*Corresponding author: Ji-Won Hyun Tel : +82-31-441-1387 E-mail : I. 서 론
헤어 아이론은 열을 이용하여 머리를 펴거나 웨이브를 넣어 다양한 스타일을 연출하는 대표적인 헤어 도구로, “헤어 아이론(hair iron 또는 hair tong)” 혹은 “고데기”라고도 불린다. 헤어 아이론은 부분적으로 인위적 스타일을 만들어내는 데 적합한 기기로, 헤어롤이나 집게 등의 보조 도구가 필요한 헤어드라이어와 달리 단일 기기만으로 대부분의 헤어 스타일링을 가능하게 한다.
최근 간편한 사용, 신속한 스타일링을 중시하는 트렌드가 확산됨에 따라, 인터넷 쇼핑몰, 미용실 등 다양한 채널을 통해 다양한 헤어 아이론 시장은 급속히 확대되고 있다. 실제로 글로벌 시장 정보 기업인 GfK 발표에 따르면, 헤어드라이어와 헤어스타일링 기기들은 젊은 층을 중심으로 매년 꾸준히 성장하고 있으며 GHD (Good Hair Day), BaByliss, CHI (Catalyst Hair Tools), Dyson, ghd (Gold Professional Styler), T3, ISO, Revlon 등 글로벌 브랜드들에서는 온도 설정 조절, 자동 전원 차단, 해외 여행용 이중 전압 등 다기능의 제품들을 출시하고 있다. 하지만 헤어 아이론은 다른 기기들과는 달리 미숙한 사용자가 사용할 경우 머리카락 외에도 손 등 다른 신체 부분에 화상을 입힐 위험이 있다는 점에서 능숙한 사용 능력이 요구되며 나아가 헤어 아이론의 높은 열은 모발 구조에 심각한 손상을 미칠 수 있다.
헤어스타일링 기기는 열을 기반으로 모발의 형태를 변화시키는 특징을 가지고 있다. 최근 열과 화학제품, 물리적 기기 사용 등의 다수 시술에 의한 모발 손상 사례가 많이 보고되고 있다(Chang & Lee, 2006; Kim et al., 2009; Choi & Kang, 2013; Ha et al., 2013; Hyun & Hwang, 2021; Sung et al., 2014). 모발은 단백질로 이루어져 있기 때문에 열에 의한 모발의 변성은 되돌이킬 수 없으며, (Bae, 2003; Park & Choi, 2003; Kim et al., 2009; Jung et al., 2009; Lee et al., 2011; Seong et al., 2019; Hyun, 2023) 등의 연구에 따르면 염색, 펌 시술, 과도한 미용기기의 사용은 모발을 손상시키는 것으로 보고된 바 있다. 따라서 개인 모질에 맞는 헤어 아이론의 발열판과 적합한 온도를 선택하는 것이 모발 손상을 최소화하는 데 필수적이라고 할 수 있다.
한편, 헤어 아이론의 열판 소재는 세라믹, 금속, 세라믹 코팅, 토르말린, 고무와 실리콘 코팅 등 다양한 재료로 제조될 수 있다. 현재 국내에서 가장 많이 사용되는 헤어 아이론의 열판은 대부분 세라믹 소재로 이루어져 있는 것으로 알려져 있다. 시중에 판매되는 제품들의 특징을 살펴보면, 세라믹은 열을 잘 유지하고 빠르게 고온에 도달할 수 있으며, 열을 고르게 분산시키는 반면, 토르말린 플레이트는 낮은 온도에서 효과적으로 스타일링이 가능하며, 심한 곱슬머리도 효과적으로 곧게 펼 수 있는 것으로 알려져 있다. 마지막으로 티타늄 소재의 플랫 아이론은 일정 온도에서 열을 유지하기 때문에 세라믹 플랫 아이론보다 빠르게 가열되는 특징이 있다.
세부적인 측면에서는 아이론 소재에 따라 그 성능의 차이가 달라질 수 있다. 예컨데 두껍고 거친 모발에는 티타늄 소재의 아이론이 적합하지만, 얇은 머리카락에서는 손상이 심해질 수 있으므로 사용에 있어 세심한 주의가 필요하다. 그외에도 폴리머 재질의 아이론은 모발 손상을 최소화하여 스타일링을 가능하게 할 수 있을 것이라는 기대를 받고 최근 헤어스타일링 기기에 급속히 접목되고 있다. 특히 폴리머의 경우, 화학 구조 변경을 통하여 사용처에 따라 유연성, 투명성, 강도, 열전도성 등 재료의 물리화학적 특성을 다르게 디자인 할 수 있다는 강점이 있다. 그 중 열 동분산성(同分散性)을 가진 폴리머들을 헤어 아이론에 적용할 경우, 고른 헤어 아이론 열처리를 할 수 있다는 측면에서 모발 손상을 줄여줄 수 있을 가능성이 있을 것으로 기대되고 있다.
