기능성 화장품용 세라믹 소재개발 및 산업동향

장정호 한국세라믹기술원 미래융합세라믹본부 바이오IT융합센터장

1. 서론
기능성 화장품(cosmeceuticals)은 화장품(cosmetics)과 의약품(pharmaceuticals)의 합성어로, 1970년대 말 미국 펜실베니아대학의 피부병 전문의인 알버트 클라이만 박사가 처음 명명한 것에서 유래를 찾을 수 있다. 피부를 미화하기 위해 건강한 피부상태를 유지, 개선하거나 피부노화 촉진을 방지할 목적의 기능성 화장품은 또한 기미나 주근깨, 여드름, 주름 등의 생성을 방지하거나 개선시켜줄 뿐만 아니라 자외선 등 외부환경으로부터 적극적으로 피부를 보호하여 신체의 불쾌감, 위화감 등을 최소화 하기 위해 사용된다. 이와 같은 다양한 목적과 효용을 얻기 위해 인체에 대한 작용이 경미하여 지속적으로 사용할 수 있는 물질을 통칭하여 기능성 화장품으로 정의 한다. 2000년 7월부터 시행한 국내 화장품법에서는 기능성 화장품을 피부 멜라닌 색소 침착을 방지하거나 엷게 하는 미백화장품, 주름개선 제품, 일소 및 일소방지용 제품으로 정의하고 있다.
국내 기능성 화장품은 2001년 40여개 업체 500여 품목에서 2009년 250여 업체 6000여 품목으로 늘어났으며, 시장 규모도 2001년 2,700억원에서 2009년 1조 2,000억원으로 약 4배 정도 급증해 전체 화장품 시장의 25%를 차지하고 있다. 또한 기능성 화장품 산업은 소규모 설비를 이용하여 소량 다품종의 정밀도가 높은 화학제품을 생산함으로써 고부가가치를 창출하는 정밀화학 산업군에 속하며 제품 특성상 다품종 소량생산이며, 원자재의 수입의존도가 높고, 기호성이 강한 이미지 상품으로서 제품의 라이프사이클이 짧고, 외국 브랜드 선호도가 높아 수입개방에 매우 취약한 품목이기도 하다.  그러나 큰 시장 성장을 이루고 있는 기능성 화장품(미백, 주름개선, 자외선 차단)의 대부분은 기초화장품에 국한되어 있다. 기초화장품에 국한되는 이유는 대부분의 기능성을 발현하는 물질이 천연물로부터의 추출이나 합성 공정을 통하는데 그 결과물은 대부분 액체의 형상을 이루고 있고, 이 형상은 기초화장품의 제형에 적합하기 때문이다. 또한, 기능성을 발현시키는 물질의 대부분은 순수하게 존재할 때 세포독성의 발현 및 변성의 위험이 매우 큰데, 최근에는 이러한 원료의 문제를 해결하기 위해 기능성 물질의 단독 사용을 피해, 유도체의 형태로 안전 및 안정성을 기하고 있다. 하지만 이러한 기능성 원료 유도체 또한 대기 중의 수분 및 태양광과 같은 직사광선 노출 시 변성의 위험이 크다. 이런 이유로 기능성 화장품 개발에는 큰 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결하고자 대부분의 기능성 화장품 원료의 개발은 안정화를 위한 유도체 개발과 유무기 하이브리드 신규 기능성 물질 개발이 주를 이루고 있다. 이런 관점에서 나노 세라믹 소재의 기능성 화장품 활용은 매우 큰 의미를 가진다. 본 고에서는 기능성 화장품 산업에서 활용되는 세라믹소재의 기술현황과 특허 현황 분석을 통해 기술 경쟁력 가능성을 알아보고, 시장동향 분석을 통해 향후 기능성 화장품 산업의 발전 방안에 대해 고찰해보고자 한다.

