에멀션

에멀션(emulsion, 유화액)은 액체가 다른 액체에 작은 방울처럼 퍼져있는 용액이다. "emulsion"의 뜻은 "우유와 같이 된다"는 의미로, 우유가 물과 지방, 그리고 여러 성분으로 이루어진 대표적인 유화액인 것에서 유래되었다.

유화액은 섞이지 않는 서로 다른 두 액체에 의해 만들어지는데, 용매와 용질에 따라서 다른 종류의 유화액을 형성한다. 예를 들어, 물과 기름의 유화액은 ‘물 안에 기름이 들어간 경우’와 ‘기름 안에 물이 들어간 경우’가 가능하다. 이때 용매의 역할을 하는 액체를 분산의 매개체, 연속상(continuous phase)이라 하고 용질의 역할을 하는 액체를 분산상(dispersed phase)이라 한다. ‘물 속 기름’과 ‘기름 속 물’ 두 종류의 유화액은 두 상의 부피 비 혹은 유화제의 종류에 따라 분류한다. 일반적으로 밴크로프트 규칙(Bancroft rule)이 적용되어, 유화제가 잘 녹지 않는 상을 연속상으로 하여 분산을 촉진시킨다.

유화액은 연속상과 분산상의 경계에서 빛의 산란이 일어나기 때문에 우리 눈에 뿌옇게 보이게 된다. 산란이 균일하게 일어나는 경우 흰색으로 보인다. 빛의 산란은 입자의 크기가 입사광의 파장의 1/4보다 클 때 일어난다. 가시광선 영역의 빛은 390 – 750 nm의 파장을 갖기 때문에, 유화액의 방울 크기가 100 nm 이하인 경우 빛은 산란 없이 유화액을 통과한다. 분산상의 크기가 100 nm 이하인 마이크로 유화액과 나노 유화액은 외형적 비슷함 때문에 혼동하기 쉽다. 마이크로 유화액은 분산상이 계면활성제(surfactants)나 보조제에 의해 가용성이 된 경우 나타난다.

유화액이 자발적으로 형성되는 경우는 극히 드물다. 대부분 흔들기, 젓기, 균질화(homogenizing), 또는 초음파에 노출시키기 등, 외부의 기계적 수단을 통해 에너지를 가함으로써 형성할 수 있다.

IUPAC 정의

액체 방울이 다른 액체 속에 분산되어 있는 유체 체계.

목차

유화액은 기본적으로 불안정하기 때문에 안정한 상태로 돌아가려는 성질을 보인다. 따라서 유화액의 안정성이란, 시간에 따라 성질이 변화하는 것에 저항하는 능력을 의미한다. 유화액의 불안정 상태는 네 가지 종류가 있다.

응집(flocculation), 크리밍(creaming), 합체(coalescence), 그리고 오스트발트 숙성(Ostwald ripening)이다. 응집은 방울들 사이에 끌어당기는 힘이 존재할 때 발생하며, 포도송이 같은 뭉치를 형성한다. 크리밍은 방울이 부력이나 구심력의 영향으로 위로 떠오르는 것을 말한다. 합체는 방울끼리 부딪혀 더 큰 방울을 형성하는 것으로, 이에 따라 방울의 크기는 시간이 지나면서 점차 커지게 된다.

그림 1은 서로 다른 안정성 상태를 갖는 유화액을 나타낸다. 가장 왼쪽은 안정한 유화액의 상태를 나타내고, 가운데는 분리가 일어나 크리밍 된 상태의 유화액을 나타낸다. 오른쪽은 완전한 층 분리가 일어나 유화액이 깨진 상태를 나타낸다.

그림 1. 유화액의 불안정성

유화액의 안정성은 빛의 산란, 포커스 빔 반사율 측정(focused beam reflectance measurement), 원심분리, 그리고 유변학(rheology)을 통해 측정할 수 있다. 그 안정성은 유화액의 종류마다 달라서, 짧게는 몇 시간 만에 분리되기도 하지만 몇 년이 걸려 분리되는 경우도 있다. 따라서 제품의 적정 사용 기간을 측정하기 위하여 물리적으로 불안정화를 가속시키기도 한다. 진동, 원심분리, 교반 등의 기계적 방법이 사용되기도 하나, 주로 온도를 올리는 열역학적 방법을 많이 이용한다.