이같이 다양한 소재로 제조된 헤어 아이론은 각각 고유한 특성을 가지고 판매되고 있으나, 이러한 소재가 실제로 모발 손상에 미치는 영향과 효능에 대한 과학적 연구는 미흡한 실정이다. 이에 본 논문에서는 아이론 발열판 소재에 따른 모발의 다양한 물리·화학적 특성 변화를 관찰하고, 국내에서 가장 많이 사용되는 세라믹 발열판과 새롭게 연구되고 있는 폴리머 발열판이 모발에 미치는 영향과 모발의 손상 정도를 비교 분석하고자 한다.
II. 재료 및 방법
1. 이론적 배경
불소계폴리머란 분자 중에 불소원자를 포함하는 합성고분자의 총칭으로 PTFE, PFA, FEP, ETFE, PVDF, PCTFE 등이 있다. 뛰어난 내화학약품성과 내열성을 가지고 있으며, 양호한 전기절연체로서 높은 충격강도를 유지하여 군수품에서 일반 산업용, 가정용에도 널리 사용되는데, 본 연구에 사용되는 고분자 발열판의 경우 모발과 닿는 부위에 있는 소재는 테프론(PTFE, Polytetrafluoroethylene, C2F4)이며, 그 밑에 부착이 된 소재가 실리콘으로 아이론 발열판 구조는 Fig. 1과 같다. 테프론 소재는 마찰계수가 낮고 전기음성도가 고분자 물질 중에 가장 높은 물질이라 어떠한 화학적인 성분과 결합을 하지 않는 고분자 소재이다.
2. 재료
1) 모발 시료 제작
본 연구에 사용된 모발 샘플은 염색, 퍼머넌트, 탈색 등 화학적 시술을 받지 않은 19세 여성으로부터 채취한 건강한 모발이다. 샘플은 두정부 부위의 모근에서 10cm 떨어진 지점부터 15cm 길이로 잘라 사용하였다. 채취한 건강한 모발(Virgin hair; V1)은 모근으로부터 1cm 지점을 고정하여 각각 약 1g의 모발 다발을 제작하였으며, 중성 샴푸로 세척 후 자연 건조하여 모발에 남아 있는 오염 물질을 제거하였다. 본 연구에서는 건강모(Virgin hair) 그리고 손상 모발(Damaged hair)은 탈색 처리 1회(손상모A), 탈색 처리 2회(손상모B) 처리군으로 구분하여 제작하였다. 손상모 B는 아이론 발열판 종류에 따른 모발의 형태학적 변화를 깊이있게 분석하기 위해 추가로 제작하여 SEM 분석에만 사용하였다.
2) 사용 시약 및 샘플 처리 방법
우선 탈색 처리 방법으로 현재 상용 제품인 S사의 탈색(bleach) 파우더와 6% 산화제(proxide)를 1:2 비율로 혼합하여 모발에 도포한 후 10분간 열처리를 하고, 15분간 자연 방치하였다.
이후 제작된 손상 모발 샘플(손상모 A, B)에 대하여 M사의 NeoLiscio 1제와 2제를 시약으로 사용하여 세라믹 아이론(Ceramic Iron)과 폴리머 아이론(Polymer Iron) 열펌 처리를 진행하였다. 열펌 처리에 대한 세부적 과정은 다음과 같다. 먼저 준비된 모발 샘플에 1제를 도포하고 5분간 방치 후 헹구어낸다. 다음으로 타월드라이를 한 후 각기 세라믹과 폴리머의 상이한 재질의 아이론을 사용하여 120도로 열펌 시술(가열)을 5초간 10회 연속 당김처리로 하고, 10분 방치 후 2제로 중화처리하였다. 그리고 세라믹과 폴리머 아이론 처리한 샘플들을 각각 C샘플, P샘플로 명기하였다.
