염색 과정에서 모발 내부 구조가 변화하는 원리

염색은 단순히 머리카락 표면에 색을 입히는 과정이 아닙니다. 영구 염색에서 알칼리제와 과산화수소가 큐티클과 피질에 작용하고, 염료 전구체가 모발 내부에서 색을 형성하는 과정과 구조 변화를 알아봅니다.

머리를 염색하면 가장 눈에 띄는 변화는 색입니다.

검은 머리카락이 갈색이나 밝은 색으로 변하고, 흰머리에 새로운 색이 들어갑니다.

그래서 염색을 단순히 ‘머리카락 표면에 색소를 입히는 과정’이라고 생각하기 쉽습니다.

하지만 영구 염색(permanent oxidative hair dye)은 모발 표면에서만 일어나는 과정이 아닙니다.

염료 성분이 모발 안쪽으로 이동하려면 먼저 모발의 가장 바깥층인 큐티클 환경이 달라져야 하고, 이후 작은 염료 전구체가 피질(cortex)까지 확산되어 산화 반응을 거쳐 더 큰 색소 분자를 형성합니다.

이 과정에서 자연 색소인 멜라닌뿐 아니라 모발의 단백질과 지질, 세포막복합체(Cell Membrane Complex, CMC)도 산화 환경의 영향을 받을 수 있습니다.

따라서 염색을 이해하려면 색이 바뀌는 과정과 모발 구조가 변화하는 과정을 함께 봐야 합니다.

모발은 큐티클·피질·수질로 이루어져 있습니다

두피 밖으로 나온 모발은 크게 세 구조로 나눌 수 있습니다.

가장 바깥에는 큐티클(cuticle)이 있습니다.

큐티클은 얇고 납작한 세포들이 비늘처럼 겹쳐져 있는 층으로, 모발 내부를 보호하는 첫 번째 장벽입니다.

그 안쪽에는 피질(cortex)이 있습니다.

피질은 모발 부피의 대부분을 차지하며 케라틴 섬유와 멜라닌 과립이 존재하는 영역입니다.

모발의 강도와 탄력, 굵기, 자연적인 색과 관련된 핵심 구조도 대부분 피질에 있습니다.

일부 굵은 모발에서는 가장 중심부에 수질(medulla)이 보이기도 합니다.

영구 염색에서 가장 중요한 변화는 큐티클과 피질에서 일어납니다.

왜냐하면 새로운 색을 오래 유지하려면 염료 성분이 모발 표면에만 머무는 것이 아니라 피질 영역까지 들어가야 하기 때문입니다.

모든 염색제가 같은 깊이까지 들어가는 것은 아닙니다

염색이라고 모두 같은 방식으로 작용하는 것은 아닙니다.

일시적 염모제(temporary dye)는 비교적 큰 색소 분자가 모발 표면에 주로 머무르며, 샴푸를 하면 비교적 쉽게 제거될 수 있습니다.

반영구 염모제(semi-permanent dye)는 더 작은 분자를 이용해 큐티클 일부와 모발 내부로 어느 정도 침투할 수 있지만, 반복적인 세정에 따라 색이 점차 빠질 수 있습니다.

반면 영구 염모제는 다른 방식으로 색을 만듭니다.

영구 염모제에 들어 있는 것은 처음부터 완성된 큰 색소 분자만이 아닙니다.

상대적으로 작은 염료 전구체(dye precursor)와 커플러(coupler), 산화제 등을 이용하고, 이들이 모발 내부에서 산화 반응을 거치며 더 큰 색소 분자를 형성합니다.

이 때문에 작은 전구체가 먼저 모발 안쪽까지 이동할 수 있다는 점이 중요합니다.

영구 염색에서는 먼저 알칼리성 환경이 만들어집니다

영구 염색제는 일반적으로 알칼리성 환경에서 작용합니다.

전통적인 산화 염색에서는 암모니아(ammonia)가 대표적인 알칼리제로 사용되어 왔으며, 제품에 따라 monoethanolamine(MEA)과 같은 다른 알칼리제가 사용되기도 합니다.

알칼리제가 들어가면 염색 혼합물의 pH가 올라갑니다.

이 환경에서 모발 섬유는 팽윤할 수 있고 큐티클 구조도 보다 투과성이 높은 상태로 변할 수 있습니다.

