이산화티타늄이나 산화아연이 들어간 선크림이 하얗게 뜨는 이유가 무엇인가요?

Question

이산화티타늄이나 산화아연이 들어간 선크림이 하얗게 뜨는 이유가 무엇인가요? 유기 화합물과 달리 금속 산화물 입자가 가시광선의 모든 파장을 반사 및 산란시키는 물리적 차단 원리가 궁금해요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

이산화티타늄이나 산화아연이 들어간 선크림을 발랐을 때 피부가 하얗게 변하는 백탁 현상은 이 물질들이 빛을 다루는 물리적 방식에서 비롯됩니다. 이들은 금속 산화물로서 유기 자외선 차단제처럼 자외선을 흡수하여 열로 바꾸는 것이 아니라, 피부 표면에 얇은 거울과 같은 막을 형성하여 빛을 튕겨내는 물리적 차단제 역할을 합니다.

​이러한 금속 산화물 입자들은 기본적으로 가시광선의 파장대와 비슷하거나 그보다 큰 크기를 가지고 있습니다. 가시광선이 이 입자들에 부딪히면 입자 표면에서 모든 방향으로 흩어지는 산란 현상이 발생하는데, 특정 색상의 파장만 흡수하는 것이 아니라 가시광선의 모든 파장을 골고루 반사하고 산란시킵니다. 빨강, 초록, 파랑 등 모든 색의 빛이 한꺼번에 섞여 우리 눈으로 들어오면 우리는 그것을 하얀색으로 인식하게 됩니다. 이것이 바로 백탁 현상이 발생하는 근본적인 이유입니다.

​또한 이 물질들은 굴절률이 매우 높습니다. 빛이 입자를 통과하거나 부딪힐 때 굴절과 반사가 강하게 일어나기 때문에 투명하게 보이지 않고 불투명한 흰색 막처럼 보이게 됩니다. 최근에는 이런 현상을 줄이기 위해 입자를 아주 미세한 나노 단위로 쪼개어 가시광선이 그냥 통과하게 만들기도 하지만, 입자가 작아질수록 자외선 차단 효율이 변하거나 피부 흡수 우려가 생기는 등 또 다른 특성이 나타나기도 합니다. 결국 우리가 보는 하얀 막은 금속 산화물 입자가 우리 눈에 보이는 가시광선을 사방으로 강력하게 밀어내고 있다는 증거인 셈입니다.

Answer 2

안녕하세요.

선크림 중 이산화티타늄이나 산화아연이 들어간 제품이 피부에서 하얗게 뜨는 이유는, 이 성분들이 피부 위에 남아 있는 미세한 무기 입자이기 때문에 가시광선을 넓은 범위로 강하게 산란 및 반사시키기 때문입니다. 하얀색은 가시광선 전 영역에 해당하는 400~700 nm 파장대가 비교적 고르게 반사되어 눈에 들어올 때 느껴지는 색입니다. 이때 이산화티타늄은 굴절률이 매우 높고 산화아연도 상당히 높은데요, 피부 위의 유분이나 물, 공기와 비교했을 때 입자와 주변 매질 사이 굴절률 차이가 크면, 빛이 입자 경계면을 지날 때 진행 방향이 크게 꺾이고 일부는 반사됩니다. 동시에 입자 내부와 표면에서 여러 번 방향이 바뀌며 난반사가 생기기 때문에 밝고 하얗게 보이는 것입니다.

또한 입자 크기가 가시광선 파장과 비슷하거나 그보다 크면 미 산란이 강하게 일어나는데요, 미 산란은 특정 짧은 파장만 선택적으로 산란하는 레일리 산란과 달리, 넓은 파장대의 빛을 비교적 강하게 산란시킬 수 있다보니 전체적으로 뿌옇고 흰 느낌을 줍니다. 피부 위에서 더 하얗게 보이는 이유는 입자들이 완전히 녹는 것이 아니라 분산된 고체 입자 상태로 막을 형성하기 때문입니다. 반면 아보벤존과 같은 유기 자외선 차단제의 경우에는 자외선 영역의 특정 에너지를 전자 전이로 흡수한 뒤 열 등으로 방출하는데, 가시광선을 강하게 산란시키는 입자가 아니므로 대체로 투명하게 보입니다. 감사합니다.