Block copolymer (BCP) lithography, a nanopatterning technology that exploits macromolecular self-assembly, is a promising candidate to overcome the inherent resolution limits of traditional photolithography. In this work, a nanopatterned electrical silicon biosensor is fabricated by BCP lithography and is used for the selective detection of similar structure model proteins. A cost-effective and large-area nanofabrication, based on BCP self-assembly and single-step dry etching, is developed for the hexagonal nanohole patterning of thin silicon films. The resultant nanopatterned electrical channel modified with biotin molecules successfully detects the two proteins, streptavidin and avidin down to nanoscale molarities (~1 nM). The nanoscale pattern comparable to Debye screening length and its large surface area of three-dimensional silicon nano-channel enable the biosensor to realize excellent sensitivity and stability. A device simulation is performed to demonstrate that the three-dimensional nanopatterned structure used in this study is effective for biomolecule detection. This nanofabrication based on scalable self-assembly approaches with a simple process offers a high throughput manufacturing route for clinical lab-on-a-chip diagnosis and relevant biomolecular studies.
블록공중합체 (Block Copolymer, BCP) 리소그래피는 고분자의 자기조립 (self-assembly) 현상을 이용한 나노패턴 형상 기술로써, 기존 포토리소그래피의 내재적인 분해능 한계점을 극복 할 수 있는 대표적인 방법 중 하나이다. 본 연구에서는, 이러한 블록공중합체 리소그래피를 통해 나노패턴 형상된 실리콘을 이용하여 전기적 감지 바이오센서를 제작하고 유사한 구조의 두 모델 단백질을 선택적 감지에 성공하였다. 블록공중합체 자기조립을 원리로 한 이 방법을 통해 비교적 경제적이고 간단하며 대면적의 실리콘기반 나노공정이 가능하다. 제작된 나노패턴 전기적 바이오센서의 채널에 biotin 분자들을 표면처리하여 streptavidin과 avidin 두 단백질을 각각 나노수준의 몰농도 (~1 nM) 까지 감지하였다. 단백질 분자의 Debye screening length와 비슷한 수준의 실리콘 나노패턴의 크기와 나노패턴으로 인한 실리콘의 넓은 면적에 의해 이러한 결과가 가능하였다. 또한 나노수준의 채널에서는 실리콘의 삼면에서 모두 생체분자의 전하 영향을 받으므로, 바이오센싱에 적합하다는 것을 증명하기 위해 소자 시뮬레이션 (TCAD) 을 이용하였다. 자기조립 현상을 기반으로 한 블록공중합체 나노공정은 간편하고 높은 수율의 제작을 가능케하여 차후 임상적인 랩온어칩 진단법이나 생체분자에 관한 연구방법에 사용 될 수 있을 거라 판단된다.
