[논문]Microfluidics를 이용한 화장품 에멀젼 캡슐레이션에 대한 연구

정남균; 진홍종

doi:10.5762/kais.2021.22.1.81

초록
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화장품 산업은 정밀화학분야로 기술집약적인 산업이며 세계적으로 지속적인 성장률을 보이고 있다. 이러한 화장품 산업에서 시장 점유율을 높이기 위해 과거에는 기능적 측면이 주로 강조가 되어 왔으나, 최근에는 국내외적으로 화장품의 우수한 성능과 더불어 시각적 효과로 소비자의 관심을 유도하려는 노력이 고조되고 있다. 이에 따라 화장품 제조업체에서는 화장품 에멀젼을 캡슐화하고 에멀젼 캡슐의 형태, 색상 및 질감 등을 다양하게 변형시킬 수 있는 기술을 다방면으로 시도하고 있는 상황이다. 에멀젼을 캡슐화하는 기본 방식은 에멀젼 저장소에 에멀젼을 채워 넣고 노즐을 통해 에멀젼을 낙하시키는 방법으로 업체에서 가장 쉽게 이용할 수 있다. 그러나, 에멀젼을 캡슐레이션하는 기존 방식은 캡슐의 사이즈를 줄이는 데 한계가 있다. 본 연구에서는 이러한 기존 방식의 한계를 이론 및 수치해석방법으로 고찰하였으며, 이러한 방식의 문제를 해결하기 위한 대안책으로 미세유체역학(Microfluidics)을 적용하기 위하여 마이크로 채널 내에서 발생하는 에멀젼 캡슐레이션 현상을 연구하였다.

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The cosmetic industry is technology-intensive in the field of fine chemistry and continues to grow globally. The functional aspects have been mainly emphasized in the past to increase the market share in these cosmetics industries. Recently, however, efforts have been made to attract the attention o...

The cosmetic industry is technology-intensive in the field of fine chemistry and continues to grow globally. The functional aspects have been mainly emphasized in the past to increase the market share in these cosmetics industries. Recently, however, efforts have been made to attract the attention of consumers to the visual effects as well as the excellent performance of cosmetics at home and abroad. Accordingly, cosmetic manufacturers are trying various technologies that encapsulate the cosmetic emulsion and modify the shape, color, and texture of the emulsion capsule. The basic and easiest method of encapsulating emulsion is dropping the emulsion through the nozzle from emulsion storage. On the other hand, the existing method of encapsulating emulsion has a limit in reducing the size of the capsule. In this study, the limit was shown by theory and numerical analysis method, and the emulsion encapsulation phenomena occurring in the micro-channel were studied to apply microfluidics as an alternative.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of falling method for encapsulating cosmetic emulsion
그림 Fig. 2. Emulsion droplet suspended from nozzle
그림 Fig. 3. Nozzle geometry and calculation domain
그림 Fig. 4. Calculation results for emulsion droplet of falling method (a) σ = 0.04 N/m (b) σ = 0.075 N/m
그림 Fig. 5. 2D Calculation domain & boundary conditions for the simulation of microfluidics
그림 Fig. 6. Results of flow pattern in the microchannel when μ_emulsion = 0.005kg/m · s;σ = 0.005 N/m; V_emulsion = 0.01m/s; and V_water = 0.01 m/s
그림 Fig. 7. Results of flow pattern in 2D microchannel when μ_emulsion = 1.0kg/m · s;σ = 0.005 N/m; V_emulsion = 0.01m/s; and V_water = 0.01 m/s
그림 Fig. 8. Results of flow pattern in 2D microchannel when μ_emulsion = 1.0kg/m · s;σ = 0.1 N/m; V_emulsion = 0.01m/s; and V_water = 0.01 m/s
그림 Fig. 9. Results of flow pattern in 2D microchannel when μ_emulsion = 1.0kg/m · s;σ = 0.1 N/m; V_emulsion = 0.01m/s; and V_water = 0.01 m/s
그림 Fig. 10. Results of flow pattern in 2D microchannel when μ_emulsion = 1.0kg/m · s;σ = 0.1 N/m; V_emulsion = 0.005m/s; and V_water = 0.1 m/s
그림 Fig. 11. 3D Calculation domain & boundary conditions for the simulation of microfluics
그림 Fig. 12. Results of flow pattern in 3D microchannel when μ_emulsion = 1.0kg/m · s;σ = 0.1 N/m; V_emulsion = 0.01m/s; and V_water = 0.005 m/s

