KR20140054545A - 용탕 내 가스 측정용 가스센서 패키지 - Google Patents

용탕 내 가스 측정용 가스센서 패키지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스센서 패키지를 용탕 내에 삽입 시 급격한 온도상승으로 인한 열충격에 의해 밀봉재의 기밀 특성이 손상되지 않도록 하고, 가스센서 패키지를 용탕으로부터 꺼낼 때 고온의 가스센서가 공기와 직접 접촉하여 가스센서의 특성이 열화되는 것을 방지할 수 있는 가스센서 패키지를 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로, 내부 빈 공간과 외부를 연통시키는 연통홀의 입구가 적어도 패키지 프레임의 하부 끝단보다 상부에 위치하도록 패키지 프레임에 결합된 캡을 포함함으로써, 용탕에 삽입 시 가스센서가 고온의 용융 금속과 갑작스럽게 접촉하지 않도록 하고, 용탕으로부터 배출 시에도 캡의 빈 공간에 용융 금속이 잔류된 채로 응고되어 가스센서의 측정전극이 외부 공기로부터 격리되도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

용탕 내 가스 측정용 가스센서 패키지 {PACKAGING STRUCTURE OF THE GAS SENSOR FOR THE USE IN THE MOLTEN METAL}
본 발명은 가스센서 패키지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용탕 내 가스의 농도를 측정하기 위한 가스센서 패키지에 관한 것이다.
용융금속의 주조 공정 등에서 용탕 내 가스 함유량을 실시간으로 모니터링하기 위하여 일반적으로 고체전해질을 이용한 전기화학식 가스센서가 사용된다.
도 1은 용탕 내 가스 함유량을 측정하기 위하여 종래의 가스센서 패키지(100)가 용탕(150)에 삽입된 모습을 도시한 것이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 종래의 가스센서 패키지(100)는 패키지 프레임(110), 패키지 프레임(110) 내에 삽입 고정되어 있는 가스센서(120), 패키지 프레임(110)과 가스센서(120)를 기밀이 유지되도록 고정시키기 위한 밀봉재(130)를 포함하여 구성되며, 가스센서(120)의 출력 전압을 측정하기 위한 전압측정부(140)가 가스센서 패키지(100)에 포함되거나 또는 별도로 제공된다.
패키지 프레임(110)은 용탕 내에 삽입되는 하부 끝단(111)이 개방된 튜브 형상으로 형성되며, 고온의 용탕(150)에 삽입될 수 있도록 내열 재료로 형성된다.
가스센서(120)는 튜브 형상의 패키지 프레임(110) 내에 삽입된 상태로 밀봉재(130)에 의해 기밀 고정되며, 고체전해질(121)의 상부에 기준전극(122)이 형성되고 하부에 측정전극(123)이 형성된 구조로 되어 있다. 측정전극(123)은 용탕(150) 내의 용융금속에 직접 접촉하여 용탕(150) 내에 포함되어 있는 측정대상 가스 농도, 즉 측정대상 가스의 화학포텐셜(chemical potential)을 측정하는 전극이고, 기준전극(122)은 패키지 프레임(110) 및 밀봉재(130)에 의해 용탕(150)과는 격리되어 용융금속과 직접 접촉하지 않도록 형성된 전극이다. 기준전극(122) 측에는 농도를 알고 있는 기준가스를 흘려주어 기준가스(Reference gas)와 접하도록 하거나, 고체 상태의 기준물질을 코팅하는 등의 방법을 사용함으로써 기준전극 측의 화학포텐셜을 고정시킨다.
이러한 구조의 전기화학식 가스센서(120)에서는 기준전극(122) 측과 측정전극(123) 측의 가스농도(가스분압) 차이에 의해 양 전극 사이에서 다음의 관계식에 의한 전압(E)이 발생하게 된다.
Figure pat00001
위 식에서 Eo, A는 상수이고, P1, P2는 각각 기준가스와 측정가스의 분압이다.
