[일반화학개론] 생활속의 화학반응 : 파마의 원리 3부

파마약의 정체

보통 많이 쓰이는 파마약의 성분은 티오글리콜산 5.7%, 암모니아 2.0%, 물 92.3%이다. 산화제나 환원제의 산도를 조절하고 냄새나 색깔을 내기 위해서 또는 바르기 쉽게 하기 위해서 여러 가지 첨가제가 사용된다. 따라서 파마는 머리카락에서 화학반응을 일으키는 것이며, 자주 하게 되면 파마약으로 쓰이는 강한 염기성 물질로 인해 머리카락이 부스러지거나 상하게 된다.  그러나 이황화물 다리 결합을 끊은 다음 다시 재결합 시킬 때 머리카락에 새로운 단백질 구조를 첨가시켜 줄 수도 있다.  이것은 손상된 머리카락에 새로운 단백질 구조를 첨가하여 연결시켜 줌으로써 원래의 머릿결로 복원해 주는 역할을 하는 것이다.

파마 약은 머리카락 섬유에 수소를 붙게 하는 환원제이다. 파마 약은 흔히 약한 염기성으로 만든 티오글리콜산이라는 화합물의 수용액이다. 반면 중화제는 산화제인 묽은 과산화수소수( )다. 파마 약이 머리카락 시스틴의 황-황 결합에 수소를 붙여 시스틴을 환원 시키면 산화제인 중화제가 시스틴에서 수소를 떼어가서 다시 황-황 결합을 생성시킨다. 파마의 원리는 산화-환원 반응의 일종이다.

오늘 날의 파마 기술이 도래하기 전부터 여인들은 머리 모양에 변화를 주기 위해 무진 노력해왔다. 하지만 기다란 직모를 여러 모양으로 땋아 올리거나, 뜨거운 인두로 1차적인 웨이브를 주는 것이 고작이다. 현대 파마의 기본이라 할 수 있는 콜드 파마는 1936년 영국의 화학자 J.B. 스크피맨의 업적이다. 스크피맨은 양모의 분자 구조를 연구하다가 그 때까지 가열에 의한 핫 파마 대신 상온에서 약물액을 사용하여 두발의 케라틴 구조 단백질 사슬을 끊는 방법을 생각해 냈다. 케라틴은 모발이나 손톱, 피부 등을 구성하고 있는 단백질로 흔히 각질이라고 부른다. 

이 단백질은 글루탐산, 알기닌, 시스틴 등의 아미노산이 주요 구성물질이다. 특히 시스틴이 다른 종류의 단백질에 비해 많이 들어 있는 것이 특징이다. 시스틴에는 황이 들어 있는데 이것 때문에 시스틴과 시스틴의 결합이 쉬워진다(시스틴 결합이라고 한다) 그 결과 그물 구조를 이루게 되며 이러한 구조적 특성 때문에 모발은 탄력성을 갖게 된다. 탄력성 때문에 모발에 물리 적인 변형을 주어도 곧 원래 상태로 돌아간다. 

시스틴 결합은 알카리 용액에서 쉽게 깨어지는 성질이 있다. 따라서 모발을 감은 다음 원하는 모양을 만들어 알칼리(콜드 파마 제1액: 티오글리콜암몬이 주성분임) 용액으로 처리하면 시스틴 결합이 끊어지면서 원래 상태로 돌아가려는 탄력성이 없어진다. 이러한 상태에서 산(콜드 파마 제2액: 브롬산나트륨)으로 중화시키면 시스틴 결합이 모발이 다시 복원되어 구부러진 상태로 고정되고 탄력성도 복원된다. 

오늘날 다양한 색상과 여러 형태의 머리 모양 등 머리의 다양한 패션은 콜드 파마 기법 덕분이다. 인공적으로 머리카락에 웨이브를 주는 일은 아주 오래 전, 클레오파트라 시대부터 시작됐다. 머리카락에 알칼리성 진흙을 발라서 막대기에 감아 붙이고 말렸다가 씻어내는 방법을 사용했다. 그러나 화학 약품이 발달돼 머리카락에 인위적으로 웨이브를 만들어주는 파마약이 등장했다.

파마의 기본 원리는 산화 환원 반응에서 비롯된다. 파마약은 머리카락 섬유에 수소를 붙게 하는 환원제이며 흔히 약한 염기성으로 만든 ‘티오글리콜산’이라는 화합물의 수용액이다. 반면 중화제는 묽은 과산화수소수(H2O2)라는 산화제이다.

