 발전에 기반을 두고

있다. 미용을 목적으로 하는 기존 접근도 확대되

어가고 있고, 질병의 예방과 치료의 개념이 도입

된 고기능성, 다기능성을 발휘하는 미백, 주름개

선, 자외선 차단, 항염, 비만 등과 같은 기능성 화

장품들 또한 최근 급속도로 성장하고 있다. 이러

한 화장품 산업의 변화 발전에 맞추어 신소재와

신기술의 개발, 타 산업과 기술 융합을 통한 새로

운 개념의 화장품들이 지속적으로 시장에 나타나

고 있다.

국내 화장품 기술발전은 1960년대부터 시작되

었다고 할 수 있다. 당시, 화장품 기술은 화장품

제조에 초점이 맞춰져 대부분 진행되었으며, 특히

유화와 관련된 계면연구가 주력이었다. 초기, 유화

†주저자 (E-mail: [email protected])

제를 사용하여 제품의 분산 안정도를 높여 주는

연구, 제조 공정 제어 연구, 사용감을 개선하는 연

구가 주로 이루어졌다. 1980년대에는 피부에 노

화, 미백에 대한 관심이 매우 높아졌으며, 이를 해

결하고자 하는 연구가 많이 진행되었다. 생물학적

방법을 통한 효능소재 개발과 이를 효율적으로 피

부에 전달하기 위하여, liposome과 같은 encapsu-

lation 기술이 도입된 제품들이 출시되었다. 1990

년대 들어, 보다 효능 지향적인 제품들이 출시되

었으며, 보습, 보호 기능에 더하여 미백, 주름 예방

등 유효성이 중요시되었다. 이러한 효능을 갖기

위하여 vitamin 및 천연 추출물 등을 포함하는 다

양한 소재 개발이 이루어졌으며, 이러한 성분들을

제품 내에서 안정화시키고 피부에 효과적으로 흡

수시킬 수 있는 제재기술 개발에 많은 노력이 집

중되었다.

21세기에 들어 화장품 산업의 기술은 피부과학

분야에서는 노화억제, 멜라닌생성 억제, 탈모, 여

드름, 피부자극 완화 등의 연구가 활발히 진행되

기획특집: 화장품 기술 트렌드

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기획특집: 화장품 기술 트렌드

12 공업화학 전망, 제13권 제4호, 2010

고 있으며, 소재 분야에서는 효능을 가지는 천연

성분과 새로운 효능을 가지는 신물질 및 유도체

합성이 활발히 진행되고 있다[1,2]. 현재 당귀, 인

삼 등으로부터 얻은 한방 식물추출물[3,4]과 카모

마일, 장미 등으로부터 얻은 식물 추출물들이 널

리 사용되고 있으며, 각질세포간 지질성분인 세라

마이드와 같은 바이오분자도 상용화되어 사용되

고 있다. 또한 이렇게 개발된 효능성분을 피부에

흡수시키기 위한 약물 전달기술, 불안정한 효능물

질을 안정화시키는 기술 및 난용성 효능물질을 가

용화시키는 제형 기술들이 유체 및 나노기술과 접

목되어 발전되고 있으며, 제품에 활용되고 있다.

본문에서는 현재 화장품산업에서 연구되고 있

는 새로운 소재기술을 중심으로 기술할 것이며,

특히 천연유래 효능소재, 지질성분 안정화, 친환경

공법을 통한 제형 소재 및 유체 기술을 이용한 다

양한 신소재 등에 대하여 집중하여 최근 연구를

소개한다.

2. 본론

2.1. 천연유래 효능성분

생체친화형 바이오기술이 녹색성장을 위한 원

천기술로 각광받으면서, 천연으로부터 유래된 신

효능을 발굴하고자 하는 노력이 더욱 심화되고 있

다. 천연유래 성분은 화학공정이 배제되고 피부친

화력이 강하기 때문에 이들로부터 보다 피부생리

활성을 강화하거나 피부를 외부유해환경으로부터

보고하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

이러한 기술 트렌드는 화장품 산업에서 천연물로

부터 바이오 핵심성분을 얻어 피부과학적인 신효

능을 추구함으로써 보다 자연친화적이고 안전한

제품을 고객들에게 전하고자 한다. 최근 이슈가

되고 있는 천연물 효능성분을 예를 들어 설명하

며, 그 개발과정 및 효능결과에 대한 실질적인 의

미를 찾고자 한다.

2.1.1. 판두라틴(Panduratin)

자무(JAMU)는 인도네시아어로 ‘허브(Herb)’를

Figure 1. 판두라틴 A의 분자구조.

뜻하는 말로, 인도의 ‘아유르베다(Ayurveda)’, 한

국의 ‘한의학’과 같이 인도네시아에서 오래 전부

터 전해 내려오는 전통 의학이다. 인도네시아에는

자무 처방만을 전문으로 하는 병원과 레스토랑이

있을 정도로 자무 테라피는 대중적이면서도 그 효

과가 잘 알려져 있다. 생약을 이용한 건강 관리법

이라는 측점에서 한의학과 유사한 면이 많지만,

일부다처제의 사회 제도 때문에 상당수의 처방이

아름다움과 관련되어 있다는 점은 특이하다. 따라

서, 자무 기반의 인도네시아 천연물을 미용적인

응용의 면과 피부생리 강화의 면에서 매우 매력적

이라고 할 수 있다.

