The Effects of Ethanol on Nano-emulsion Prepared by High-energy Emulsification Method

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Bo Ryoung Won and Soo Nam Park^†

Department of Fine Chemistry, College of Nature and Life Science, Seoul National University of Technology, 172, Gongneung 2-dong, Nowon-gu, Seoul 139-743, Korea

(Received August 14, 2009; Revised August 28, 2009; Accepted September 1, 2009)

요 약: 본 연구에서는 poly(oxyethylene) hydrogenated castor oils (HCOs)/오일/에탄올/물로 이루어진 에멀젼에 대한 에탄올의 영향을 연구하였다. 에멀젼은 고에너지법인 균질기(homogenizer)를 병합하여 제조하였다. 에멀젼에 대한 에 탄올의 영향을 평가하기 위해 입자 크기와 입자 분포 등의 물리적 특성을 측정하였으며 다른 성분의 조성은 같도록 하였다. HCO-20의 경우 에멀젼의 크기가 마이크로미터 크기에서 에탄올이 증가할수록 입자의 크기가 감소하는 것을 확인하였다. HCO-30의 경우 계면활성제 농도 4.00 %에서 입자 크기가 나노미터 크기로 나타났으며, 에탄올의 농도가 4.25 % 일 때 조성 1에서 입자 크기가 128.15 ± 1.06 nm이고 조성 2에서는 136.10 ± 0.99 nm로 가장 안정한 나노에멀젼 이 생성되었다. 마찬가지로 HCO-40은 계면활성제 농도 4.00 %에서 입자가 나노미터 크기로 나타났으며, 에탄올이 4.50

%일 때 조성 1에서 입자 크기가 115.85 ± 0.78 nm이고 조성 2는 121.15 ± 0.35 nm로 안정한 나노에멀젼이 생성되었다.

HCO-60의 경우에서는 계면활성제 농도 4.00 %, 에탄올 농도 2.25 %에서 에멀젼의 크기가 262.35 ± 0.64 nm인 안정한 나노에멀젼이 생성되었다. 마이크로 크기의 에멀젼에서는 에탄올의 함량이 증가할수록 입자의 크기가 감소하는 것을 알 수 있었고, 나노에멀젼에서는 에탄올의 특정 농도에서 최저값을 나타냄을 확인하였다. 나노에멀젼의 불안정화 과정 은 Ostwald ripening에 의한 것으로 보여진다. 계면활성제 종류에 따른 에멀젼에 대한 에탄올의 영향을 연구함으로써 안정한 에멀젼을 만들기 위한 에탄올의 함량을 계산할 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract: The objective of this study was to investigate the effect of ethanol on the emulsion prepared by poly(oxyethylene) hydrogenated castor oils (HCOs)/oil/ethanol/water system. Emulsions were prepared using homogenizer as high-energy method. To evaluate effect of ethanol on the emulsion, physical properties such as droplet size and size distribution were determined and other components were almost fixed to analyze the effect of ethanol on the surfactant. In case of HCO-20, the droplet diameter was in micrometers and the droplet size was gradually deceased as the ethanol concentration was increased. The droplet diameter of nano-emulsion containing 4.00 % of HCO-30 was shown in nanometers and its mean droplet size was 128.15 ± 1.06 nm and the most stable at the 4.25 % of ethanol contents by the Form. 1 and 136.10 ± 0.99 nm at the 3.50 % of ethanol contents by the Form. 2. Similarly, the droplet diameter of nano-emulsion containing 4.00 % of HCO-40 and 4.50 % ethanol by the Form. 1 was 115.85

± 0.78 nm and 121.15 ± 0.35 nm at the 3.25 % of ethanol by the Form. 2 and both size distributions were also narrow.

Finally, the droplet size of nano-emulsion containing 4.00 % of HCO-60 and 2.25 % ethanol was 262.35 ± 0.64 nm and the most stable. The higher ethanol concentrations became the smaller size of emulsion became in the microscale emulsion but we determined nano-emulsion had a minimum size at a certain ethanol concentration. The results showed that the breakdown process of this nano-emulsion could be attributed to Ostwald ripening. This study about

† 주 저자 (e-mail: [email protected])

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effect of ethanol on the emulsion showed that ethanol contents to prepare a stable emulsion could be determined as studying the effect of ethanol on the emulsion with the type of surfactants.

