나노기술과 나노소재: 자외선 차단 화장품의 나노미터 이산화티타늄
인용문
태양에서 방출되는 광선의 약 5%는 파장이 400nm 이하인 자외선입니다. 햇빛 속 자외선은 파장이 320nm~400nm인 장파장 자외선(A형 자외선, UVA), 파장이 290nm~320nm인 중파장 자외선(B형 자외선, UVB), 파장이 200nm~290nm인 단파장 자외선(C형 자외선)으로 나뉩니다.
자외선은 파장이 짧고 에너지가 높아 파괴력이 매우 강합니다. 이는 피부에 손상을 입히고 염증이나 햇볕에 탐을 유발하며, 심각한 피부암을 유발할 수 있습니다. 특히 UVB는 피부 염증과 햇볕에 탐을 유발하는 주요 원인입니다.
1. 나노 TiO2를 이용한 자외선 차단 원리
TiO_2는 N형 반도체입니다. 자외선 차단 화장품에 사용되는 나노 TiO_2의 결정 형태는 일반적으로 루틸이며, 금지대역폭은 3.0 eV입니다. 파장이 400nm 미만인 자외선이 TiO_2에 조사되면 원자가 전자띠의 전자가 자외선을 흡수하여 전도대로 여기되고, 동시에 전자-정공 쌍이 생성되어 자외선을 흡수하는 기능을 합니다. 입자 크기가 작고 입자 크기가 다양하기 때문에 자외선을 차단하거나 차단할 확률이 크게 높아집니다.
2. 자외선 차단 화장품에 사용되는 나노-TiO2의 특성
2.1
높은 자외선 차단 효율
자외선 차단 화장품의 자외선 차단 능력은 자외선 차단 지수(SPF)로 표현되며, SPF 수치가 높을수록 자외선 차단 효과가 좋습니다. 자외선 차단제를 바른 피부에서 가장 적게 검출되는 홍반을 유발하는 데 필요한 에너지와, 자외선 차단제를 바르지 않은 피부에서 같은 정도의 홍반을 유발하는 데 필요한 에너지의 비율입니다.
나노-TiO2는 자외선을 흡수하고 산란시키기 때문에 국내외에서 가장 이상적인 물리적 자외선 차단제로 여겨집니다. 일반적으로 나노-TiO2의 UVB 차단 효과는 나노-ZnO의 3~4배입니다.
2.2
적합한 입자 크기 범위
나노 TiO2의 자외선 차폐 능력은 흡수 능력과 산란 능력에 의해 결정됩니다. 나노 TiO2의 원래 입자 크기가 작을수록 자외선 흡수 능력이 강해집니다. 레일리의 광산란 법칙에 따르면, 나노 TiO2가 다양한 파장의 자외선에 대해 최대 산란 능력을 발휘할 수 있는 최적의 원래 입자 크기가 존재합니다. 실험 결과, 자외선의 파장이 길수록 나노 TiO2의 차폐 능력은 산란 능력에 더 크게 의존하는 것으로 나타났습니다. 파장이 짧을수록 차폐 효과는 흡수 능력에 더 크게 의존합니다.
2.3
우수한 분산성 및 투명성
나노-TiO2의 원래 입자 크기는 100nm 미만으로 가시광선 파장보다 훨씬 작습니다. 이론적으로 나노-TiO2는 완전히 분산되면 가시광선을 투과할 수 있으므로 투명합니다. 나노-TiO2의 투명성 덕분에 자외선 차단 화장품에 첨가했을 때 피부를 가리지 않아 자연스러운 피부 미백 효과를 나타낼 수 있습니다. 투명도는 자외선 차단 화장품에서 나노-TiO2의 중요한 지표 중 하나입니다. 실제로 나노-TiO2는 자외선 차단 화장품에서 투명하지만 완전히 투명하지는 않습니다. 나노-TiO2는 입자가 작고 비표면적이 넓으며 표면 에너지가 매우 높아 응집체를 형성하기 쉽고, 이는 제품의 분산성과 투명도에 영향을 미치기 때문입니다.
