[에어랩의 과학] 우리는 어떻게 고데기를 통해 머리를 스타일링할 수 있는 것일까요? 그리고 최근 주목받는 에어랩에는 어떤 과학적 원리가 숨어있을까요? 머리카락을 지탱하는 화학 결합을 변형시키는 헤어 스타일링에는 어떤 과학과 기술이 적용되어 있는지 살펴보겠습니다.
평소 궁금하거나 관심 있던 일상 속 현상을 공부하고, 자신의 진로희망에 맞춰 과학탐구/과학실험 주제를 만들어 심화학습, 생기부 세특, 수행평가, 동아리, 진로활동, IB 물리·화학·생물 IA나 EE 등에 활용해 보세요 :)
목차
1. 머리카락을 지탱하는 화학 결합
머리카락의 주요 성분은 케라틴(keratin)이라는 단백질입니다. 케라틴은 우리 몸의 피부나 손톱에도 들어있는 단백질로, 특히 머리카락에서 매우 중요한 역할을 합니다.
※ 동물의 'hair'인 털 역시 케라틴 단백질로 이루어져 있습니다. 케라틴 단백질과 양털(울, wool)의 구조를 더 자세히 알고 싶다면 여기를 참고하세요!
우리의 머리카락을 이루고 있는 케라틴 단백질은 긴 사슬 모양으로, 이 사슬들이 서로 얽혀 머리카락에 탄력과 유연성을 줍니다.
- 아미노산이 탈수축합 반응하여 폴리펩타이드 사슬을 이룸
- 폴리펩타이드 사슬 내 원자들이 수소 결합하여 알파 나선 구조를 형성함
- 두 알파 나선이 가지고 있는 시스테인(아미노산 중 하나) 속 황(S)이 이황화 결합하여 감긴 코일 구조를 형성함
위의 사진은 폴리펩타이드 사슬이 나선 모양을 보이는 알파 나선 구조의 케라틴을 나타낸 것입니다. 머리카락에서는 주로 알파 나선 구조의 케라틴이 발견되기 때문에 탄력과 유연성을 가집니다.
케라틴에는 △ α-나선(α-helix, 알파 나선) 구조 외에도 △ β-시트(β-sheet, 베타 병풍) 구조가 있으며, 환경과 조건에 따라 두 구조 사이의 전환이 가능합니다. 그렇지만 머리카락이 열에 장시간 노출되면 케라틴의 구조가 알파 나선에서 베타 병풍 구조로 변한 채 되돌아오지 않을 수 있습니다. 이 경우 머리카락은 탄력을 잃고 부서지거나 갈라지게 됩니다.
이처럼 케라틴 단백질 사슬들은 여러 가지 화학 결합으로 연결되어 있습니다. 이 결합들이 바로 우리 머리카락의 모양과 특성을 결정짓는 열쇠입니다. 헤어 스타일링과 깊은 관련이 있는 두 개의 화학 결합을 좀 더 자세히 알아봅시다:
▲ 수소 결합 (Hydrogen Bond)
수소 결합은 물질을 구성하는 원자들 사이의 전기적 인력에 의한 약한 결합입니다. 전기 음성도가 높아 분자 내에서 상대적으로 (-)를 띄는 산소, 질소 등의 원소와 (+)를 띄는 수소 원자 사이에서 자주 발생합니다. 수소 결합은 상대적으로 약한 결합이기 때문에 100 ~ 200 °C 부근의 열에서 쉽게 끊어졌다가 다시 만들어질 수 있습니다.
수소 결합은 다양한 경우에서 찾아볼 수 있는데 아래 그림의 좌측처럼 물 분자끼리, 또는 우측처럼 아미노산이 체인 형태로 연결되어 만들어진 폴리펩타이드에서 산소(또는 질소, 탄소 등)가 수소와의 전기적 인력에 의해 수소 결합을 형성합니다.
머리카락에서는 케라틴 단백질을 구성하는 폴리펩타이드 사슬이 수소 결합을 통해 알파 나선 구조를 형성하고 있습니다. 그렇기 때문에 온도를 적절히 조절하면 수소 결합이 끊어졌다가 다시 만들어지는 과정을 거쳐 헤어 스타일 변화가 가능합니다.
▲ 이황화 결합 (Disulfide Bond)
케라틴 단백질 내의 시스테인이라는 아미노산 사이에 형성되는 강한 결합인 이황화 결합은 머리카락의 강한 뼈대 역할을 합니다.