판두라틴(Kaempferia pandurata)은 인도네시아

어로 ‘Temu Kunci’라 불리는 자무 유래 약용 식

물이며 항염제, 지사제, 이뇨제 등으로 사용되는

천연물로 panduratin A, isopanduratin A, 4-hydroxy-

panduratin A 등의 효능 성분이 풍부하다(Figure

1)[1]. 이 식물로부터 분리한 panduratin A는 바이

오필름(biofilm)을 형성하는 세균으로 알려진 Strep-

tococcus mutans, Streptococcus sanguis, Actino-

myces viscosus 등에 대하여 바이오필름 형성 예

방 및 제거 효과가 있다. 판두라틴 A는 최소저지

농도(MIC, Minimal Inhibitory Concentration; 1

ug/mL)의 8배 농도에서 24시간 후에 50% 이상의

바이오필름 형성 억제 효과를 나타내며, 바이오필

름과 함께 배양 시 MIC의 10배 농도에서 15분이

지나면 50%의 바이오필름 제거 효과를 발현한다

[5]. 또한 여드름의 원인균으로 알려진 Pseudomo-

nas acne에 대하여 panduratin A의 MIC는 2 ppm

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최근 화장품 산업의 신소재 개발 연구

KIC News, Volume 13, No. 4, 2010 13

Compounds 멜라닌 합성 (IC50, uM)a

티로시나아제 활성 (IC50, uM) 세포 활성 (IC50, uM)

Isopanduratin A 10.64 10.5 35.9

4-Hydroxypanduratin A 23.25 >30 56.4

Phenylthioureab

34.32 47.6 >1000

a50% inhibitory concentration;

b양성 대조 물질

Table 1. Melan-a 세포에서 Isopanduratin A와 4-Hydroxypanduratin A에 의한 활성 평가

Figure 2. 권백(Selaginella tamariscina) (출처: Encyber 두

산백과사전).

으로, 화장품 및 의약품에서 여드름 억제제로 사

용되는 트리클로산(triclosan)의 MIC가 30 ppm인

점을 감안하였을 때 월등히 우수한 효능을 보이는

것으로 확인되었다[6]. 또한 isopanduratin A와

4-hydroxypanduratin A는 마우스 멜라노사이트인

melan-a cell에서, 양성 대조 물질인 phenylthio-

urea보다 더 낮은 농도에서 효과적인 티로시나아

제(tyrosinase) 활성 억제 작용을 보여(Table 1), 피

부 미백 효능 물질로서의 이용 가치 또한 높은 것

으로 생각된다[7].

2.1.2. 아멘토플라본(Amentoflavone)

권백(卷栢)은 Selaginellaceae과에 속하는 약용

식물로서, 부처의 손을 닮은 독특한 생김새 때문

에 ‘부처손’이라고도 불리며, 학명은 Selaginella

tamariscina이다(Figure 2). 제주도와 울릉도, 고산

지대의 건조하고 서늘한 바위 표면에서 자라는 상

록다년초로서 한방에서 혈변, 혈뇨, 항문탈장 등을

치료하기 위해 사용되어 왔고, 최근에는 혈당 강

Figure 3. 권백으로부터 분리된 바이플라보노이드; (1)

2',8''-biapigenin, (2) sumaflavone, (3) taiwaniaflavone, (4)

amentoflavone, (5) robustaflavone.

하, 항염 효과 등이 알려지면서 권백의 효능 성분

에 대한 관심이 높아졌다[8].

권백의 메탄올 추출물에는 다양한 바이플라보

노이드(biflavonoid) 성분이 풍부하게 존재하며

(Figure 3), 이 성분들은 피부에서 세포외 기질을

이루는 콜라겐과 엘라스틴의 분해를 촉진하여 피

부에 주름을 유발하는 matrix metalloproteinase-1

(MMP-1)에 대한 강력한 억제 활성을 가진다(Figure

4)[9]. 특히 아멘토플라본은 MMP-1 효소 발현 억

제 효능뿐만 아니라 지질 과산화(lipid peroxi-

dation) 억제에 의한 강력한 항산화 작용을 나타냄

과 동시에, nuclear factor-kappa B (NF-kB) 활성

억제를 통한 cyclooxygenase-2 (COX-2) 발현 감

소를 유도하여 염증을 억제하는 효과도 우수한 것

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기획특집: 화장품 기술 트렌드

14 공업화학 전망, 제13권 제4호, 2010

Figure 4. 바이플라보노이드에 의한 휴먼 진피 섬유아세포

의 MMP‐1 발현 변화 (1) 2',8''-biapigenin, (2) sumaflavone,

(3) taiwaniaflavone, (4) amentoflavone, (5) robustaflavone.

으로 확인되었다[10,11].

