습윤제는 어떻게 피부에 수분을 끌어당기는가: 글리세린과 다가알코올의 작동 원리

습윤제가 피부에 수분을 끌어당기는 원리를 글리세린과 다가알코올의 친수성 구조, 각질층의 수분 이동, 습도 조건과 사람 피부 연구를 통해 단계적으로 설명합니다.

보습제를 바르고 나면 피부가 이전보다 촉촉하고 유연하게 느껴질 때가 있습니다.

이런 변화를 만드는 성분 가운데 하나가 습윤제(humectant)입니다.

습윤제는 흔히 “공기 중의 수분을 끌어당기는 성분”이라고 설명됩니다. 이해하기 쉬운 표현이지만 실제 피부에서는 이 설명만으로 충분하지 않습니다.

습윤제가 잡아두는 물은 제품 자체에 포함된 물일 수도 있고, 피부 안쪽에서 각질층 방향으로 이동하는 물일 수도 있으며, 주변 습도가 충분히 높은 조건에서는 대기 중 수분도 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 습윤제의 작동 원리를 이해하려면 먼저 물이 피부 안에서 어떻게 이동하고, 습윤제의 분자 구조가 왜 물과 잘 상호작용하는지를 살펴봐야 합니다.

피부의 가장 바깥쪽에도 물이 필요합니다

피부 장벽의 가장 바깥에는 각질층(stratum corneum)이 있습니다.

각질층은 이미 성숙한 각질세포와 세포간 지질로 이루어져 있지만 완전히 건조한 껍질은 아닙니다. 적절한 양의 물이 존재해야 각질층의 유연성이 유지되고, 각질세포 사이의 결합과 탈락에 관여하는 효소도 정상적인 환경에서 기능할 수 있습니다.

각질층 수분이 지나치게 감소하면 피부 표면이 거칠어지고 각질이 눈에 띄기 쉬워질 수 있습니다.

그렇다고 피부가 수분을 계속 저장하기만 하는 것은 아닙니다.

피부 안쪽의 수분은 바깥쪽으로 이동하고, 일부는 피부 표면에서 증발합니다. 이 과정과 관련해 측정하는 대표적인 지표가 경피수분손실(TEWL)입니다.

즉, 피부 수분 상태는 단순히 “물이 있다, 없다”가 아니라

피부 안쪽에서 바깥쪽으로 이동하는 물 + 각질층이 붙잡고 있는 물 + 표면에서 증발하는 물

사이의 균형으로 이해해야 합니다.

습윤제는 물과 잘 상호작용하는 분자입니다

물을 끌어당긴다는 표현을 분자 수준으로 확대해보겠습니다.

물 분자에는 전하가 완전히 균등하게 분포되어 있지 않습니다. 산소 쪽은 상대적으로 음전하를, 수소 쪽은 상대적으로 양전하를 띠는 극성을 갖습니다.

글리세린(glycerin, glycerol) 같은 습윤제에는 여러 개의 hydroxyl group(-OH)이 존재합니다.

이 -OH기는 물 분자와 수소결합(hydrogen bond)을 형성할 수 있습니다.

쉽게 말하면 글리세린 분자 주변에 물 분자가 머무르기 쉬운 환경을 만드는 것입니다.

그래서 글리세린은 물과 잘 섞이고 물을 보유하는 성질, 즉 흡습성(hygroscopicity)을 나타냅니다.

이러한 성질 때문에 글리세린은 대표적인 습윤제로 다양한 보습제에 사용됩니다.

다가알코올이라는 이름은 무엇을 의미할까요

글리세린을 이해하면 ‘다가알코올(polyol)’이라는 표현도 쉬워집니다.

다가알코올은 한 분자 안에 hydroxyl group을 여러 개 가지고 있는 화합물을 의미합니다.

화장품에서 습윤 목적으로 사용되는 성분에는 글리세린을 비롯해 propylene glycol, butylene glycol, sorbitol처럼 물과 잘 섞일 수 있는 성분들이 있습니다.

모두 구조가 동일하지는 않지만 여러 친수성 부위를 통해 물과 상호작용할 수 있다는 공통점이 있습니다.

특히 글리세린은 세 개의 hydroxyl group을 가진 작은 분자입니다.

따라서 물과 강하게 상호작용할 수 있고 각질층 안으로도 어느 정도 이동할 수 있어 피부 수분 연구에서 오랫동안 대표적인 습윤제로 연구되어 왔습니다.

습윤제가 물을 ‘끌어당긴다’는 말에는 방향이 없습니다

여기에서 중요한 오해를 바로잡아야 합니다.

습윤제가 항상 공기에서 피부로 물을 끌어오는 것은 아닙니다.

실제 피부에서는 주변 상대습도, 보습제의 수분 함량, 각질층 상태와 피부 안쪽의 수분 구배에 따라 물이 이동하는 방향과 양이 달라질 수 있습니다.