2. 본론
가. 기술개발 동향
최근 들어 화장품은 기초화장품과 색조화장품의 경계가 무너지고 있는 실정이며, 이로 말미암아 제품의 제형에 있어서도 벌크의 분체 형상으로만 제조되던 색조 제품이 에멀젼화 되어 분체상과 유화상의 중간상을 나타내거나, 파운데이션에 기능성 물질을 첨가하여 기능성 파운데이션을 제조하는 등 점차 색조 화장품의 경향이 기능성 및 독특한 제형의 개발에 집중되고 있다. 기능성 화장품용 세라믹소재는 탈크, 마이카, 세리사이트, 질화붕소 등과 같은 무기판상분체와 세라믹 미립자가 주류를 이루고 있고, 여기에 기능성을 부여하기 위하여 레시틴과 같은 지질막을 코팅한 후 비타민류, 식물성 파이토 호르몬, 세라마이드 등의 기능성 원료를 봉입하여 사용하거나, 금속입자를 코팅하여 미백, 주름개선, 자외선 차단 등의 기능별로 제품화 하는 방법으로 상용화 되고 있다. 대표적인 예로서는 사용감이 나쁘고 화장품으로서의 다량 사용이 어려운 TiO2, SiO2 또는 ZnO와 같은 세라믹 무기분체를, 사용감이 좋고 파우더 제품에 다량 사용되고 있는 판상의 무기분체(Talc, Mica, Sericite 등)에 표면코팅을 통해 자외선 차단효과, 미백효과, 지분흡수 및 광안정성과 같은 기능적 특성 발현 및 사용감이 개선된 고기능성 화장품 원료가 있다.    
국내의 화장품 원료 제조업은 대부분 외국에서 원료를 수입 후 가공을 통한 제조업이 대부분이며, 벤처기업 등을 중심으로 일부 기능성 원료의 합성 및 추출 등의 기술이 개발되어 있지만, 화장품의 주원료가 되는 기초 및 색조 원료는 전량 수입에 의존하고 있으며, 현재 기초 화장품 원료의 제조 기술 또한, KCC의 화장품용 Silicone Oil 정도의 개발 이외에는 전무한 실정이다. 색조화장품 원료의 경우 대부분 일본에서 수입을 하고 있으며, 수입되는 원료는 세라믹분체의 분쇄처리를 통한 분체가 주를 이루고 있다.이러한 분체에 대한 펄(pearl)가공, 메탈 솝(metal soap), 레시틴 등의 유기 표면 처리 기술이 개발되어 있으며, 이러한 기술을 확보하고 제조하는 업체는 5개 내외에 불과한 실정이다. 대부분의 원료 제조업체들은 기능성 원료의 추출 및 합성에 의존하고 있으며, 분체 가공 및 에멀젼 등의 가공을 통한 안정화 원료의 제조는 대부분 일본, 미국, 유렵 각국에서 수입을 하고 있는 실정이다.
레시틴 등의 유기 표면 처리 기술이 개발되어 있으며, 이러한 기술을 확보하고 제조하는 업체는 5개 내외에 불과한 실정이다. 대부분의 원료 제조업체들은 기능성 원료의 추출 및 합성에 의존하고 있으며, 분체 가공 및 에멀젼 등의 가공을 통한 안정화 원료의 제조는 대부분 일본, 미국, 유렵 각국에서 수입을 하고 있는 실정이다.
해외의 경우 기능성 화장품은 이전의 단순한 피부의 보습, 보호의 기능에서 확대되어 “피부의 주름 증가”, “기미나 주근깨, 노인성 흑반”, “각질증가”, “피부건조” 등과 같이 피부에서 일어 날 수 있는 문제점들을 구체적으로 해결하는데 도움을 주는 화장품으로 개발되고 있다. 이러한 기능성 화장품의 개발은 1993년 AHA(Alpha Hydroxy Acid), Retinol, Vitamic C등의 피부 주름개선, 미백, 피부 세포 재생주기 촉진 등의 효능을 갖는 제품이 개발되면서 시작되었는데, 화장품 산업의 최우량기업인 로레알의 경우 화학, 생물학, 의학, 물리학, 독성학 등 30여개 분야 전문연구원 2,500명의 연구진을 보유하고 있으며, 관련연구에 매출액의 3%를 연구개발에 투자하고 있다. 그러나 이러한 해외 선진 기업들도 세라믹 분체를 이용한 기능성 원료 개발 수준은 아직 미진한 단계에 있으며, 일본의 Shiseido에서 일부 기능성 분체에 대한 접근을 시도하고 있다.
또한, 나노무기소재를 이용한 화장품 소재의 개발에 있어서는 TiO2, SiO2 또는 ZnO와 같은 무기분체의 자외선 차단효과, 미백효과, 지분흡수 및 광안정성과 같은 기능적 특성을 가짐과 동시에 사용감이 개선된 고기능성 화장품 원료물질의 개발이 활발히 이루어지고 있는데, 이러한 무기분체를 이용할 경우에는 사용감에 있어서 판상분체 및 구상실리카를 이용할 수 있으므로 다양한 물질들의 복합화를 통해 다양한 기능성 화장품 소재에 응용이 가능하다. 특히 미백 화장품은 자외선에 의한 기미, 주근께 등을 완화시키고 멜라닌 색소의 생성을 억제하는 목적으로 개발된 제품으로 미백물질의 개발은 주름개선 물질의 개발과 더불어 우리나라에서 신원료 개발의 2대 영역으로 21세기에는 더욱 가속화될 것으로 전망된다. 
그러나 몇 가지 기술적 장애 요인도 가지고 있다. 자외선 산란제의 경우에 티탄, 아연, 지르코늄, 세슘 등의 산화물이 주로 사용되는데, 이들의 미립자화, 표면개질 등의 방법으로 상용성을 향상시키거나 분산 용이성 증진을 위한 연구가 필요하며, 사용 시 피부 안정성을 향상시키며 특정부위에 기능성 원료를 정확하게 전달하는 전달기술의 개발이 필요하다. 이산화티탄 나노입자 표면에 귀금속을 도포할 경우, 광활성 향상 및 우수한 항균효과가 기대되는 데, 나노미립자 표면에 귀금속을 균일한 사이즈로 도포하는 기술은 일반적인 공침법이나 화학적 환원방법으로는 제어가 어려운 실정이다. 수 나노 크기의 금속입자를 다양한 기질(substrate)에 도포하는 기술의 확립이 필요하며 이때 부가적인 환원제나 유해한 화학성분의 첨가 없이 이루어져야 한다. 이산화티탄을 이용한 광촉매 반응은 주로 자외선 영역에서 발생하므로 태양에너지의 전환 효율이 낮고 반응제어가 어려워 여전히 실용화 연구개발이 진행되고 있는 상황이다. 이를 위해 가시광선 영역의 빛을 활용할 수 있는 광촉매의 선행 연구개발이 필요하며, 현재 귀금속첨가, 다른 반도체와의 복합화, 전이금속 트래핑 등에 관한 연구가 진행 중에 있다.