※ 알파 케라틴의 이황화 결합에 대해서는 여기에서 좀 더 자세히 확인하실 수 있습니다!
이황화 결합은 수소 결합보다 훨씬 강해서, 일반적인 열이나 물로는 쉽게 끊어지지 않습니다. 그래서 일반적인 고데기나 에어랩으로는 이황화 결합을 끊어낼 수는 없지만, 사용 적정 온도를 넘어 230°C 이상의 고온에 노출된 머리카락은 이황화 결합이 끊어지게 되고 모발 손상이 유발됩니다. 또한 펌이나 염색 같은 화학적 처리를 하면 이황화 결합이 끊어지고 재배열되면서 머리 모양이 영구적으로 변합니다.
이 외에도 이온결합을 포함하여 다양한 결합들이 서로 조화롭게 작용하면서 머리카락을 지탱하는데, 지금부터는 이런 복잡한 구조를 가진 머리카락이 어떻게 스타일링되는지 자세히 살펴보겠습니다.
2. 고데기: 높은 열과 수소 결합
고데기는 고온의 열판을 사용해 직접적으로 머리카락에 열을 가하여 머리카락을 일시적으로 변형시키는 도구입니다.
▲ 고데기 스타일링 과정
고데기는 보통 150°C에서 230°C 사이의 높은 온도로 가열됩니다. 수소 결합은 열에 매우 민감하기 때문에 고데기의 열로 인해 머리카락 내 수소 결합들이 일시적으로 끊어지고, 새로운 위치에서 다시 형성되는 원리를 이용합니다.
- [머리카락에 열을 가함] 고데기 열판에서 전달되는 고온의 열에 의해 기존의 수소 결합이 약화됨
- [원하는 모양대로 식히기] 고데기로 원하는 모양을 만들어 그대로 식히면 공기 중 수분이 머리카락 내에 새로운 수소 결합이 형성됨
- [스타일링 완성] 새로 형성된 수소 결합이 안정화되며 스타일링이 완성됨
흔히들 고데기는 열판에 오래 대고 있는 것보다 '잘 식히는 것'이 중요하다고 하는 이유가 여기에 있습니다.
결국 머리카락이 원하는 모양으로 스타일링되는 것은 새로운 수소 결합이 어떻게 형성되는가로 결정되기 때문에, 열을 받았던 머리카락을 충분한 시간을 주고 식히며 공기 중의 수분이 들어오도록, 또 원하는 모양대로 수소 결합을 형성하도록 해야 합니다.
3. 에어랩(Airwrap): 코안다 효과와 수소 결합
1993년 영국의 발명가이자 산업 디자이너인 제임스 다이슨이 설립한 다이슨(Dyson)은 2018년 10월, 기존과 다른 방식의 헤어 스타일링 기기 에어랩(Airwrap)을 출시했습니다.
에어랩은 공기의 흐름을 과학적으로 제어하여 스타일링하는데요, 어떻게 가능한 것인지 자세히 알아봅시다.
▲ 코안다 효과: 머리카락이 배럴을 따라 감기는 원리
에어랩을 사용할 때에는 아래 움짤처럼 머리카락이 원기둥 모양의 배럴을 따라 스르륵 감깁니다.
이는 배럴 사이 틈으로 나온 바람이 배럴 곡면을 따라 밀착하여 흐르기 때문인데요, '코안다 효과'를 이용해서 설명해보겠습니다.
이를 위해 ▲ 유체(액체나 기체)의 흐름을 설명하는 베르누이 원리는 무엇인지 먼저 살펴본 후, 이어서 ▲ 코안다 효과까지 살펴보겠습니다.
베르누이 원리(Bernoulli's Principle)
- 이상기체가 흐를 때 에너지가 보존된다는 것을 설명하는 원리
- 동일한 높이(h)에 있는 유체의 경우, 유체의 속력(v)이 증가하면 압력(P)이 감소하고 속력(v)이 감소하면 압력(P)이 증가함
- 베르누이 원리가 이상기체의 흐름을 설명한다면, 보편적인 유체의 흐름을 설명하기 위해서는 나비에-스토크스 방정식(Navier–Stokes Equations)을 사용해야 함 (이는 복잡한 개념이기 때문에 따로 다루겠습니다!)