위 [수학식 1]에서 기준가스의 분압 P1은 고정값이므로, 전압측정부(140)로 양 전극 사이의 전압(E)을 측정하게 되면 용탕(150) 내의 측정가스의 분압 P2, 즉 용탕 내 측정가스의 농도를 계산할 수 있게 된다.
한편 이러한 구조의 가스센서 패키지(100)에서는 기준전극(122) 측과 측정전극(123) 측 사이에서 가스 흐름이 완벽하게 차단되어 있어야 하므로 밀봉재(130)의 역할이 매우 중요하며, 밀봉재(130)로는 보통 Al2O3, BiO, CaO, B2O3, SiO2 등을 포함하는 산화물계 글래스 세라믹(Glass ceramic) 재료를 많이 사용한다.
그런데, 종래의 가스센서 패키지(100)는 용탕(150)에 삽입시 급격한 온도 증가에 따른 열충격에 의해 밀봉재(130) 자체에, 또는 밀봉재(130)와 가스센서(120)나 패키지 프레임(110) 사이에 균열이 발생하기 쉬운 구조이다. 이로 인해, 밀봉재(130)에 의한 기밀성이 열화되어, 기준전극(122) 측과 측정전극(123) 사이에 가스흐름이 완벽하게 차단되지 않음으로써 정확한 측정이 이루어지지 않을 뿐만 아니라, 열충격에 의해 생긴 균열을 통해 용융금속이 표면장력에 의해 스며들어 기준전극 측으로 이동함으로써 측정전극과 기준전극의 단락이 발생하는 문제가 있다. 또한, 갑작스러운 용탕 내 삽입으로 인한 심한 열충격에 의해 세라믹 소재의 고체전해질(121)을 포함하는 가스센서(120) 자체가 손상되는 문제점이 발생될 수도 있다.
또한, 측정이 완료된 후 가스센서(120)를 용탕(150)으로부터 배출시킬 때에도 고온의 가스센서(120), 특히 용탕에 직접 접하고 있던 측정전극 측이 공기와 직접 접촉하여 가스센서의 특성이 열화되는 문제가 있다. 수소 전도체 고체전해질로 이루어지는 수소가스센서를 이용하여 알루미늄(Al) 용탕 내의 수소 가스 농도를 측정하는 경우를 예로 들면, 용탕 내 수소 가스 농도를 측정한 후 수소가스센서를 공기 중에 급격하게 노출시키면, 고체전해질 내의 수소 이온들이 대기 중으로 방출되어 수소 전도 특성을 잃어버리게 되며, 이로 인해 센서의 수명이 단축되어 버리게 된다.
따라서, 가스센서 패키지를 고온의 용탕 내에 삽입 시 열충격에 의해 밀봉재의 기밀 특성이 손상되거나 가스센서 자체가 손상되는 것을 방지하고, 고온의 용탕으로부터 꺼낼 때에도 고온에서 가스센서가 공기와 갑작스럽게 접촉되는 것을 방지할 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 가스센서 패키지를 용탕 내에 삽입 시 급격한 온도상승으로 인한 열충격에 의해 밀봉재의 기밀 특성이 손상되지 않도록 하는 가스센서 패키지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 가스센서 패키지를 용탕으로부터 꺼낼 때 고온의 가스센서가 공기와 직접 접촉되지 않도록 함으로써 가스센서의 특성이 열화되는 것을 방지할 수 있는 가스센서 패키지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가스센서 패키지는, 패키지 프레임, 상기 패키지 프레임 내에 삽입 고정되는 가스센서, 상기 가스센서를 상기 패키지 프레임에 고정시키기 위한 밀봉재, 및 내부에 빈 공간이 구비되고, 연통홀을 통해 상기 빈 공간과 외부가 연통되도록 형성되며, 상기 연통홀의 입구가 적어도 상기 패키지 프레임의 하부 끝단보다 상부에 위치하도록 상기 패키지 프레임에 결합된 캡을 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 연통홀은 하방 경사지도록 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 가스센서 패키지에 포함된 상기 가스센서는, 고체전해질, 상기 고체전해질의 상부에 구비된 기준전극 및 상기 고체전해질의 하부에 구비된 측정전극을 포함하고, 상기 연통홀의 입구는 상기 측정전극보다 상부에 위치할 수 있다.