2.1.3. 실리마린(Silymarin)

실리마린은 밀크 시슬(Milk thistle, 엉겅퀴)의

열매 및 씨에 존재하는 폴리페놀 분획으로, 70∼

80%의 flavonolignan과 20∼30%의 폴리페놀 플

라보노이드 성분으로 구성되어 있다. Flavonolig-

nan mixture의 주성분은 실리빈(silybin)이며(Figure

5), 생물학적 활성이 가장 큰 성분은 이소실리빈

(isosilybin)과 실리크리스틴(silychristin), 실리디

아민(silydianin) 등이다[12]. 밀크 시슬은 Aster-

aceae과에 속하는 다년생 식물로 간 세포 및 조직

에 대한 보호 효능이 뛰어나, 유럽에서는 2천년 전

부터 전통 약재로 널리 사용되어온 천연물이며,

학명은 Silybum marianum (L.) Gaertn.이다[13].

실리마린 성분은 사람의 표피세포에서 자외선

에 의해 나타나는 산화적 손상을 감소 또는 예방

하는 효능을 발현한다. HaCat 케라티노사이트 세

포주에 20 J/cm2의 UVA를 조사하고 0.7∼34 mg/L

의 실리마린을 농도별로 처치하면, 4시간 후에

GSH, ROS level, caspase-3와 같은 세포의 산화적

손상 지표의 수치를 농도 의존적으로, 유의성 있

게 변화시킨다[14]. 특히 실리비닌(silybinin) 성분

은 UVB에 의한 MAPKs (Mitogen-Activated Protein

Kinases)와 Akt의 인산화를 억제하여 SKH-1 마우

스의 피부에서 피부암의 발생을 억제한다[15]. 또

한 28.2 ug/mL의 실리마린 처치 시, 세포 활성에

영향을 주지 않으면서도 멜라닌 형성 작용(Mela-

nogenesis)의 반응 속도 제한 효소(rate‐limiting

enzyme)인 티로시나아제(tyrosinase)를 유의적으

Figure 5. 실리빈의 분자구조.

로 억제하여 멜라닌 합성을 감소시키고 피부 미백

작용을 나타낸다[16]. 뿐만 아니라 피부에 화학적

자극 반응을 유발하는 2,4-dinitrochlorobenzene

(DNCB)의 도포에 의한 자극성 접촉 피부염

(irritant contact dermatitis) 증세를 실리마린이 유

의적으로 완화시키는데, 이는 실리마린이 피부 염

증 질환의 치료 및 예방 효능 물질로서의 적용 가

능성도 높다는 사실을 시사한다[17].

2.2. 친환경 합성공법

2.2.1. 친환경 합성공법

최근 환경에 대한 사회전반의 관심이 높아지고,

제품 안정성에 대한 소비자의 요구가 갈수록 거세

어지고 있는 상황에서 인체친화성 제품 및 친환경

제조 기술이 크게 주목을 받고 있다. 화장품의 주

요 원료인 고분자를 제조하는 공정에서도 유해한

유기 용매의 사용을 줄이고자 다양한 공법들이 시

도되고 있으며, 초임계 유체기술이 그 중에서도

가장 활발히 연구가 진행되고 있다. 그동안 초임

계 유체기술은 주로 식물에서 원하는 물질을 추출

해내는 용매로써 가장 많이 사용되어 왔지만, 최

근에는 고분자 합성과 제조 공정에 적용할 수 있

는 친환경 용매로써 그 잠재적 성능이 크게 강조

되고 있고 단지 이산화탄소의 친환경적인 특징 이

외에도 기존의 공법으로는 구현하기 어려웠던 고

분자의 새로운 특성들이 초임계 유체 공정에서 가

능하다는 점이 큰 장점으로 부각되고 있다[18-25].

2.2.2. 초임계공법의 우수성

초임계 유체는 고분자 제조 공정에서 다음과 같

이 크게 세 가지의 이점을 가지고 있다. 첫째, 고

분자 중합 반응 이후에 간단한 감압에 의해서 건

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최근 화장품 산업의 신소재 개발 연구

KIC News, Volume 13, No. 4, 2010 15

Figure 6. 초임계 계면활성제.

조 상태의 고분자를 회수할 수 있다는 점이다. 최

종산물로부터 잔존 용매를 제거하는 과정에서 발

생하는 막대한 에너지를 절약할 수 있으며, 화장

품이나 바이오 분야에서 특히나 민감한 오염이나

잔여 솔벤트가 없는 고순도의 물질의 제조를 가능

케 한다[20,21]. 두 번째로 초임계 이산화탄소의

밀도를 조절하여 고분자에 대한 용해도를 조절할

수 있다는 점으로, 이산화탄소/고분자 용액에서

단순한 압력 변화로 원하는 분자량의 고분자만 선

택적으로 침전시키거나 분획이 가능하다. 마지막

으로, 초임계 이산화탄소는 높은 확산도를 가지고

있어서 고분자 사슬 사이로 침투가 용이하다는 장

점이 있다. 다양한 고분자의 가소화가 가능하고

유리전이 온도를 크게 감소시킴으로써 고분자 기

질을 액화시키는데 도움을 준다. 폴리스티렌[26],

폴리메틸메타크릴레이트[27], 폴리바이닐아세테이

트[28], 폴리카보네이트[29] 등의 다양한 고분자

기질에 대하여 초임계 이산화탄소의 가소화 효과

에 대한 많은 연구들이 진행되어 왔으며, 고분자

블렌딩과 고분자 함침과 같은 프로세스에도 효과

적으로 사용되고 있고, 다공성 물질이나 고분자폼

의 제조에도 널리 응용되고 있다[21,30-32].