코안다 효과(Coanda Effect)
- 공기나 물과 같은 유체가 곡면을 따라 흐르려는 경향을 나타내는 현상
- 베르누이 원리에 의해 빠른 속도의 공기 흐름은 그 위치에서 낮은 압력을 가지기 때문에, 이로 인해 생성되는 압력 차이가 공기 흐름이 곡면 표면을 따라 붙게끔 함
- 코안다 효과는 항공 분야에서 항공기 날개의 양력을 증가시키거나, 공기 저항을 줄여 효율을 높이는 데에도 유용하게 활용됨
에어랩에서는 강력한 모터가 고속으로 회전하는 공기를 만들고, 이렇게 만든 빠른 속도의 공기 흐름이 코안다 효과에 의해 배럴 곡면을 따라 흐릅니다. 그래서 머리카락이 자연스럽게 배럴을 감싸게 되는 것입니다.
- 강력한 모터에 의해 만들어지는 빠른 속도의 공기가 흐름
- 베르누이 원리에 따라 유체의 속도가 크면 그 위치에서 유체에 의한 압력은 낮아짐
※ 에어랩의 모터가 만들어내는 압력은 대기압(약 101.3 kPa)보다 상대적으로 매우 낮음(3.2 kPa) - 압력 차이에 의해 공기 흐름이 곡면 표면에 붙으며 주변의 물체도 끌려가는 현상이 나타남
- 머리카락이 에어랩에서 나오는 공기 흐름에 따라 배럴에 감김
▲ 에어랩 스타일링 과정
앞에서 살펴본 것처럼 코안다 효과에 의해 머리카락이 배럴에 감기고 나면, 머리 스타일링은 어떻게 고정되는 걸까요?
고데기에서와 비슷하게 수소 결합이 약해지고 새로운 위치에서 다시 생성되는 원리를 이용하는데, 구체적인 과정에서는 차이가 있습니다.
- [머리카락이 배럴에 감김] 코안다 효과에 의해 머리카락이 배럴에 자연스럽게 감김
- [에어랩에 의해 고르게 열을 가함] 열에 의해 기존의 머리카락 속 수소 결합이 약해짐
- [원하는 모양대로 식히기] 차가운 공기를 쏘아 배럴에 감긴 채 고정된 모양대로 새로운 수소 결합이 형성됨
- [스타일링 완성] 새로 형성된 수소 결합이 안정화되며 스타일링이 완성됨
지금까지의 내용을 정리하자면, 고데기와 에어랩을 통한 머리 스타일링을 다음과 같이 비교할 수 있습니다:
| 고데기 | 에어랩 | |
| 사용 온도 | 150 ~ 230 °C | 150°C 이하 |
| 스타일링 원리 | 고온의 열 | 코안다 효과와 (상대적으로 저온의) 열 |
| 스타일링 과정 | ① 고온의 열에 의한 수소 결합 약화 ② 원하는 머리 모양으로 고정한 채로 대기 ③ 공기 중 수분이 흡수되어 새로운 수소 결합 형성 |
① 코안다 효과에 의해 감기는 머리카락 ② 열에 의한 수소 결합 약화 ③ 냉풍을 쏘아 고정된 모양대로 새로운 수소 결합 안정화 |
| 모발 손상 위험 |
높음 | 상대적으로 낮음 |
| 머리카락이 열에 장시간 노출되면, 머리카락의 케라틴 단백질이 알파 나선에서 베타 병풍 구조로 변성되며 탄력을 잃음 | ||
4. FAQ: 머리 스타일링 관련 자주 묻는 질문들
앞서 살펴본 내용을 바탕으로 머리 스타일링과 관련된 더 많은 궁금증을 해결해봅시다.
Q. 시간이 지나면 헤어 스타일링이 풀리는 이유는 무엇인가요?
공기 중에는 수분 입자가 포함되어 있는데, 머리카락 모양을 결정하는 수소 결합이 공기 중 수분 입자와 상호작용하며 약화되었다가 가 재생성되는 과정을 반복하기 때문입니다.
Q. 습하고 비 오는 날에는 왜 고데기가 잘 풀리나요? 땀 나면 머리 스타일링이 풀리는 이유는 무엇인가요?
머리카락을 지탱하고 모양을 결정하는 수소 결합은 공기 중 수분 입자와 상호작용하며 그 결합이 약해질 수 있습니다. 비가 오거나 습도가 높아지면 케라틴 단백질 사슬 사이의 수소 결합에 공기 중 수분 분자가 끼어들어 기존의 결합을 약화시키고 의도하지 않은 새로운 수소 결합이 생성되기 더욱 쉬워지기 때문입니다.
