실리카 입자를 합성하는 기존의 제조 방법은 일반적으로 교반, 세척, 건조 과정을 포함하는 다단계의 과정을 필요로 한다. 또한, 구형이 아닌 형태의 입자를 제조하기 위해서 입자의 표면 형태를 체계적으로 제어하는 것은 복잡한 공정을 수반한다. 따라서 에너지 효율성과 공정 생산성을 증가시키기 위해 입자 제조 단일 공정 기술이 필요하다.
본 연구에서는 친환경 분무건조 공정을 이용하여 콜로이드 및 졸 전구체로부터 기능적이고 균일한 돔형 실리카를 단시간에 제조하는 간단하고 효과적인 전략을 제안한다. 분무건조는 용액이나 슬러리 등 액상의 원료를 분사하여 미세한 액적을 형성하고, 뜨거운 건조가스를 이용하여 용매를 증발시켜 분말을 형성하는 공정이며, 여러 조절 가능한 변수를 통해 결과물을 섬세하게 통제할 수 있는 응용 범위가 넓은 공정이다. 최종 실리카 입자의 크기와 형태는 공급 속도, 가스 유량, 입구 온도와 같은 공정 매개 변수와 초기 농도, 나노 전구체 크기와 같은 재료 매개 변수를 조정하여 제어되었다. 돔형 실리카는 입자 건조 속도가 증가함에 의해 형성될 수 있으며, 돔형 실리카의 형성을 좌우하는 인자들 또한 공통적으로 입자 건조 속도에 영향을 주는 인자들이다. 이는 계면에서의 증발 속도와 입자 내부 확산 속도 차이로 인해 돔형 실리카가 형성됨을 시사하며, 그 중에서 특히 가스 유량이 균일한 크기 및 형태를 갖는 돔형 실리카를 형성할 수 있는 가장 중요한 인자임을 발견했다.
실리카 미세 모폴로지 조절을 통해 입자의 표면거칠기, 발수성, 경도를 제어하였으며, 결과적으로 형태가 제어된 입자는 탁월한 발수성을 제공하는 동시에 소프트 포커스 및 근적외선 차단 효과와 같은 광학 특성이 향상되었다. 소프트 포커스 효과는 구형 실리카가 0.183, 돔형 실리카가 0.344로 88.0% 향상되었고, 가시광선과 근적외선 영역에서의 난반사율이 구형 실리카에 비해 돔형 실리카가 110.3%, 19.2% 향상되어 높은 시각적 효과 및 적외선 차단 효과를 향상시킬 수 있음을 확인했다. 본 연구에서의 접근 방식은 발수성, 향상된 기계적 경도 및 IR 차단 재료에 대한 광범위한 응용 가능성을 갖춘 다기능 실리카 입자를 제조하는 새로운 방법을 제시했다.