Keywords: nano-emulsion, high energy method, poly(oxyethylene) hydrogenated castor oils (HCOs), size distribution, Ostwald ripening

1. 서 론

나노에멀젼은 일반적으로 100 ~ 500 nm 사이의 입자 크기를 가지는 에멀젼의 한 유형으로 miniemulsions[1,2], ultrafine emulsions, emulsoids[3,4], submicron emulsions[5,6]으로 불리기도 한다. 열역학적으로 안정한 마 이크로에멀젼[7,8]과 구분하고 입자가 nm 크기임을 나 타내기 위해 사용하게 된 나노에멀젼은 구성 성분과 제 조 방법에 따라 외관상 투명하거나 반투명하고 역학적으 로 안정하여 침전이나 크리밍 현상에 대하여 안정성을 가지고 있다[12-14]. 이러한 큰 장점이 있기 때문에 나노 에멀젼은 기초 연구와 산업 응용(예를 들어, 화학, 제약 [9], 화장품[10])에 많은 관심을 끌어왔다. 그러나 나노 에멀젼은 열역학적으로 불안정하기 때문에 이를 생성하 기 위해서는 외부로부터 에너지를 가해야 한다.

나노에멀젼의 제조 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있 다. 그것은 고에너지법(high-energy methods)과 저에너 지법(low-energy methods)이다[12]. 고에너지법은 ex- treme shear method[11], high-pressure homogenizers [12], 그리고 ultrasound generators[13] 등을 통한 방법 이다. 이 방법은 nm ~ µm 크기의 에멀젼이 생성되며 많은 기계적 에너지가 요구되지만 산업적으로 적용이 용 이하다는 장점이 있다. 저에너지법은 유화과정 동안 발 생하는 상전이를 이용하는 방법으로 크게 두 가지 방법 으로 구분된다. 첫 번째 방법은 구성성분을 일정하게 유 지시키는 반면에 온도를 변화시키는 phase inversion temperature (PIT) method이다[14]. 두 번째 방법은 온 도는 일정하게 유지시키면서 구성성분을 변화시키는 emulsion inversion point (EIP) method이다[15]. 저에 너지법은 기계를 필요로 하지 않고 에너지를 많이 필요 로 하지 않는다는 장점에도 불구하고 대량으로 제조해야 하는 산업 분야에서는 적용이 어려운 단점이 있다.

Poly(oxyethylene) hydrogenated castor oils (HCOs) [16]는 피마자(Ricinus communis) 씨앗으로부터 얻은 오일을 수소첨가반응시켜 hydrogenated castor oil를 제 조하고 poly(oxyethylene) 유도체로 만든 계면활성제의 한 종류로 HCO로 불리워진다. HCO는 poly(oxy-

ethylene)의 수에 따라 점도가 달라지며 투명한 색에서 매우 흐릿한 노란색을 띄며 액체에서 연고 형태로 나타 난다. 피부에 자극이 매우 적은 비이온성 계면활성제로써 제약, 화장품 등에 많이 이용되고 있다(Figure 1)[17].

일반적으로 에멀젼에서 에탄올의 존재는 에멀젼의 안 정성을 강화시킨다. 에탄올은 오일 상과 수용성 용액 사 이의 계면장력을 감소시키기 때문이다. 그리고 에탄올이 함유된 에멀젼은 에탄올이 함유되지 않은 에멀젼보다 더 작은 평균 입자 크기를 갖는 입자를 생성하였다[18]. 이 와 같이 이전의 연구들은 일반적인 에멀젼에 대한 에탄 올의 영향에 국한되어 있었으며, 나노에멀젼에 대한 에 탄올의 연구는 거의 이루어지지 않았다[19]. 특히, 화장 품에 많이 사용되는 HCO 계열의 계면활성제에 대한 에 탄올의 영향 연구가 이루어지지 않았다.

