유기 자외선차단제: 흡수의 화학

분자가 빛을 삼키는 법

유기 자외선차단제는 탄소를 골격으로 하는 분자로, 대개 방향족 고리(벤젠 같은 안정한 고리 구조)에 공액 이중결합(전자가 여러 원자에 걸쳐 퍼져 있는 결합)이 이어진 구조를 갖는다. 이 구조가 자외선 광자를 흡수하면 분자는 잠시 들뜬 상태(에너지가 높아진 불안정한 상태)로 올라갔다가, 그 에너지를 더 긴 파장의 빛이나 미미한 열로 바꿔 내보내며 바닥 상태로 돌아온다.¹ 즉 유기 필터는 자외선을 '삼켜서' 덜 해로운 에너지로 흘려보내는 분자 장치다.

관건은 이 들뜬 상태를 얼마나 안전하고 빠르게 처리하느냐다. 들뜬 상태는 에너지가 높아 반응성이 크기 때문에, 잘 설계된 필터는 이 상태를 짧게 유지하고 안정적으로 에너지를 흘려보내야 한다.¹ 이 과정이 매끄럽지 못하면 분자 자신이 분해되거나 주변과 반응할 수 있는데, 이 '광안정성' 문제는 EP.8의 주제다.

UVB와 UVA를 나눠 맡다

유기 필터는 저마다 잘 흡수하는 파장대가 다르다. UVB 필터들은 짧은 파장 자외선(290~320nm)을 폭넓게 흡수하는 반면, UVA 필터는 상대적으로 다루기 까다롭다 — UVA가 UVA2(320~340nm)와 UVA1(340~400nm)으로 나뉘는데, 긴 파장 UVA1까지 온전히 흡수하는 단일 필터가 드물기 때문이다.² 대표적 UVA 필터인 아보벤존(avobenzone, 부틸메톡시디벤조일메탄)은 UVA 흡수력이 뛰어나지만, 빛을 받으면 구조가 바뀌며 쉽게 분해되는 약점이 있어 안정화 장치가 필요하다.³ 그래서 실제 제품은 여러 유기 필터를, 때로는 무기 필터와 함께 조합해 넓은 파장을 채운다.

약점을 극복한 차세대 필터

유기 필터의 역사는 이 약점들을 메워 온 과정이기도 하다. 최근 세대의 필터는 넓은 파장을 흡수하면서도 빛에 잘 견디도록 설계됐다. 예컨대 비스옥트리졸(bisoctrizole)과 베모트리지놀(bemotrizinol) 같은 차세대 광안정 필터는 UVB와 UVA를 함께 흡수하는 광범위(broad-spectrum) 필터로 개발됐다.² 특히 베모트리지놀은 광안정성이 높아, 아보벤존 같은 다른 필터의 광분해까지 막아 주는 안정화제 역할을 겸한다 — 한 연구에서 유기 필터 조합에 이 성분을 넣자 상당한 자외선 조사 후에도 아보벤존의 UVA 차단 성능이 유지됐다.³ 다만 어떤 필터가 승인·사용되는지는 나라마다 규제가 달라, 유럽·아시아에서 널리 쓰이는 차세대 필터가 다른 지역에서는 아직 제한되기도 한다.

무기와 유기, 대립이 아니라 상보

정리하면 유기 필터는 분자 구조로 자외선을 흡수해 열로 흘려보내며, 파장대를 나눠 맡고 조합으로 넓은 대역을 채운다. 무기 필터가 반도체의 성질로 같은 일을 한다는 점(EP.5)을 떠올리면, 둘은 '반사 대 흡수'나 '자연 대 화학'의 대립이 아니라 흡수라는 목적을 다른 소재로 이루는 상보적 선택지다. 좋은 광보호 설계는 어느 한쪽을 신봉하는 것이 아니라, 각 필터의 파장 특성과 안정성을 이해해 조합하는 데서 나온다. 그렇다면 그 '차단의 정도'는 무엇으로 재고, 그 숫자는 무엇을 말해 주는가 — 다음 편의 주제다.