특히 주변 공기가 건조할 때는 대기 중에 이용할 수 있는 수분 자체가 적습니다.

이런 조건에서는 습윤제가 피부의 더 깊은 층이나 제품 자체에 존재하는 물을 각질층에서 붙잡아두는 역할이 더 중요할 수 있습니다.

따라서

“글리세린이 공기 중 물을 빨아들여 피부를 촉촉하게 만든다”

보다는

“글리세린은 물과 강하게 상호작용해 각질층의 수분 보유 환경을 변화시킨다”

라고 설명하는 편이 더 정확합니다.

글리세린은 각질층 안으로 들어갈 수 있습니다

모든 보습 성분이 같은 깊이까지 이동하는 것은 아닙니다.

분자 크기가 비교적 작은 글리세린은 각질층 내부로 확산될 수 있습니다.

사람 피부를 대상으로 한 연구에서도 피부에 적용한 글리세린이 각질층에서 검출되는 것이 확인됐습니다.

이 점은 글리세린이 단순히 피부 위에 물막을 만드는 성분과 다르게 작용할 수 있다는 것을 의미합니다.

각질층 안으로 들어간 글리세린은 주변의 물과 상호작용해 각질층이 수분을 유지하는 데 기여할 수 있습니다.

오래된 사람 피부 연구에서도 글리세린을 적용한 뒤 피부 표면의 매끄러움과 수분 관련 변화가 일정 시간 지속됐으며, 연구진은 글리세린이 각질층으로 확산되어 하나의 저장고처럼 남을 가능성을 제시했습니다.

우리 피부 안에도 원래 글리세린이 존재합니다

흥미롭게도 글리세린은 화장품으로만 피부에 공급되는 물질이 아닙니다.

우리 피부에도 내인성 glycerol이 존재합니다.

사람을 대상으로 한 2005년 연구에서는 각질층의 glycerol 농도와 피부 수분 상태의 관계를 조사했습니다.

연구에서는 각질층의 endogenous glycerol이 각질층 수분과 관련되는 것으로 관찰됐습니다.

피부 안에서 glycerol 이동과 관련해 많이 연구되는 통로가 aquaporin 3(AQP3)입니다.

AQP3는 물뿐 아니라 glycerol 같은 작은 분자의 이동에도 관여할 수 있는 막단백질입니다.

다만 AQP3의 세부 기전을 설명하는 많은 근거에는 동물과 세포 연구도 포함되어 있으므로, 그 결과를 사람에게 그대로 같은 크기의 효과로 적용해서는 안 됩니다.

현재 중요한 점은 피부에서 glycerol이 단순한 외부 화장품 성분이 아니라 정상적인 수분 환경과도 연결된 물질이라는 것입니다.

글리세린을 바르면 실제 사람 피부의 수분량도 달라질까요

습윤제의 분자 구조만으로 피부 보습을 판단할 수는 없습니다.

실제 사람 피부에서 측정값이 어떻게 달라지는지도 확인해야 합니다.

2014년 건강한 사람을 대상으로 한 무작위 이중맹검 대조 연구에서는 단순한 수용성 제형을 팔 안쪽 피부에 적용하고 4시간 뒤 각질층 수분, TEWL과 피부 투과성을 측정했습니다.

이 연구에서 urea와 glycerol을 포함한 조건은 제형의 water activity가 낮아진 상황에서도 피부 수분 증가에 영향을 주는 것으로 나타났습니다.

여기서 water activity는 단순히 제품 안에 물이 얼마나 들어 있는지를 뜻하지 않습니다.

제품 속 물 가운데 실제로 이동이나 반응에 참여할 수 있는 정도를 나타내는 개념에 가깝습니다.

즉, 보습제는 물의 함량만 중요한 것이 아니라 물이 어떤 성분과 어떤 상태로 존재하는지도 중요합니다.

손상된 피부에서도 글리세린의 수분 보유 작용이 관찰됐습니다

사람 피부에 sodium lauryl sulphate(SLS)를 적용해 각질층 장벽을 일시적으로 손상시킨 뒤 glycerol을 적용한 연구도 있습니다.

SLS 처리 후에는 피부 수분량이 감소하고 TEWL이 증가했습니다.

이후 1~10% glycerol 수용액을 적용했을 때 피부 수분량의 회복이 관찰됐습니다.

연구진은 glycerol의 흡습성이 각질층의 water-holding capacity, 즉 물을 보유하는 능력을 높이는 데 관여한 것으로 해석했습니다.

하지만 매우 중요한 차이가 있었습니다.

피부 수분량은 증가했지만 TEWL은 여전히 높은 상태였습니다.

즉,

각질층 수분 증가 = 피부 장벽이 즉시 완전히 회복됨

은 아니었습니다.