그러므로, 본 연구에서는 HCO 계열에 대한 에탄올의 영향을 연구하였으며, 또한 오일의 조성을 변화를 주어 어떠한 경향으로 에탄올이 에멀젼에 영향을 미치는가에 확인하였다. 에멀젼의 크기를 측정하기 위하여 dynamic light scattering (DLS) 방법을 이용하였으며, 입자의 안 정성은 입자 분포 변화를 측정하여 나타내었다. 그리고 Ostwald ripening 속도를 측정함으로써 나노에멀젼의 불 안정화 과정에 대하여 알아 보았다. 나노에멀젼에서의 에탄올의 영향을 연구함으로써 화장품의 스킨 로션이나 에센스, 향수와 같은 에탄올을 사용하는 제품에 안정화 를 기여하고, 나노크기의 입자를 만듦으로써 피부 흡수 를 촉진시키는 에멀젼 제조에 적용이 가능 할 것으로 사 료된다.

2. 재료 및 방법

2.1. 실험 재료

스테아르산(stearic acid; SA), 세틸알코올(cetyl alcohol; CA), 미네랄 오일(mineral oil; liquid paraffin;

MO), 카프릴릭/카프릭 트리글리세라이드(caprylic/capric triglyceride; CCT) 그리고 계면활성제로 사용된 poly (oxyethylene) hydrogenated castor oils (HCO-20, HCO- 30, HCO-40, HCO-60)은 풀무원 건강생활(Pulmuone

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Figure 1. Structure of poly(oxyethylene) hydrogenated castor oil.

Heath& Living Co. Ltd., Korea)에서 공급받았다. 피마 자 씨앗에서 추출된 castor oil (CO)은 바이오랜드(Bioland Ltd., Korea)로부터 공급받았다. 에탄올(EtOH; 99.9 v/v%)은 Aldrich (USA)로부터 구입하였다.

모든 시약은 시판 특급 시약을 사용하였으며 정제 없 이 구입한 그대로 사용하였다. 실험에서 사용된 물은 Millipore Q (Millipore Co., USA)를 이용하여 18.3 MΩ -cm로 통과시킨 3차 증류수(DW)를 사용하였다.

2.2. 나노에멀젼 제조

나노에멀젼 제조 과정에서 구성성분을 오일상, 에탄올 상 그리고 수상과 같이 3가지 상으로 나누었다. 에멀젼 제 조에 사용된 구성성분과 조성을 Table 1에 나타내었다.

먼저, 오일상 성분은 스테아르산(SA), 세틸알코올 (CA), 카프릴릭/카프릭 트리글리세라이드(CCT), 미네 랄 오일(MO) 그리고 POE hydrogenated castor oils (HCOs)를 혼합한다. 에탄올상은 에탄올로만 이루어지 며, 바이알에 넣고 마개를 닫는다. 오일상과 에탄올상을 각각 75 ℃에서 균일하게 용해시킨다. 그런 다음, 에탄올 상의 온도를 유지하면서 오일상에 넣은 후 빠르게 섞어 준다. 마지막으로 위의 혼합성분을 호모믹싱하고 있는 수상에 첨가시킨 후, 4 min 동안 12,000 rpm으로 균질기 (X1030D, Ingenieurbϋro CAT M Zipperer GmbH, Germany)를 이용하여 균질화하였다. 수상에 오일상과 에 탄올상을 첨가함으로써 균질기를 이용한 고에너지법인 호모믹싱을 시켜 안정한 나노에멀젼을 제조하였다[20].

모든 실험은 23 ± 1 ℃에서 수행하였다. 제조된 모든 샘플은 23 ± 1 ℃에서 보관하였다. 본 연구에서 사용되는 모든 % 단위는 w/w%이다.

2.3. 나노에멀젼 안정성 평가: 입자 크기, 입도 분포 측정 및 육안 관찰

에멀젼 입자 크기와 입도 분포는 나노에멀젼의 매우 중요한 물리화학적 특성 중 하나로, 광산란법(Otsuka ELS-Z series, Otsuka Electronics, Japan)을 이용하여 측정하였다.

나노에멀젼 시료는 희석과 같은 전처리 과정 없이 에 멀젼 원상태로 측정하였다. 측정 산란각은 165°로 측정 하였고 광원은 Ar 레이저를 사용하였으며 에멀젼의 크 기는 70번씩 2회 측정하였다. 평균 입자 크기는 누적분석 법[21]을 통하여 나타내었고, 나노에멀젼의 안정성을 확 인하기 위해 에멀젼의 상분리 유무를 육안으로 관찰하여 확인하였으며, 입도 분포는 Contin 법[22]으로 해석하여 나타내었다.