AI 본문요약
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문제 정의

mm 정도의 제품만 생산이 가능한 상황이다. 본 연구는 1 mm 이하의 크기로 에멀젼 캡슐을 제조하기 위한대안책으로 미세유체역학(Microfluidics)을 이용하기 위하여 마이크로 채널 내에서 발생하는 에멀젼 캡슐레이션현상을 이상유동해석을 통하여 연구한다.
본 연구에서는 액상의 에멀젼을 냉매 상부에서 노즐을 통해 액적의 형태로 낙하하여 캡슐레이션하는 기존 방식을 이용할 경우 사이즈를 줄이는데 발생하는 한계점을 이론적인 방법으로 고찰하였고, 수치해석적인 방법으로 검증하였다. 고찰결과 기존의 낙하방식은 노즐의 사이즈를 0.

가설 설정

노즐의 입구경계에는 에멀젼 저장소에 에멀젼이 5 cm 높이로 저장되었을 때의 압력이 가해진다고 가정하였고 나머지 경계면은 벽으로 가정하였으며, 에멀젼의 밀도는 1000 kg/m³ 이라고 하였다.
연속상(Continuous phase) 에는 물을 사용하였고, 액적상(Droplet phase)인 에멀젼의 밀도는 1200 kg/m³이라고 하였다. 마이크로채널의 벽면 위에서 에멀젼 액적이 표면과 이루는 접촉 각은 에멀젼의 형태에 큰 영향을 미치게 되는데[7, 8], 본 연구에서는 마이크로채널의 벽면 상태가 에멀젼 캡슐화에 유리한 표면조건을 갖는다는 가정 하에서 접촉각을 90^o보다 크다고 가정하였고, 기존의 전산해석을 이용한 미세 유체역학 관련 연구를 참고하여 135^o라고 가정하였다[9].
01m/s의 속도로 주입되는 경우에 대한 결과를 나타내었다. 물의 주입속도는 에멀젼의 주입속도와 동일하다고 가정하였다. 시간에 따른 마이크로 채널 내부에서의 유동해석 결과를 0.
11과 같은 마이크로튜브에서의 유동 현상을 해석하였다. 에멀젼의 밀도와 점도는 1200 kg/m³, 1.0 kg/mㆍs 이라고 하였고, 표면장력은 0.1 N/m이라고 가정하였다.