이 결과는 보습 연구에서 수분량과 장벽 기능을 서로 다른 지표로 봐야 하는 좋은 예입니다.

습윤제와 밀폐제는 작동 방식이 다릅니다

습윤제의 역할을 더 정확히 이해하려면 밀폐제(occlusive)와 비교하면 쉽습니다.

글리세린 같은 습윤제는 물과 상호작용해 각질층의 수분 보유 환경을 바꾸는 쪽에 가깝습니다.

반면 petrolatum처럼 대표적인 밀폐 성분은 피부 표면에 소수성 막을 형성해 물의 증발을 줄이는 방식으로 작동합니다.

정리하면

습윤제 → 각질층에서 물을 끌어당기고 보유하는 데 도움

밀폐제 → 피부 표면에서 물이 빠져나가는 것을 줄이는 데 도움

입니다.

실제 보습제는 이 둘 가운데 하나만 사용하는 경우보다 습윤제, 유연제, 밀폐 성분을 함께 조합하는 경우가 많습니다.

각 성분이 서로 다른 단계에서 피부 수분 환경에 영향을 줄 수 있기 때문입니다.

건조한 환경에서는 습윤제만 생각하면 안 되는 이유

“습윤제가 물을 잡아두니까 건조한 곳에서도 습윤제만 바르면 된다”고 생각할 수도 있습니다.

하지만 피부의 수분은 계속 바깥쪽으로 이동하고 증발합니다.

주변 상대습도가 매우 낮다면 공기로부터 공급될 수 있는 수분도 적습니다.

이때 습윤제만으로 피부 표면의 증발까지 충분히 억제한다고 볼 수는 없습니다.

일부 전문 검토에서는 낮은 습도 환경에서 humectant가 주로 피부 내부 쪽의 수분과 상호작용하며, 증발을 줄이기 위해 occlusive 성분을 함께 사용하는 것이 유용할 수 있다고 설명합니다.

그렇다고 “습윤제를 단독으로 사용하면 오히려 피부를 무조건 건조하게 만든다”는 식으로 단정해서도 안 됩니다.

실제 결과는 성분의 종류와 농도, 제형, 피부 상태, 상대습도와 다른 보습 성분의 조합에 따라 달라질 수 있습니다.

글리세린 농도가 높을수록 항상 보습력이 좋아질까요

이 역시 단순하게 비례한다고 보기 어렵습니다.

글리세린은 농도가 증가하면 물과 상호작용하는 능력이 커질 수 있지만, 완성된 화장품의 성능은 글리세린 함량 하나만으로 결정되지 않습니다.

제품 안에는 물, 오일, 계면활성제, 고분자, 밀폐 성분과 여러 보조 성분이 함께 존재합니다.

같은 농도의 글리세린을 사용하더라도 제형의 water activity와 증발 속도, 피부에 남는 정도가 다르면 실제 피부 측정 결과도 달라질 수 있습니다.

또 고농도 성분은 사용감이나 자극 가능성에도 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 성분표에서 “글리세린이 몇 %인가”만 보고 보습 성능 전체를 결정하기보다는 완성된 제형에서 어떻게 작동하는지를 봐야 합니다.

글리세린은 단순히 물을 잡는 것 이상의 작용도 연구되고 있습니다

글리세린은 대표적인 습윤제이지만 연구에서는 각질층의 물리적 상태에도 영향을 줄 가능성이 관찰돼 왔습니다.

각질층의 지질은 주변 수분 상태에 따라 배열과 물성이 달라질 수 있습니다.

일부 연구와 검토에서는 glycerol이 낮은 습도에서 각질층 지질의 결정화 변화를 줄이고, 각질층의 유연한 환경을 유지하는 데 관여할 가능성을 제시합니다.

또 각질 탈락과 관련된 효소가 작동하려면 일정한 수분 환경이 필요하므로 glycerol로 인한 수분 증가가 건조하고 일어난 각질의 외관과 연결될 수도 있습니다.

하지만 이러한 현상을 모두 “글리세린이 장벽을 재생한다”는 하나의 표현으로 묶어서는 안 됩니다.

수분량 증가, 지질의 물리적 상태, 각질 탈락과 장벽 회복은 서로 연결될 수 있지만 서로 다른 생리적 과정입니다.

촉촉해졌다는 느낌과 TEWL 감소도 같은 의미가 아닙니다

보습제를 사용한 뒤 피부 수분 측정값이 높아졌다고 가정해보겠습니다.

이것이 곧바로 TEWL이 같은 비율로 감소했다는 뜻은 아닙니다.

앞서 SLS로 손상시킨 사람 피부 연구에서도 glycerol을 적용한 뒤 각질층 수분 상태는 빠르게 개선됐지만 TEWL은 여전히 높은 상태였습니다.