나. 시장동향 
화장품 산업은 경제 성장에 따른 소득수준 향상과 여성의 취업 증가로 인해 매년 증가 양상을 보여 왔으나 경기 침체로 인해 그 성장률은 약간 주춤하는 추세다. 국내 시장규모는 2007년 대한화장품협회 자료에 따르면 2006년의 경우 3조 9천8백억원 규모로 성장 폭이 많이 둔화 된 모습을 보여주고 있다. 이 중 점유율 1위의 기초화장품은 전년대비 5.6%의 성장률을 보이며 45%의 점유율로 가장 큰 비중을 차지하고 있으며 전년대비 26%의 성장률을 보인 기능성 화장품이 그 뒤를 잇고 있다. 이는 2000년 이후부터 적극적인 마케팅과 생활의 질의 향상에 따른 기능성 화장품 출시로 인하여, 고기능성 제품의 신장세가 큰 폭으로 증가하고 있음을 볼 수 있고 화장품 업체들은 판매량의 증가보다는 고가, 기능성 제품 위주의 제품 판매 증가로 이익률을 신장시키는 전략으로 나아가고 있음을 나타낸다고 할 수 있다.
화장품 원료는 종류가 8,000여종으로 알려져 있고 국내 시장 규모도 3,000억원 수준으로 추정된다. 그러나 주로 일본, 미국, 유럽 국가나 동남아, 호주 등의 천연물 생산 환경이 우수한 나라에서 80% 이상 수입에 의존하고 있는 실정이며, 기초제품의 오일류는 거의 전량 수입하고 있다. 또한, 색조화장품에 사용되는 파우더도 대부분 수입에 의존하고 있다. 국내 원료 시장은 수입된 오일 및 파우더를 소분하여 판매하고 있는 실정이다. 2005년 화장품 원료 총 수입액은 149,419천 달러로 2004년 165,733천 달러에 비해 9.6% 감소했으나, 화장품 시장의 지속적인 신장과 맞물려 원료수입액은 다시 증가 추세로 돌아섰다. 현재 국내 화장품 원료는 600여개의 업체가 200여개의 완제품 제조사에 해외 또는 국내 stock업체의 dealer 거래를 하고 있으며, 원료의 재가공을 통한 제조업체는 10개 내외가 존재한다. 이중 4∼5개 정도의 업체가 분체 가공을 통한 제품을 생산, 판매하고 있는 실정이다. 
세계시장은 2001년 0% 성장에서 2002년 3.3%, 2003년 11.4% 성장하여 계속 높은 성장세를 이어오다가, 2004년 9.5%, 2005년 8%, 2006년 4.7%로 최근 성장세가 다소 둔화되고 있다. 그러나 아직까지는 스킨케어의 비중이 가장 높으며 또한 스킨케어, 자외선 차단 화장품등 국내의 기능성관련 제품군이 지속적으로 성장하는 모습을 보이고 있으나 색조 화장품은 국내 시장과 유사하게 소폭 감소하는 것으로 나타나는데 이는 베이스 메이크업 제품들이 자외선 차단 기능성 제품임을 감안하면 시장이 축소되고 있다기보다는 오히려 베이스 메이크업 시장 규모는 지속적으로 커지고 있다고 보여 진다.