또한, 상기 캡 내부의 빈 공간에는 가스센서 패키지를 최초로 용탕에 삽입할 때 용융 금속과 가스센서와의 직접적인 접촉을 막아 가스센서가 받는 열충격이 완화될 수 있도록 하는 더미 고체금속이 포함되어 있을 수 있다.
또한, 상기 밀봉재는 제2 밀봉재를 포함하고, 상기 제2 밀봉재는 상기 용융 금속과 반응하여 상기 용융 금속의 융점보다 고온의 융점을 가지는 합금을 형성하는 합금원소를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 제2 밀봉재는 상기 합금원소 외에 글래스 세라믹 재료를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 밀봉재는 제1 밀봉재를 더 포함하고, 상기 제1 밀봉재는 제2 밀봉재가 용탕에 직접 접하지 않도록 제2 밀봉재의 하부에 위치할 수 있다.
본 발명의 다른 일면에 따른 가스센서 패키지는, 상부의 기준전극 및 하부의 측정전극을 구비한 가스센서가 밀봉재에 의해 패키지 프레임 내에 고정되고, 상기 패키지 프레임에 캡이 결합되고, 상기 캡에는 내부 빈 공간과 외부를 연통시키는 연통홀이 형성되며, 용탕으로 삽입 시 상기 연통홀을 통해 상기 빈 공간으로 들어온 용융 금속이 용탕에서 배출 시에 상기 빈 공간에 잔류하여 상기 측정전극을 외부 공기로부터 격리시키도록 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 가스센서 패키지는, 용탕 내에 삽입되어 용융 금속에 포함된 가스 농도를 측정하기 위한 가스센서 패키지로서, 패키지 프레임, 상기 패키지 프레임 내에 삽입 고정되는 가스센서, 상기 가스센서를 상기 패키지 프레임에 고정시키기 위한 밀봉재를 구비하고, 상기 밀봉재는 상기 용융 금속과 반응하여 상기 용융 금속의 융점보다 고온의 융점을 가지는 합금을 형성하는 합금원소를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 가스센서 패키지에 의하면, 가스센서 패키지를 용탕 내에 삽입 시 급격한 온도상승으로 인한 열충격에 의해 밀봉재의 기밀 특성이 손상되거나 가스센서 자체가 손상되는 것을 방지함으로써 정확한 측정 결과를 얻을 수 있고 가스센서가 단락되는 현상을 방지하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 가스센서 패키지에 의하면, 가스센서 패키지를 용탕으로부터 꺼낼 때 고온의 가스센서가 공기와 직접 접촉되지 않도록 함으로써 가스센서의 특성이 열화되는 것을 방지하고 가스센서의 수명을 증가시키는 효과가 있다.
도 1은 종래의 가스센서 패키지가 용탕 내에 삽입된 모습을 나타내는 도면
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 가스센서 패키지 단면도
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 가스센서 패키지가 용탕 내에 삽입되는 과정을 도시한 단계도
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 가스센서 패키지가 용탕으로부터 배출되는 과정을 도시한 단계도
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 가스센서 패키지 단면도
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 가스센서 패키지 단면도
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 가스센서 패키지의 밀봉재 부분을 나타내는 단면도
도 8은 알루미늄(Al)-구리(Cu)의 2성분계 상태도
도 9는 알루미늄(Al)-은(Ag)의 2성분계 상태도
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 한정되거나 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 다양한 실시예들을 설명함에 있어, 대응되는 구성요소에 대해서는 동일한 명칭 및 동일한 참조부호를 부여하여 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 가스센서 패키지(200)의 단면도이다. 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 가스센서 패키지(200)는, 패키지 프레임(210), 패키지 프레임(210) 내에 삽입 고정되어 있는 가스센서(220), 패키지 프레임(210)과 가스센서(220)를 기밀이 유지되도록 고정시키기 위한 밀봉재(230) 및 캡(260)으로 구성되며, 가스센서(220)의 출력 전압을 측정하기 위한 전압측정부(240)가 가스센서 패키지(200)에 포함되거나 또는 별도로 제공될 수 있다. 여기서 전압측정부(240)는 기준전극(222) 또는 측정전극(223)을 전압측정장치에 접속시키기 위한 도선을 포함하는 개념이다.
