화장품 산업은 급속도로 성장하고 있고 이미 거대한 시장을 형성하고 있다. 이에 따라 화장품 업계들은 화장품의 원료물질 뿐만 아니라 최종제품의 유변학적 평가에 대한 중요성을 인식하고 있다. 일반적으로, 화장품에 대한 유변학적 측정은 다음과 같은 이유로 수행되고 있다. 첫 번째는 그 물질계가 가지고 있는 근본적인 성질을 이해하기 위한 것이고, 두 번째는 혼합, 펌핑, 담기, 포장과 같은 제조과정에 있어서 원료물질과 최종제품의 품질을 제어하기 위한 것이다. 마지막으로 소비자가 사용 중에 느끼게 되는 직접적인 사용감과 품질에 대하여 영향을 주는 제형, 저장시간, 온도 등과 같은 다양한 요소들의 영향을 예측하기 위한 것이다. 현재, 유변학적 성질과 직접적으로 연관되어 있는 물질의 유동거동이 화장품 에멀젼계의 가장 중요한 요소임은 널리 알려져 있다. 소비자들은 화장품에 있어서 안정성, 조직감, 사용감, 농도, 유분감과 같은 관점에 있어서 매우 다양하고 섬세한 특성들을 기대한다. 이러한 특성들은 그들의 제품선호도와 구매경향에 있어서도 중요한 역할을 한다. 그러므로, 화장품산업은 이러한 사실들을 잘 인식하고, 소비자들의 요구사항을 충족시킬 수 있는 방안을 찾아야 할 것이다. 바디크림과 바디로션은 유변학적 연구를 하기에 앞서 이들이 가지고 있는 특성을 파악하고 최종 사용자의 만족을 이끌어 낼 수 있는 기능적인 품질을 제어하기 위해 정교한 설계가 필요하다. 화장품을 사람의 피부 위에 문질렀을 때, 기름지거나 끈적한 느낌 없이 피부에 쉽게 도포되어야 한다. 또한, 제품 매장이나 화장대 위에서 진열되거나 보관되는 시간 동안 제품의 원료들이 서로 분리되거나 용기 아래로 가라앉아서는 안 된다. 만약 그러한 제품을 피부에 바른다면 덩어리지거나 알갱이가 오돌토돌하게 남아있는 쾌적하지 못한 사용감을 가지게 된다. 포장 용기로부터 내용물을 짜내거나 퍼낼 때, 제품이 너무 딱딱하거나 또는 너무 물러서도 안 된다. 앞서 언급된 이러한 요구사항들은 소비자의 만족을 충족시키기 위하여 제품 제조 시에 고려되어야 할 것이다. 일반적으로, 바디 크림과 바디 로션은 복잡한 다상에멀젼으로 구성되어 있고, 비슷한 원료구성으로 거의 동일한 방법으로 제조된다. 하지만, 이 두 종류의 제품은 주 기능적인 면과 사용자가 제품 사용 중에 느끼게 되는 사용감적인 측면에서 상당한 차이가 있다. 크림과 로션은 기본적으로 피부의 유분과 수분의 균형을 유지하면서 가볍게 관리하는 목적으로 사용된다. 로션은 이러한 기능과 함께 피부에 부드럽게 발려지면서 피부 안으로 잘 흡수되어야 하므로, 특별한 경우를 제외하곤 오일의 함량이 그리 높지 않다. 하지만, 크림의 경우에는 로션과 다소 다른 기능을 가진다. 크림은 피부에 충분한 수분과 영양분을 공급하는 동시에, 피부위에 보호막을 형성하여 수분의 손실을 막아야 한다. 그러므로, 높은 농도와 점도를 가지기 위해 오일함량이 높은 편이다. 실제 사용감에 있어서도 이러한 이유로 로션보다 풍부하고 촉촉한 느낌을 받을 수 있다. 앞서 설명한 배경을 바탕으로, 이번 연구에서는 바디 크림과 바디 로션의 실제 적용상황과 유사한 다양한 유동장 하에서 유변학적 실험을 수행하여 각각의 점탄성거동을 살펴보고, 이러한 결과를 토대로 실제 사용조건과의 연관성을 면밀히 검토하였다. 본 연구에서는 Strain-controlled 레오메터의 일종인 Rheometric Scientific (USA)의 Advanced Rheometric Expansion System (ARES)를 사용하여, NIVEA 바디크림과 바디로션의 유변학적 측정을 실시하였다. 먼저, 정상전단 유동장과 소진폭 전단 유동장에서의 유변학적 거동을 측정하였으며, 얻어진 결과값을 토대로 수정된 Cox-Merz 법칙을 도입하여 정상전단 유동 특성 (비선형 거동)과 동적 점탄성 성질 (선형 거동)간의 상관성을 살펴보았다. 다음으로 다양한 온도범위에서 유변학적 측정을 실시하여 물질의 온도의존성 특성을 알아보았으며, 대진폭 전단 유동장하에서 물질의 비선형 점탄성 거동을 연구하였다. 이에 더 나아가 정현적인 변형을 가함으로써 얻어지는 응답 ...
