(SPF/PA 자외선 차단 화장품) – 자외선 차단 화장품 속의 물리학과 과학

여름이 다가오면 다시 올리브 영을 들리거나 인터넷을 방문하여 자외선 차단제를 구입을 하게 된다. 최근에는 파운데이션이나 BB크림 등 화장품에도 자외선 차단 기능성 원료를 첨가하여 화장품에도 자외선 차단 효능을 추가하였음을 홍보하곤 한다.

 

 

하지만 수많은 사람들이 자외선 차단제품에 대해서 잘 모르고 구입을 하는 경향이 있는 것 같아 이 시리즈를 통하여 자외선 차단제에 대해 알아야 할 모든 정보에 대해서 소개하고자 한다. 우선은 자외선 차단 제품의 모든 것을 이해하기 위해서는 재미없는 물리학과 조금의 생물을 이해해야만 한다.

 

 

빛의 이중성 (Wave-Particle Duality)과 빛의 정의

먼저 자외선에 대해서 이해하기 위해서는 ‘빛’이 무엇이고, ‘빛’이 가진 특이한 성질인 빛의 이중성에 대해서 알아보아야 한다. ‘빛’ 흔히 우리가 아는 Light는 정말 좁은 의미에서는 ‘가시광선’ 즉, 눈에 보이는 전자기파를 의미하며, 넓은 의미에서는 방사선이나 전자파 등 모든 전자기파를 의미한다.

‘가시광선’이라고 하면 어렵게 들릴 수 있지만, 그냥 햇빛이나 전구의 불빛 등 정말 눈에 보이는 이 에너지가 바로 가시 광선이다.

 

 

‘빛의 이중성’이란 빛이 파동 즉, 에너지로서의 성질과 빛이 입자 즉, 물질로서의 성질을 모두 가졌다는 것을 의미한다. 당연히 빛은 열처럼 형태가 없는 에너지(파동)이라고 생각 할 수 있다.

 

 

하지만 우리가 열기(에너지)를 손으로 막는다고 해서 우리 손 뒤에 열(에너지)이 전달되는 것을 막을 수 없지만 빛을 손으로 막으면 손 뒤에 빛이 전해지지 않는다는 점을 생각하면 빛이 어떤 물질 입자(광자)라고 생각 할 수 있다.

과학자들은 아직 명확하게 빛이 파동인지 입자인지 구분을 하지 못하였지만 빛이 분명 파동과 입자로서의 성질을 모두 가지기에 ‘빛의 이중성’이라는 특성을 이름 지어주었다.

 

 

아인슈타인의 유명한 질량-에너지 등가 공식 E=mc²에서 E는 에너지를 의미하며 m은 어떤 질량을 가진 물체 c는 빛의 속도를 의미하는데, 이 공식은 정말 모든 부분을 빼고 해석하면 에너지가 물질로 전환되고 물질이 에너지로 전환이 되는데 ‘빛의 속도’라는 매개체로 ‘빛’을 가져왔다.

실은 모든 물질이나 입자라는 것이 엄청나게 빠른 파동으로 ‘형체’가 있는 것처럼 착각이 든다는 해석이 여기에서 비롯되었다.

 

 

빛의 입자로서의 성질 – 광전효과

‘빛을 금속과 같은 물질에 쬐면 전자가 튀어나가는 효과’를 광전효과라고 한다. 이 광전 효과는 ‘광자’라는 개념으로 빛에 대해 접근을 하며, 마치 우리가 볼링 공을 굴려서 볼링 핀에 닿으면 볼링 핀이 튕겨 나가는 현상이라고 생각을 하면 된다. 빛

이 마냥 에너지라고만 한다면 이렇게 어떤 입자가 물리적인 접촉에 의해 튕겨 나가는 현상을 설명할 수 없었을 것이다.

 

 

빛의 에너지(파동)으로서의 성질 – 이중 슬릿 실험

토마스 영이라는 과학자는 슬릿을 이중으로 겹치지 않게 설정을 하여, 빛이 마냥 입자만은 아니라는 점을 증명하였다.