패키지 프레임(210)은 용탕 내에 삽입되는 하부 끝단(211)이 개방된 튜브 형상으로 형성되며, 고온의 용탕에 삽입될 수 있도록 내열 재료로 형성된다.
가스센서(220)는 튜브 형상의 패키지 프레임(210) 내에 삽입된 상태로 밀봉재(230)에 의해 기밀 고정되며, 고체전해질(221)의 상부에 기준전극(222)이 형성되고, 하부에 측정전극(223)이 형성된 구조로 되어 있다. 측정전극(223)은 용탕 내의 용융 금속과 직접 접촉하여 용탕 내 측정 대상 가스의 화학포텐셜(chemical potential)을 측정하는 전극이다. 측정전극은 백금(Pt) 등의 귀금속 전극으로 형성될 수 있으며, 귀금속 전극이 용융 금속과 직접 접촉하지 않고 용융 금속으로부터 증발된 가스와 접촉하도록 귀금속 전극의 상부에 알루미나 분말이나 그래파이트 분말 등으로 형성되는 차단제를 구비한 형태일 수도 있다. 기준전극(222)은 패키지 프레임(210) 및 밀봉재(230)에 의해 용탕과는 격리되어 기준가스(Reference gas)와 접하는 전극이다. 기준전극(222)은 백금(Pt) 등의 귀금속 전극으로 형성될 수 있으며, 기준가스를 흘려주지 않고도 기준전극 측의 화학포텐셜을 고정시킬 수 있도록 고체의 기준물질을 더 포함하는 구조일 수 있다.
밀봉재(230)는 가스센서(220)를 패키지 프레임(210)에 기밀 고정시켜 기준전극(222) 측과 측정전극(223) 측 사이에 가스 흐름이 발생하지 않도록 차단하는 구성으로서, Al2O3, BiO, CaO, B2O3, SiO2 등을 포함하는 산화물계 글래스 세라믹(Glass ceramic) 재료로 형성될 수 있다.
전압측정부(240)는 가스센서(220)의 기준전극(222) 및 측정전극(223) 사이의 전압을 측정하는 구성으로서, 본 발명에 따른 가스센서 패키지(200)에 포함되거나 또는 별도로 제공되는 구성일 수 있다. 가스센서(220) 및 전압측정부(240)를 이용한 가스 농도 측정 원리는 종래기술과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
상기 본 발명의 제1실시예에 따른 가스센서 패키지는, 내부에 빈 공간(262)이 형성되고 상기 빈 공간(262)과 외부를 연통시키는 하나 이상의 연통홀(261)이 구비된 캡(260)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 캡(260)은 가스센서(220)가 삽입되어 있는 위치를 감싸는 형태로 패키지 프레임(210)에 결합될 수 있다. 이때, 캡(260)은 가스센서(220) 전체를 감싸는 형태일 필요는 없고, 그 단면 모양이 사각형 모양일 필요도 없으며, 도 2와 같이 패키지 프레임(210)의 외벽에 결합되는 대신 패키지 프레임(210)의 하단 내벽에 삽입 고정되는 형태로 결합될 수도 있다. 캡(260)의 구체적인 모양이나 패키지 프레임(210)과의 결합 방법 등은 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형 가능하다. 이때, 연통홀(261)의 입구는 적어도 패키지 프레임(210)의 하부 끝단(211)보다 상부, 바람직하게는 가스센서(220)의 측정전극(223)보다 상부에 위치하도록 형성될 수 있다. 캡의 재료로는 탄소재료 등 열충격에 강한 재료를 사용할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 가스센서 패키지가 용탕 내에 삽입되는 과정을 도시한 단계도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 도 3(a)는 본 발명의 제1실시예에 따른 가스센서 패키지(200)가 캡(260)의 하면부터 용탕(250)에 삽입되기 시작하는 단계를 도시한 도면이다. 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 캡의 연통홀(261)은 아직 용탕(250) 내에 잠기지 않은 상태이므로 캡(260) 내부의 빈 공간(262)에는 용융 금속이 존재하지 않으며, 종래기술과는 달리 가스센서(220)도 용융 금속과 직접 접촉하지 않은 상태이다.