화장품 산업은 급속도로 성장하고 있고 이미 거대한 시장을 형성하고 있다. 이에 따라 화장품 업계들은 화장품의 원료물질 뿐만 아니라 최종제품의 유변학적 평가에 대한 중요성을 인식하고 있다. 일반적으로, 화장품에 대한 유변학적 측정은 다음과 같은 이유로 수행되고 있다. 첫 번째는 그 물질계가 가지고 있는 근본적인 성질을 이해하기 위한 것이고, 두 번째는 혼합, 펌핑, 담기, 포장과 같은 제조과정에 있어서 원료물질과 최종제품의 품질을 제어하기 위한 것이다. 마지막으로 소비자가 사용 중에 느끼게 되는 직접적인 사용감과 품질에 대하여 영향을 주는 제형, 저장시간, 온도 등과 같은 다양한 요소들의 영향을 예측하기 위한 것이다. 현재, 유변학적 성질과 직접적으로 연관되어 있는 물질의 유동거동이 화장품 에멀젼계의 가장 중요한 요소임은 널리 알려져 있다. 소비자들은 화장품에 있어서 안정성, 조직감, 사용감, 농도, 유분감과 같은 관점에 있어서 매우 다양하고 섬세한 특성들을 기대한다. 이러한 특성들은 그들의 제품선호도와 구매경향에 있어서도 중요한 역할을 한다. 그러므로, 화장품산업은 이러한 사실들을 잘 인식하고, 소비자들의 요구사항을 충족시킬 수 있는 방안을 찾아야 할 것이다. 바디크림과 바디로션은 유변학적 연구를 하기에 앞서 이들이 가지고 있는 특성을 파악하고 최종 사용자의 만족을 이끌어 낼 수 있는 기능적인 품질을 제어하기 위해 정교한 설계가 필요하다. 화장품을 사람의 피부 위에 문질렀을 때, 기름지거나 끈적한 느낌 없이 피부에 쉽게 도포되어야 한다. 또한, 제품 매장이나 화장대 위에서 진열되거나 보관되는 시간 동안 제품의 원료들이 서로 분리되거나 용기 아래로 가라앉아서는 안 된다. 만약 그러한 제품을 피부에 바른다면 덩어리지거나 알갱이가 오돌토돌하게 남아있는 쾌적하지 못한 사용감을 가지게 된다. 포장 용기로부터 내용물을 짜내거나 퍼낼 때, 제품이 너무 딱딱하거나 또는 너무 물러서도 안 된다. 앞서 언급된 이러한 요구사항들은 소비자의 만족을 충족시키기 위하여 제품 제조 시에 고려되어야 할 것이다. 일반적으로, 바디 크림과 바디 로션은 복잡한 다상에멀젼으로 구성되어 있고, 비슷한 원료구성으로 거의 동일한 방법으로 제조된다. 하지만, 이 두 종류의 제품은 주 기능적인 면과 사용자가 제품 사용 중에 느끼게 되는 사용감적인 측면에서 상당한 차이가 있다. 크림과 로션은 기본적으로 피부의 유분과 수분의 균형을 유지하면서 가볍게 관리하는 목적으로 사용된다. 로션은 이러한 기능과 함께 피부에 부드럽게 발려지면서 피부 안으로 잘 흡수되어야 하므로, 특별한 경우를 제외하곤 오일의 함량이 그리 높지 않다. 하지만, 크림의 경우에는 로션과 다소 다른 기능을 가진다. 크림은 피부에 충분한 수분과 영양분을 공급하는 동시에, 피부위에 보호막을 형성하여 수분의 손실을 막아야 한다. 그러므로, 높은 농도와 점도를 가지기 위해 오일함량이 높은 편이다. 실제 사용감에 있어서도 이러한 이유로 로션보다 풍부하고 촉촉한 느낌을 받을 수 있다. 앞서 설명한 배경을 바탕으로, 이번 연구에서는 바디 크림과 바디 로션의 실제 적용상황과 유사한 다양한 유동장 하에서 유변학적 실험을 수행하여 각각의 점탄성거동을 살펴보고, 이러한 결과를 토대로 실제 사용조건과의 연관성을 면밀히 검토하였다. 