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ISSN : 1225-0112(Print)
ISSN : 2288-4505(Online)
Applied Chemistry for Engineering Vol.29 No.4 pp.425-431
DOI : https://doi.org/10.14478/ace.2018.1010

Preparation and Characterization of Cerium Oxide/Silica Composite Particles

Seo Eun Koh, Jongwon Shim, Byung Suk Jin
Division of Chemistry & Cosmetics, Dongduk Women’s University, Seoul 02748, Korea
Corresponding Author: Dongduk Women’s University, Division of Chemistry & Cosmetics, Seoul 02748, Korea Tel: +82-2-940-4513 e-mail: bsjin@dongduk.ac.kr
February 3, 2018 ; March 18, 2018 ; April 20, 2018

Abstract


Composite particles of porous silica and cerium oxide nanoparticles blocking UV/blue light were prepared through a dry coating process. Various composite particles were prepared by varying conditions such as the mixing ratio of cerium oxide and silica, and the chamber rotating speed of mechano fusion system. The surface morphology of the composite particles was observed with SEM and the composition was analyzed using X-ray fluorescence (XRF). When the cerium oxide/silica composite particles were dispersed in water, the transparency and dispersion stability of the colloidal solution were improved. In addition, the fluidity and spreadability of the particle powder were enhanced by making composite particles. These results show that cerium oxide/silica composite particles can be used as functional cosmetic ingredients for UV/blue light protection.



세륨 옥사이드/실리카 복합입자 제조 및 특성분석

고 서은, 심 종원, 진 병석
동덕여자대학교 자연과학대학 화학·화장품 학부

초록


UV 및 블루라이트를 차단하는 세륨 옥사이드 나노 입자와 다공성 실리카와의 복합입자를 건식 코팅 공정을 통해 제 조하였다. 실리카와 세륨 옥사이드 간 혼합 비율과 메카노 퓨전 장치의 챔버 회전속도 등의 제조 조건을 달리하여 여러 복합입자를 만든 후, 입자 표면 형태를 SEM으로 관측 비교하고 XRF을 통해 복합입자의 조성을 분석하였다. 세륨 옥사이드를 실리카와 함께 복합입자로 만들어 물에 분산시키면 현탁 용액의 투명도가 높아지고 분산 안정성이 향상되었다. 또한 파우더의 유동성과 발림성이 개선되었다. 본 연구를 통해 세륨 옥사이드/실리카 복합입자가 자외선 및 블루라이트를 차단하는 기능성 화장품 소재로 사용 가능함을 확인하였다.



    1 서 론

    태양 광선은 자외선(5%), 가시광선(45%), 근적외선(50%) 등으로 구성되는데 이 중에서 파장이 짧고 높은 에너지를 지닌 자외선은 피 부암 및 피부 노화를 일으키기 때문에 야외 외출 시에는 자외선 차단 제 사용이 일상화되고 있다. 자외선 차단제에는 UV 빛을 흡수하는 유 기 자외선 차단제와 빛 흡수보다는 물리적인 산란 작용에 의해 자외 선의 피부 침투를 막는 무기 자외선 차단제로 구분된다. 유기 자외선 차단제로는 benzophenone, p-amino benzoic acid (PABA), octhyl methoxy cinnamate (OMC) 등 여러 물질이 사용되고 무기 자외선 차단제 로는 이산화티탄(TiO2), 산화아연(ZnO) 등이 사용되고 있다.

    유기 자외선 차단제는 제형에 용해된 상태로 피부에 넓게 도포되므 로 적은 양으로도 자외선 차단 효과가 뛰어나고 백탁 현상 없이 사용 감이 좋은 화장품 제형을 만들 수 있다. 하지만 유기 자외선 차단제는 합성된 화학물질로 피부에 침투하여 접촉성 피부염을 일으킬 수 있고 자외선에 의해 화학 변화가 일어나 2차적 문제 발생의 소지가 있다. 이에 반해 광물질인 무기 자외선 차단제는 분산이 어려워 제형을 만 들기 어렵고 배합량이 많아지면 제형이 불투명하고 백탁 현상 및 사 용감이 나빠지는 단점이 있지만 접촉성 피부염과 같은 부작용이 없고 차단 효과가 오래 지속된다. 시중에 시판되는 자외선 차단제는 대부 분 유기 자외선 차단제와 무기 자외선 차단제를 모두 사용하여 각각 의 장단점을 보완하고 있지만, 최근에 피부 안전성을 위하여 가능한 유기 차단제를 줄이고 무기 차단제의 비중을 높이려 하고 있다[1-3].