도 3(b)는 가스센서 패키지(200)가 좀더 용탕(250) 내로 삽입되어 캡(260)의 연통홀(261)이 용탕(250) 내에 잠긴 상태를 도시한 도면이다. 연통홀(261)이 용탕(250) 내에 잠기게 되면 용융 금속이 연통홀(261)을 통해 캡 내부 빈 공간(262)으로 침투하기 시작하게 되나, 빈 공간(262)의 하부부터 천천히 차오르게 되므로 가스센서(220)는 아직 용융 금속과 직접 접촉하지 않은 상태이다.
도 3(c)는 연통홀(261)을 통한 용융 금속의 침투가 계속되어 캡(260) 내외부의 용탕 수위가 동일해진 단계를 도시한 것으로, 이 상태에서는 가스센서(220)의 측정전극(223)이 용융 금속과 접촉하게 되므로, 이 상태에서 전압측정부(240)를 통한 전압 측정을 수행하게 된다.
이러한 본 발명의 제1실시예에 따른 가스센서 패키지(200)에 의하면, 캡(260)이 존재하지 않는 종래의 가스센서 패키지(100)에 비하여 가스센서가 용용 금속과 접촉하는데 더 많은 시간이 소요되게 되며, 용융 금속이 연통홀(261)을 통해 침투하여 캡(260) 내부의 빈 공간(262) 하부로부터 천천히 차오르는 동안 가스센서(220)도 용탕의 온도로 인해 천천히 가열됨으로써 급격한 온도 증가 현상이 억제되는 효과가 있다. 이로 인해, 종래의 가스센서 패키지와는 달리, 가스센서 패키지를 용탕 내에 삽입 시 급격한 온도상승으로 인한 열충격에 의해 밀봉재의 기밀 특성이 손상되거나 가스센서가 손상되는 것이 방지됨으로써 정확한 측정 결과를 얻을 수 있고 가스센서가 단락되는 현상도 방지되는 효과가 있다.
이러한 구조의 가스센서 패키지(200)에 의하면, 캡(260)의 크기나 위치, 연통홀(261)의 크기 등을 조절함으로써, 가스센서 패키지(200)를 용탕(250) 내에 삽입 후 가스센서(220)가 용융 금속과 접촉할 때까지 걸리는 시간, 즉 가스센서(220)의 온도 상승 속도를 조절하는 것도 가능하다. 예를 들어, 캡(260) 내부 빈 공간(262)의 체적을 크게 하거나 연통홀(261)을 작게 할수록 캡 내부 빈 공간(262)으로 용융 금속이 침투하여 차오르는데 걸리는 시간이 늘어나게 되므로, 가스센서(220)의 온도 상승 속도가 느려지게 되어 열충격을 더욱 감소시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 가스센서 패키지가 용탕 내에서 배출되는 과정을 도시한 단계도이다.
도 4를 참조하여 설명하면, 먼저 도 4(a)는 가스센서 패키지(200)가 용탕 내에 삽입되어 측정을 수행한 상태를 도시한 도면이며, 도 3(c)와 동일하다.
가스센서 패키지(200)를 용탕 내에서 배출시키기 시작하면 캡(260) 내의 빈 공간(262)에 차있던 용융 금속도 연통홀(261)을 통해 배출되는데, 도 4(b)와 같이 연통홀(261)이 용탕 외부로 노출될 때까지는 이러한 빈 공간(262)의 용융 금속 배출은 계속된다.