본 연구에서는 Strain-controlled 레오메터의 일종인 Rheometric Scientific (USA)의 Advanced Rheometric Expansion System (ARES)를 사용하여, NIVEA 바디크림과 바디로션의 유변학적 측정을 실시하였다. 먼저, 정상전단 유동장과 소진폭 전단 유동장에서의 유변학적 거동을 측정하였으며, 얻어진 결과값을 토대로 수정된 Cox-Merz 법칙을 도입하여 정상전단 유동 특성 (비선형 거동)과 동적 점탄성 성질 (선형 거동)간의 상관성을 살펴보았다. 다음으로 다양한 온도범위에서 유변학적 측정을 실시하여 물질의 온도의존성 특성을 알아보았으며, 대진폭 전단 유동장하에서 물질의 비선형 점탄성 거동을 연구하였다. 이에 더 나아가 정현적인 변형을 가함으로써 얻어지는 응답 응력을 가해준 변형과 각주파수에 따라 파형이나 Lissajous 형태로 나타내고, 몇 가지 간단한 물질함수를 사용하여 정량화시켜 대변형 하에서의 바디크림과 바디로션의 비선형 거동을 검토하였다. 끝으로 fast Fourier transform을 사용하여 기존에 얻어진 응답 응력 파형을 수학적으로 분석함으로써 바디크림과 바디로션의 비선형 거동에 대하여 더욱 심도 깊은 연구를 진행하였다.
위와 같은 과정을 통하여 얻어진 결론을 다음과 같이 정리할 수 있다. (1) 정상 전단 유동장 실험에서 바디 크림과 바디 로션은 상당한 크기의 항복 응력을 가지며, 비뉴튼 shear-thinning 거동을 보이는 물질임을 알 수 있었다. (2) 두 물질의 전단응력과 전단점도를 비교함에 있어서 각각 약 10배 정도의 정량적인 값 차이를 나타나는 것을 볼 수 있는데, 이는 바디 크림이 바디 로션 보다 용기로부터 내용물을 짜내거나 덜어질 때 더 큰 힘이 필요하다는 것과 바디 로션이 바디 크림보다 피부에 한 방향으로 도포될 때 더 쉽게 발려질 수 있는 우수한 도포성(spreadability)을 가졌음을 예상 할 수 있다. (3) 소진폭 진동 전단 유동장 실험의 전 각주파수 구간에서 바디 크림과 바디 로션의 저장탄성율이 손실탄성율보다 더 큰 값을 보임으로써 두 물질의 선형 점탄성 거동은 점성적 특성보다 탄성적 성질에 의해 지배됨을 알 수 있었다. 이는 화장품을 진열 또는 보관하는 상태에서 제품의 저장 안정성을 결정하는 기준이 될 수 있다. 실험 결과를 통해 두 물질 모두 우수한 저장 안정성을 가지고 있음을 유추할 수 있다. (4) 바디 크림과 바디 로션의 전단 점도 (비선형거동)과 복소 점도 (선형거동)은 power-law 거동을 잘 따르고 있다. (5) 두 물질 모두 복소 점도가 정상 전단 점도보다 큰 값을 가짐으로써 Cox-Merz rule은 적용할 수가 없고, 대신 아래와 같은 변형된 형식의 Cox-Merz rule을 적용시키면 두 점도간의 우수한 상관관계를 입증 할 수 있다. (6) 온도 의존성 실험을 통해 바디 크림과 바디 로션 모두 강한 온도 의존성을 가짐을 알 수 있었다. 