반대로 petrolatum 같은 밀폐 성분은 피부 표면에서 증발을 억제하는 작용이 강하기 때문에 TEWL에 더 직접적인 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 보습제를 평가할 때는

각질층 수분량

TEWL

피부 표면 거칠기

사용자의 건조감

을 서로 같은 지표로 취급하면 안 됩니다.

어떤 제품이 피부를 촉촉하게 느끼게 한다는 것과 피부 장벽의 모든 기능이 동시에 같은 정도로 변했다는 것은 서로 다른 주장입니다.

결국 습윤제는 피부에 어떻게 수분을 끌어당길까요

처음 질문으로 돌아가 보겠습니다.

글리세린과 여러 다가알코올에는 물과 상호작용할 수 있는 친수성 부위가 있습니다.

특히 글리세린의 hydroxyl group은 물 분자와 수소결합을 형성할 수 있어 주변에 물을 보유하기 좋은 환경을 만듭니다.

작은 glycerol 분자는 각질층 내부로 이동할 수 있고, 그곳에서 물의 보유와 각질층 수분 상태에 영향을 줄 수 있습니다.

전체 과정은 다음과 같이 연결할 수 있습니다.

보습제의 습윤제 적용
→ glycerol과 다가알코올의 친수성 부위가 물과 상호작용
→ 일부 작은 습윤제가 각질층으로 이동
→ 각질층의 water-holding capacity 변화
→ 각질세포 주변의 수분 증가
→ 피부가 보다 유연하고 촉촉하게 느껴질 수 있음

하지만 여기에 환경 조건을 반드시 더해야 합니다.

주변 습도가 높을 때와 매우 건조할 때 물의 공급원이 같지 않을 수 있으며, 피부 표면에서 증발하는 물을 줄이는 것은 밀폐 성분의 역할과도 연결됩니다.

따라서 습윤제를 가장 정확하게 설명하면

“공기에서 물을 끌어오는 성분”

보다

“물과 강하게 상호작용하여 각질층이 수분을 보유하는 환경을 변화시키는 성분”

이라고 할 수 있습니다.

이 원리를 이해하면 보습제를 볼 때도 단순히 ‘글리세린이 들어 있다’에서 끝나지 않습니다.

습윤제는 물을 보유하고, 밀폐제는 증발을 줄이며, 유연제는 각질층 표면과 세포간 공간의 촉감을 보완합니다.

이 세 작동 방식을 연결해서 이해해야 실제 보습제가 피부 수분을 유지하는 과정을 더 정확하게 볼 수 있습니다.

참고한 신뢰 출처

Effects of water activity and low molecular weight humectants on skin permeability and hydration dynamics – a double-blind, randomized and controlled study — Contact Dermatitis, 2014
건강한 사람의 팔 피부에 수용성 제형을 적용해 glycerol과 urea, 제형의 water activity가 각질층 수분과 TEWL, 피부 투과성에 미치는 영향을 평가한 무작위 이중맹검 대조 연구입니다.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24786192/

Effects of glycerol on human skin damaged by acute sodium lauryl sulphate treatment — Archives of Dermatological Research, 2010
SLS로 일시적으로 손상시킨 사람 피부에 1~10% glycerol을 적용해 피부 수분량과 TEWL을 측정한 연구입니다. 수분 보유력은 개선됐지만 TEWL이 즉시 정상화된 것은 아니어서 수분량과 장벽 기능을 구분해서 볼 필요가 있음을 보여줍니다.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/20043170/

Is endogenous glycerol a determinant of stratum corneum hydration in humans? — Journal of Investigative Dermatology, 2005
사람 각질층의 endogenous glycerol과 피부 수분 상태의 관계를 조사해 피부 내부의 glycerol도 각질층 수분 환경과 관련될 수 있음을 보여준 연구입니다.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/16098039/

Glycerol accelerates recovery of barrier function in vivo — Acta Dermato-Venereologica, 1999
Tape stripping과 반복적인 SLS 세척으로 장벽을 손상시킨 사람 피부에서 glycerol 적용 후 TEWL과 각질층 수분을 추적한 연구입니다.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10598752/

Combined effects of glycerol and petrolatum in an emollient cream: A randomized, double-blind, crossover study in healthy volunteers with dry skin — Journal of Cosmetic Dermatology, 2020
건조 피부를 가진 건강한 지원자에서 glycerol과 petrolatum이 포함된 제형의 피부 수분 및 장벽 관련 변화를 비교한 무작위 이중맹검 교차 연구입니다.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31532576/

Natural products in cosmetics — Cosmetics, 2022
glycerol의 흡습성, 각질층 지질 환경과 보습 특성 등을 포함해 화장품 원료의 피부 작용을 종합적으로 정리한 검토 자료입니다.
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9702281/