색차계 분석을 위해 손상모 A샘플을 대표로 사용하였으며, 이때 사용된 염색약은 S사의 Anthoncyanin Acid ColorSkyblue를 사용하였으며, 모발에 도포한 후 15분간 열처리하고 25분간 자연 방치한 뒤 헹굼처리 하였다.
3. 실험 방법
1) 아이론 기기 열처리 방법
본 실험에서는 세라믹 아이론과 폴리머 아이론 발열판의 차이와 그 효과를 비교하기 위해 건강모와 손상모 모발 시료에 대해 120℃, 140℃, 160℃, 180℃, 200℃의 온도로 설정하여 실험을 진행하였다. 각 열펌 처리 시, 아이론을 5초간 10회씩 당기는 방식으로 적용하였다. 시술 조건의 재현성을 확보하기 위해 동일한 연구자가 모든 시편 처리를 수행하였다.
2) 모발의 수분량(TGA) 분석
모발의 수분량을 측정하기 위해 AND社 ML-50 Thermogravi metric Analyzer(가열식 수분 측정기)를 사용하였다. 설정값은 가열 온도 90℃, 수분 증발율 0.2%/분, 시료 중량 0.150g으로 설정하였다.
III. 결과 및 고찰
1. 모발 수분증발량 분석(TGA 분석)
본 연구에서는 세라믹 소재의 아이론과 폴리머 소재의 아이론을 사용하여 각각의 온도 변화에 따른 모발의 수분량 변화를 측정하였다. 기초 실험 결과, 초기 Control 값에서 손상모가 건강모에 비해 높은 수분량을 보였는데, 이는 기존 Hyun (2008) 선행연구에서도 밝혀진 바와 같이 탈색 처리로 인해 모표피가 손상되어 더 많은 수분을 흡수한 상태이기 때문이다.
이후 온도별 수분량의 변화를 보면, Fig. 2에 제시된 바와 같이 아이론 온도가 증가함에 따라 건강모와 손상모 모두 수분량이 급격히 감소하는 것을 볼 수가 있다. 특히, 아이론 소재별 차이를 분석한 결과, 세라믹 아이론을 사용한 경우 폴리머 아이론을 사용한 경우보다 수분 손실이 더 높은 경향을 보였다. 이는 폴리머 소재가 열 동분산성(同分散性) 특징이 있어 상대적으로 모발의 급격한 수분 손실을 억제하여 모발 손상을 줄일 수 있음을 시사한다.
2. 색차계 분석
1) *L값 분석
본 연구에서는 1차적으로 색차계 분석을 통하여 세라믹 이이론과 폴리머 아이론에 의한 모발 손상도 차이를 확인하였다. 앞서 설명한 바와 같이 세라믹과 폴리머 아이론 처리한 샘플들을 각각 C샘플, P샘플로 명기하였다. 염색모의 퇴색 정도를 분석한 결과, P샘플의 *L값(명도) 변화가 C샘플보다 낮게 나타났으며, 이를 아이론 타입에 따른 온도별, 모발의 수분 상태별 *L값의 분포를 선형 그래프로 표현하였다.
일반적으로 건조 모발에 아이론을 사용하는 것이 일반적이나, 살롱에서 직펌 시술 시 젖은 모발에도 아이론을 사용하는 경우가 있으므로 이를 고려하여 본 연구에서는 모발 수분 상태를 두 가지로 설정하여 실험을 진행하였다.
그 결과, Fig. 3에 제시된 바와 같이, 건조 모발의 P샘플은 명도 변화가 거의 없고, 젖은 모발의 C샘플 명도는 두드러지게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. *L값(명도)의 상승은 모발 손상도가 증가한다는 것을 의미하며, 이러한 현상은 모든 온도 조건에서 동일한 경향을 보였다. 특히 C샘플의 경우 최대 40% 이상의 명도 상승이 관찰되었는데, 이는 세라믹 소재의 아이론이 모발을 퇴색시키고 손상시킴을 의미하며, 건조 모발보다 젖은 모발에 사용할 경우 두드러지게 나타났다.
반면 P샘플에서는 건조된 상태와 젖은 상태 모두에서 *L값의 변화가 낮게 나타났으며, 특히, 건조 상태의 P샘플이 가장 낮은 명도 변화와 손상도가 없는 동일한 결과를 나타냈다. 결과적으로 P샘플이 C샘플에 비하여 열처리에 의한 조직 변화가 적을 수 있음을 시사한다.