하지만 보관온도인 20℃와 피부 온도인 35℃에서 각 물질의 점탄성 특성을 살펴본 결과, 바디 크림은 두 온도 모두에서 탄성적 성질이 점성적 성질보다 상당히 우위에 있음을 알 수 있는 반면, 바디 로션은 온도가 증가할수록 탄성적 성질과 점성적 성질이 거의 대등하게 발현됨을 확인 할 수 있었다. (7) 대진폭 진동 전단 유동장 실험에서 바디 크림과 바디 로션은 각각 1% 와 0.2%에서 한계 변형량을 나타냄으로써, 바디 크림이 바디 로션보다 더 넓은 선형구간을 가짐을 확인했다. 또한, 선형구간 이후 변형량 의존함수들이 점점 감소하는 경향을 통해 두 물질 모두 뚜렷한 strain-thinning 거동을 보였다. (8) 바디 크림과 바디 크림은 작은 변형량 구간 (바디 크림 : <90%, 바디 로션 : <60%) 내에서 탄성적 성질이 우위를 보이다가 특정 변형량 이후 점성적 성질이 더 지배적인 비선형 점탄성 거동을 나타낸다. 이러한 결과는 피부위에 적용하는 실제 상황에 있어서 소위 ‘rubbing motion'이라는 개념과 관계된다. rubbing motion이 더 커질수록 즉, 바디 크림과 바디 로션을 몸에 바르는데 있어서 두 물질에 지배되는 성질이 탄성에서 점성으로 변하면서 바람직한 유변학적 성질을 가짐을 알 수 있었다. (9) 작은 변형 하에서 정현적인 전단 변형을 가할 경우, 바디크림과 바디로션은 정현적인 응답 응력 파형을 나타내었다. 그에 반해 큰 변형의 정현적 전단 변형을 가할 경우, 비정현적인 응답 응력 파형을 나타내었다. 이는 비선형 점탄성 거동에서의 고차항의 영향을 나타낸 것이며, 이러한 일그러진 응답 파형을 Lissajous 패턴으로 나타내어 비교적 간단한 물질 함수로서 정량화 하였다. (10) 바디크림과 바디로션의 비정현적인 일그러진 비선형 응답 응력 파형은 fast Fourier transform을 사용하여 비선형 점탄성 함수로써 나타내었다. 바디크림과 바디로션의 비선형 거동의 해석을 위해서는 고차의 홀수 항으로 구성된 비선형 점탄성 함수를 고려해야 함을 알 수 있었다.
화장품 산업은 급속도로 성장하고 있고 이미 거대한 시장을 형성하고 있다. 이에 따라 화장품 업계들은 화장품의 원료물질 뿐만 아니라 최종제품의 유변학적 평가에 대한 중요성을 인식하고 있다. 일반적으로, 화장품에 대한 유변학적 측정은 다음과 같은 이유로 수행되고 있다. 첫 번째는 그 물질계가 가지고 있는 근본적인 성질을 이해하기 위한 것이고, 두 번째는 혼합, 펌핑, 담기, 포장과 같은 제조과정에 있어서 원료물질과 최종제품의 품질을 제어하기 위한 것이다. 마지막으로 소비자가 사용 중에 느끼게 되는 직접적인 사용감과 품질에 대하여 영향을 주는 제형, 저장시간, 온도 등과 같은 다양한 요소들의 영향을 예측하기 위한 것이다. 현재, 유변학적 성질과 직접적으로 연관되어 있는 물질의 유동거동이 화장품 에멀젼계의 가장 중요한 요소임은 널리 알려져 있다. 소비자들은 화장품에 있어서 안정성, 조직감, 사용감, 농도, 유분감과 같은 관점에 있어서 매우 다양하고 섬세한 특성들을 기대한다. 이러한 특성들은 그들의 제품선호도와 구매경향에 있어서도 중요한 역할을 한다. 그러므로, 화장품산업은 이러한 사실들을 잘 인식하고, 소비자들의 요구사항을 충족시킬 수 있는 방안을 찾아야 할 것이다. 