3. 결과 및 고찰

3.1. Poly(oxyethylene) Hydrogenated Castor Oils (HCOs) 농도 설정

계면활성제는 화장품에서 없어서는 안되는 주요한 성 분이지만 피부에 홍반, 가려움 등의 피부 자극을 일으키 는 성분이기도 하다. 그러므로 계면활성제는 최대한 적 은 양으로 에멀젼의 안정화를 시키는 것이 중요하다.

HCOs가 피부에 자극이 매우 약하다고 하지만 최소의 양 으로 안정한 에멀젼을 형성시키는 계면활성제의 농도를 찾아보았다. 나노에멀젼은 Table 1의 Form. 2에 따라 제 조하였다.

용액에 분산된 입자는 입자 크기에 의존한 브라운 운 동을 하기 때문에 입자에 빛이 조사되었을 경우 얻어지

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Table 1. The Formulation of Nano-emulsions

Components Form. 1 (w/w%) Form. 2 (w/w%)

Oil phase

Stearic acid (SA) 1.00 1.00

Cetyl alcohol (CA) 1.00 1.00

Caprylic/capric triglyceride (CCT) 2.00 2.00

Mineral oil (MO) 5.00 7.00

Castor oil (CO) 2.00

HCOs Variable Variable

Ethanol

phase EtOH Variable Variable

Water phase DW Up to 100 Up to 100

All the units were w/w%.

는 광산란은 큰 입자에서는 천천히 작은 입자에서는 빠 른 움직임을 나타낸다. 이 움직임을 광자상관법(photon correlation spectroscopy method; PCS)[23]으로 해석함 으로써 Stokes-Einstein 식[24]을 이용하여 입자 크기와 입도 분포를 구할 수 있다. 식은 아래와 같다.

G2(т) = 1 + α|G1(т)|² G1(т) = exp(-Dq²т) d = kT / 3πη0D

여기서, G2(т)과 G1(т)은 각각 2차 자기상관계수와 1차 자기상관계수를 말한다. α는 정수를 나타내고, D는 확산계수, q는 확산 스펙트럼, т는 상관시간, k는 볼츠 만 상수, T는 절대온도, d는 유체역학적 지름, 그리고 η0

는 용매의 점도를 나타낸다[25].

본 실험에서는 나노에멀젼에 대한 에탄올의 영향을 알 아보기에 앞서 nm 크기의 안정한 에멀젼을 형성하는 계 면활성제(HCOs)의 농도를 알아보았다. 일반적으로 계 면활성제의 비율이 증가할수록 에멀젼 입자 크기는 감소 하는 경향을 보이는데 본 실험에서도 Figure 2와 같이 HCO-20을 제외한 모든 에멀젼이 계면활성제의 농도가 증가할수록 입자 크기가 감소하였다. 이는 에탄올을 포 함하는 나노에멀젼에서도 일반적 에멀젼의 경우와 마찬 가지로 계면활성제의 농도가 증가하면 입자 크기는 점점 작아진다는 것을 확인하였다. 그러나 HCO-20에서는 계 면활성제 농도 4.25 % 이후로 입자의 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 육안으로 확인하였을 때, 에멀젼의 층분리가 일어났으며 입자 크기 또한 nm크기 로 생성되지 않았기 때문에 에탄올을 제외한 모든 성분 은 동일한 조건에서 비교를 해야 하므로 HCO-20은 비교

대상에서 제외하였다.

Figure 2의 (B)를 보면, HCO-30 2.00 %에서 입자 크 기가 176.75 nm로 생성되었으며, 4.00 %에서는 116.35 nm로 매우 작은 나노에멀젼이 생성되었다. HCO-40 (C) 에서는 계면활성제 농도 2.00 %에서 268.70 nm이고 4.00

%에서 168.32 nm로 안정한 에멀젼이 생성되었다. 그리 고 Figure 2의 (D)를 보면 알 수 있듯이, HCO-60 농도 4.00 %에서 341.80 nm로 모두 나노에멀젼이 제조되었다.

이와 같이 HCOs 농도 4.00 % 이후로 입자 크기가 큰 차 이를 보이지 않았으며 입자 분포에도 큰 차이를 보이지 않았다(자료 넣지 않음). 따라서 안정한 나노에멀젼을 형성시키는 가장 적은 양의 계면활성제 농도 4.00 %로 고정시켰으며 이에 대한 에탄올의 영향을 평가하였다.