쉽게 말하면 큐티클을 완전히 ‘문처럼 열어젖힌다’기보다는,

모발이 팽윤하면서 작은 염료 전구체와 산화제가 내부로 이동하기 쉬운 환경이 만들어진다

고 이해하는 편이 정확합니다.

2025년 ACS Omega에 발표된 종합 리뷰에서도 영구 산화 염색 과정에서 알칼리제가 모발 팽윤과 큐티클의 투과성 증가를 도와 염료 전구체와 산화제가 모발 내부로 들어가는 데 관여한다고 설명합니다.

염료 전구체는 작은 상태로 피질까지 이동합니다

영구 염색에서 중요한 특징은 염료가 처음부터 큰 색소 분자의 형태로 피질 안으로 들어가는 것이 아니라는 점입니다.

먼저 크기가 작은 염료 전구체가 모발 섬유 안쪽으로 확산됩니다.

이 과정에서는 큐티클뿐 아니라 세포 사이를 연결하는 세포막복합체(CMC)가 중요한 이동 경로로 작용할 수 있습니다.

CMC는 큐티클 세포와 피질 세포 사이를 연결하는 지질·단백질성 구조입니다.

모발 내부에서 물질이 이동할 때 하나의 통로 역할을 할 수 있기 때문에 염료 성분의 침투와도 관련됩니다.

염료 전구체가 피질 영역까지 이동하면 그곳에서 산화 반응을 거쳐 색을 나타내는 더 큰 분자로 변합니다.

이렇게 생성된 색소 분자는 원래 전구체보다 크기 때문에 모발 밖으로 다시 확산되어 나가기 어려워집니다.

영구 염색의 색이 샴푸 몇 번만으로 완전히 빠지지 않는 이유가 여기에 있습니다.

과산화수소는 자연 멜라닌과 염료 전구체에 모두 작용합니다

영구 염색에는 산화제로 과산화수소(hydrogen peroxide)가 흔히 사용됩니다.

과산화수소는 크게 두 가지 역할을 합니다.

첫째, 모발의 자연 색을 만드는 멜라닌을 산화합니다.

피질 속에는 eumelanin과 pheomelanin 같은 멜라닌 색소가 존재하며 이들의 양과 종류가 자연적인 머리카락 색을 결정합니다.

과산화수소는 이 멜라닌을 산화시켜 원래의 색을 옅게 만드는 데 관여합니다.

둘째, 염료 전구체의 산화 반응을 시작합니다.

염료 전구체와 커플러가 산화 반응을 거치면 서로 결합하면서 더 큰 색소 분자를 형성합니다.

즉 영구 염색에서는

자연 멜라닌을 일부 밝게 만드는 과정 + 새로운 색소 분자를 만드는 과정

이 동시에 진행될 수 있습니다.

그래서 영구 염색은 단순히 기존 색 위에 새 색을 덮는 방식과 다릅니다.

색을 만드는 산화 반응은 모발 단백질에도 영향을 줄 수 있습니다

과산화수소는 원하는 염료 반응만 선택적으로 진행하는 물질은 아닙니다.

산화 환경이 만들어지면 모발을 구성하는 다른 분자도 영향을 받을 수 있습니다.

모발의 주성분은 케라틴(keratin) 단백질입니다.

케라틴 구조는 여러 종류의 화학적 결합과 상호작용으로 안정화되어 있으며, 그중에는 황을 포함하는 시스틴 잔기에서 형성되는 이황화결합(disulfide bond)도 포함됩니다.

강한 산화 조건에서는 이러한 단백질 구조가 변할 수 있습니다.

2023년 Frontiers in Medicine에 발표된 리뷰에서는 산화 염색 과정에서 과산화수소가 모발 표면 손상을 증가시키고 기계적 강도를 낮출 수 있으며, 반복적인 화학적 손상이 케라틴 구조와 이황화결합에 영향을 줄 수 있다고 설명했습니다.

다만 여기서 중요한 것은 모든 염색이 같은 정도의 단백질 손상을 만든다는 의미가 아니라는 점입니다.

제품의 조성, 산화제 농도, 염색 시간, 반복 횟수, 기존 모발 손상 상태에 따라 결과는 달라질 수 있습니다.

큐티클에는 왜 변화가 생길까요?

염료가 피질까지 도달하려면 가장 먼저 큐티클을 지나야 합니다.

알칼리성 환경에서 모발이 팽윤하고 산화제가 작용하면 큐티클의 표면 구조와 그 사이를 연결하는 성분에 변화가 생길 수 있습니다.