2.2.3. 초임계 이산화탄소를 이용한 고분자합성

초임계 이산화탄소는 화학적으로 무반응성을

가지고 있어서 고분자 라디칼 분산중합의 매개체

로 크게 활용되고 있다. 초임계 조건에서 성공적

인 분산중합을 위해서는 이산화탄소에 높은 용해

력을 지니는 효과적인 고분자 계면활성제의 사용

이 불가피 하게 된다. 이러한 계면활성제의 설계

와 개발에 관하여 많은 연구가 진행되고 있으며,

초임계 이산화탄소에 녹는 성공적인 계면활성제

들이 다양하게 보고되고 있다[18,20,21]. 기존의

유기용매용 계면활성제의 경우와 유사하게, 초임

계용 계면활성제는 이산화탄소에 녹는 CO2-philic

블록과 고분자에 흡착하는 polymer-philic 블록으

로 이루어져 있으며, CO2-philic 부분이 고분자입

자의 바깥부분에서 초임계 상으로 가지를 펼쳐 성

장하는 입자를 안정화시키는 역할을 하게 된다

(Figure 6). 유기용매용 계면활성제들을 다양하게

스크리닝한 결과, 불소나 실리콘을 포함한 고분자

들이 이산화탄소에 높은 용해력을 지니고 있다는

사실이 알려지면서 폴리스티렌이나 폴리메틸메타

크릴레이트의 분산중합에 효과적인 안정화제로

폭넓게 사용되어 왔다[18,33-37]. 이러한 CO2-

soluble한 계면활성제들은 호모폴리머, 블록코폴

리머, 랜덤코폴리머, 그라프트 코폴리머 등과 같은

다양한 구조로 합성되어 분산제로써 우수한 성능

을 보여주었다. Poly(FOA)나 PDMS-mMA와 같

은 적절한 계면활성제를 사용하여 Figure 7에서와

같이 다양한 모노머들의 초임계 분산중합이 가능

하게 되었으며, 구형의 고른 형상을 지닌 미세 파

우더 입자들이 제조되었다[38].

2.2.4. 블록공중합체 기반 초임계 안정화제

Canelas 그룹에서 처음으로 불소를 함유한 블록

코폴리머 형태의 계면활성제인 PS-b-PFOA를 합

성하여 초임계에서 분산안정제로써의 성능을 시

험하였다[39]. 양쪽친화성 코폴리머의 사용으로

폴리스티렌 입자를 안정적으로 분산시키는데 성

공하여 90% 이상의 수율로 미세입자 제조가 가능

하였으며, 추가 연구를 통해 입자의 크기 및 입도

분포가 블록 코폴리머의 속성과 블록비율에 의존

한다는 사실을 발견하였다. 2000년에는 Shiho 그

룹에서 PFOMA와 PS로 이루어진 랜덤 코폴리머

형태의 계면활성제를 초임계 분산중합에 도입하

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기획특집: 화장품 기술 트렌드

16 공업화학 전망, 제13권 제4호, 2010

Figure 7. 초임계 유체 내에서 중합 가능한 모노머.

여 마이크로 사이즈의 미세입자를 제조하는데 성

공하였고(Figure 8A)[37], 2003년에는 Yuvaraj 등

이 실리콘을 함유한 랜덤 코폴리머인 poly(SiMA-

co-DMAEMA)를 합성하여 초임계에서 PMMA

파우더를 합성하였다(Figure 8B)[40]. 이와 같이

불소계와 실리콘계 고분자들이 CO2-philic한 계면

활성제를 제조하는데 널리 사용되어 왔지만, 가격

이 비싸다는 면이 단점으로 지적되면서 경제성 측

면에서 초임계 중합공정의 상업화에 가장 큰 걸림

돌이 되고 있다[41]. 이러한 배경에서 최근에는 순

수 탄화수소로만 이루어진 경제적이면서도 친환

경적인 계면활성제의 연구가 초임계 유체기술 분

야에서 가장 큰 이슈로 떠오르고 있다.

현재까지 보고된 탄화수소 고분자 중에서는 폴

리비닐아세테이트(PVAc)가 이산화탄소에 가장 잘

녹는 물질로 알려져 있으며, 아세테이트 그룹이

이산화탄소와의 우호적인 상호작용에 의해서 높

은 용해력을 보인다는 분석결과들이 발표되었다

[42]. Woods 등이 처음으로 PVAc를 포함한 탄화

수소 계면활성제 연구를 시작하여, 다양한 종류의

코폴리머 형태의 계면활성제를 합성하고 성능을

A B

Figure 8. 초임계 분산 중합을 위한 고분자 안정화제: (A)

PS-co-PFOMA 안정화제 및 PS 입자. (B) Poly(SiMA-co-

DMAEMA) 안정화제 및 PMMA 입자.