3.2. Poly(oxyethylene)-30 Hydrogenated Castor Oils (HCO-30)에 대한 에탄올의 영향

단분산이 아닌 다분산 거동을 보이는 에멀젼에서 누적 데이터를 통한 평균 입자 크기는 에멀젼 안정성에 대한 명확한 설명을 할 수 없었다. 따라서 에멀젼 입자 크기의 분포 특성으로 에멀젼의 안정성을 확인하기 위한 연구가 이루어져 왔다. 본 연구에서도 에멀젼 입자 크기와 입도 분포를 통한 에멀젼의 안정성을 확인하였으며 Figure 3 에 에탄올 농도에 따른 나노에멀젼의 입자크기를 나타내 었고 입자 크기의 변곡점이 존재하는 에탄올의 농도에서 입자 크기를 나타내었다. Figure 3의 (A)를 보면, 에탄 올 농도 3.50 % ~ 5.00 %까지의 입도를 나타낸 것이다.

에탄올 농도가 3.50 %에서는 3 h 후는 148.65 ± 1.20 nm 이고 분산이 비교적 큰 것으로 나타났다. 하지만 에탄올 함량 4.25 %에서는 3 h 후 입자 크기가 128.15 ± 1.06 nm 로 나타났으며 40 h 후에도 크기가 131.95 ± 0.64 mm로

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Figure 2. Droplet sizes of emulsion by concentrations of the surfactants (HCOs). The emulsions were prepared by the Form. 1 of Table 1. The size was measured at 3 h after preparation of emulsions. Different HCO types are shown: (A): HCO-20, (B):

HCO-30, (C): HCO-40, (D): HCO-60.

Figure 3. Droplet size of nano-emulsions containing 4 % of HCO-30 as a function of ethanol concentration after 3 h and 40 h. (×):

after 3 h; (▲): after 40 h. The diameters of emulsions formulated by two formulations are shown: (A): Form. 1; (B): Form. 2.

변화가 거의 없는 것으로 보아 매우 안정한 에멀젼이 생 성되었음을 알 수 있었다. 조성 2를 따라 제조된 에멀젼 의 크기인 Figure 3의 (B)를 보면 최소값(136.1 ± 0.99 nm)이 에탄올 함량 3.50 %에서 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 피마자유(castor oil)의 존재 유무에 연관 이 있는 것으로 생각된다. 피마자유가 들어간 조성 1의 경우 에탄올 함량이 4.25 %에서 가장 안정한 나노에멀젼 이 생성되지만 피마자 오일이 들어가지 않은 조성 2의

경우 에탄올 함량이 3.50 %에서 제조되었다. 피마자유가 들어간 조성에서 에탄올 함량이 0.75 % 더 들어간 조성 에서 안정한 나노에멀젼이 생성됨을 알 수 있었다. 에탄 올과 피마자유의 산소와 상호작용을 할 것으로 생각 되 어진다. 에탄올은 에멀젼의 계면과 계면활성제 내부에서 보조계면활성제로써도 작용을 할 수 있다[18]. 그리고 수상과 오일상의 계면에서 계면장력을 감소시켜 더 작고 안정한 에멀젼을 생성시킨다. 마찬가지로 본 연구에서도

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Figure 4. Measurements of size distributions were performed using the photon correlation spectroscopy method (PCS method).

The nano-emulsions containing 4 % of HCO-30 were prepared by the Form. 1 in Table 1. Different ethanol concentrations are shown: (A): 4.00 %; (B): 4.25 %; (C): 4.50 %; (D): 4.75 %, respectively. (×): after 3 h; (▲): after 40 h.

에탄올이 계면활성제와 상호작용을 하여 특정 농도까지 에멀젼을 안정화시키지만 그 이상의 농도에서는 에탄올 이 에멀젼 표면에 쌓이게 되어 입도를 증가시키는 것으 로 생각된다. 또한, 물에 에탄올의 함량이 증가함으로써 분산매에 대한 오일의 용해도를 증가시켜 Ostwald rip- ening을 증가시키는 역할도 할 수 있을 것으로 예측된다.