제안 방법

3차원 형상에서의 에멀젼 액적 생성을 위한 조건을 알아보기 위하여 Fig. 11과 같은 마이크로튜브에서의 유동 현상을 해석하였다. 에멀젼의 밀도와 점도는 1200 kg/m³, 1.
기존 방식에 대한 대안으로 미세유체역학을 이용한 캡슐 레이션이 가능한지 알아보기 위하여 마이크로채널에서의 이상유동현상을 해석하였는데, 에멀젼의 점도와 표면장력, 에멀젼 주입속도와 옆면에서 주입되는 물의 속도 등이 액적생성에 미치는 영향을 알아보았다. 해석결과 에멀젼의 점도가 낮은 경우는 액적이 잘 생성되나 고점도인 경우는 액적 생성이 용이하지 않았고, 옆면에서 주입되는 냉매의 속도를 높여 액적생성이 가능함을 알 수 있었다.
액적의 표면장력이 클수록 액적의 형상이 구형에 가까워지는 경향이 있으므로, 표면장력의 크기를 증가시키면 Fig. 7에서와 같이 에멀젼이 길게 늘어지는 양상을 감소시킬 수 있을 것이므로, 표면장력의 크기를 0.1 N/m로증가시켜 해석을 수행하였고, 그 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 표면장력이 작은 경우보다는 늘어짐이 줄어들고 에멀젼 끝부분의 형상이 훨씬 구형의 형태로 유지되는 경향은 있으나, 에멀젼의 캡슐화는 이루어지지 않음을 알 수 있다.
받는 물성치 중의 하나는 점도이다. 에멀젼의 점도가 마이크로채널에서 캡슐레이션에 미치는 영향을 알아보기 위해서 점도를 1.0 kg/mㆍs로 높인 경우에 대하여 계산을 수행하였다. 점도를 제외한 나머지 물성치 및 경계조건은 동일하게 유지하였다.
01 m/s인 경우보다 에멀젼의 목부분의 폭이 줄었고, 주흐름에서 에멀젼을 액적 형태로 잘 분리시키고있음을 알 수 있다. 에멀젼의 주입속도가 마이크로채널 내에서 액적 생성에 미치는 영향을 알아보기 위해서 에멀젼의 주입속도를 0.005 m/s로 줄여서 계산을 수행하였고, 결과를 Fig. 10에 나타내었다. 에멀젼의 주입속도를 줄이게 되면 생성되는 에멀젼 사이즈가 작게 나타남을 알 수 있다.
이론 식과 에멀젼이 흐르는 동적인 상황 및 에멀젼 점도의 영향을 고려한 실제 상황과의 비교를 위해서, Fig. 3과 같이 직경이 30 mm이고, 높이가 35mm인 원통형 탱크 안으로 직경 1 mm인 노즐을 통해 에멀젼을 낙하시키는 경우에 대한 해석을 수행해 보았고 결과를 이론적으로 얻은 값과 비교를 해보았다.

대상 데이터

5와 같은 2차원 형상에 대한 해석을 수행하였는데, 이러한 형상은 미세유체역학을 이용한 연구에서 마이크로채널 내의 액적 생성을 위하여 많이 이용되는 형상 중 하나이다[6]. 연속상(Continuous phase) 에는 물을 사용하였고, 액적상(Droplet phase)인 에멀젼의 밀도는 1200 kg/m³이라고 하였다. 마이크로채널의 벽면 위에서 에멀젼 액적이 표면과 이루는 접촉 각은 에멀젼의 형태에 큰 영향을 미치게 되는데[7, 8], 본 연구에서는 마이크로채널의 벽면 상태가 에멀젼 캡슐화에 유리한 표면조건을 갖는다는 가정 하에서 접촉각을 90^o보다 크다고 가정하였고, 기존의 전산해석을 이용한 미세 유체역학 관련 연구를 참고하여 135^o라고 가정하였다[9].

이론/모형

에멀젼 액적 생성에 대한 해석을 위해서 본 연구에서는 ANSYS FLUENT를 이용하여 비정상상태 해석을 하였고, 이상유동(Two-phase flow)해석을 위해서는 VOF(Volume of Fluid)방법을 사용하였다.

