화장품 제형 개발에서 이종(異種)의 상(Phase)을 균일하게 혼합하는 유화(Emulsification)는 제형의 안정도와 사용감을 결정짓는 핵심 공정이다. 열역학적으로 불안정한 에멀젼을 안정화하기 위해서는 적절한 계면활성제의 선택이 필수적이며, 이를 과학적으로 정량화하여 제시하는 도구가 바로 HLB(Hydrophilic-Lipophilic Balance, 친수성-친유성 균형)이다.
본 고에서는 HLB의 기초 학술 이론을 고찰하고, 처방 설계 시 유상 성분의 요구 HLB(Required HLB)를 산출하여 최적의 혼합 유화제를 구성하는 실제 계산법 및 적용 전략을 다루고자 한다.
1. HLB의 이론적 배경과 정의
HLB는 계면활성제 분자 내에 존재하는 친수기(Hydrophilic group)와 친유기(Lipophilic group)의 상대적인 크기와 강도의 균형을 0에서 20 사이의 수치로 나타낸 척도이다. 1949년 윌리엄 그리핀(William C. Griffin)에 의해 최초로 제창되었으며, 비이온성 계면활성제를 평가하는 표준 지표로 자리 잡았다.
HLB 값이 0에 가까울수록 친유성이 강하여 오일에 쉽게 용해되며, 20에 가까울수록 친수성이 강하여 물에 쉽게 용해됨을 의미한다.
Griffin의 HLB 계산식
그리핀은 비이온성 계면활성제 분자 구조 내 친수성 부분의 질량 분율을 기반으로 고전적인 계산식을 정립하였다.
HLB = 20 * (M_h / M)
- M_h: 분자 내 친수성 부분의 분자 질량
- M: 계면활성제 분자 전체의 총 분자 질량
Davies의 HLB 계산식
1957년 데이비스(J.T. Davies)는 분자 내 개별 관능기(Functional group)의 고유한 친수성 및 친유성 기여도를 합산하는 보다 세분화된 물리화학적 계산법을 제시하였다. 이 방식은 계면활성제의 이온성 특성까지 반영할 수 있다는 장점이 있다.
2. HLB 수치에 따른 계면활성제의 기능적 분류
계면활성제는 고유한 HLB 값에 따라 계면에서의 거동이 달라지며, 화장품 제형 내에서 각기 다른 목적으로 처방된다.
| HLB 범위 | 주요 용도 및 특성 | 대표적 예시 제형 |
| 1 ~ 3 | 소포제 (Antifoaming Agents) | 소포 목적의 첨가제 |
| 3 ~ 6 | W/O (Water-in-Oil) 유화제 | 영양 크림, 선스크린(무기자차) |
| 7 ~ 9 | 습윤 및 침투제 (Wetting Agents) | 안료 분산액, 메이크업 제형 |
| 8 ~ 16 | O/W (Oil-in-Water) 유화제 | 수분 크림, 로션, 에멀젼 |
| 13 ~ 15 | 세정제 (Detergents) | 클렌징 폼, 바디 워시 |
| 16 ~ 18 | 가용화제 (Solubilizers) | 스킨토너, 향수 가용화 제형 |
3. 실무 적용: Required HLB(요구 HLB) 산출 및 유화제 혼합법
실제 제형 처방 시 단일 유화제만을 사용하는 경우는 드물다. 오일상(Oil phase)을 구성하는 성분들은 각기 유화에 필요한 요구 HLB(RHLB) 값을 지니며, 이를 충족하기 위해 대개 고(High) HLB 유화제와 저(Low) HLB 유화제를 혼합하여 목표 HLB 값을 정밀하게 맞춘다.
Step 1: 혼합 유상(Oil Phase)의 총 요구 HLB 계산
다양한 오일이 혼합된 제형에서 전체 유상의 요구 HLB는 각 오일 성분의 유상 내 비율(질량 백분율)을 가중치로 하여 계산한다.
[예시 처방 오일 믹스]
- 식물성 오일 (호호바 에스테르, RHLB = 6.5) : 10g (유상 내 비율: 50%)
- 에스테르 오일 (세틸에틸헥사노에이트, RHLB = 10.0) : 6g (유상 내 비율: 30%)
- 실리콘 오일 (디메치콘, RHLB = 5.0) : 4g (유상 내 비율: 20%)
식물성 오일 (50%) + 에스테르 오일 (30%) + 실리콘 오일 (20%)
총 요구 HLB = (6.5 * 0.50) + (10.0 * 0.30) + (5.0 * 0.20) = 3.25 + 3.0 + 1.0 = 7.25
따라서 이 유상 시스템을 안정적으로 유화하기 위해 필요한 혼합 유화제의 목표 HLB는 7.25가 된다.