조성 1에 따라 제조된 나노에멀젼의 입도 분포를 Figure 4에 나타내었고, 조성 2에 의해 제조된 나노에멀 젼의 입도 분포는 Figure 5에 나타내었다. Figure 4 (B) 에서 가장 작은 에멀젼을 생성시킨 에탄올 함량 4.25 % 의 입도 분포 변화가 거의 없는 것으로 확인되었다. 제조 3 h 후 가장 큰 입자 크기가 400 nm 이하이며 입도 분포 또한 매우 좁게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 40 h가 지난 후에도 1 µm 이하의 입자들로만 이루어진 것으로 보아 매우 안정한 에멀젼이 생성되었음을 확인하였다.

Figure 5를 보면, 입자 크기가 작고 크기 변화가 가장 적 었던 에탄올 함량 3.50 %에서 입자 분포 또한 좁고 변화 가 작은 것을 관찰하였다.

이러한 결과로부터 HCO-30은 에탄올 농도 4.25 %

(조성 1) 그리고 3.50 % (조성 2)에서 가장 작고 안정한 나노에멀젼이 생성됨을 알 수 있었다.

HCO-40의 HLB는 12.50으로 화장품 제품 중에서 향 수, 스킨로션, 밀크로션 등에 계면활성제로 많이 사용된 다. 본 실험에서는 HCO-40으로 이루어진 나노에멀젼의 입자 크기와 안정성에 대한 에탄올의 영향을 평가하였 다. 마찬가지로 조성 1 그리고 2에 따라 제조된 나노에멀 젼의 입도 변화를 나타내었다. Figure 6(A)에 나타나듯 이 피마자유를 함유한 에멀젼에서는 에탄올 농도 4.50 % 에서 가장 작은 입자를 생성하였다. 이 에멀젼 3 h 후의 입자 크기는 115.85 ± 0.78 nm로 매우 작았으며 40 h이 흐른 뒤에도 125.6 ± 0.99 nm로 안정하였다. 하지만 피마 자유가 들어가지 않은 조성 2(Figure 6(B))의 경우 입자 크기가 조성 1(Figure 6(A))보다 큰 것을 확인할 수 있 다. 이는 이전에 언급했듯이, 조성 1에서 오일 성분의 rHLB는 11.86인데 반해 조성 2의 rHLB는 11.14이므로

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Figure 6. Droplet size of nano-emulsions containing 4 % of HCO-40 as a function of ethanol concentration after 3 h and 40 h.

(×): after 3 h; (▲): after 40 h. The diameters of emulsions formulated by two formulations are shown: (A): Form. 1; (B):

Form. 2.

HCO-40의 HLB 12.50와의 차이를 보이기 때문에 입자 가 조성 1보다 크고 불안정한 것으로 생각된다. 이 외에 도 계면활성제의 구조에 따른 영향도 있을 것이다. 그리고 식물성 오일을 에멀젼에 적용하면 유화가 용이하다는 것 은 잘 알려져 있다[26].

나노에멀젼의 안정성을 확인하기 위하여 입자 크기와 입도 분포에 대한 결과를 Figure 7과 Figure 8에 나타내 었다. Figure 7은 조성 1에 따라 제조된 것이고 Figure 8 은 조성 2에 따라 제조된 에멀젼에 대한 입도 분포를 보 여주고 있다. Figure 7을 보면 에탄올 농도 4.75 %(D)를

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제외한 에탄올 함량 4.00, 4.25 그리고 4.50 %에서는 초 기 입도 분포가 거의 유사하지만 에탄올 4.25 %(B)에서 제조 40 h 후의 최고 입자 크기가 1 µm 정도이고 입도 분포가 다른 농도에 비해 좁은 것을 관찰할 수 있었다.

에탄올 4.75 %(D)에서는 40 h 후 최대 입도가 2.5 µm로 나타나며 분포 또한 넓은 것을 확인할 수 있었다. Figure 8의 경우 조성 2에 의해 제조 된 나노에멀젼의 에탄올 농 도 2.50 % ~ 3.50 %의 입도 분포를 나타낸 것으로, 조성 1과 비교해 입자가 크고 분포 또한 넓은 것을 알 수 있다.