2) *b값 분석
Fig. 4, 5는 아이론 타입에 따른 온도별, 모발의 수분 상태별 *b값의 분포를 나타낸 것으로, 데이터의 변화값의 추이를 확인해 본 결과, Dry Ceramic, Wet Ceramic, Dry Polymer, Wet Polymer 순서로 파란(Blue)색 색소가 빠지는 경향을 보였다. Kim(1996)의 연구에 따르면 열에 비교적 강한 건조한 모발과 달리 젖은 모발은 열에 의해 측쇄결합의 가수분해와 케라틴 구조의 변화 등에 의해 모발의 손상이 불가피하다 하였는데, 본 실험의 결과에서도 젖은 모발이 색소가 더 빠지는 것을 확인할 수 있었다.
P샘플은 건조된 상태의 모발과 젖은 상태의 모발 모두에서 *b값의 변화가 낮아, 선형 그래프가 완만한 평행선을 그리는 것으로 나타낸 반면, C 샘플의 *b값은 음의 방향으로 급격히 감소하는 경향을 보였다. 이는 C샘플의 탈색, 수분 손실 경향이 P샘플에 비하여 높음을 의미한다.
아울러 전반적으로 아이론 처리 횟수와 온도 차이에 따른 *b값 변화를 분석한 결과에서도, 건조 상태의 P샘플이 가장 낮은 퇴색도와 손상도를 보였으며, 모든 조건에서 일관된 경향성을 확인할 수 있었다. 특히, 젖은 모발의 P샘플이 건조 상태의 P샘플보다 *b값 변화가 적은 것으로 나타났는데 이는 폴리머 소재의 아이론이 세라믹 아이론에 비해 염색 모발의 퇴색을 줄이고, 모발의 손상을 최소화할 수 있음을 나타낸다.
3. SEM(Scanning Electron Microscopy) 분석
선행 연구 Hong et al.(2011)의 연구에 따르면, 건강한 모발에 있어서 120°C 이하의 온도에서는 손상이 적으나 140°C로 온도가 상승될수록 모발 표면의 큐티클이 들뜨고 박리되며 과도한 열로 인해 수분감소와 모발의 단백질이 응축되어 모표피(cuticle)와 모피질(cortex)이 심하게 손상되었다고 보고한 바가 있다. 이에 일반적으로 화학적 중복 시술 및 140~200℃에서의 열펌 시술은 극심한 모발 손상을 초래함을 감안하여, 실험 설정 온도 중 가장 낮은 120℃에서 처리된 시료 샘플을 선택하여 측정하였다.
Fig. 6는 건강모, 손상모A, 손상모B 모발표면에 대한 대조군(Control) 이미지를 나타낸 것으로 손상된 모발일수록 큐티클의 표면 경계가 흐려지는 것을 확인할 수 있다. 특히 건강모와 비교할 때, 손상모A 및 손상모B의 경우 모표피가 대부분 탈락하여, 모발 표면의 손상도가 높음을 확인할 수 있다.
Fig. 7은 손상모 A의 열펌처리를 1-3회 진행한 후의 미세구조 이미지를 나타낸다. 이 때, 손상모 A에 세라믹과 폴리머 아이론 열처리를 한 경우, 각각 AC, AP로, Fig. 7의 손상모 B에 세라믹과 폴리머 아이론 열처리를 한 경우 BC, BP로 명기하였다.
다른 샘플들과 달리 세라믹 아이론으로 처리된 손상모 AC 샘플에서는 모발의 스크래치 현상과 큐티클이 녹아 들어가는 현상이 점차 두드러지게 관찰되었으며, 특히 3번 열처리 처리한 AC-3 샘플에서는 아이론 판이 모발 표면에 흡착되어 모발 표면 조직이 밀리는 현상이 관찰되었다. 이는 모표피의 탈락으로 인해 모피질층이 노출되면서 아이론판과 모발표면의 마찰 계수가 증가하여 발생한 현상으로 판단된다. 이는 Hyun & Hwang(2021), Hyun(2023)의 선행 연구와 마찬가지로 본 실험 결과와도 일부 일치한다고 할 수 있다. 반면 AP샘플의 경우, 열처리 횟수가 진행되더라도 AC 샘플과 달리 상대적으로 모표피층의 보존이 지속되는 것으로 나타났다.
마지막으로 Fig. 8은 손상모 B에 열펌처리를 1-3회 진행한 후의 미세구조 이미지를 나타낸다.
