매크로 스케일 유상입자 구현을 위한 마이크로플루이딕 기반 화장품 제조 기술 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 마이크로플루이딕 기반 Blow-type 시스템을 활용하여 화장품용 O/W 제형에서 거대 유상 액적(macro-scale droplet)을 안정적으로 생성·제어하기 위한 조성 및 공정 조건을 규명하는 것을 목표로 하였다. 기존 고전단 유화 공정은 액적 크기 및 구조 제어에 한계가 있어 고급 세럼 및 버블형 에멀젼에 요구되는 균일한 거대 액적 구현이 어렵다. 이에 본 연구는 에멀젼·코아세르베이션 이론, 마이크로플루이딕 액적 생성 원리, 제형 물성을 통합적으로 고려하여 조성–점도–공정 변수와 액적 거동 간의 관계를 체계적으로 분석하였다.

Amodimethicone–Carbomer 조합은 일정 농도 이상에서만 안정한 코아세르베이트가 형성되었으며, 일정 농도 미만에서는 액적 생성이 불가능하였다. 반대로 과량 사용 시 유상 점탄성 증가로 necking과 break-up이 불안정해지는 범위가 존재함을 확인하였다. 수상 조성에서는 Polysorbate 80, 카보머, 트로메타민 조절을 통해 약 700–1000 mPa·s 범위가 가장 안정적인 액적 형성과 토출에 적합한 점도창임을 확인하였으며, 점도 증가가 크리밍을 감소시키지만 장기 상분리를 완전히 억제하지는 못하였다.

유상 조성 비교에서는 ININ, 스쿠알란, 피마자 오일 등 각 오일의 점도·극성·유동 특성에 따라 액적 생성 가능 영역이 뚜렷하게 달랐고, 특히 비즈왁스 첨가 시 유상 점도 증가로 액적 변형이 감소하고 절단 대칭성이 개선되었다. 유상·수상 점도 간 특정 비율에서 가장 안정적 액적 형성이 나타나는 경향이 확인되었다.

또한 소량 트모메타민 후첨은 카보머의 부분 중화와 미세 팽윤을 유도하여 액적 주변 국소 점도를 증가시키고 크리밍 속도를 추가적으로 저감하였다. 이는 ‘부분 중화–미세 팽윤–국소 점도 증가–액적 이동성 저하’라는 물리적 메커니즘으로 설명되었다.

공정 측면에서는 입구·출구 직경 및 유량비가 액적 크기와 생성 빈도에 직접적인 영향을 미쳤다. 특히 고점도 유상 조건에서는 예상과 달리 입구 직경 축소가 액적 크기 증가로 이어졌으며, 출구 직경 축소는 반대로 액적 크기를 감소시켰다.

종합적으로 본 연구는 거대 액적 기반 화장품 제형에서 조성–점도–공정이 상호 작용하는 안정화 메커니즘을 규명하였으며, 마이크로플루이딕을 활용한 고정밀 액적 설계 및 생산 공정 확장에 활용 가능한 기초 지침을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigated the formulation and process conditions required for the stable generation of macro-scale oil droplets in O/W cosmetic systems using a microfluidic blow-type platform. Conventional high-shear emulsification cannot adequately control droplet size and structural uniformity, prompting a systematic analysis of the interactions among composition, viscosity, process parameters, and droplet behavior.

The Amodimethicone–Carbomer system formed stable coacervates only above defined threshold concentrations, while excessive levels increased oil-phase viscoelasticity and destabilized necking. Optimization of Polysorbate 80, Carbomer, and Tromethamine identified an aqueous-phase viscosity window of approximately 700–1000 mPa·s that ensured reproducible droplet formation, whereas higher viscosities impaired discharge stability and symmetry. Although increased aqueous viscosity reduced creaming, it did not fully prevent long-term phase separation.

Oil-phase comparison revealed distinct droplet-forming behaviors depending on viscosity and polarity. Squalane enabled stable formation even under high-viscosity conditions, whereas castor oil failed to break up due to excessive viscosity. Beeswax increased oil-phase viscosity, reduced deformation, and highlighted the importance of an optimal viscosity ratio between the two phases.