평가하였다[43]. 수율이나 입자형성 부분에서 어

느 정도 향상된 결과를 보였으나 파우더 형태의

미세입자를 얻는 데는 성공하지 못하였다. 2008년

에 이르러서야 RAFT 공법을 도입하여 탄화수소

계면활성제를 분자량별로 균일하게 합성하였고,

분산중합을 통하여 초임계 조건에서 생체적합성

고분자인 폴리비닐피롤리돈(PVP) 파우더를 제조

하는데 성공하였다(Figure 9)[44].

2.2.5. 초임계 기술의 산업적 잠재력

순수 탄화수소만으로 이루어진 친환경적인 계

면활성제가 상업화에 성공한다면, 불소계 고분자

보다 10∼100배 이상의 경제적인 이득을 가져올

수 있고, 초임계 기술의 성능향상과 친환경 고분

자 제조기술의 발달에 막대한 영향을 끼칠 것으로

예상해볼 수 있다. 초임계 공정을 사용하였을 시

유기용매의 사용을 배제할 수 있어 소비자에게 보

다 안전성이 강화된 제품의 전달이 가능하다. 또

한 저렴한 계면활성제를 활용하여 다양한 기능의

고분자 소재의 설계와 개발이 가능하다는 측면에

서 바이오, 의약분야 및 화장품 산업에서의 경쟁

력과 파급효과가 상당할 것으로 기대가 되며, 친

환경 고분자 제조 기술에 관한 지속적인 관심과

더불어 그 응용 가능성과 상업화에 대한 면밀한

검토가 필요할 것으로 본다[42].

2.3. 지질에 대한 피부과학적 연구

2.3.1. 지질의 역할

피부의 최외각에 있는 각질층은(stratum corneum)

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최근 화장품 산업의 신소재 개발 연구

KIC News, Volume 13, No. 4, 2010 17

Figure 9. 탄화수소 계면활성제를 이용하여 제조된 PVP

입자.

피부로부터의 수분 증발뿐만 아니라 외부 환경의

자극으로부터 보호하는 표피막(epidermal barrier)

을 제공한다. 각질층이 없을 경우 수분손실이 100

배 이상 증가될 정도로 매우 중요한 역할을 한다

[45,46]. 각질층의 장벽기능은 각질층 세포 사이에

존재하는 지질 이중층들의 고차원적이 배열구조

에 기인한다[47,48]. 지질 이중층(lipid bilayer)의

자발적 회합체의 메커니즘과 그들의 물리화학적

성질은 매우 중요하게 연구가 진행되어 왔다[49].

각질 세포간 지질로 구성된 라멜라상은 세라마이

드, 콜레스테롤, 자유 지방산 및 cholesteryl ester

등으로 구성되어 있으며, 그들 가운데 세라마이드

는 라멜라 생성뿐만 아니라 라멜라상의 구조적 안

정성에 매우 중요한 역할을 하고 있다[50]. 세라마

이드는 사람의 각질세포간 지질성분 중 40% 정도

를 구성하고 있으며, 그들은 각질층의 장벽 기능

에 매우 중요한 역할을 하고 있다[51,52]. 자연에

존재하는 세라마이드는 불행하게도 매우 소량존

재를 하기 때문에 비용적인 측면 때문에 산업적으

로 널리 사용할 수가 없었다. 그래서 좀더 싸고 쉽

게 이용하기 위해 많은 연구자들은 합성 유사 세

라마이드를 개발했으며, 화장품 및 의약품에 피부

수분 손실을 억제하는데 이용되어 왔다[53,54].

2.3.2. 지질의 거동

세라마이드는 보습이라는 관점에서 화장품 및

Figure 10. (A) Octanoic acid (25 wt% ceramide)/water/

C8G1 상평형도, (B) Octanoic acid (25 wt% ceramide)/water/

C8G1로 제조된 라멜라 구조체의 편광 이미지.

의약품 분야에서 매우 중요한 소재로 평가받고 있

다. 하지만 실제적으로 제품에 적용 시 제형 내에

서 세라마이드는 γ-crystal 구조로 변하기 때문에

매우 소극적으로 사용되어 왔으며, 이를 해결하기

위해서는 세라마이드로 구성된 매우 안정한 라멜

라상 개발이 필요하며, 이를 이용한 제형적 접근

이 필요하다. 그래서 세라마이드를 화장품 제형

내 효과적으로 사용하기 위하여 다양한 형태의 라

멜라 상을 만들며, 이를 이용하여 에멀전 및 리포

좀을 제조하는 연구가 진행되어 왔다. Figure 10A

은 세라마이드를 octanoic acid에 녹인 n-octyl-β-

glucoside/water/octanoic acid의 삼성분계 상거동

관찰한 결과를 보여준다. 실온에서 itration 방법을

이용하여 상거동과 라멜라 상 형성 유무를 관찰할

결과, O/W (L1), W/O (L2) 마이크로에멀젼, 라멜

라 영역 및 두상이 존재하는 영역이 확인되었다.