손상모 B에서도 손상모 A에서의 경우와 마찬가지로 모발 스크래치 현상과 큐티클의 녹아 들어가는 현상이 두드러지게 나타났다. 선행 연구에 따르면 세라믹판의 고열에 그대로 수분이 달라 붙게되어 고열의 수증기로 변하는 증기 폭발 현상이 발생되어 머리카락의 최외층인 큐티클(cuticle)층의 깨짐 현상이 있게 되는 화상을 입게 됨과 아울러 머리카락의 모양 변형이 발생되어 시간이 지날수록 모발이 부서지게 되는 등의 모발 건강의 악화 원인이 된다(Kwon & Lee, 2016). 본 연구에서도 모발의 변형 및 손상 형태가 같았으며, 특히 세라믹 코팅 발열판의 단점으로 지적되는 발열판과 모발의 흡착으로 인해 생기는 모발 표면의 밀림 및 반흔 현상이 보였다. 반면 BP샘플에서는 큐티클이 보존되는 경향이 높은 것으로 나타났다. 비록 하단의 BP-2 모발에서와 같이 P샘플에서도 큐티클 손실이 관찰되었으나, 이는 탈색과정에서 발생한 손상으로 보이며, BC샘플에 비해서는 상대적으로 큐티클의 밀림, 흡착, 스크래치 현상이 관찰되지 않았다. 이는 폴리머 소재의 아이론이 세라믹 아이론보다 모발 손상도를 낮추고 있음을 시사한다.
IV. 결 론
본 연구에서는 아이론 발열판 소재에 따른 모발의 물리적 및 화학적 특성에 미치는 영향을 관찰하였다. 모발 손상 정도를 비교하기 위해서 각각 모발수분증발량 분석(TGA) 분석, 색차계 분석, 주사전자현미경(SEM)의 다양한 분석 방법을 사용하였다.
헤어아이론 발열판 소재에 따른 모발 실험의 결과는 다음과 같다.
첫째, 수분 측정 결과, 세라믹 아이론 처리 모발에 비해 폴리머 아이론 처리 모발의 수분 증발량이 높았다. 이는 폴리머 아이론 처리 모발이 상대적으로 높은 수분 유지력을 나타냄을 알 수 있었다.
둘째, *L와 *b 값으로 색의 퇴색 정도를 통해 모발 손상도를 평가한 결과에서는 폴리머 아이론 처리 모발은 명도 변화가 거의 나타나지 않아, 낮은 모발 손상도를 나타낸 반면, 세라믹 아이론은 모발의 색을 퇴색시키고 모발을 손상시키는 경향이 나타났다. 이러한 결과는 염색모발에 폴리머 아이론으로 스타일링할 경우 세라믹 아이론에 비해 염색모발의 퇴색 현상 없이 스타일을 연출할 수 있음을 의미한다.
셋째, SEM 분석 결과에서는 전반적으로 세라믹 아이론 처리 모발 표면에서 스크래치 현상과 큐티클이 녹아드는 현상들이 관찰되었다. 반면 폴리머 아이론 처리 모발은 세라믹 아이론 처리 모발과 달리 모발의 형태와 큐티클 보존력이 높아 모발이 상대적으로 덜 손상될 수 있음을 의미한다.
결론적으로, 세 가지 분석 모두의 종합 결과, 폴리머 아이론이 기존의 세라믹 아이론에 비해 모발 손상도가 낮은 것으로 판단할 수 있다. 즉, 모발 손상의 관점에서는 폴리머 아이론이 세라믹 아이론 보다 더 권고될 수 있을 것이다. 특히 손상모 시술에 있어서는 세라믹 아이론 처리가 심각한 모발 손상을 일으킬 수 있다는 점에서는 폴리머 아이론이 적극 고려될 수 있을 것이다. 반면, 건강모 또는 악성 곱슬머리의 경우에는 직접적인 열전도를 통한 빠른 시술이 필요한 상황에서는 세라믹 아이론이 유리할 수 있으므로, 시간 효율성을 중요시하는 미용 현장에서의 시술 만족도를 높이기 위한 방법 및 다양한 조건에서의 추가 실험이 필요할 것으로 사료된다.
이에 본 논문이 향후 헤어 아이론 소재에 따른 모발의 변화 및 특성 연구에 기초가 되기를 기대하며, 추후 아이론 소재에 따른 모발의 굵기와 단면 변화를 후속 연구를 통해 탐구하고자 한다.
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