반복적인 산화 염색에서는 큐티클 가장자리가 들뜨거나 표면이 거칠어지는 형태의 변화가 관찰되기도 합니다.

큐티클이 매끄럽게 배열되어 있을 때는 모발 표면의 마찰이 상대적으로 낮습니다.

그러나 큐티클 가장자리가 들뜨거나 일부가 소실되면 표면 요철이 증가하고 모발끼리 서로 걸리기 쉬워질 수 있습니다.

그 결과 염색 후 머리카락이 이전보다 뻣뻣하거나 거칠게 느껴지는 현상을 구조적으로 설명할 수 있습니다.

다만 사용 직후의 촉감은 염색제에 함께 포함된 컨디셔닝 성분의 영향도 받기 때문에 큐티클 상태와 손으로 느끼는 감각이 항상 일치하는 것은 아닙니다.

모발 표면의 18-MEA도 산화 염색과 관련이 있습니다

정상적인 모발 표면에는 18-methyleicosanoic acid(18-MEA)라는 지방산이 존재합니다.

18-MEA는 큐티클 가장 바깥쪽 표면에 결합해 모발을 비교적 소수성(hydrophobic)인 상태로 유지하는 데 관여합니다.

즉 물과 쉽게 젖는 표면이라기보다 물을 어느 정도 밀어내는 특성을 만드는 데 도움을 줍니다.

산화 염색이나 탈색처럼 강한 화학적 처리가 반복되면 이 표면 지질이 감소하거나 제거될 수 있습니다.

18-MEA가 줄어들면 모발 표면은 이전보다 친수성 쪽으로 변할 수 있고, 마찰과 수분 거동도 달라질 수 있습니다.

2018년 멜라닌과 모발 손상을 다룬 리뷰에서는 산화 염색에 의한 18-MEA 제거가 단백질과 지질의 유출, 큐티클 감소 및 모발 내부의 구조적 변화와 연결될 수 있다고 설명했습니다.

세포막복합체도 중요한 손상 지점입니다

CMC는 큐티클 세포와 피질 세포 사이를 연결하면서 모발 내부 물질 이동에도 관여하는 구조입니다.

염색에서는 염료가 내부로 이동하는 경로가 되어야 하지만, 동시에 산화제와 알칼리 환경에 노출되는 구조이기도 합니다.

연구에서는 산화 과정이 CMC의 지질 성분과 구조에 영향을 줄 수 있다는 점이 제시되어 왔습니다.

CMC가 손상되면 단순히 표면만 거칠어지는 것이 아니라 모발 내부에서 물과 화학 물질이 이동하는 방식도 달라질 수 있습니다.

결국 염색이 반복될수록 모발은

큐티클
→ CMC
→ 피질

이라는 여러 수준에서 변화가 누적될 가능성이 있습니다.

산화 염료 반응은 피질에서만 일어나는 것도 아닙니다

영구 염색의 기본 설명에서는 흔히 작은 염료 전구체가 피질로 들어간 뒤 그곳에서 색소 분자를 만든다고 설명합니다.

이 설명은 전체적인 원리를 이해하는 데 적절합니다.

하지만 실제 모발은 더 복잡합니다.

2008년 일본 연구에서는 산화 염색된 사람 모발의 얇은 단면을 관찰한 결과 피질뿐 아니라 큐티클 층에서도 염색 반응이 확인됐습니다.

특히 큐티클의 CMC 가운데 특정 영역에서 산화 염료 반응이 나타나는 양상이 관찰됐습니다.

따라서 영구 염색을 ‘색소가 큐티클을 아무 반응 없이 통과해 피질에서만 반응한다’고 단순화하는 것은 정확하지 않습니다.

산화 반응은 모발 내부로 이동하는 과정에서도 여러 구조와 상호작용할 수 있습니다.

멜라닌을 더 많이 제거하는 과정은 구조 부담도 커질 수 있습니다

원래 머리색보다 훨씬 밝은 색으로 염색하려면 기존 멜라닌을 더 많이 산화해야 합니다.

이때는 단순한 색소 침착보다 탈색(bleaching)의 비중이 커질 수 있습니다.

강한 산화 조건에서는 원하는 멜라닌뿐 아니라 모발의 단백질과 지질도 함께 영향을 받을 가능성이 높아집니다.