    무기 자외선 차단제로서 가장 널리 쓰이는 이산화티탄은 굴절률이 커서 빛 산란을 잘 시키고 입자 크기를 수십 나노로 작게 만들수록 UV-B 차단 효과가 아주 우수하다. 하지만 빛에 오래 노출되면 광촉매 활성으로 활성산소가 만들어져 유기물질 분해 및 광독성 문제를 일으 킬 수 있다[4-6]. 이산화티탄에 비해 자외선 차단능이 떨어지는 산화 아연은 UV-A를 주로 차단하기 때문에 이산화티탄과 혼합하여 많이 사용되는데, 나노 사이즈의 산화아연도 UV 빛을 받으면 광촉매 활성 이 나타나고 산성이나 염기성 수용액에서 용해가 되면 오일 속 지방 산 및 음이온 성분과 반응하여 난용성 염이 생성될 가능성이 있다 [7,8]. 파장 400 nm 이하의 자외선을 흡수하기 위해서는 약 3 eV의 밴드 갭 에너지를 가져야 하는데 현재 무기 자외선 차단제로 사용되 고 있는 이산화티탄, 산화아연 외에 이에 해당하는 또 다른 광물질로 는 세륨 옥사이드(CeO2)가 있다.

    Yabea 등은 기존에 자외선 차단제로 주로 사용해온 이산화티탄과 산화아연을 대체하기 위하여 세륨 옥사이드를 처음 제안하였다[9]. 세 륨 옥사이드는 이산화티탄에 비해 자외선 차단능은 다소 떨어지지만 광촉매 활성이 낮기 때문에 광독성 우려 없이 피부에 대해 상대적으 로 안전하다. 또한, 생체 내에서 활성산소를 약화시키는 항산화 특성 이 있고 또한 의학적으로도 세포사멸 방지, 상처 치유, 염증 개선 등 의 다양한 목적을 위해 세륨 옥사이드 나노 입자를 적용한 사례가 다 수 발표되었다[10-15]. 또한 최근에 세륨 옥사이드가 자외선 이외에도 블루라이트(blue light)까지 넓은 영역의 빛 차단이 가능하다는 주장이 제기되고 있다[16]. 블루라이트는 가시광선 짧은 파장(400-495 nm)의 빛으로 LED 램프, 스마트폰, 컴퓨터 등의 일상에서 자주 쓰는 전자 기기에서 많이 나오는데 자외선과 같이 블루라이트도 인체 및 피부에 미치는 악영향에 대한 보고가 지속적으로 이루어지면서 이에 대한 우 려가 점점 더 커지고 있는 상황이다[17-21].

    세륨 옥사이드가 기존 무기 자외선 차단제를 대체하면서 블루라이 트까지 차단하는 소재로 가능성이 높지만 아직은 화장품 제형에는 거 의 사용되고 있지 않다. 세륨 옥사이드는 파우더 자체로 화장품 제형 에 단순 첨가할 경우, 응집이 일어나고 물에서 분산이 어렵다. 또한, 모공 침투가 가능한 나노 사이즈이기 때문에 나노 독성 및 피부병 트 러블을 일으킬 소지가 있고 고체 파우더 제형으로 만들 경우 사용감 이 좋지 않은 등의 여러 문제를 지니고 있다.

    본 연구에서는 세륨 옥사이드가 지니는 문제들을 개선하기 위하여 건식 코팅 공정(dry particle coating process)을 적용하여 세륨 옥사이 드와 다공성 실리카와의 복합입자 제조를 시도하였다. 다공성 실리카 는 표면적이 넓기 때문에 피부의 유분과 땀을 흡수해 화장 지속력을 향상시키며 피부에 도포 시 부드러운 발림성과 퍼짐성으로 사용감을 향상시켜주기 때문에 화장품 재료로 많이 사용되고 있다. 마이크로 사이즈의 실리카와 나노 사이즈의 세륨 옥사이드 입자로 core-shell 구 조의 복합입자를 만들면 나노 입자가 갖는 독성문제를 해결할 수 있 다. 제조 조건을 달리하여 만든 복합입자의 특성을 비교하고 복합입 자를 만들었을 때 분산 안정성, 투명성, 퍼짐성 등이 개선되는 효과를 살펴보았다.