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기획특집: 화장품 기술 트렌드

18 공업화학 전망, 제13권 제4호, 2010

Figure 11. Ceramide PC104/CholEO20/water의 부분 상평형

도 (EM: Emulsion, M: Micellar phase).

세라마이드의 amido carbonyl 그룹과 octanoic acid

의 carboxyl 그룹이 수소결합을 하기 때문에 Octa-

noic acid와 함께 존재하는 세라마이드는 안정한

라멜라 상을 형성한다. 라멜라 상에 물을 첨가하

여 만든 에멀젼은 전형적인 라멜라 구조를 형성한

다(Figure 10B). 에멀젼은 maltese cross 패턴을 보

여주며, 이것은 에멀젼이 다층 라멜라구조(multi-

lamellar structure)를 가지기 때문이다. 라멜라 상

을 형성하는 에멀젼은 세라마이드를 약 13% 이상

포함하고 있으며, 매우 균일한 입자 사이즈를 가

지고 있다[55]. 세라마이드를 극성 오일 등에 용해

시켜 라멜라 구조체를 만들어 분산하는 방법들이

많이 사용되어 왔지만, 세라마이드와 계면활성제

만을 이용하여 라멜라상을 만들고 이를 이용하여

안정한 에멀전을 만드는 방법을 개발하였다.

Figure 11은 세라마이드/ChoEO20 (polyoxyethyl-

ene cholesteryl ether)/물의 삼성분계 상거동 관찰

결과를 나타내며, titration 방법을 이용해 실험하

였고, 마이셀(M)과 에멀전(E) 영역만이 존재함을

확인하였다. 세라마이드를 에멀젼에 약 10% 정도

포집할 수 있었다. 세라마이드의 amido carbonyl

그룹과 계면활성제의 POE 그룹은 물 존재 하에서

수소결합을 통해서 안정한 라멜라상을 형성하고

다시 물을 첨가함으로써 매우 작고 균일한 입자를

얻는다[56].

Figure 12. (A) Dehydration/rehydration 방법에 대한 모식

도, (B) ceramide PC104/cholesterol/stearic acid로 구성된

리포좀의 cryo-TEM 이미지.

2.3.3. 지질의 리포좀화

최근의 연구는 각질층과 가장 유사한 형태의 세

라마이드를 함유한 라멜라 구조체를 제조하고 사

용하는데 집중되고 있다. 세라마이드/지방산/콜레

스테롤 혼합물의 상거동을 통해 구조적으로 매우

안정한 α 형태의 라멜라 구조를 갖는 조성을 발견

해냈으며, 이는 실제 피부의 각질 세포간지질들의

구조와 조성이 매우 유사하다는 결과를 얻었다.

이렇게 세라마이드/지방산/콜레스테롤의 혼합물로

만들어진 라멜라 구조체는 dehydration/rehydra-

tion 방법을 이용해 매우 균일한 리포좀을 형성한

다. 제조된 리포좀은 매우 안정하고 균일하다(Figure

12)[57]. 피부에서 효능적으로 가치가 매우 높지

만, 극도로 낮은 용해도로 인하여 그 사용에 많은

제한을 받는 지질성분에 대한 이러한 연구결과는,

현재 다양한 화장품과 의약품에 폭넓게 지질 성분

을 활용하는 데에 크게 기여하였다.

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최근 화장품 산업의 신소재 개발 연구

KIC News, Volume 13, No. 4, 2010 19

Figure 13. 마이크로플루딕스에 의한 액적 형성. (A) Dripping, (B) Jetting, (C) 단분산성 더블에멀젼, (D) 고분자 캡슐.

2.4. 유체기술 기반 신소재

2.4.1. 유체기술과 기술융합

최근 화장품 기술은 인접산업과 기술융합을 통

하여 새로운 제품을 지속적으로 개발하고 있다.

유전자기술, 바이오칩기술, 광학기술, 배터리기술

등 바이오에서부터 전기전자 영역까지 다양한 기

술이 화장품기술과 융합되어, 신개념 제품들의 개

발이 시도되고 있다. 이와 같은 기술융합은 피부

과학분야에서 세포의 활성강화, 피부조직 특성 제

어, 비주얼 특성 강화, 이미징 기술 개발과 같은

형태로 상용화되어 화장품을 사용하는 고객들에

게 효능기능과 미학기능이 제대로 전달될 수 있도

록 노력하고 있다. 이러한 관점에서 화장품기술에

서 유체역학을 재구성하고자 하는 시도가 이루어

졌다. 화장품을 개발하는 과정에서 많은 유체개념

이 도입된다. 예를 들어, 2000년대 초에 상용화된

나노에멀젼기술은 고압유화기를 이용하여 기존

마이크미터 영역이었던 액적크기를 300 nm 이내

로 감소시켜 피부흡수력과 효능성분 투과력을 크

게 강화하였다. 이 접근은 고압유화라는 유체기술

을 미세영역에서 완성하여, 화장품 제형기술을 진

일보시켰다고 평가된다. 이런 도전적인 유체역학

적 개념은 전통적인 유화기술에서 탈피하여 제품

성을 크게 향상시킬 뿐만 아니라 기존에는 사용이

불가능하였던 유효성분들의 활용을 가능케 하여

새로운 소재개발로 이어질 수 있다. 본 기획특집

에서는 마이크로플루딕스 기술(microfluidics tech-

nology)를 이용하여 유체기술과 화장품 기술이 잘

접목되어 신소재를 개발한 경우를 소개한다.