바디크림과 바디로션은 유변학적 연구를 하기에 앞서 이들이 가지고 있는 특성을 파악하고 최종 사용자의 만족을 이끌어 낼 수 있는 기능적인 품질을 제어하기 위해 정교한 설계가 필요하다. 화장품을 사람의 피부 위에 문질렀을 때, 기름지거나 끈적한 느낌 없이 피부에 쉽게 도포되어야 한다. 또한, 제품 매장이나 화장대 위에서 진열되거나 보관되는 시간 동안 제품의 원료들이 서로 분리되거나 용기 아래로 가라앉아서는 안 된다. 만약 그러한 제품을 피부에 바른다면 덩어리지거나 알갱이가 오돌토돌하게 남아있는 쾌적하지 못한 사용감을 가지게 된다. 포장 용기로부터 내용물을 짜내거나 퍼낼 때, 제품이 너무 딱딱하거나 또는 너무 물러서도 안 된다. 앞서 언급된 이러한 요구사항들은 소비자의 만족을 충족시키기 위하여 제품 제조 시에 고려되어야 할 것이다. 일반적으로, 바디 크림과 바디 로션은 복잡한 다상에멀젼으로 구성되어 있고, 비슷한 원료구성으로 거의 동일한 방법으로 제조된다. 하지만, 이 두 종류의 제품은 주 기능적인 면과 사용자가 제품 사용 중에 느끼게 되는 사용감적인 측면에서 상당한 차이가 있다. 크림과 로션은 기본적으로 피부의 유분과 수분의 균형을 유지하면서 가볍게 관리하는 목적으로 사용된다. 로션은 이러한 기능과 함께 피부에 부드럽게 발려지면서 피부 안으로 잘 흡수되어야 하므로, 특별한 경우를 제외하곤 오일의 함량이 그리 높지 않다. 하지만, 크림의 경우에는 로션과 다소 다른 기능을 가진다. 크림은 피부에 충분한 수분과 영양분을 공급하는 동시에, 피부위에 보호막을 형성하여 수분의 손실을 막아야 한다. 그러므로, 높은 농도와 점도를 가지기 위해 오일함량이 높은 편이다. 실제 사용감에 있어서도 이러한 이유로 로션보다 풍부하고 촉촉한 느낌을 받을 수 있다. 앞서 설명한 배경을 바탕으로, 이번 연구에서는 바디 크림과 바디 로션의 실제 적용상황과 유사한 다양한 유동장 하에서 유변학적 실험을 수행하여 각각의 점탄성거동을 살펴보고, 이러한 결과를 토대로 실제 사용조건과의 연관성을 면밀히 검토하였다. 본 연구에서는 Strain-controlled 레오메터의 일종인 Rheometric Scientific (USA)의 Advanced Rheometric Expansion System (ARES)를 사용하여, NIVEA 바디크림과 바디로션의 유변학적 측정을 실시하였다. 먼저, 정상전단 유동장과 소진폭 전단 유동장에서의 유변학적 거동을 측정하였으며, 얻어진 결과값을 토대로 수정된 Cox-Merz 법칙을 도입하여 정상전단 유동 특성 (비선형 거동)과 동적 점탄성 성질 (선형 거동)간의 상관성을 살펴보았다. 다음으로 다양한 온도범위에서 유변학적 측정을 실시하여 물질의 온도의존성 특성을 알아보았으며, 대진폭 전단 유동장하에서 물질의 비선형 점탄성 거동을 연구하였다. 이에 더 나아가 정현적인 변형을 가함으로써 얻어지는 응답 응력을 가해준 변형과 각주파수에 따라 파형이나 Lissajous 형태로 나타내고, 몇 가지 간단한 물질함수를 사용하여 정량화시켜 대변형 하에서의 바디크림과 바디로션의 비선형 거동을 검토하였다. 끝으로 fast Fourier transform을 사용하여 기존에 얻어진 응답 응력 파형을 수학적으로 분석함으로써 바디크림과 바디로션의 비선형 거동에 대하여 더욱 심도 깊은 연구를 진행하였다.