Post-added Tromethamine induced partial Carbomer neutralization and micro-swelling, creating localized high-viscosity domains around droplets and further reducing creaming through decreased droplet mobility.
Process-variable analysis showed that inlet/outlet diameters and flow-rate ratios directly determined droplet size and generation frequency. Under high-viscosity oil conditions, reducing inlet diameter unexpectedly increased droplet size, while reducing the outlet diameter produced smaller droplets.

Overall, this study clarifies the stabilization mechanisms governing macro-scale droplet formation and provides practical guidelines for high-precision droplet design and microfluidic-based cosmetic formulation development.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 ---1
• Ⅱ. 이론적 배경 ---3
• 1. 에멀젼의 기본 구조와 계면 안정화 ---3
• 2. Coacervation 기반 상분리 메커니즘과 화장품 제형에서의 응용 ---4
• 3. 마이크로플루이딕 액적 생성 메커니즘 ---6
• 4. Blow-type 액적 생성 장치의 특징 ---6
• 4.1. 구조적 단순성 ---6
• 4.2. 점도 의존성 ---6
• 4.3. 압력–점도 균형 ---7
• 4.4. 화장품 제형에의 적용 가능성 ---7
• 5. 화장품 제형의 구성 ---9
• 5.1. 수상 ---9
• 5.2. 유성 성분 ---9
• 5.3. 계면활성제 ---10
• 5.4. 기타 보조 성분 ---11
• Ⅲ. 실험 ---12
• 1. 재료 ---12
• 1.1. 수상과 유상의 조합의 구성 ---12
• 1.2. 제조 방법 ---14
• 1.3. 초기 형성 직후의 광학적 관찰 ---16
• 2. 구성 성분에 따른 유상 입자 형성 특성 ---17
• 2.1. Coacervation 유도를 위한 아모디메치콘–카보머 최소 농도 조건 ---17
• 2.2. 수상 조성의 영향 ---19
• 2.3. 수상 점도 및 안정성 평가 ---19
• 2.4. 유량비 조절에 따른 액적 형성 거동 ---20
• 2.5. 유상 조합의 액적 생성 영향 ---20
• Ⅳ. 결과 및 고찰 ---25
• 1. O/W 제형 구현을 위한 계면 안정화 전략 ---25
• 1.1. +/- 전하 기반 상호작용을 통한 계면 안정화 ---25
• 1.2. 계면활성제의 특성 및 선택 기준 ---26
• 2. 안정화 메커니즘 (Stabilization mechanisms) ---30
• 2.1. 수상 점도 변화에 따른 유상 버블 고정 임계 조건 ---30
• 2.2. 카보머농도 및 트로메타인 조절에 따른 점도 조절 ---33
• 2.3. 수상 점도 증가의 한계 ---34
• 2.4. Blow type 기기의 수상 점도 운용 범위 평가 ---35
• 2.5. 비즈왁스 첨가를 통한 유상 점도 증가와 액적 형성 안정성 ---36
• 2.6. 트로메타민 후첨을 통한 점도 보완 효과 ---39
• 3. 방울 크기 제어를 위한 주요 인자 분석 ---41
• 3.1. 노즐 사이즈 및 유량비에 따른 액적 생성 제어 ---41
• 3.2. 유량비(O/W ratio) 변화의 영향 ---45
• 4. 상거동 및 전환 ---47
• 4.1. 계면활성제 농도 변화에 따른 O/W ↔ W/O 전환 조건 분석 ---47
• 4.2. W/O 제형 제조 및 Span 80 사용 ---48
• 4.3. O/W 및 W/O 에멀젼의 안정화 요인과 공정 기반 상전환 제어 ---50
• 5. 공정 비교 (Process Comparison) ---56
• 5.1. Blow 타입 마이크로플루이딕 공정 ---56
• 5.2. 막유화 장치 ---57
• 5.3. Syringe 기반 마이크로플루이딕 공정 ---57
• 5.4. 생산 효율성과 분산 균일성의 비교 ---57
• Ⅴ. 결론 ---59
• 참 고 문 헌 ---61
• ABSTRACT ---65