Step 2: 목표 HLB를 맞추기 위한 혼합 유화제 비율 산출
원하는 목표 HLB(HLB_mix)를 얻기 위해 고 HLB 유화제(A)와 저 HLB 유화제(B)를 어떤 비율로 배합해야 하는지 산출하는 공식은 다음과 같다.
위 식에 값을 대입하면 다음과 같다.
즉, 전체 유화제 중 Polysorbate 60을 25%, Sorbitan Stearate를 75%(100% - 25%)의 비율로 혼합하여 투입할 때 계면 거동의 안정성을 극대화할 수 있다.
4. HLB 시스템의 한계와 보완 기술
HLB 시스템은 비이온성 계면활성제 기반의 에멀젼 설계에 매우 직관적이고 유용한 지표를 제공하지만, 실제 제형 개발 과정에서는 다음과 같은 물리화학적 한계가 존재한다.
- 온도 의존성 배제: 비이온성 계면활성제(특히 Polyoxyethylene 계열)는 온도가 상승함에 따라 수화력(Hydration)이 감소하여 친수성이 약해지는 경향이 있다. 이를 보완하기 위해 신지(Shinoda)가 제안한 PIT(Phase Inversion Temperature, 상전이 온도) 이론을 병행하여 고려해야 한다.
- 외상 및 첨가제의 영향: 수상의 전해질 함량, 다가 알코올의 종류, 제형 내 점증제 및 고분자 물질과의 상호작용에 의해 계면막의 상태가 변화하므로, HLB 계산값은 절대적 수치가 아닌 유화제 탐색의 '최적 시작점(Starting Point)'으로 활용하는 것이 타당하다.
결론
HLB 이론은 정성적인 감각에 의존하던 에멀젼 처방 설계를 정량적이고 체계적인 영역으로 끌어올린 제형과학의 근간이다. 처방 목적에 부합하는 요구 HLB를 명확히 이해하고, 수학적 가중치 계산을 통해 최적의 혼합 유화제를 설계하는 능력을 갖출 때, 비로소 경시 안정성이 우수하면서도 우수한 감성적 효능을 제공하는 고기능성 화장품 제형 개발이 가능할 것이다.
[부록] 주요 화장품 유화제 원료의 HLB 값 및 상용 제품명 일람 (30선)
본 부록에서는 화장품 처방 설계 시 널리 사용되는 대표적인 계면활성제 및 유화제 원료 30종을 HLB 값 기준으로 분류하여 제시한다. 제형 개발 시 고(High) HLB 원료와 저(Low) HLB 원료를 적절히 조합하는 참고 자료로 활용할 수 있다.
1. 친유성 유화제 및 소포제 영역 (HLB 1.5 ~ 6.0)
주로 W/O 에멀젼의 주유화제 또는 O/W 에멀젼의 보조 유화제 및 점도 조절제로 사용된다.
| 연번 | INCI Name (성분명) | 대표 상용 제품명 (제조사) | HLB 값 | 주요 용도 |
| 1 | Sorbitan Trioleate | Span 85 (Croda) | 1.8 | W/O 유화, 보조 유화제 |
| 2 | Glycol Distearate | Genapol PGS (Clariant) | 1.5 ~ 2.0 | 보조 유화제, 불투명화제 |
| 3 | Sorbitan Stearate | Span 60 (Croda) | 4.7 | W/O 주유화제, O/W 보조 유화제 |
| 4 | Sorbitan Sesquioleate | Arlacel 83 (Croda) | 3.7 | W/O 주유화제 (색조, 선케어) |
| 5 | Glyceryl Stearate (Pure) | Cutina GMS V (BASF) | 3.8 | O/W 보조 유화제, 왁스 에이전트 |
| 6 | Polyglyceryl-3 Diisostearate | Lameform TGI (BASF) | 3.5 ~ 4.0 | 유기자차 함유 W/O 크림 유화 |
| 7 | PEG-30 Dipolyhydroxystearate | Cithrol DPHS (Croda) | 5.5 | 고함량 유상 W/O 에멀젼 설계 |
| 8 | Sorbitan Monooleate | Span 80 (Croda) | 4.3 | 안료 분산, W/O 유화 |
| 9 | Cetyl Alcohol | Lanette 16 (BASF) | 5.2 | 보조 유화, 점도 및 경도 조절 |
| 10 | Lauryl PEG-9 Polydimethylsiloxyethyl Dimethicone | KF-6038 (Shin-Etsu) | 3.0 ~ 4.0 | W/O, W/S (실리콘) 제형 주유화제 |
2. 중간 영역 및 보조 유화제 영역 (HLB 6.1 ~ 10.0)
습윤(Wetting) 작용이 우수하며, O/W 제형에서 친수성 유화제와 혼합하여 계면막의 밀도를 높이는 데 사용된다.