위와 같은 과정을 통하여 얻어진 결론을 다음과 같이 정리할 수 있다. (1) 정상 전단 유동장 실험에서 바디 크림과 바디 로션은 상당한 크기의 항복 응력을 가지며, 비뉴튼 shear-thinning 거동을 보이는 물질임을 알 수 있었다. (2) 두 물질의 전단응력과 전단점도를 비교함에 있어서 각각 약 10배 정도의 정량적인 값 차이를 나타나는 것을 볼 수 있는데, 이는 바디 크림이 바디 로션 보다 용기로부터 내용물을 짜내거나 덜어질 때 더 큰 힘이 필요하다는 것과 바디 로션이 바디 크림보다 피부에 한 방향으로 도포될 때 더 쉽게 발려질 수 있는 우수한 도포성(spreadability)을 가졌음을 예상 할 수 있다. (3) 소진폭 진동 전단 유동장 실험의 전 각주파수 구간에서 바디 크림과 바디 로션의 저장탄성율이 손실탄성율보다 더 큰 값을 보임으로써 두 물질의 선형 점탄성 거동은 점성적 특성보다 탄성적 성질에 의해 지배됨을 알 수 있었다. 이는 화장품을 진열 또는 보관하는 상태에서 제품의 저장 안정성을 결정하는 기준이 될 수 있다. 실험 결과를 통해 두 물질 모두 우수한 저장 안정성을 가지고 있음을 유추할 수 있다. (4) 바디 크림과 바디 로션의 전단 점도 (비선형거동)과 복소 점도 (선형거동)은 power-law 거동을 잘 따르고 있다. (5) 두 물질 모두 복소 점도가 정상 전단 점도보다 큰 값을 가짐으로써 Cox-Merz rule은 적용할 수가 없고, 대신 아래와 같은 변형된 형식의 Cox-Merz rule을 적용시키면 두 점도간의 우수한 상관관계를 입증 할 수 있다. (6) 온도 의존성 실험을 통해 바디 크림과 바디 로션 모두 강한 온도 의존성을 가짐을 알 수 있었다. 하지만 보관온도인 20℃와 피부 온도인 35℃에서 각 물질의 점탄성 특성을 살펴본 결과, 바디 크림은 두 온도 모두에서 탄성적 성질이 점성적 성질보다 상당히 우위에 있음을 알 수 있는 반면, 바디 로션은 온도가 증가할수록 탄성적 성질과 점성적 성질이 거의 대등하게 발현됨을 확인 할 수 있었다. (7) 대진폭 진동 전단 유동장 실험에서 바디 크림과 바디 로션은 각각 1% 와 0.2%에서 한계 변형량을 나타냄으로써, 바디 크림이 바디 로션보다 더 넓은 선형구간을 가짐을 확인했다. 또한, 선형구간 이후 변형량 의존함수들이 점점 감소하는 경향을 통해 두 물질 모두 뚜렷한 strain-thinning 거동을 보였다. (8) 바디 크림과 바디 크림은 작은 변형량 구간 (바디 크림 : <90%, 바디 로션 : <60%) 내에서 탄성적 성질이 우위를 보이다가 특정 변형량 이후 점성적 성질이 더 지배적인 비선형 점탄성 거동을 나타낸다. 이러한 결과는 피부위에 적용하는 실제 상황에 있어서 소위 ‘rubbing motion'이라는 개념과 관계된다. rubbing motion이 더 커질수록 즉, 바디 크림과 바디 로션을 몸에 바르는데 있어서 두 물질에 지배되는 성질이 탄성에서 점성으로 변하면서 바람직한 유변학적 성질을 가짐을 알 수 있었다. (9) 작은 변형 하에서 정현적인 전단 변형을 가할 경우, 바디크림과 바디로션은 정현적인 응답 응력 파형을 나타내었다. 그에 반해 큰 변형의 정현적 전단 변형을 가할 경우, 비정현적인 응답 응력 파형을 나타내었다. 이는 비선형 점탄성 거동에서의 고차항의 영향을 나타낸 것이며, 이러한 일그러진 응답 파형을 Lissajous 패턴으로 나타내어 비교적 간단한 물질 함수로서 정량화 하였다. (10) 바디크림과 바디로션의 비정현적인 일그러진 비선형 응답 응력 파형은 fast Fourier transform을 사용하여 비선형 점탄성 함수로써 나타내었다. 바디크림과 바디로션의 비선형 거동의 해석을 위해서는 고차의 홀수 항으로 구성된 비선형 점탄성 함수를 고려해야 함을 알 수 있었다.
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