    2 실 험

    2.1 재료

    본 연구에서 사용한 세륨 옥사이드(CeO2)는 순도 99.9%의 미국 Aladdin사 제품으로 입자 크기가 100 nm (C103984), 800 nm (10000407)인 두 종류의 제품을 사용하였다. 복합입자의 호스트(host) 물질로 사용된 다공성 실리카(SiO2)는 한국 선진뷰티 사이언스 제품 Sunsil-150H와 Sunsil-oleo150H 두 종류를 사용하였다. Sunsil-150H는 10 μm 크기의 다공성 입자이고 Sunsil-oleo150H는 표면이 세틸 알코 올(cetyl alcohol)로 코팅된 다공성 실리카 입자이다. 세륨 옥사이드와 의 분광 흡수 비교를 위해 사용한 이산화티탄(TiO2)은 일본 Tayca사 제품의 MT-01을 사용하였다.

    2.2 다공성 복합입자 제조 과정

    복합입자 제조를 위해서 일본 Hosokawa Micron사의 모델명 AMSMini의 메카노-퓨전(mechano-fusion) 기기를 사용하여 건식 코팅을 진 행하였다. 메카노-퓨전 기기는 고정된 프레스 헤드(press head)와 회전 하는 챔버(rotating chamber)사이의 작은 틈(gap)을 통과하여 지나가는 입자들에 전단력 및 압착력과 같은 기계적인 힘이 매우 강하게 가해 져서, 나노 사이즈의 게스트(guest) 입자가 호스트(host) 입자 표면에 융착되도록 설계 제작된 기기이다. 다공성 실리카 입자를 호스트, 세 륨 옥사이드 입자를 게스트로 일정 비율 정량하여 메카노-퓨전 기기 에 넣은 후, 냉각수를 연결하여 항온을 유지하는 상태에서 2 h 동안 메카노-퓨전 기기를 가동하였다. Table 1에서와 같이 실리카와 세륨 옥사이드의 혼합 비율과 챔버 회전속도(chamber rotating speed) 등의 조건을 달리하면서 여러 복합입자를 제조하였다. 복합입자 시료명에 서 C와 S 다음의 숫자는 세륨 옥사이드와 실리카의 중량 혼합 비율을 뜻하며 dash (-) 다음의 숫자는 챔버 회전속도(chamber rotating speed) 의 천 단위 앞자리를, O는 코팅된 실리카 사용을 의미한다. 세륨 옥사 이드와 다공성 실리카 복합화 과정을 Figure 1의 모식도로 나타내었 고 건식 코팅 공정에서 수율은 대략 80%이었다.

    2.3 복합입자의 물성평가

    무기 파우더 입자의 흡광도와 투과율 측정을 위하여 적분구가 장착 된 UV-Vis 분광 광도계(Cintra 3030, GBC Scientific Equipment, Australia)를 사용하였다. 파우더 입자를 200 ppm 농도로 물에 넣고 초음파(VC505, Sonics & Materials Inc., USA)를 2 min 동안 가해 균 일하게 분산시킨 후, 이를 석영 셀(quartz cell)에 넣어 흡광도를 측정 하였다. 투과율 측정 방법은 먼저 바세린과 파우더를 2 : 1 중량 비율 로 혼합하여 균일하게 분산시킨 젤을 만든다. 이 중 0.02 g을 덜어 40 × 40 × 1T (mm) 크기의 석영판 2개 사이에 넣고 일정 두께로 바른 후 고체 셀 홀더에 장착하여 파장별 투과율을 측정하였다.