에탄올 농도 2.50 %(A)와 3.50 %(D)는 3 h 후의 최대 입자 크기가 1 µm 이상이고 40 h 후의 입자는 7 µm 이 상의 크기를 나타내고 있다. 하지만 가장 작은 평균 입자 크기를 보였던 에탄올 농도 3.25 %(C)와 3.00 %(B)의 입도 분포는 Figure 7의 (D)와 비슷한 양상을 보이고 있 다. 이처럼 HCOs로 이루어진 에멀젼의 경우 특정한 에 탄올 농도에서 입자 크기가 가장 작은 안정한 나노에멀 젼을 생성하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 피마자 오일 이 들어간 조성 1의 경우는 에탄올 함량 4.50 %에서 가

장 안정한 나노에멀젼을 생성하지만 조성 2의 경우 3.25

%에서 가장 안정한 나노에멀젼이 제조되었다. HCO-30 의 결과와 마찬가지로 피마자 오일이 함유된 조성 1의 경우 피마자유가 들어가지 않은 조성 2보다 에탄올 함량 이 1.25 % 더 많은 조성에서 가장 안정한 나노에멀젼이 생성되었다.

마지막으로 HCO-60으로 이루어진 에멀젼에 대한 에 탄올의 영향을 평가하였다. 조성 1의 경우는 에멀젼이 층 분리가 일어나지 않았지만 조성 2의 경우 모든 에멀젼에 서 제조 후 10 h 이내에 층분리가 일어났으며, 40 h 후에 는 층이 완전히 분리되어 입자 크기 및 입도 분포를 측정 을 할 수 없었다. Figure 9의 (A)를 보면 제조 3 h 후에 는 250 nm 정도로 입자가 존재하지만 40 h 후에는 400 nm 정도로 입자 크기가 증가하게 되는데, 이 또한 HLB 차이로 기인된 것으로 생각된다. Figure 9에서 보듯이,

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Figure 9. Droplet size of nano-emulsions containing 4 % of HCO-60 as a function of ethanol concentration after 3 h and 40 h. (×):

after 3 h; (▲): after 40 h. The diameters of emulsions formulated by two formulations are shown: (A): Form. 1; (B): Form. 2.

조성 1((Figure 9(A))은 에탄올 농도 2.25 %에서 평균 입자 크기가 262.35 ± 0.64 nm이고 조성 2(Figure 9(B)) 는 에탄올 농도 1.00 %에서 218.45 ± 2.33 nm로 가장 작 은 나노에멀젼이 제조되었다. (A)를 보면 에탄올 농도 1.00 % ~ 2.25 %까지는 입자 크기가 큰 변화를 보이지 는 않으나 2.50 %부터 입자 크기 및 다분산도가 커지는

것을 확인할 수 있다.

Figure 10은 HCO-60를 4.00 % 함유하고 조성 1에 따 라 제조된 나노에멀젼의 입도 분포를 보여주고 있다. 에 탄올 2.50 %(D)을 제외한 3가지 함량에서는 차이가 거 의 나지 않으나 에탄올 함량 2.25 %(C) 3 h 후의 최대 입자 크기는 1 µm로 다른 농도와 비슷하지만 40 h 후에

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는 최대 입자 크기가 약 2 µm 증가하는 것으로 보아 다 른 농도보다 더 안정함을 알 수 있다.

계면활성제 HCOs에서 ethylene oxide의 부가몰수가 증가하면서 가장 안정한 에멀젼을 만드는 에탄올 농도가 증가하는 경향으로 나타났으나 HCO-60의 경우는 조성 1에서 에탄올 함량 2.25 %에서 나타났다. HCO-30은 4.25 %, HCO-40은 4.50 %로 점차 증가하는 경향을 보 이지만 HCO-60에서는 2.25 %로 급격히 감소하였다. 이 는 HLB차이에 의한 영향도 받을 수 있고 ethylene oxide 의 수가 증가함으로써 계면활성제 사이에 수소결합과 같 은 상호작용을 일으켜 자체적으로 안정화를 시키는 작용 도 있을 것으로 추측된다.

Figure 11은 HCO-60을 4.00 % 함유하고 조성 2에 따 라 제조된 나노에멀젼의 3 h 후의 에탄올 농도에 따른 입 도 분포를 나타낸 것이다. 에탄올 농도 1.00 %에서 평균 입자가 가장 작고 가장 좁은 분포를 보이고 있으며 0.50

%의 경우 분포가 매우 넓으며 최대 입자 크기가 3 µm 정도임을 확인할 수 있다.