다. 특허출원동향
세라믹 무기분체를 이용하는 기능성 화장품 개발기술과 관련하여, 화장품개발에 필요한 무기분체를 제조하거나 무기분체를 이용하여 화장품을 개발하는 방법 및 그 조성물에 관한 특허들을 선별하여 약 496건을 최종적으로 선별하여 정량분석대상으로 분류하였다.
그림 4는 총 496건의 특허출원 중에서 출원특허종류별 출원비율을 나타낸 그래프이다.
전체적으로 일본특허출원의 비중이 85%로 여타의 특허출원에 비해 많은 점유율을 보임으로서 일본에서의 특허출원이 가장 활발하게 이루어졌음을 알 수 있다. 또한, 상위 주요 출원인 현황을 살펴보면, 전체 총 496건의 출원건수 중에서 SHISEIDO CO LTD가 107건(21%)으로 가장 많이 출원하였고 다음으로 POLA CHEM IND INC와 KAO CORP가 각각 72건(14%)과 63건(13%)으로 그 뒤를 이었고 KOSE CORP가 29건(6%), KANEBO LTD가 28건(6%), TOPY IND LTD가 18건(4%), Merck가 16건(3%) L´OREAL이 11건(2%)이었다.
정량분석을 위해 선별된 특허출원을 기술적 특징에 따라 대분류의 기술과 그에 속하는 소분류의 기술로 분류하였다. 표 1은 무기분체를 이용한 화장품기술의 분류를 나타낸 것이다.
무기분체를 이용한 기능성화장품개발에 관한 기술은 크게 화장원료의 제조기술(A)과 화장품의 제조기술(B)과 화장품의 기능성을 나타내기 위한 기술(C)로 나누었고 이를 다시 표에 나타난 바와 같이 세분하여 분류하였다.
총 496건의 특허출원 중에서 화장료제조기술(A)에 포함되는 무기분체를 포함하는 방법 또는 그 조성물(Aa)이 190건으로 가장 많았고 무기분체를 제조하는 방법 또는 그 조성물(Ab)이 80건이었고, 화장품제조기술(B)에 포함되는 기초화장품(크림, 팩 등)기술(Ba)이 11건이었고, 마무리화장품(분말, 립스틱, 매니큐어 등)기술(Bb)이 143건으로 두 번째로 많았으며, 두발용화장품세정료(Bc)가 11건, 세발료화장품(Bd)가 5건이었다. 마지막으로 화장품기능성개선기술(C)에 포함되는 자외선차단기술(Ca)이 50건이었으며 미백, 주름개선, 기타(Cb)가 6건으로 나타났다.

