우리는 화장품, 의약품, 식품, 생필품 및 그외 수많은 제품들을 사용하고 있다. 하나의 제품을 만들기 위해 수십개의 재료를 섞어야 하고, 제품을 만들기 위해 계면활성제를 사용한다. 하나의 제품에 여러개의 계면활성제가 사용되고있고, 그 함량이 수 ~ 수십%에 이른다. 이는 사용자로 하여금 각종 알러지 및 피부독성에 노출되게 하고, 제품을 개발자에게는 많은 제한을 가져오게 한다.
집속형 초음파 기술은 계면활성제 없이 물과 기름을 섞을 수 있는 기술로, 나노입자를 물에 나노크기로 존재할 수 있게 하여 안전성과 퀄리티가 높은 제품을 개발할 수 있게 한다.
물과 기름을 섞을 수 있는 초음파 집속 기술
계면활성제 없이 물과 기름을 섞을 수 있게 하는 집속형 초음파 기술은 기존 초음파와는 달리 원통형 초음파 발생 소자(두루마리휴지형태)를 사용한다. 그런 독보적인 형태때문에 에너지가 중앙부에 모이고 매우 강력한 에너지 영역이 생긴다. 이 영역을 통과하는 유체는 매우 균일하고 작은 크기로 생성된다. 기름을 매우 작은 크기의 입자로 만들어 물에 부유하게 할 수 있고, 물속에서 응집되어 있는 나노입자덩어리를 해체할 수 있다.
그림 1. 물과 기름을 섞을 수 있는 집속형 초음파 기술
집속초음파 유화 기술로 안정성 확보
현재 물과 기름을 섞는 다른기술과 비교했을때, 집속초음파 기술은 월등히 작고 균일한 크기의 오일입자가 물속에 부유하는것을 가능하게 한다. 입자크기 분석 결과, 60 ~ 200nm 수준으로 분석되었으며, 현미경 분석을 통해 정확한 오일 입자의 계면이 보이지 않은 정도로 매우 작은 입자들이 물속에 존재하는것을 확인하였다.
제품개발 시 매우 중요한것은 상분리 없이 안정성을 오래 유지하는 것이다. 물속에 존재하는 오일입자의 크기가 매우 작고 균일하기 때문에 안정성을 오랫동안 유지할 수 있게 한다. 소재마다 차이는 있지만 적게는 6개월에서 많게는 1년 이상 상분리 없이 안정성을 유지하기 때문에 집속초음파 기술은 매우 안정적인 고품질의 제품을 개발할 수 있게하는 기반기술이다.
그림 2. 집속초음파에 의해 균일한 나노크기로 만들어진 올리브오일 유화액
제품을 국외로 수출 하거나 오랫동안 보관하기 위해서는 외부의 다양한 온도변화에도 안정성을 유지해야한다. 집속초음파 기술을 이용하여 제조한 유화액을 영하 15도에서 영상 45도까지 온도변화 속에서의 안정성을 분석한 결과, 온도변화가 심한 가혹조건에서도 상분리 없이 안정성을 유지하는것을 확인하였으며, 이는 매우 다양한 제품을 개발할 수 있는 가능성을 보여준다.
그림 3. 가혹조건에서도 안정성을 유지하는 집속초음파 유화 기술
집속초음파 유화 기술을 이용한 나노리포좀 개발
계면활성제 없이 물과 기름을 섞을 수 있는 집속초음파 기술은 단순히 유화 제품이 아닌 다양한 나노소재 개발에도 적용이 가능하다. 현재 제약이나 기능성 화장품에 널리 사용되고 있는 리포좀 소재를 만들어 Cryo-TEM 분석을 통해 입자크기를 분석한결과, 80 ~ 100nm 수준으로 리포좀 형태의 입자가 매우 균일하게 분포되어 있는것을 확인하였다. 또한 상온에서 입자의 응집없이 80nm를 유지하면서 3개월 이상 매우 안정적인 상태를 유지하는것을 확인하여, 이는 집속초음파 기술이 나노소재 개발에도 적용이 가능하다는 것을 보여준다.
그림 4. 100nm 이하의 나노리포좀 Cryo-TEM 분석 결과
그림 5. 상온에서 3개월 이상 안정적인 나노리포좀
(참고문헌: https://doi.org/10.9734/bpi/cmsdi/v1/11980F)
집속초음파 기술을 이용한 무계면활성제 나노수분산
이산화 타이타늄（Titanium dioxide, TiO2)는 화장품, 식품, 생필품 등 매우 다양한 제품에 사용되는 나노입자 중 하나다. 나노입자는 입자 크기가 제품 퀼리티에 매우 중요한 요소중에 하나이기 때문에 당연히 분산 정도가 매우 중요한 평가 항목중에 하나이다. 계면활성제를 사용하지 않고 집속초음파 기술을 이용하여 물에 TiO2를 분산하여 TEM 분석을 한 결과, TiO2 나노입자의 응집을 상당히 제어하여 균일하게 분산되어 있는것을 확인하였다. 나노입자분산 또한 유화 제품에 못지않게 재응집이 일어나지 않는 안정성이 매우 중요하다. 집속초음파 기술을 적용한 TiO2 나노입자 수분산액의 경우, 입자의 크기가 약 60nm로 존재 하는것을 확인하였으며, 거의 2년동안 재응집 없이 유지 하는것을 확인하였다. 이는 화장품, 의약품, 도료, 잉크, 생필품 등 매우 다양한 제품개발 적용에 가능성을 보여준다.
그림 6. TiO2 나노입자 수분산액 TEM 분석 결과
그림 7. TiO2 나노입자 수분산액 TEM 분석 결과
DEBREX LAB / SS
무계면활성제 나노유화/분산 기술이 적용된 장비가 출시되어 현재 다양한 제품개발에 적용되고 있으며, 향후 지속적인 기술개발을 통해 다양한 기능이 추가된 장비가 선보일 예정이다.
그림 8. 무계면활성제 집속초음파 기술이 적용된 제품
(참고자료: https://www.fustlab.com/sub/sub02_01.php?cat_no=4)
<KASICS 2024 대한민국 분석과학기기 및 스마트 LAB Conference & Show 세미나 현장 사진>
‘계면활성제 없이 물과 기름을 섞는(나노유화) 초음파 집속 기술’에 대한 궁금한 내용은 본 원고자료를 제공한 (주)퍼스트랩을 통하여 확인할 수 있다.
Reference(참고문헌/자료출처): Chemical and Materials Sciences - Developments and Innovations Vol. 1, 11 May 2024 , Page 84-100(https://doi.org/10.9734/bpi/cmsdi/v1/11980F)
Model Name(모델명): FS-R02K1
The Person in Charge(담당자): Seonae Hwangbo
Maker(제조사): FUST Lab.
Country of Origin(원산지): Korea
e-mail: hbsa@fustlab.com
Data Services(자료제공): FUST Lab.
<이 기사는 사이언스21 매거진 2024년 11월호에 게재 되었습니다.>
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