그래서 어두운 모발을 매우 밝은 색으로 바꾸는 과정은 원래 색과 비슷하거나 더 어두운 색으로 염색하는 과정과 동일하게 볼 수 없습니다.

다만 실제 손상 정도는 사용한 제품의 과산화수소 농도, 알칼리제 종류, 처리 시간, 모발 굵기와 이전 화학 처리 이력 등에 따라 크게 달라질 수 있습니다.

따라서 “밝게 염색하면 몇 배 더 손상된다”처럼 하나의 숫자로 일반화하기는 어렵습니다.

한 번 염색한 모발은 새 모발처럼 다시 회복되는 구조가 아닙니다

피부는 살아 있는 세포가 새로운 세포를 만들면서 손상된 장벽을 일정 부분 회복할 수 있습니다.

하지만 두피 밖으로 나온 모발 섬유는 살아 있는 조직이 아닙니다.

한번 큐티클 일부가 소실되거나 케라틴 구조가 화학적으로 변하면 모발 자체가 새로운 큐티클을 만들어 원래 상태로 복구하지는 못합니다.

컨디셔너나 트리트먼트는 손상된 표면의 마찰을 줄이거나 빈 공간을 일시적으로 메워 사용감을 개선할 수 있습니다.

그러나 이것을 생물학적으로 원래 모발 구조가 완전히 재생된 것과 같은 의미로 볼 수는 없습니다.

따라서 반복적인 염색에서 중요한 것은 한 번의 처리보다 ‘누적’입니다.

특히 모발 끝부분은 두피 가까이에 있는 새 모발보다 더 오랫동안 염색, 세정, 드라이어, 자외선과 마찰을 반복해서 경험해 왔습니다.

같은 머리카락에서도 뿌리와 끝의 손상 정도가 다를 수 있는 이유입니다.

염색 후 머릿결이 달라지는 것은 한 가지 구조 때문이 아닙니다

염색 이후 모발이 건조하거나 거칠고 엉키기 쉽게 느껴진다면 원인을 큐티클 하나로만 설명하기 어렵습니다.

산화 염색 과정에서는 여러 변화가 동시에 일어날 수 있습니다.

• 큐티클 팽윤과 표면 구조 변화
• 18-MEA를 포함한 표면 지질 변화
• CMC의 지질·단백질 구조 변화
• 피질의 멜라닌 산화
• 케라틴 단백질의 산화적 변화
• 염료 전구체의 침투와 색소 분자 형성

이러한 요소가 복합적으로 작용하면서 모발의 마찰, 수분 흡수, 탄력, 강도와 촉감이 달라질 수 있습니다.

따라서 염색 손상을 단순히 ‘큐티클이 열렸다’는 한 문장만으로 설명하면 실제 구조 변화의 일부만 보는 셈입니다.

영구 염색의 흐름을 순서대로 보면 이해하기 쉽습니다

영구 산화 염색의 기본 과정을 간단히 연결하면 다음과 같습니다.

알칼리제가 모발의 pH를 높임
↓
모발이 팽윤하고 큐티클의 투과성이 증가함
↓
작은 염료 전구체와 과산화수소가 내부로 이동함
↓
자연 멜라닌이 산화되어 일부 밝아짐
↓
염료 전구체와 커플러가 산화 반응을 함
↓
더 큰 색소 분자가 형성됨
↓
형성된 색소가 피질 내부에 비교적 오래 남음

이 과정과 동시에 산화제와 알칼리 환경은 큐티클, CMC, 지질과 케라틴에도 영향을 줄 수 있습니다.

그래서 염색은 ‘색을 넣는 과정’인 동시에 모발 섬유의 화학적 환경을 바꾸는 과정입니다.

염색 종류와 조건을 확인해야 연구 결과도 정확하게 읽을 수 있습니다

‘염색이 모발을 손상시킨다’는 연구 결과를 볼 때도 먼저 어떤 염색인지 확인해야 합니다.

일시적 염색인지,
반영구 염색인지,
영구 산화 염색인지,
탈색을 함께 했는지에 따라 모발이 경험하는 화학적 조건이 다릅니다.

또한 과산화수소의 농도, 알칼리제의 종류, 처리 시간과 횟수도 중요합니다.

같은 ‘염색모’라는 이름 아래에서도 한 번 어두운 색으로 염색한 모발과 여러 번 탈색한 모발은 구조적으로 같은 상태라고 보기 어렵습니다.