    복합입자의 형태 및 특징을 확인하기 위해 주사전자현미경 (scanning electron microscope : SEM, VEGA3 LMU, Tescan, Czech) 을 사용하여 표면을 관측하였다. 복합입자의 조성 분석을 위해 X선 형광분석기(X-ray flourescence spectrometry, S2 Ranger, Bruker), 복합 화에 따른 비표면적 분석을 위하여 비표면적 측정장치(Mesopore, BELSORP-mini II, Japan)가 각각 사용되었다. 입자 크기 및 분포는 레이저 회절 및 산란에 의한 입도 분석기(LS13320, Beckman Coulter, USA)를 사용하였고 전처리 과정 없이 복합입자를 에탄올 용매에 분 산시켜 측정하였다. 탁도 측정은 2100 N Laboratory Turbidimeter (Digital Turbidity MI, Hatch, USA)로 분석하였다. 복합입자의 제타 전위 측정을 위해 레이저 광 산란 측정기(Zeta Plus, Brookhaven, USA)를 사용하였다. 비중은 25 cm3 크기의 비중병(pycnometer)을 사 용하여 측정하였다. 안식각은 분체특성 측정기(BT-1000, Dandong Bettersize Instruments Ltd., China)로 측정하였다. 파우더 입자의 발림 성 단순 비교를 위해서는 인조 가죽 위에 세륨 옥사이드와 복합입자 일정량(0.1 g)을 올려놓고 일정한 하중을 가하여 등속도로 같은 거리 를 밀었을 때 각각의 분체가 퍼진 모습을 비교하였다.

    3 결과 및 고찰

    세륨 옥사이드 복합입자를 제조하기에 앞서 세륨 옥사이드와 실리 카 분체 입자 각각의 파장별 흡광도를 살펴보고 이산화티탄 입자와 비교하였다. Figure 2에서 보듯이 이산화티탄은 300 nm 파장에서 최 대 흡수 피크를 나타내고 UV-B 영역의 빛을 강하게 흡수하는데 반해 세륨 옥사이드는 이보다 약간 긴 파장인 340 nm 근처에서 최대 흡수 피크를 보여주고 이산화티탄에 비해 흡광도 값이 낮게 나타났다. 세 륨 옥사이드의 입자 크기에 따른 흡광도를 비교하면 800 nm보다 100 nm 크기 입자의 흡광도가 약간 더 크게 나타났고 최대 흡수 파장에도 약간의 변화가 나타났다. 이산화티탄, 산화아연과 같은 나노 입자들이 크기에 따라 UV 흡수에 변화가 생긴다는 많은 연구보고가 있었는데, 일반적으로 나노 입자 크기가 달라지면 입자의 부피 대비 표면적의 변화가 생기고 이로 인해 표면 흡수와 산란을 통한 UV 감쇠 (attenuation)에 영향이 미치는 것으로 알려지고 있다[22-27]. 한편, 실 리카 입자는 다른 입자에 비해 UV 파장 영역에서 흡광이 매우 미미 하게 나타났다.

    어떤 입자에 의한 빛 차단은 흡수와 산란에 의해 이루어지지만, 무 기 분체 입자는 빛을 흡수하기보다는 산란에 의해 빛을 차단하는 효 과가 더 크다. 따라서 적분구 장치가 장착된 UV-Vis 분광 광도계를 사용하여 산란 투과된 빛의 강도를 측정함으로써 입자의 파장별 빛 차단 효과를 살펴보았다(Figure 3). 이산화티탄은 UV-B 영역인 280- 320 nm 파장까지는 빛 투과율이 거의 0%로 이 영역의 빛을 완벽하게 차단하지만 UV-A 영역부터 400 nm 이상의 블루라이트 영역에서 빛 의 투과율이 크게 증가한 만큼 이 영역대의 빛을 차단하는 효과가 크 지 않음을 알 수 있다. 이에 반해 세륨 옥사이드는 이산화티탄에 비해 UV 차단은 약하지만 UV에서 블루라이트 전 영역에 걸쳐 빛 투과율 이 10% 미만으로 매우 낮게 나타나 UV부터 블루라이트까지 넓은 영 역의 빛을 차단하는 효과가 있음을 알 수 있다. 특히 100 nm의 세륨 옥사이드 입자는 800 nm 사이즈의 세륨 옥사이드 입자보다도 전 영 역에 걸쳐 빛을 더 잘 차단함을 보여주고 있다.