정말 간단하게 설명하면 에너지와 파동(wave)은 절대 한 방향으로 또는 직진으로 전달을 할 수 없고, 계속해서 주변으로 퍼져 나가는 ‘회절성’(Diffraction)을 가졌으며, 이러한 파동들은 서로를 간섭(interference)을 한다. 이는 그냥 우리가 돌 2개를 물에 던지면서 생기는 물결로 알 수 있다. 

 

 

스피커가 향하는 방향으로만 음악이 들리지 않고, 사방에 음악이 퍼지고, 서로 다른 스피커를 한번에 틀면 서로 증폭하거나 간섭되어 소름 끼치는 소리가 들리는 등이 모두 이러한 빛이 ‘에너지’로서의 성질을 가졌기 때문이다.

이중 슬릿 실험은 만약 빛이 입자이기만 하였다면 빛이 직진만 하였을 텐데, 빛이 에너지로서의 성질도 가졌기 때문에 회절을 하고, 이 회절을 한 에너지가 서로 간섭을 함을 증명하여 빛의 에너지로서의 성질을 증명한 실험이다.

 

이중 슬릿 실험 결과  / 맨 오른쪽의 빛의 회저과 간섭으로 인한 효과를 볼 수 있다. 

 

왜 선크림만 바르면 되는 걸 빛의 이중성 따위를 알아야 하냐?

보통 여름에 자외선 주의보가 많이 발효가 되어서 여름에 겨울보다 자외선이 많아진다고 생각을 한다. 이는 반은 맞고 반은 틀린 말이다.

지역에 따라 다르지만 햇빛의 스펙트럼 비율은 자외선(UV)가 약 6%, 가시광선이 약 49% 그리고 적외선이 약 45%를 이룬다. 이 햇빛의 스펙트럼 비율은 겨울 여름 상관없이 일정하다.

 

 

즉, 햇빛 내의 자외선 비율은 1년 내내 일정하므로 특별히 여름이라고 해서 ‘자외선’만 늘어나지 않는다는 의미이다. 다시 말하면 ‘입자’로서 햇빛을 살펴보면 여름에는 빛의 입자 ‘광자’가 겨울보다 여름보다는 많아지기 때문에 여름에 자외선양이 많아지는 것이지 특별히 여름이라고 자외선만 많아지는 것이 아니라는 의미이다.

 

 

이는 ‘빛의 복사량’이 계절마다 다르다고 표현한다. ‘가시광선’, ‘자외선’, ‘적외선’의 구분 자체는 ‘에너지’ 즉 ‘파동’으로서 빛의 성질을 구분한 것인데, 이런 측면에서는 1년 내내 햇빛의 스펙트럼 구성은 여름이나 겨울이나 비슷하다.

정말 우악스럽게 비교하면 아래와 같이 이해하면 된다.

햇빛을 던질 수 있는 물건으로 비교하면 적외선은 콩알로 약 45개가 있고, 가시광선은 돌멩이로 약 50개가 있으며, 자외선은 식칼로 5개가 있는데, 겨울에는 이러한 구성 비율이더라도 여름에는 이 모든 게 2배(비유적으로 2배란 의미이다.)로 늘어 콩알 90개, 식칼 10개, 돌멩이 100개가 있다는 것을 의미한다.

 

 

 

자외선이란 무엇인가?

‘유해한 자외선’ 주의하세요. ‘오늘은 자외선이 극심하니 외출에 주의하세요’와 같은 일기예보나 광고 문구들을 지겹도록 보았을 것이다.

일상 속에서 자외선에 대해서 언제나 접하고 있지만 정작 자외선이 무엇이냐고 물으면 자외선이 정확하게 무엇인지 정의를 할 수 있는 이들은 드물 것이다.

 

 

빛의 파장은 곧 빛의 에너지와 성질을 결정한다. 빛의 파장이 짧을수록 빛은 높은 에너지를 가지며(에너지가 많아서 많이 진동을 한다고 보면 된다.) 파장이 길수록 빛은 낮은 에너지를 가진다.