그래서 모발 연구를 읽을 때는 염색 여부만 보지 말고 실제 처리 조건을 함께 확인해야 합니다.

색이 오래 남는 이유와 손상이 생길 수 있는 이유는 같은 과정 안에 있습니다

영구 염색이 오래 유지되는 이유는 작은 염료 전구체가 모발 내부까지 들어간 뒤 더 큰 색소 분자로 변하기 때문입니다.

하지만 바로 그 과정이 가능하려면 모발 표면의 장벽을 통과해야 하고, 산화제와 알칼리제가 함께 작용해야 합니다.

따라서 영구적인 색을 얻는 과정과 모발 구조가 영향을 받는 과정은 완전히 따로 떨어져 있지 않습니다.

큐티클을 지나 피질까지 들어가는 과정,
멜라닌을 산화하는 과정,
새로운 색소를 형성하는 과정,
그리고 주변 단백질과 지질이 산화 환경에 노출되는 과정이 서로 연결되어 있습니다.

염색 후 모발의 변화를 이해할 때 중요한 것은 “염색제가 나쁘다”라는 단순한 결론이 아닙니다.

어떤 염색 방식이 어떤 화학 반응을 이용하고, 그 반응이 모발의 어느 구조에서 일어나는가

를 이해하는 것입니다.

이 구조를 알면 왜 일시적 염색과 영구 염색의 지속력이 다르고, 왜 반복적인 산화 염색과 탈색에서 모발의 촉감과 강도가 달라질 수 있는지도 자연스럽게 연결됩니다.

결국 영구 염색은 모발 위에 색을 칠하는 작업이 아니라,

큐티클을 통과해 피질 안에서 새로운 색을 만드는 화학적 과정

이라고 이해하는 것이 가장 정확합니다.

참고한 신뢰 출처

1. Mechanisms of impairment in hair and scalp induced by hair dyeing and perming and potential interventions. Frontiers in Medicine. 2023.
   일시적·반영구·영구 염색의 침투 깊이 차이, 영구 염료 전구체의 피질 침투와 산화, 과산화수소에 의한 모발 표면 및 내부 구조 변화를 정리한 리뷰입니다.
   https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10232955/
2. Comprehensive Review of Hair Dyes: Physicochemical Aspects, Classification, Toxicity, Detection, and Treatment Methods. ACS Omega.
   영구 산화 염색에서 알칼리제, 과산화수소, 염료 전구체와 커플러가 작용하는 화학적 원리와 모발 팽윤, 큐티클 투과, 피질 내 색소 형성 과정을 종합적으로 정리한 리뷰입니다.
   https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsomega.5c01576
3. Imai T, et al. The Reaction of Oxidative Hair Dyes in Cuticle Layers. Journal of the Society of Cosmetic Chemists of Japan. 2008.
   산화 염색된 사람 모발의 단면을 관찰해 피질뿐 아니라 큐티클 층에서도 염료 반응이 일어나며, 큐티클 CMC의 특정 영역이 산화 반응과 관련될 수 있음을 분석한 연구입니다.
   https://www.jstage.jst.go.jp/article/sccj1979/42/4/42_4_305/_article
4. Recent Advancements in Natural Plant Colorants Used for Hair Dye Applications: A Review. Molecules. 2022.
   염료 물질이 CMC를 통해 피질로 이동하는 경로와 과산화수소가 케라틴의 이황화결합, CMC, 큐티클과 피질 구조에 영향을 줄 수 있는 과정을 정리한 리뷰입니다.
   https://www.mdpi.com/1420-3049/27/22/8062
5. A clinical evaluation of a permanent hair dye designed to reduce allergic contact dermatitis and hair damage. Clinical Case Reports. 2022.
   영구 염색에서 과산화수소와 알칼리제가 사용되고, 높은 pH가 염료의 큐티클 및 피질 침투를 돕는 동시에 모발 섬유 손상과 연결될 수 있음을 설명한 임상 연구입니다.
   https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9796119/
6. The Late Stages of Melanogenesis: Exploring the Chemical Facets and the Application Opportunities. International Journal of Molecular Sciences. 2018.
   사람 모발의 18-MEA가 표면의 소수성 특성에 관여하며 산화 염색에 의해 제거될 경우 단백질·지질 유출과 큐티클 및 피질의 구조 변화로 이어질 수 있음을 정리한 리뷰입니다.
   https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6032422/