    세륨 옥사이드 입자 크기에 따라 빛 차단 효과가 다르게 나타나는 것은 다음과 같이 두 가지로 설명할 수 있다. 첫째, 입자가 일정 함량 으로 분산되었을 때 입자 크기가 작을수록 매질과 입자 간 계면이 증 가하는데, 계면이 증가할수록 입사된 빛의 반사나 굴절이 더 많아지 기 때문에 크기가 작은 입자가 빛을 더욱 잘 차단할 수 있다. 둘째, 빛이 입자에 도달하면 사방으로 빛의 산란이 일어나는데 본 실험 영 역의 빛의 파장과 입자 크기를 고려할 때, 레일리(Rayleigh) 산란보다 미(Mie) 산란이 일어난다. 미 산란에서는 입자 크기가 커질수록 입자 의 전방보다는 후방, 즉 빛의 진행 방향으로 산란되는 빛의 강도가 더 커진다. 따라서 후방으로 산란되어 확산 투과되는 빛의 강도를 줄이 기 위해서는 작은 입자가 유리하다. 한편, 실리카는 280 nm에서 시작 하여 블루라이트 전 영역에 걸쳐 빛의 투과율이 상당히 높게 나타났 다. 실리카는 280 nm 이하인 UV-C 영역 빛을 차단하지만 UV-B부터 블루라이트까지 빛을 차단하는 효과가 거의 없음을 알 수 있다.

    메카노-퓨전 기기를 사용한 건식 복합화 공정을 통하여 마이크로 크기의 실리카 입자 표면에 나노 크기의 세륨 옥사이드가 부착된 core-shell 구조의 복합입자를 여러 제조 조건으로 만들고 나서 복합입 자의 형태와 특성을 살펴보았다. 건식 복합화 공정은 유기 용매나 화 학 반응을 사용하는 복잡한 습식 공정과 달리, 기계적 에너지로 스트 레스를 가해 건조된 파우더 입자 간 융합을 유도하는 단순한 과정으 로 진행되기 때문에 경제적이면서도 친환경적인 제조 방법이다[28]. Figure 4는 복합입자의 형태를 SEM으로 확인한 결과이다. 메카노-퓨 전 기기에 세륨 옥사이드와 실리카 입자를 투입할 때 혼합 중량 비율 을 달리하여 복합화를 진행한 결과, 세륨 옥사이드 : 실리카를 1 : 2 비율로 혼합했을 때(a)보다 2 : 1 비율로 혼합했을 때(b), 세륨 옥사이 드가 실리카 입자표면에 더 많이 부착되어있음을 확인하였다. 세틸 알코올이 코팅된 실리카(Sunsil-oleo150H)와 세륨 옥사이드를 복합화 한 입자(C1S1-O)에서는 호스트인 실리카 입자 간 응집된 모습이 발견 되었다(c). 이런 결과는 실리카 입자가 복합화 과정 중 높은 온도에서 기계적 스트레스를 받기 때문에 표면에 코팅되어 있던 세틸 알코올이 녹으면서 호스트인 실리카 입자 간 응집이 일어난 것으로 보인다.

    실리카와 세륨 옥사이드의 혼합 비율과 회전 속도를 달리하여 제조 된 여러 복합입자의 Si와 Ce 원소의 조성을 XRF로 분석하여 Table 2 에 나타내었다. 복합입자 중에 C2S1-3이 세륨 옥사이드 함량이 가장 높은 61.6 ± 0.57%로 나타났다. C2S1-3을 SEM으로 관측했을 때 실리 카 입자 표면에 부착되지 않고 세륨 옥사이드 입자끼리 뭉쳐진 덩어 리가 곳곳에 많이 발견되었는데, 이로 인해 상대적으로 Ce 원소의 함 량이 높게 나타난 것으로 예측된다. 실리카와 세륨 옥사이드 혼합 비 율을 1 : 1로 하거나(C1S1) 또는 2 : 1에서 5,000 rpm 속도로 복합화 (C2S1-5)한 복합입자에서 세륨 옥사이드의 함량은 각각 54.3 ± 0.78%, 55.8 ± 1.63%로 오차 범위 내에서 거의 동등하게 나타났다. 복 합화되지 못한 세륨 옥사이드 손실 및 회전 속도를 높일 때의 에너지 등을 고려할 때, C1S1에서의 혼합 비율과 회전 속도가 복합입자를 만 드는데 가장 적당한 조건으로 판단된다.