3.5. 입자 불안정화: Ostwald Ripening

Ostwald ripening은 나노에멀젼에서의 가장 큰 불안정 화 요인으로 알려져 있다. Lifshitz-Slezov-Wagner (LSW) 이론에 따라 Ostwald ripening이 일어난 에멀젼 은 시간에 따른 반지름의 세 제곱이 직선을 나타내야 한 다[27]. 이 그래프의 기울기(ω)는 Ostwald ripening 속 도를 나타낸다. 식은 아래와 같다.

ω = drN3

= 8 C(∞)γVmD

dt 9 ρRT

여기서 C(∞)는 오일의 용해도(m³/m³)를 나타내며 γ 는 계면 장력 , Vm은 오일의 몰 부피(m³/mol), D는 연속 상에서의 오일의 확산 계수(m²/s), ρ는 오일의 밀도, R 은 이상기체상수 그리고 T는 절대온도이다.

Figure 12는 조성 1에 따라 제조한 HCO-30 (ethanol 4.25 %), HCO-40 (ethanol 4.50 %) 그리고 HCO-60 (ethanol 2.25 %)을 함유하는 나노에멀젼의 시간에 따른

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pared with 4.00 % HCO-60 as a function of ethanol contents.

Measurements were performed using a PCS method. Different ethanol concentrations are shown: (□): 0.50 % of ethanol;

(◇): 0.75 % of ethanol; (△): 1.00 % of ethanol; (○): 1.25

% of ethanol, (×): 1.50 % of ethanol; (■): 1.75 % of ethanol, respectively.

Figure 12. Nano-emulsion d*³as a function of time at 23 ± 1 ℃ in the system oil/HCOs/ethanol/water phase: (■):

HCO-30 4 % and ethanol 4.25 %; (●): HCO-40 4 % and ethanol 4.50 %; (▲): HCO-60 4 % and ethanol 2.25 %, respectively. d* represents d/d0.d: the diameter analyzed at a certain time; d0:theeach diameters of nano-emulsion containing HCOs after preparation.

지름의 세 제곱 그래프를 보여준다. Ostwald ripening 속 도는 그래프의 기울기를 구함으로써 계산할 수 있다.

HCO-30의 경우 ω는 4.17 × 10^-27 m³/s이고, HCO-40은 1.13 × 10^-26m³/s, 그리고 HCO-60은 2.68 × 10^-25m³/s로 상당히 빠른 속도로 입자가 커짐을 알 수 있었다.

Ostwald ripening은 늦어도 하루 이내에 모두 이루어지

입자 크기와 입도 분포를 측정하여 에탄올 함량에 따른 나노에멀젼의 안정성을 측정하였다.

계면활성제의 ethylene oxide의 수가 증가함에 따라 안정한 에멀젼을 생성하는 에탄올의 함량이 증가하는 경 향을 HCO-30과 HCO-40 사이에서 확인할 수 있었고 오 일에 따른 입자의 크기와 입도 분포를 확인함으로써 안 정성에 대하여 알아보았다. 에멀젼의 계면활성제 사이에 존재하는 피마자유의 산소와 에탄올과 수소결합과 같은 상호작용을 함으로써 에멀젼을 안정화시키는 것으로 추 측된다. 마찬가지로 에탄올은 보조계면활성제로써 수상 과 오일상의 계면장력을 낮추어 입자를 안정화시키고 계 면활성제와 상호작용함으로써 작고 안정한 에멀젼을 형 성하게 된다. 하지만 특정한 에탄올 농도까지 입자 크기 가 감소하고 안정한 에멀젼이 생성되지만 임계농도 이상 의 농도에서는 다시 입자 크기가 증가하고 입자 분포 또 한 넓어지는 것을 확인할 수 있었다.

이 실험을 통하여 HCOs 계면활성제 종류에 따라 안정 한 나노에멀젼을 생성하는 에탄올의 함량을 알 수 있었 다. 또한, 오일의 조성을 변화시킴으로써 에탄올에 따른 나노에멀젼의 거동을 확인하였다. 이와 같이 에탄올을 함유하는 제품에서 성분에 따른 에탄올의 함량을 조절하 여 안정한 에멀젼을 만듦으로써 최소량으로 안정된 제품 을 제조할 수 있으며, 작고 안정한 제형을 피부에 적용시 킴으로써 피부흡수 효과를 증대시킬 수 있을 것이다.

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