하지만 가스센서 패키지(200)를 그 이상 상승시키더라도 캡(260) 내부의 빈 공간(262)에 연통홀(261) 위치보다 아래쪽에 차있는 용융 금속은 배출되지 않으므로, 도 4(c)에 도시한 바와 같이 가스센서 패키지(200)는 캡 내부 빈 공간(262)에 용융 금속이 그대로 남아있는 상태로 공기 중에 노출되게 된다. 이때, 도 4(c)와 같이 연통홀(261)의 입구가 가스센서(220)의 측정전극(223)보다 상부에 위치해 있게 되면 가스센서 패키지(200)를 용탕으로부터 배출하더라도 가스센서(200)의 측정전극(223)은 여전히 용융 금속과 접해 있는 상태로 있게 되어, 용융 금속이 가스센서(200)의 측정전극(223)과 외부 공기와의 직접 접촉을 막아주는 역할을 하게 된다. 이로 인해, 종래의 가스센서 패키지처럼 용탕으로부터 배출된 고온의 상태에서 외부 공기와 직접 접촉함으로써 발생하는 가스센서 특성의 열화 및 수명 단축 현상을 방지하는 것이 가능하다.
또한, 용탕에서 배출된 후 캡(260) 내부 빈 공간(262)에 남아있는 용융 금속은 서서히 냉각되면서 응고되게 되므로, 공기 중에 노출된 가스센서(220)가 급격히 냉각됨으로 인한 열충격이 방지되는 효과도 기대할 수 있다.
도 2 내지 도 4에서는 연통홀(261)의 입구가 가스센서(220)의 측정전극(223)보다 상부에 위치한 경우를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 연통홀(261)의 입구가 패키지 프레임(210)의 하부 끝단(211)보다 상부에 위치해 있는 구조로 형성할 수도 있다. 연통홀(261) 입구가 가스센서(220)의 측정전극(223)보다 상부에 있지 않더라도 패키지 프레임(210)의 하부 끝단(211)보다 상부에 있게 되면, 가스센서 패키지(200)를 용탕으로부터 배출 시 캡(260) 내부 빈 공간(262)에 잔류된 용융 금속에 의해 가스센서(220)의 측정전극(223)이 외부 공기에 직접 노출되는 현상은 방지할 수 있다.
한편 이러한 본 발명의 제1실시예에 따른 가스센서 패키지(200)에 따르면, 가스센서 패키지(200)를 최초 용탕에 삽입하여 1회 사용한 이후에는 용탕에서 배출하더라도 캡(260) 내부에 용융 금속이 남아있게 되고, 이러한 잔류 용융 금속이 캡 내부에서 응고되어 고체 상태가 되므로, 다음 사용 시에는 열충격이 더욱 감소되는 효과가 있다. 즉, 캡(260) 내부에 고체 상태의 잔류 용융 금속이 남아 있는 가스센서 패키지(200)를 용탕 내에 삽입하게 되면, 캡(260)의 연통홀(261)을 통해 용융 금속이 침투하더라도 상기 잔류 용융 금속이 모두 용융되어 액체 상태가 되기 전까지는 가스센서(220)의 측정전극(223)이 용용 금속과 직접 접촉하지 않으므로 가스센서(220)의 온도 상승 속도 및 그로 인한 열충격을 더욱 감소시킬 수 있다. 그리고 가스센서 패키지(200)를 다시 용탕으로부터 배출시키면 캡(260) 내부의 잔류 용융 금속에 의해 가스센서(220)의 측정전극(223) 측이 공기와 직접 접촉하는 것이 방지될 뿐만 아니라 캡(260) 내부에는 다시 응고된 고체 상태의 잔류 용융 금속이 남아 있게 되므로, 가스센서 패키지(200)를 수회 반복하여 사용하더라도 가스센서(220)의 열화나 열충격에 의한 수명 단축 현상은 크게 개선시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 가스센서 패키지 단면도이다. 도 5의 가스센서 패키지(500)는 도 2의 제1실시예에 따른 가스센서 패키지(200)와 비교할 때 캡(260) 내부 빈 공간(262)에 더미(dummy) 고체 금속(510)이 구비되어 있다는 점에서만 차이가 있으므로, 이하 중복된 설명은 생략하고 차이가 있는 부분에 대해서만 설명한다.