    세륨 옥사이드는 물보다 무거운 비중을 갖는 무기 물질이며, 실리 카는 세륨 옥사이드 비중의 1/6 정도로 아주 가벼운 다공성 물질이다. 실리카와 세륨 옥사이드를 복합화했을 때, 복합입자에서 세륨 옥사이 드의 함량이 많을수록, 즉 C1S2 < C1S1 < C2S1 순으로 비중이 약간 씩 증가하였다(Figure 5). C2S1-3은 C2S1-5보다 세륨 옥사이드끼리 뭉쳐진 덩어리 부분이 많아 세륨 옥사이드 함량이 가장 높았고 비중 도 가장 큰 값으로 측정되었다.

    다공성 실리카 입자와 세륨 옥사이드 복합화에 따른 비표면적과 기 공 부피 변화를 BET 분석기로 측정해서 Table 3에 정리하였다. 다공 성 실리카는 대략 10 μm 크기인데 BET 측정결과, 실리카 표면적은 257.6 m2/g, 기공 부피는 0.20 cm3/g로 각각 측정되었다. 실리카와 세 륨 옥사이드를 복합화한 결과 다공성 실리카보다 복합입자의 표면적 과 기공 부피가 감소하였다. 일반적으로 호스트 입자 표면에 작은 크 기의 게스트 입자가 부착되면 비표면적이 증가할 것으로 예상되지만 본 실험에서는 반대로 비표면적이 감소하는 결과가 나타났다. 이는 다공성으로 비중이 작은 실리카 입자(0.25) 표면에 상대적으로 비중이 매우 큰 세륨 옥사이드(1.26)가 부착되기 때문에 표면적 증가보다도 복합입자의 중량이 더 커질 수 있고, 또한 나노 사이즈의 세륨 옥사이 드가 실리카 표면 외에도 내부의 기공 속으로도 삽입되어 기공의 부 피를 감소시킬 수 있기 때문이다. 이외에도 복합입자에는 실리카에 부착되지 못한 세륨 옥사이드도 함께 혼재할 수 있기 때문에 실리카 보다 복합입자의 표면적과 기공 부피가 감소한 것으로 예측된다.

    복합입자의 입자 크기와 분포를 측정한 결과, Figure 6과 같이 bimodal 형태의 입자 분포가 나타났다. 대략 10 μm 내외의 크기 분포 를 나타내는 피크는 실리카 표면에 세륨 옥사이드가 부착된 복합입자 이고, 0.1에서 1 μm까지의 넓은 스펙트럼의 피크는 실리카 표면에 부 착되지 않고 남아있는 세륨 옥사이드 입자 및 이들 간 뭉쳐있는 덩어 리 입자의 크기로 예상된다.

    세륨 옥사이드와 복합입자(C1S1) 각각을 증류수에 분산시켰을 때 외관을 비교하여 보았다(Figure 7). 세륨 옥사이드를 분산시키면 처음 에는 현탁 용액이 유백색으로 나타나지만, 짧은 시간 동안 입자들이 침강하면서 상층액은 투명해지는 현상이 나타났다. 이에 반해 복합입 자를 분산시키면 푸른빛을 띠면서 세륨 옥사이드보다 투명도가 개선 된 현탁 용액상태가 더 오랜 시간 유지된다. 세륨 옥사이드와 복합입 자의 투명도를 정량적으로 비교하기 위하여 탁도를 측정하였다 (Figure 8). 증류수에 여러 농도로 분산시킨 현탁 용액의 탁도를 측정 했을 때, 세륨 옥사이드보다 복합입자의 탁도가 낮은 값으로 측정되 었고, 현탁 용액의 분산 농도가 높을수록 탁도 차가 더 크게 나타났다.

    현탁 용액에서 입자의 표면 전하는 입자 사이의 반발력의 강도와 분산의 안정성에 영향을 주는 중요한 지표이다[29]. 실리카에 세륨 옥 사이드를 코팅한 복합입자가 표면 전하에 미치는 영향을 살펴보기 위 해 제타 전위(zeta potential)를 측정하였다(Figure 9). 순수 세륨 옥사 이드의 제타 전위 값은 -16 mV로 나타나지만 복합입자(C1S1)의 전위 값은 -37 mV로, 세륨 옥사이드보다 복합입자의 제타 전위 값이 더 큰 음전하 값으로 나타났다. 더 큰 음의 표면 전하를 띠게 되면 분산된 입자끼리의 반발력이 크게 작용해서 입자 간 응집 현상을 방지하기 때문에 현탁 용액의 분산 안정성이 높아지게 된다. 세륨 옥사이드 입 자를 복합화해서 물에 분산시키면 투명도와 더불어 분산 안정성이 한 층 개선되는 결과를 얻을 수 있었다.