빛의 파장마다 성질이 달라지는데, 가시광선 즉, 눈에 보이는 빛의 경우, 각 빛의 파장마다 빛의 색이 다르다.

 

색	파장	주기(Hz)
보라색(자색)	380-450 nm	668-789 THz
파랑색(청색)	450-495 nm	606-668 THz
초록색(녹색)	495-570 nm	526-606 THz
노란색(황색	570-590 nm	508-526 THz
주황섹(오렌지색)	590-620 nm	484-508 THz
붉은색(적색)	620-750 nm	400-484 THz

 

 

무지개가 빨-주-노-초-파-남-보로 보이는 이유 또한 빛이 파장마다 퍼져서 이렇게 나뉘어서 보이는 것이다.

빨강색(적색)은 가장 파장이 기길 에너지가 낮은 색으로 빨강색(적색)보다도 파장이 긴 빛(에너지)은 인간의 눈으로 관찰이 안 되고 이를 적색(빨강색)의 범위 밖에 있다고 하여 적외선이라고 부른다.

보라색(자색)은 가장 파장이 짧고 에너지가 높은 색으로 자색(보라색)보다 파장이 짧은 빛(에너지)은 인간의 눈으로 관찰이 안 되고 이를 자색(보라색)의 범위 밖에 있다고 하여 자외선이라고 부른다.

간단히 말하면 강하고 눈에 보이지 않는 빛이 자외선이다. 가시광선이 700nm ~ 400nm의 파장 범위 사이라고 하면 자외선은 400nm부터 100nm 범위 파장의 빛이다.

 

 

자외선의 구분

자외선은 또 UVA, UVB, UVC 즉, 자외선 A, 자외선 B와 자외선 C 등 3가지로 구분을 한다. 자외선은 인간의 비타민 D 생산 촉진, 세포 대사 촉진이나 아직 과학적으로 증명이 안된 기분 활성 등 이로운 작용도 하기 때문에 마냥 해롭지는 않지만, ‘복사량’ 즉, ‘광량’(빛 입자)가 많아지는 여름에는 오후 12~3시 시간대의 주의나 자외선 차단 제품을 사용하여 피부의 보호가 필요하다.

 

 

 

어느 에너지나 빛이든 파장이 짧을수록 에너지도 많아지는데, 파장이 짧아질수록 빛의 ‘입자’로서 ‘직진성’ 또한 더욱 강해진다.

쉽게 이해를 하면 파장이 길고 에너지가 적으면 유연하게 지나치지만 파장이 짧고 에너지가 많으면 직접적으로 직진을 하는 성향이 있다고 이해하면 된다.

 

 

자외선은 파장이 400nm ~ 320nm 길이인 UVA(자외선 A), 320~280nm인 UVB(자외선 B)와 280nm~100nm인 UVC(자외선 C)로 분류가 된다.  

 

자외선 종류	파장	피부 침투 범위
UVA	400nm~320nm	진피(Dermis)
UVB	320nm~280nm	표피(Epidermis)
UVC	280nm ~ 100nm	지구 자체에 도달을 못함(오존층에 의해서 막히나 오존층이 얇아짐에 따른 UVC의 지표면 도달은 심각한 문제이다.)

 

빛이나 에너지는 ‘파장이 짧고’ ‘에너지가 많을수록’ 직진성이 강해지기 때문에 ‘물체’와 충돌 시 많이 튕겨 나가면 이해가 쉽다. UVC는 파장이 짧고 에너지가 많아서 아예 지구의 대기권에 진입을 못하고 오존층에 튕겨버려서 오존층이 얇아 노출되는 지역을 제외하면 일상에 큰 문제가 되지 않는다.

 

 

UVB와 UVA는 지구의 표면까지 도달하며, UVB 또한 UVA보다는 직진성이 강하고 에너지가 강하기 때문에 주로 표피층에 영향을 주고, UVA는 진피층까지도 침투를 하여 피부에 영향을 주로 준다.