2.4.2. 마이크로플루딕스 기술

마이크로플루딕스 기술은 작은 채널에서 피코

리터 레벨으로 유체의 흐름을 조절하는 신기술로

정의된다. 이 기술이 소개된 초기에는 bioassay,

micro-valve, drop-sorting과 같이 high throuput이

요구되는 바이오공정에서 주로 연구가 시작되었

으나[58-60], 2000년대 중반부터 비혼합계 유체의

흐름을 제어하여 액적을 제조하고 액적의 고형화

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기획특집: 화장품 기술 트렌드

20 공업화학 전망, 제13권 제4호, 2010

Figure 14. 비젖음 현상을 이용하여 제조된 초박막 폴리머좀(polymersome). (A) 비젖음 현상에 대한 모식도, (B) 초박막 폴리

머좀의 광학 현미경 이미지, (C) 현광 현미경 이미지. PLA5K-b-PEG1K 공중합체 이용. Dextran (4K) 포집.

를 통하여 새로운 소재를 개발하는 연구가 활발히

진행되고 있다[61-64]. 작은 마이크로채널에서 혼

합이 되지 않는 두 유체가 만나서 액적을 형성한

다. 이때 두 가지의 대표 유체현상이 발생한다(Figure

13A와 B). 하나는 적은 유량 조건에서 “dripping”

에 의하여 균일한 크기의 액적이 형성되는 현상이

고, 다른 하나는, 높은 유량 조건에서 “jetting”에

의하여 어느 정도 유체줄기가 형성되었다가 말단

부분에서 액적이 형성되는 현상이다[65]. Jetting

영역에서는 hydrodynamic instability로 인하여 형

성되는 액적의 균일도는 다소 낮다. 그 이상의 유

량 조건에서는 laminar flow가 발생하여 더 이상

액적을 얻을 수 없다. 보통은 균일한 액적을 형성

하는 dripping 영역에서 마이크로플루딕스를 운용

한다(Figure 13C).

마이크로플루딕스는 polydimethylsiloxane (PDMS)

디바이스와 capillary 디바이스를 주로 이용한다

[65-68]. PDMS 디바이스는 채널의 패턴과 크기를

정밀하게 조절하는 것은 우수하지만, PDMS의 용

매에 대한 높은 투과도에 기질에 대한 낮은 접착

력으로 인하여 다양한 용매계에서 이용하는 것은

제한적이다. 이에 반하여 capillary 디바이스는 채

널 패턴을 다양화하는 데에는 다소 무리가 있지

만, 용매에 대한 내구성이 우수하여 상기의 문제

를 해결할 수 있다. 유체의 유량을 조절하면, 단순

한 w/o, o/w 에멀젼에서부터 w/o/w/o/w와 같은 고

차 에멀젼 구조까지 쉽게 제조할 수 있다. 이러한

고차구조의 에멀젼의 특정 유화층을 선택적으로

고체화하면, 새로운 구조의 캡슐뿐만 아니라 다층

콜로이드 구조까지 다양한 신소재를 개발할 수 있

다(Figure 13D)[69,70]. 콜로이드 구조체에 다양한

기능성을 부여할 수 있기 때문에, 마이크로플루딕

스 기술을 이용하면 기존에 접근하지 못했던 영역

에까지 그 응용을 확대할 수 있을 것으로 기대된다.

2.4.3. 화장품 소재로 응용

마이크로플루딕스와 같은 고급 기술을 화장품

산업에서 처음으로 상용화하고자 하는 시도가 꾸

준히 진행되어 왔다. 대표적인 예가 초박막을 특

징으로 하는 폴리머좀(polymersome) 개발이다[71].