Q. 파마를 하면 왜 머리카락이 약해지나요?
파마 과정에서 사용되는 화학 약품이 모발의 단백질 구조를 변형시키기 때문입니다. 고데기나 에어랩이 수소 결합을 위주로 끊어낸다면, 파마는 높은 열과 화학 약품으로 이황화 결합까지 끊어내기 때문에 모발의 강도가 더욱 약해집니다. 이 과정에서 큐티클 층도 손상될 수 있어 모발이 건조해지고 푸석거리는 현상이 나타날 수 있습니다.
Q. 비 오는 날 파마하면 안 되는 이유는 무엇인가요?
파마는 약품을 써서 이황화 결합을 끊어낸 후 원하는 컬 모양으로 만들어 그 모양대로 새로운 결합이 형성되게끔 하는 원리입니다. 머리카락을 완전히 말리면 새로운 수소 결합이 생성되면서 컬이 완전히 자리 잡게 됩니다. 하지만 비 오는 날 파마를 하면 머리카락이 공기 중 습도의 영향으로 수소 결합이 계속 약해졌다가 재생성되는 것을 반복하며 컬이 유지되지 않을 수 있습니다.
Q. 파마로 인한 모발 손상을 완전히 복구할 수 있나요?
완전한 복구는 어렵습니다. 고데기나 에어랩은 머리카락 내 수소결합을 약화시켰다가 새로 형성하는 한편, 파마는 머리카락 내 이황화 결합까지 끊어내기 때문입니다. 이황화 결합이 끊어진 모발을 원상태로 복원하고 새로운 결합을 형성하는 것은 어렵습니다.
머리카락 한 올에도 섬세한 과학이 담겨 있습니다. 수소결합이 끊어지고 다시 이어지는 원리를 활용해 원하는 스타일을 만드는 과정은 그 자체로 작은 과학 실험과도 같다고 볼 수 있죠. 고데기의 뜨거운 열이나 에어랩의 코안다 효과처럼, 도구마다 적용되는 원리를 이해하면 더 건강하고 효과적으로 스타일링할 수 있습니다.
다음번에 헤어 스타일링을 할 때는 거울 앞에서 작은 과학 실험을 즐겨보는 건 어떨까요? 머리카락 속 보이지 않는 결합까지 생각해보는 순간, 스타일링이 한층 더 흥미로워질 것입니다.
Q. 에어랩에서 나오는 바람을 따라 머리카락이 감기는 이유는?
A. 에어랩은 유체가 표면을 따라 흐르는 성질인 코안다 효과(Coanda Effect)에 의해 머리카락을 자연스럽게 감아 올립니다. 에어랩에 있는 강력한 모터가 강한 바람을 분사하면, 머리카락이 공기의 흐름을 따라가며 에어랩 표면에 달라붙듯 감기게 됩니다. 이렇게 머리카락이 바람의 흐름에 밀착되면서 균일한 열이 전달되고, 수분이 증발하며 새로운 수소결합이 형성돼 스타일링이 고정됩니다.
Q. 습한 날 헤어 스타일링이 잘 풀리는 이유는?
A. 머리카락을 이루고 있는 케라틴 단백질 속 수소결합이 머리카락의 모양을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 고데기나 에어랩을 통해서 스타일링할 때에도 기존의 수소결합이 약화되고 새로운 결합이 형성되며 머리카락 모양이 고정됩니다.
습한 날씨에는 공기 중에 수분이 많아 머리카락의 수소결합이 쉽게 영향을 받습니다. 그 결과 머리카락은 원래의 형태로 돌아가거나 부스스해지기 쉽습니다.
| 연관 전공 | 재료공학과, 기계공학과, 항공우주공학과, 나노공학과, 생명공학과, 응용화학과 |
| 관련 교과 |
「통합과학1」 2. 물질과 규칙성 「통합과학2」 3. 과학과 미래 사회 「과학탐구실험2」 1. 생활 속의 과학 탐구 「물리학」 1, 힘과 에너지 「화학」 2. 물질의 구조와 성질 「물질과 에너지」 2. 용액의 성질 「생명과학」1. 생명 시스템의 구성 |
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