    Figure 10은 세륨 옥사이드 입자와 복합입자의 안식각을 비교한 결 과이다. 안식각은 파우더 입자의 유동성 및 마찰특성을 나타내는 지 표로 사용되며 화장품 파우더 제품 특성에 결정적 영향을 미치고 분 체 가공, 저장, 운반시스템을 설계할 때 중요한 매개변수로 알려져 있 다[30]. 안식각이 작을수록 입자의 유동성은 크고 마찰력은 작기 때문 에 안식각이 작은 입자가 여러 측면에서 선호되고 있다. 세륨 옥사이 드 입자는 샘플쟁반 위에 높게 쌓였지만, 복합입자는 상대적으로 완 만하게 낮은 높이로 쌓였다. 이때, 안식각을 측정한 결과 세륨 옥사이 드는 43°, 복합입자는 23°로 나타났다. 복합화에 의해 입자 크기 분포 및 모양, 입자 간 인력 등이 변하면서 파우더 입자의 흐름 특성이 개 선됨을 알 수 있다.

    Figure 11은 세륨 옥사이드와 복합입자의 발림성을 비교하기 위하 여 인조 가죽 위에 파우더 입자를 올려놓고 일정한 하중으로 밀었을 때 파우더가 퍼진 모습을 살펴보았다. 세륨 옥사이드는 입자끼리 잘 뭉쳐져 하얗게 도포된 구간이 짧고 멀리 퍼지지 않지만, 복합입자는 상대적으로 도포된 구간이 길고 고르게 퍼져 발림성이 크게 개선됨을 확인할 수 있었다. 발림성이 우수한 파우더 입자가 자외선 차단제로 화장품 제형에 사용될 경우, 피부에 부드럽고 고르게 발리는 사용감 을 부여할 수 있다.

    4 결 론

    적분구가 장착된 UV-Vis 분광 광도계를 사용하여 세륨 옥사이드의 UV/블루라이트 차단 효과를 확인하였다. 메카노 퓨전 기기를 사용한 건식 코팅 공정으로 세륨 옥사이드/실리카 복합입자를 제조하였다. 세 륨 옥사이드 나노입자가 다공성 실리카 입자표면에 부착된 core-shell 구조의 표면을 SEM으로 관측하고 복합입자의 조성을 XRF로 분석하 였다. 복합입자를 물에 분산시키면 순수 세륨 옥사이드 입자보다 투 명성이 좋아지고 분산 안정성도 향상되었다. 또한 세륨 옥사이드를 복합입자로 만들면 파우더 자체의 유동성도 좋아지고 발림성이 크게 개선되기 때문에 화장품 소재로 활용 가능성이 커지게 된다.

    감 사

    본 연구는 중소기업 벤처부의 산학연협력 기술개발사업(과제번호 C0453257)의 지원에 의하여 수행된 결과의 일부이며 이에 감사의 뜻 을 표합니다.

    Figures

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    Dry coating process for cerium oxide/silica composite particles.

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    Comparison of absorbance among inorganic powders.

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    Comparison of transmission among inorganic powders.

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    SEM micrographs of various composite particles manufactured by dry coating process.

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    Change in the specific gravity of composite particles with manufacturing conditions.

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    Size distribution of composite particles (C2S1-5).

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    Comparison of appearance between cerium oxide and composite particle (a) immediately (b) for 30 minutes after dispersing in water.

    ACE-29-425_F8.gif

    Change in the turbidity of the dispersed solution with colloid concentration.

    ACE-29-425_F9.gif

    Comparison of zeta potential between cerium oxide and composite particle.

    ACE-29-425_F10.gif

    Comparison of angle of repose between cerium oxide and composite particle (a) CeO2, (b) C1S1.

    ACE-29-425_F11.gif

    Comparison of spreadability between cerium oxide and composite particle.

    Tables

    Manufacturing Conditions for Composite Samples
    Composition Analysis of Composite Samples
    Comparison of Specific Surface Area and Pore Volume between Silica and Composite Particles

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