구체적으로 설명하면, 먼저 capillary 디바이스를

이용하여 w/o/w 더블 에멀젼을 제조한다. 유상은

블록 공중합체가 녹아 있는 휘발성 용매이다. 용

매를 서서히 제거하면 높은 spreading coefficient

에 의하여 “dewetting” 현상이 발생하여 블록 공

중합체가 코팅되어 있는 두 계면이 만나 bilayer의

폴리머좀을 형성한다. 이 폴리머좀은 고분자 박막

의 내벽과 외벽이 PEG 사슬로 코팅된 것을 특징

으로 하고, 300 Da 이내의 분자량을 갖는 성분은

투과하고 그 이상의 분자량을 갖는 성분을 그 안

에 그대로 포집되어 있다. 이런 독특한 구조와 특

성을 갖는 초박막 폴리머좀은 거대분자 안정화에

매우 효과적으로 활용할 수 있다. 예를 들어, 단백

질과 효소와 같이 외부 기질에 쉽게 흡착되어 그

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최근 화장품 산업의 신소재 개발 연구

KIC News, Volume 13, No. 4, 2010 21

3차원 구조가 파괴됨으로써 활성을 잃는 바이오분

자들의 안정화에 매우 효과적이다. 이는 내 수상

에 100% 수율로 안정하게 포집되어 있기도 하지

만, 내벽을 코팅하는 긴 사슬의 PEG가 anti‐

fouling 효과를 유도하기 때문이다. 이러한 신소재

를 마이크로플루딕스 기술을 이용하여 개발함으

로써 기존에 화장품 제형에서 쉽게 변성되어 그

동안 사용이 불가능하였던 많은 거대분자들을 이

제는 그 활성을 그대로 유지하면 활용할 수 있게

되었다는 점에서 그 기술적 가치가 높다. 이러한

신소재는 그 응용성이 매우 높아, 화장품 분야뿐

만 아니라, 식품, 의약품 쪽에서도 크게 활용될 것

으로 기대된다.

2.4.4. 미세유체기술의 잠재력

유체기술을 기반으로 하는 마이크로플루딕스

기술에 대한 기초연구를 소개하며, 이 기술을 통

하여 화장품산업분야에서 응용성이 큰 동공구조

체, 응답성 소재, 캡슐 소재, 다층 콜로이드 구조체

등과 같은 신소재의 합성이 가능함을 기술하였다.

마이크로플루딕스 기술이 적용되어 개발된 기능

성 신소재들은 그 크기와 내부 모폴로지를 정확하

게 피코리터 수준에서 조절할 수 있다. 또한, 소재

의 화학조성을 다양하게 임의 조절할 수 있고, 고

차구조를 갖는 콜로이드 입자나 캡슐의 개발까지

도 가능하여 그 응용성은 무궁무진하다고 할 수

있다. 기본적으로 약물전달계, 화학물 분리공정,

바이오센서, 애튜에이터 등의 응용연구에 매우 유

용하게 활용될 수 있다. 화장품산업에서도 마이크

로플루딕스 기술을 이용하여 고기능성 신소재 개

발이나 신유형 화장품 개발이 가능할 것으로 기대

되어 더욱 복합적인 연구개발이 진행될 예정이다.

3. 결 론

본 기획특집에서는 최근 연구된 화장품 소재기

술에 대하여 소개하였다. 천연물연구, 피부지질 기

반 연구, 친환경 합성공법, 유체연구 등을 통하여

화장품 소재 기술이 다양한 형태의 학문이 접목되

어 발전되고 있음을 보여주었다. 삶의 질의 향상

과 함께 화장품 산업은 끊임없이 성장할 것이 분

명하고, 피부 노화 및 미백 기능을 가지는 제품에

대한 요구가 더욱 커질 것으로 예상된다. 이러한

추세에 맞추어 다양한 형태의 연구들이 복합적으

로 진행되어, 향후 화장품기술은 고급 피부과학을

바탕으로 여러 형태의 학문들이 이상적으로 융합

된 형태로 진화할 것이다. 이러한 화장품기술의

진보는 고객들에게 보다 건강한 아름다움을 전달

하는데 크게 일조할 것으로 기대된다.

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최근 화장품 산업의 신소재 개발 연구

KIC News, Volume 13, No. 4, 2010 23

김 도 훈

1998 한양대학교 화학공학과 학사

2000 한양대학교 화학공학과 석사

2000∼현재 아모레퍼시픽 기술연구원

책임연구원

이 수 진

2005 서울대학교 수의학과 학사

2007 서울대학교 수의학과

수의공중보건학 석사

2007∼현재 아모레퍼시픽 기술연구원

선임연구원

이 현 석

2001 연세대학교 화학공학과 학사

2003 서울대학교 응용화학부 석사

2009 Nottingham University, 박사

2009∼현재 아모레퍼시픽 기술연구원

책임연구원

김 진 웅

1994 한양대학교 공업화학과 학사

1996 한양대학교 공업화학과 석사

2000 한양대학교 공업화학과 박사

2005∼2007 Harvard University 물리학과

포스닥

2000∼현재 아모레퍼시픽 기술연구원

소재연구팀장

강 학 희

1982 한양대학교 화학공학과 학사

1988 한국과학기술원 화학공학과

석사

2004 한양대학교 화학공학과 박사

1998 화장품/생활용품연구소장

2008 아모레퍼시픽 기술연구원

부원장

2009∼현재 아모레퍼시픽 기술연구원장

오 성 근

1984 한양대학교 화학공학과 학사

1986 한국과학기술원 화학공학과

석사

1986 태평양기술연구원 선임연구원

1993 University of Florida 박사

1994 Institute of surface chemistry

(Sweden) 포스닥

1997 LG생활건강연구소 책임연구원

1997∼현재 한양대학교 화학공학과 교수

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