라. 화장품 원료 개발 방향
최근 화장품에서는 기능성이 특히 강조되고 있다. 피부 과학을 발전과 더불어 미백, 주름방지, 육모 등의 피부 및 모발에 대한 화장품의 효과 향상에 대한 관심이 높아지고 있다. 화장품 원료의 기술개발 방향은 다음 표와 같이 요약 할 수 있다. 주요 연구는 피부 생리학의 연구에 바탕을 두어 신규 물질의 탐색이나 피부 노화를 억제 할 수 있는 방법의 발견과 천연물 추출, 신규 원료 합성 등의 방법을 적용한 새로운 소재의 원료 개발이다.
향후 기능성 화장품 분야는 현재 지정된 것 이외에 여드름, 자극완화, 가려움, 피지억제, 살갗의 틈, 땀띠, 동상, 면도로 인한 상처, 피부 거칠음 방지, 아로마 콜로지 효과 등의 분야가 기능성 화장품으로 확대 될 것으로 예측되므로 이와 관련된 분야에서 기술 선점을 노린 연구개발이 집중 될 것으로 보인다.
특히 기능성 화장품 원료개발에 있어서 화장품 기능성이 강조되고 고효능성, 우수한 사용성 및 새로운 제형의 제품개발 추세로 나아감에 따라 생물  공학, 고분자 신소재기술, 천연 유용성분 추출 및 합성 등을 이용한 원료 개발이 이루어 질 전망이다. 또한, 기능성 화장품은 고기능성과 더불어 다기능적인 면이 추구된 기술개발에 집중 될 것으로 보인다. 예를들어  기존에 알려진 알파하이드록시산(AHA)에 표피세포성장인자(EGF) 혹은 아마추출물 등을 첨가함으로써 색소 침착을 제거하고 주름개선을 통해  전체적인 피부개선효과를 가져오는 등의 복합기능적인 소재 및 관련기술 개발이 더욱 활발해질 것으로 전망된다.

3. 맺음말
기능성 화장품 산업에서 소재 개발 기술은 향후 산업발전에 매우 큰 비중을 차지하며, 기존의 고분자 소재 활용 기술개발은 이미 포화 상태이지만, 세라믹 소재의 활용도는 아직 초기 상태라서 향후 발전 가능성은 매우 크다. 특히, 색조 화장품의 경우에는 세라믹 분체소재 활용 비중이 매우 크다. 또한 세라믹 미립자 활용은 기능성색조 화장품뿐만 아니라 일반 메이크업 화장품 원료에도 다량 사용될 수 있는 기술로서, 세라믹 분체 및 미립자를 이용하는 화장품에 있어서는 모든 분야에 적용이 가능 한 산업분야이다. 또한, 안정성이 확보된 기능성 물질의 함유를 통해 미백 및 주름 개선 색조 화장품의 개발이 가능할 것으로 예상되며, 차츰 늘어나고 있는 복합기능성 화장품으로서도 세라믹 분체 원료가 사용될 수 있을 것으로 예상된다. 또한 소재자체가 곧 제품인 바이오세라믹 소재는 인간의 평균수명이 증가되고 있고, 건강에 대한 관심도가 점점 높아지는 추세를 감안할 때 매우 중요한 국가의 미래 먹거리 소재 산업으로 자리매김 할 것이라 예상된다.  

그림 1. Shisheido 사에서 개발한 기능성 색조 화장품의 개략도

그림 2. 화장품용 세라믹 분체 원료의 표면 위에 금속염에 의한 지질막 코팅 공정

그림 3. 화장품용 세라믹 분체 원료의 표면 위에 기능성 지질막 및 유기 코팅 공정

표 1. 국내에서 제조되는 대표적 화장품 원료

표 2. 화장품 유형별 화장품 생산실적

그림 4. 특허종류별 특허출원비율

그림 5. 주요 출원인별 특허출원건수 및 비율

표 3. 무기분체를 이용한 화장품기술의 분류표

           
그림 6. 기술별 출원건수

표 4. 화장품원료의 개발 방향

장정호
충북대학교 화학과(박사)
미국 Pacific Northwest National Laboratory (박사후 연구원)
요업기술원 나노소재응용본부 청정·바이오소재팀장
현재 한국세라믹기술원 미래융합세라믹본부 바이오IT융합센터장

< 본 사이트는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2010년 9월호를 참조바랍니다.>