근래에 주목 받고 있는 소위 “마법의 파마약”이란 한국화학연구원 연구자들이 개발한 나노 파마약으로 파마의 기본 원리를 그대로 따르고 있다. 다만 산화, 환원 반응이 빨리 일어나도록 촉매를 이용했다는 점이 다를 뿐이다. 또한 파마약과 중화제를 구분하지 않고 하나의 약물로 작업 할 수 있도록 합성물질을 만든 것이다. 환원 반응이 일어날 때는 귀금속 촉매제를, 산화반응이 일어날 때는 금속 산화물 촉매제에 의해 화학 반응 시간을 획기적으로 줄였다. 보통 파마는 파마 약을 바르고 1시간가량 환원 반응을 일으키게 하고 중화제를 바르고 10～20분 정도 산화 반응을 기다려야 하는데 두 과정을 각각 10여분으로 줄인 것이다. 결국 전체 파마 시간이 20～30분으로 짧아진 셈이다. 또 약의 기본 성분을 식물에서 추출해 코를 찌르는 듯한 독성과 냄새도 전혀 없게 만들었다.

연구진의 또 다른 성과는 머리카락을 조정시키는 약(조형제)을 따로 만든 것이다. 조형제는 파마의 기본 원리와는 관련이 없지만 파마 과정의 아주 중요한 부분을 대체한다. 조형제를 머리카락에 바르고 손가락으로 둘둘 말아두면 약물에 이해 그 모양 그대로 빳빳하게 굳는다. 마치 물에 갠 석고롤 감으면 깁스가 되는 것과 같은 원리다. 그러므로 롯드로 머리카락을 말고 고무줄을 감는 작업을 할 필요가 없다.

 

모발결합에 근간이 되는 결합의 특징들

1. 시스틴(S-S) 결합

시스틴은 모발에 있어서 가장 많은 아미노산(16～18%)중 하나이다. PPT(Poly Peptide)와 PPT간 교량역할을 하며 측쇄결합중 제일 강한 결합이다. 기계적으로는 상당히 견고한 결합이지만 화학적으로 반응을 받으면 쉽게 절단되고 또다시 결합 시킬 수도 있다. 더 나아가 유황(S)을 함유한 단백질 특유의 것으로 다른 천연섬유에서는 찾아 볼 수 없다. 즉, 펌액 1제 속에 들어있는 치오(CH)성분에 의하여 쉽게 끊어진다 생각하면 쉽다. 그리고, 우리는 펌액 1제 속에도 이와 똑같은 유황(S)성분이 들어있음을 알 수 있다. 똑같은 단백질이라 하더라도 모발이 피부와 달리 딱딱한 것은 바로 케라틴을 구성하는 아미노산중 가장 많은 시스틴에 함유된 황(S)과 황(S)이 견고하게 시스틴 결합을 이루고 있기 때문이다.

 

2. 염결합

PPT(Poly Peptide)의 주쇄가 접근하면 NH2(아미노기)의 N(질소)가 +이온, COOH(카르복실기)의 O(산소)가 -이온이 되어 서로 이온적으로 하는 결합이다. 이 결합은 등전점(pH4.5～5.5)일 때 그 결합력이 최대가 되며 케라틴은 가장 안정되고 튼튼한 상태가 되므로 산이나 알카리에 의해 그 결합력은 약해진다. 즉, 펌액이 알칼리성으로 되어 있는 것은 이 결합을 끊는데 목적이 있다.

 

3. 수소결합

인접한 주쇄간 카르복실기(COOH)의 산소(O)와 수소(H)가 서로 잡아당기는 힘에 의한 결합이다.이 결합은 물에 의해 쉽게 절단되지만 건조되면 재결합 한다. 흔히 열펌을 Rod(틀)없는 펌이라하는데 원하는 Wave를 계산하여 일시적인 Curl를 만드는 것은 바로 이 수소결합의 원리를 이용한 것이다.

즉, 우리가 사용하는 펌액의 대부분은 물이므로 물에 의해 쉽게 절단된다. 그러니까 펌액속에는 위의 각종결합을 끊을 수 있는 모든 성분(물, 치오, 염류, 계면활성제등)이 들어있는 셈이다. 연화과정을 거쳐 각종결합을 최대 20%까지 끊고 펌하기 가장 좋은상태인 환원에 이르는 것이다.

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