도 5에서 더미 고체 금속(510)은 가스센서 패키지(500)를 삽입하여 가스 농도를 측정하고자 하는 용탕 내 용융금속과 동일한 금속인 것이 바람직하다. 예를 들어, 알루미늄 용탕 내의 수소 농도를 측정하기 위한 가스센서 패키지(500)의 경우에 더미 금속(510)은 고체 알루미늄일 수 있다. 물론 용탕 내 용융금속과 동일한 종류의 금속이면 족하며, 첨가물이나 농도까지 정확히 동일할 필요는 없다.
더미 고체 금속(510)은 분말일 수도 있으며, 소정 크기의 펠렛(pellet) 또는 그래뉼(granule) 형태일 수도 있다.
상기 본 발명의 제2실시예에 따른 가스센서 패키지(500)에 따르면, 가스센서 패키지(500)를 용탕에 최초 삽입 시에도, 연통홀(261)을 통해 침투하는 용융 금속에 의해 더미 고체 금속(510)이 모두 용융될 때까지는 가스센서(220)의 측정전극(223)이 용융 금속과 접촉하지 않으므로, 본 발명의 제1실시예에 따른 가스센서 패키지(200)에 비하여 용탕에 최초 삽입 시에도 가스센서(220)의 온도 상승 속도 및 그로 인한 열충격을 감소시킬 수 있다. 상기 본 발명의 제2실시예에 따른 가스센서 패키지(500)는 용탕에 최초 삽입 시에만 차이가 있을 뿐, 용탕으로부터 최초 배출 시나 그 이후의 사용에 있어서는 도 2의 본 발명의 제1실시예에 따른 가스센서 패키지(200)와 사실상 동일하다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 가스센서 패키지의 단면도로서, 캡의 형상을 변형한 것 이외에는 제1실시예와 동일하다.
우선 도 6(a)를 참조하여 설명하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 가스센서 패키지는, 캡(660)에 하방 경사진 연통홀(661)이 형성되는 것을 특징으로 한다. 이때, 연통홀(661)의 입구는 적어도 패키지 프레임(210)의 하부 끝단(211)보다 상부, 바람직하게는 가스센서(220)의 측정전극(223)보다 상부에 위치한다. 이처럼 패키지 프레임(210)의 하부 끝단(211) 또는 가스센서(220)의 측정전극(223)보다 상부에서 부터 하방 경사지도록 연통홀(661)을 형성하게 되면, 본 발명의 제1실시예에 따른 가스센서 패키지(200)와는 달리 가스센서(220)의 측정전극(223)보다 윗 부분에까지 캡 내부에 빈 공간을 형성할 필요가 없어 캡 형성이 보다 간편해지는 효과가 있다.
이때, 도 6(b)에 도시한 바와 같이, 밀봉재(230)가 용융 금속과 직접 접하지 않도록 상기 캡(660)이 밀봉재(230) 하부 노출부위를 덮도록 형성될 수도 있다.
이러한 본 발명의 제3실시예에 따른 가스센서 패키지도 본 발명의 제1실시예에 따른 가스센서 패키지와 마찬가지로, 용탕 내에 삽입 시에는 가스센서(220)의 측정전극(223)이 용융 금속과 접하는 시간이 지연됨으로써 열충격을 감소시킬 수 있으며, 용탕으로부터 배출 시에는 캡(660) 내부의 빈 공간(662)에 잔류 용융 금속이 존재하여 측정전극(223)이 외부 공기와 직접 접촉되지 않도록 함으로써 가스센서(220)의 열화를 억제하는 효과가 있다. 이러한 효과가 발생되는 원리는 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 본 발명의 제1실시예에 따른 가스센서 패키지와 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 제3실시예에 따른 가스센서 패키지(600)도 캡 내부 빈 공간(662)에 더미 고체 금속(미도시)을 구비함으로써, 가스센서 패키지를 최초로 용탕에 삽입 시 열충격을 더욱 감소시킬 수 있다.