2.4
좋은 내후성
자외선 차단 화장품용 나노-TiO2는 특정 내후성(특히 내광성)이 요구됩니다. 나노-TiO2는 입자가 작고 활성이 높아 자외선을 흡수하면 전자-정공 쌍을 생성하고, 일부 전자-정공 쌍은 표면으로 이동하여 물 속의 산소 원자와 히드록실 라디칼을 나노-TiO2 표면에 흡착시켜 강력한 산화력을 발생시킵니다. 이는 향료의 분해로 인한 제품의 변색 및 악취를 유발합니다. 따라서 나노-TiO2 표면에 실리카, 알루미나, 지르코니아와 같은 투명한 절연층을 하나 이상 코팅하여 광화학적 활성을 억제해야 합니다.
3. 나노 TiO2의 종류 및 개발 동향
3.1
나노-TiO2 분말
나노-TiO2 제품은 고체 분말 형태로 판매되며, 나노-TiO2의 표면 특성에 따라 친수성 분말과 친유성 분말로 구분됩니다. 친수성 분말은 수성 화장품에, 친유성 분말은 유성 화장품에 사용됩니다. 친수성 분말은 일반적으로 무기 표면 처리를 통해 얻어집니다. 이러한 외국산 나노-TiO2 분말은 대부분 응용 분야에 따라 특수 표면 처리를 거칩니다.
3.2
피부색 나노 TiO2
나노 이산화티타늄(TiO2) 입자는 미세하고 가시광선에서 파장이 짧은 청색광을 산란시키기 쉽기 때문에 자외선 차단 화장품에 첨가하면 피부가 푸르스름하게 보이고 건강해 보이지 않습니다. 피부색과 어울리도록 산화철과 같은 붉은색 색소를 화장품 제형 초기에 첨가하는 경우가 많습니다. 하지만 나노 이산화티타늄과 산화철의 밀도와 습윤성 차이로 인해 뿌옇게 보이는 현상이 종종 발생합니다.
4. 중국 내 나노-TiO2 생산 현황
중국에서는 나노 TiO2_2에 대한 소규모 연구가 매우 활발하게 진행되고 있으며, 이론 연구 수준은 세계 선진 수준에 도달했습니다. 하지만 응용 연구 및 공학 연구는 상대적으로 뒤떨어져 있으며, 많은 연구 결과가 산업 제품으로 전환되지 못하고 있습니다. 중국에서 나노 TiO2의 산업 생산은 1997년에 시작되었는데, 이는 일본보다 10년 이상 늦은 수치입니다.
중국에서 나노-TiO2 제품의 품질과 시장 경쟁력을 제한하는 데는 두 가지 이유가 있습니다.
① 응용기술 연구가 뒤처져 있다
응용 기술 연구는 복합 시스템에 나노 TiO2의 공정 및 효과 평가 문제를 해결해야 합니다. 많은 분야에서 나노 TiO2의 응용 연구는 아직 충분히 발전되지 않았으며, 자외선 차단 화장품과 같은 일부 분야에서는 연구가 더욱 심화되어야 합니다. 응용 기술 연구의 지연으로 인해 중국의 나노 TiO2_2 제품은 다양한 분야의 특수한 요구를 충족하는 연속 브랜드를 형성하지 못하고 있습니다.
② 나노 TiO2 표면처리 기술에 대한 추가 연구가 필요하다
표면처리에는 무기 표면처리와 유기 표면처리가 있습니다. 표면처리 기술은 표면처리제 조성, 표면처리 기술, 그리고 표면처리 장비로 구성됩니다.
5. 마무리 발언
자외선 차단 화장품에서 나노 TiO2의 투명성, 자외선 차단 성능, 분산성 및 내광성은 품질을 판단하는 중요한 기술 지표이며, 나노 TiO2의 합성 공정 및 표면 처리 방법은 이러한 기술 지표를 결정하는 핵심입니다.
게시 시간: 2022년 7월 4일