| 연번 | INCI Name (성분명) | 대표 상용 제품명 (제조사) | HLB 값 | 주요 용도 |
| 11 | PEG-7 Glyceryl Cocoate | Cetiol HE (BASF) | 10.0 | 가벼운 유화, 클렌징 오일 유화제 |
| 12 | Sorbitan Monolaurate | Span 20 (Croda) | 8.6 | 습윤제, O/W 보조 유화제 |
| 13 | Methyl Glucose Sesquistearate | Glucate SS (Lubarizol) | 6.0 ~ 8.0 | 저자극 천연 유래 O/W 유화제 |
| 14 | PEG-8 Dilaurate | Kessco PEG 400 DL (Stepan) | 10.0 | 유화 및 습윤제 |
| 15 | Sorbitan Palmitate | Span 40 (Croda) | 6.7 | O/W 및 W/O 시스템 보조 유화 |
| 16 | Polyglyceryl-4 Diisostearate/Polyhydroxystearate/Sebacate | Isolan GPS (Evonik) | 6.0 ~ 7.0 | 친환경 콜드 프로세스 W/O 유화 |
| 17 | PEG-6 Isostearate | Emalex PEIS-6 (Nihon Emulsion) | 8.0 | 마이크로에멀젼 보조 유화제 |
| 18 | Cetearyl Alcohol (and) Cetearyl Glucoside | Montanov 68 (Seppic) | 9.0 ~ 10.0 | 액정(Liquid Crystal) 형성 O/W 유화제 |
3. 친수성 O/W 유화제 및 세정제 영역 (HLB 10.1 ~ 15.0)
수상을 외상(Continuous phase)으로 하는 O/W 에멀젼(로션, 크림)의 주요 유화제 역할을 수행한다.
| 연번 | INCI Name (성분명) | 대표 상용 제품명 (제조사) | HLB 값 | 주요 용도 |
| 19 | Polysorbate 60 | Tween 60 (Croda) | 14.9 | 대표적인 O/W 주유화제 |
| 20 | Polysorbate 80 | Tween 80 (Croda) | 15.0 | 고유상 O/W 유화, 난용성 물질 유화 |
| 21 | PEG-100 Stearate | Myrj S100 (Croda) | 18.8 | 고온 안정성이 우수한 O/W 주유화제 |
| 22 | Steareth-21 | Brij S21 (Croda) | 15.5 | 내산성/내염성 O/W 크림 유화 |
| 23 | PEG-40 Stearate | Myrj S40 (Croda) | 16.9 | 에멀젼 유화 및 고분자 안정화 |
| 24 | Polyglyceryl-10 Stearate | Nikkol Decaglyn 1-S (Nikko Chemicals) | 12.0 | 저자극 고친수성 천연 유래 유화 |
| 25 | Ceteareth-20 | Eumulgin B2 (BASF) | 15.2 | 광범위한 pH 영역의 O/W 유화 |
4. 고친수성 가용화제 및 세정제 영역 (HLB 15.1 ~ 20.0)
수용액 시스템 내에서 소량의 오일, 향료, 유용성 활성 성분을 투명하게 투과시키는 가용화(Solubilization) 공정에 사용된다.
| 연번 | INCI Name (성분명) | 대표 상용 제품명 (제조사) | HLB 값 | 주요 용도 |
| 26 | PEG-40 Hydrogenated Castor Oil | Cremophor CO 40 (BASF) | 14.0 ~ 16.0 | 에센셜 오일, 향료 가용화제 |
| 27 | Polysorbate 20 | Tween 20 (Croda) | 16.7 | 수분 토너 내 가용화제 |
| 28 | PEG-60 Hydrogenated Castor Oil | Nikkol HCO-60 (Nikko Chemicals) | 15.0 ~ 17.0 | 친피부막 형성 가용화제 |
| 29 | Octyldodeceth-16 | Emalex OD-16 (Nihon Emulsion) | 16.0 | 고급 화장수 내 스킨케어 성분 가용화 |
| 30 | Sodium Laureth Sulfate (음이온성) | Texapon N70 (BASF) | ~40.0 (계산치) | 고기포성 클렌징 및 가용화 보조 |
※ 주의: 30번에 제시된 소듐라우레스설페이트(SLES)와 같은 이온성 계면활성제는 분극성이 매우 강하여 고전적인 Griffin 식의 한계를 벗어나나, Davies 척도 및 계면 거동 강도를 기준할 때 극도의 친수성 영역(HLB > 20)을 대변하는 세정 원료로 분류된다.
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