성능/효과

해석결과 에멀젼의 점도가 낮은 경우는 액적이 잘 생성되나 고점도인 경우는 액적 생성이 용이하지 않았고, 옆면에서 주입되는 냉매의 속도를 높여 액적생성이 가능함을 알 수 있었다. 2차원형상과 더불어 3차원형상에 대한 해석도 수행하였는데, 3차원형상인 마이크로튜브의 경우는 옆면에서 주입되는 물의 유속이 작아도 고점도 에멀젼의 액적이 잘 생성됨을 알 수 있었다.
고찰결과 기존의 낙하방식은 노즐의 사이즈를 0.5 mm까지 줄여도 1 mm이하의 에멀젼 액적을 생성하기 어렵다는 것을 확인하였다.
7 mm 정도가 된다. 사이즈를 0.5 mm 미만으로 줄이게 되면 가공이 매우 어려워질 뿐만 아니라 노즐이 에멀젼 경화로 인하여 막히게 되므로, 기존의 낙하방식으로는 1 mm이하의 캡슐 생성이 어렵다고 결론지을 수 있다.
물의 주입속도는 에멀젼의 주입속도와 동일하다고 가정하였다. 시간에 따른 마이크로 채널 내부에서의 유동해석 결과를 0.05 sec 간격으로 나타내었는데, 채널 내에 1mm보다 작은 사이즈의 액적이 잘 형성되고 있음을 알 수 있다.
옆면에서 주입되는 물의 주입속도를 높이면 주입된 물이 마이크로채널의 십자 확장유로 부분에서 에멀젼과 충돌 시에 에멀젼의 폭이 줄어드는 목부분을 조이는 효과를 줄 수 있고, 확장유로로 물이 빠져나갈 때 빨라진 유속이 에멀젼을 주흐름에서 분리시키는데 유리하게 작용할 수 있을 것이다.
액적생성에 미치는 영향을 알아보았다. 해석결과 에멀젼의 점도가 낮은 경우는 액적이 잘 생성되나 고점도인 경우는 액적 생성이 용이하지 않았고, 옆면에서 주입되는 냉매의 속도를 높여 액적생성이 가능함을 알 수 있었다. 2차원형상과 더불어 3차원형상에 대한 해석도 수행하였는데, 3차원형상인 마이크로튜브의 경우는 옆면에서 주입되는 물의 유속이 작아도 고점도 에멀젼의 액적이 잘 생성됨을 알 수 있었다.

참고문헌 (9)

Korea Trade Insurance Corporation, "Analysis of the trend in domestic and foreign cosmetics industry", Industrial Trends Report, 2018.
J. H. Chun, Y. J. Chun, "Study of he Purchasing Behavior of Cosmetics:Focused on Japanese, Chinese Tourist and Korean", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol.15, No. 12, pp.7459-7466, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2014.15.12.7459

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M. N. Lee, M. H. Jang, I. H. Lee, "The status of skin condition and using of cosmetic for 50's women ", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol.15, No. 12, pp.7005-7011, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2014.15.12.7005

원문보기 상세보기
F. Casanova, L. Santos, "Encapsulation of cosmetic active ingredients for topical application - a review", Journal of Microencapsulation, Vol.33, No. 1, pp.1-17, 2016. DOI: https://doi.org/10.3109/02652048.2015.1115900

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S. H. Ma, J. M. Sherwood, W. T. S. Huck, S. Balabani, "On the flow topology inside droplets moving in rectangular microchannels", Lab on a Chip, Vol.14, pp.3611-3620, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/anie.201402327

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Y. S. Song, C. S. Lee, "In situ Gelation of Monodisperse Alginate Hydrogel in Microfluidic Channel Based on Mass Trnsfer of Calcium Ions", Korean Chemical Engineering Research, Vol.52, No. 5, pp.632-637, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.9713/kcer.2014.52.5.632

원문보기 상세보기
M. Mastiani, B. Mosavati, "Numerical simulation of high inertial liquid-in-gas droplet in a T-junction microchannel", RSC Advances, Vol.7, pp.48512-48525, 2017. DOI: http://dx.doi.org/10.1039/c7ra09710g

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G. Rosengarten, D. J. E. Harvie, J. Cooper-White, "Contact angle effects on microdroplet deformation using CFD", Applied Mathematical Modelling, Vol.30, pp.1033-1042, 2006. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.apm.2005.06.011

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M. Y. A. Jamalabadi, M. Daqiqshirazi, A. Kosar, M. S. Shadloo, "Effect of injection angle, densityh ratio, and viscosity on droplet formation in a microfluidic T-junction", Theoretical and Applied Mechanics Letters, Vol.7, pp.243-251, 2017. DOI: https://doi.org/10.1016/j.taml.2017.06.002

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