우악스럽게 표현하면 UVC는 날이 선 검이고, UVB는 야구 배트(빠따)이고, UVA는 회초리 정도로 생각 하면 된다. 

 

 

자외선의 생물학적 영향

자외선 자체는 ‘완전한 발암물질’로 불린다. 한국에서는 암 유발 물질을 epidermal cancer(상피세포에 주로 발생하는 암 / 흔히 덜 위험하다고 하는 암이 이러한 종류다.) mesenchymal cancer(중간엽 세포에 주로 발생하는 암 / 흔히 더 위험한 암 종류)를 구분하지 않아 너무 큰 공포감을 심어 주긴 하지만 자외선은 epidermal cancer을 일으키는 발암 물질 (Carcinogen)이며, 완전한 발암물질 Complete Carcinogen’이라고 부른다.

 

 

완전한 carcinogen이 되는 조건은 1. 유전자 돌연변이를 일으킬 수 있으며 2. ‘특정 불가할 정도로’ 다양한 발암 기전과 세포 손상을 일으킬 수 있으며 (nonspecific-damaging agent) 3. 자체가 암을 유발하는 발암 기전이 되거나 발암 기전을 촉진할 수 있는 물질로 자외선은 이를 모두 만족한다.(사실 일바적 완전한 carcinogen은 3번 조건만 만족 하면 된다.)

 

 

앞서 ‘발암성’에 대한 긴장감을 낮추었는데, 자외선은 멜라닌을 만드는 ‘멜라닌 세포’의 악성 종양화를 일으키는 흑색종(melanoma)을 일으킬 수 있는데, 흑색종(melanoma)는 치사율이 매우 높은 암이다.

이는 멜라닌 세포가 neutral crest cell(신경능선세포)에서 분화한 세포라서 기본적으로 다양한 세포로 분화가 가능한 세포에서 기원을 하여 metastasis(전이)를 하기 좋은 세포이기 때문이다.

 

SPF – UVB

우리가 흔히 보는 SPF 지수는 UVB(자외선 B)를 얼마나 차단 잘하는지에 대한 지수이다. SPF는 Sun Protection Factor의 약자로 직역하면 자외선 보호 수치/자외선 차단 지수이다.

SPF지수는 자외선 차단제를 바르지 않았을 때보다 몇배 더 보호효과가 뛰어난 지 수치화한 숫자/지수이다.

 

 

SPF 50은 즉, 자외선 차단 제품을 바르지 않았을 때보다 자외선 차단제품을 도포하였을 때 보호 효과가 50배 뛰어나다는 의미이다.

많은 이들이 피부가 까매지는 것을 방지 하기 위해 SPF를 살펴보는데, 일부 효과는 있지만 사실 SPF 지수와 UVB 차단은 ‘피부가 타는 것’보다는 햇빛으로 인한 피부 손상, 화상이나 열상 등을 방지하는 효과에 더욱 집중을 하고, 실체 SPF 측정 또한 이러한 방향으로 측정이 된다.

 

 

PA – UVA

PA 또는 PFA는 UVA(자외선 A)를 얼마나 차단 잘 하는지에 대한 지수이다. PA는 +, ++, +++ 등 표시로 UVA를 얼마나 잘 차단하는지 표시를 하지만 사실 이 +, ++, +++ 또한 자외선 차단제를 발랐을 때 자외선 차단제를 바르지 않았을 때보다 몇배 더 보호효과가 있는지에 따라 결정이 된다.

 

 

PA는 Protection UVA의 약자 또는 PFA Protection Factor A로 말 그 자체가 UVA에 대한 보호지수를 의미한다. 측정 방법부터 모든 것이 ‘흑화량’ (엄밀히 말하면 최소 지속형 즉시 흑화량(Persistent Pigment Darkening))에 집중하기 때문에 사실 피부가 타는 것이 걱정 되면 PA를 잘 살펴 보아야 한다.(물론 SPF도 중요하다.)