유화제란 유화액의 역학적 안정성을 증가시켜주는 물질을 말한다. '계면활성제(surfactants)'는 잘 알려진 유화제의 한 종류이다. 극성인 친수성 부분과 비극성인 소수성 부분을 동시에 가지고 있는 분자로(그림 2), 이 덕분에 유화제는 물이나 기름 중 하나에만 선택적으로 좋은 용해도를 갖게 된다. 물에 용해도가 좋은 유화제는 상대적으로 기름에서 용해도가 낮아지고, 이는 '물 속의 기름' 유화액을 형성하는 데에 도움을 준다. 반대로 기름에 용해도가 좋고 물에 용해도가 낮은 유화제는 '기름 속의 물' 유화액을 형성하는 데 사용된다.

그림 2. 유화제

세제는 계면활성제의 한 종류로, 기름과 물 모두와 상호작용이 가능하다. 따라서 현탁액에서 기름과 물방울의 경계면을 안정화시킨다. 이 원리는 기름 자국을 지우기 위해 사용하는 비누에도 적용된다. 약학에서도 다양한 유화제가 크림이나 로션 같은 유화액을 만드는 데 사용된다.

때로 소수성의 분산상 자체가 유화제의 역할을 하기도 하는데, 나노 크기의 분산상 방울이 연속상으로 분산된 것이 나노유화제이다. 가장 잘 알려진 나노유화제의 예는 '우조 효과(Ouzo effect)'로, 우조(ouzo), 압생트(absinthe), 그리고 라키(raki) 같은 아니스로 만든 독한 술에 물을 부으면 아니스 성분의 입자가 나노 크기의 방울을 형성하며 물 속에 유화된다. 만들어진 액체는 혼탁한 백색을 띈다.

유화 과정에는 다양한 화학적, 물리적 메커니즘이 적용된다.

식품에서 ‘물 속 기름’ 유화액은 흔하게 사용된다.

‘기름 속 물’ 유화액도 존재한다.

헤어 스타일링, 개인 위생, 화장품 등에도 유화액이 흔히 사용된다. 대부분 물과 기름의 유화액이지만, 어느 것이 분산상이고 연속상인지는 제품을 만드는 과정에 달려있다. 이 유화제들은 크림, 오일, 밤, 페이스트, 그리고 액체 등 다양한 이름으로 불리는데, 이는 물과 기름의 비율, 첨가제 등에 의해 결정된다.

마이크로 유화액은 백신을 전달하고 미생물을 죽이는 데 사용되기도 한다. 이를 위해 사용되는 대표적인 유화액은 지름이 400 – 600 nm인 입자를 포함한 콩 오일의 나노 유화액이다. 다른 항생제 치료와 마찬가지로 그 과정은 화학적보다는 물리적 과정이다. 방울의 크기가 작을수록 표면장력의 세기는 커지고, 다른 지질과 합쳐지는 데 필요한 힘의 크기도 커지게 된다. 유화액은 그 안정성 향상을 위해 고전단 혼합기(high-shear mixer)를 통해 유화되어있기 때문에, 나노 유화액이 세포막의 지질이나 바이러스, 박테리아의 외피와 만나면 그 지질들이 자신과 합쳐지도록 한다. 따라서 막을 파괴시켜 병원균을 제거한다. 콩 오일 유화액은 구조 특성상 나노 유화액에 취약한 정자나 혈액 세포 외의 다른 정상적인 유기체의 세포에는 해를 끼치지 않는다. 이러한 나노 유화액은 HIV-1 및 결핵 병원체를 효과적으로 파괴하는 것으로 알려져있다.

유화제는 가연성 액체의 누출로 인한 화재를 진압하는 데에 효과적이다. 이러한 물에 유화된 형태의 연료를 캡슐화하고 있기 때문에, 인화성 증기를 물에 가둔다. 이러한 유화액은 고압 노즐을 통해 수용성의 계면활성제 용액을 연료에 분포함으로써 얻어진다. 유화제를 사용한 소화는 많은 양의 가연성 액체에 의한 화재 진압에는 적합하지 않다.