이상의 제1 내지 제3 실시예에서는 캡의 연통홀 입구의 위치가 최소한 패키지 프레임의 하부 끝단보다 상부에 위치하여야 하는 것으로 설명하였으나, 캡의 입구는 아래쪽에 위치하더라도 캡 내부의 구조를 변형하여 동일한 효과를 거둘 수 있음은 통상의 기술자에게는 자명하다. 가령, 캡 내부 하벽에 돌출부(미도시)를 형성하여 돌출부가 패키지 프레임의 하부 끝단, 또는 가스센서의 측정전극보다 상부까지 돌출되도록 형성하는 등의 방법으로 동일한 효과를 거둘 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술사상은 연통홀의 위치에 있는 것이 아니라, 용탕으로 삽입 시 캡의 연통홀을 통해 캡 내부 빈 공간으로 들어온 용융 금속이 용탕에서 배출 시에 캡 내부 빈 공간에 잔류하여 측정전극을 외부 공기로부터 격리시키는 점에 있으며, 이러한 효과를 달성시킬 수 있는 다양한 캡 구조의 변형예는 모두 본 발명의 보호범위에 속한다는 점을 이해하여야 한다.
한편, 패키지 프레임(210)과 가스센서(220) 사이의 밀봉재의 구조를 개선하면, 열충격에 의해 밀봉재에 일부 균열이 발생하더라도 기준전극과 측정전극이 단락되는 현상 등을 최대한 억제할 수 있다. 도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 가스센서 패키지의 밀봉재 부분을 나타내는 단면도이다.
도 7을 참조하여 설명하면, 본 발명의 제4실시예에 따른 가스센서 패키지는, 패키지 프레임(210)과 가스센서(220) 사이에 밀봉재(730)가 구비되며, 상기 밀봉재(730)는 제1 밀봉재(731)와 제2 밀봉재(732)를 포함하여 구성된다.
제1 밀봉재(731)는 Al2O3, BiO, CaO, B2O3, SiO2 등을 포함하는 산화물계 글래스 세라믹으로 형성하며, 용탕과 접하는 부분인 밀봉재(730)의 최하부에 위치하는 것이 바람직하다.
한편, 가스센서 패키지를 용탕에 삽입 시 열충격에 의해 상기 제1 밀봉재(731)에 균열이 발생할 수 있고, 이러한 균열을 통해 용탕 내 용융 금속이 침투할 수 있으므로, 상기 밀봉재(730)는 이렇게 침투한 용융 금속을 고상화시켜 더 이상의 침투를 억제시키기 위한 제2 밀봉재(732)를 더 구비한다. 상기 제2 밀봉재(732)는 용융 금속보다 융점이 더 높은 합금원소를 포함하는 밀봉재로서, 상기 합금원소가 산화물계 글래스 세라믹과 혼합되어 있는 등 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 도 7과 같이 제1 밀봉재(731)의 상부에 위치하는 것이 바람직하다.
이하, 제2 밀봉재(732)에 의해 용융 금속의 침투가 억제되는 원리를 용융 금속이 알루미늄(Al)이고 제2 밀봉재(732)에 포함된 함금원소가 구리(Cu)인 경우를 예로 들어 설명한다.
도 8은 알루미늄(Al)과 구리(Cu)의 2성분계 상태도(phase diagram)이다. 알루미늄 용탕의 온도를 700℃도로 가정할 때, 700℃는 알루미늄의 융점인 660℃보다 높은 온도이므로 용탕 내의 알루미늄은 액체 상태, 즉 용융 금속으로 유지된다(도 8의 'A'). 이때, 알루미늄 용탕에 삽입된 가스센서 패키지(700)의 제1 밀봉재(731)에 열충격에 의한 균열이 발생하여 알루미늄 용융 금속이 상기 균열로 침투할 경우, 침투된 알루미늄 용융 금속이 제2 밀봉재(732)까지 이르게 되면 제2 밀봉재(732)에 포함된 구리와 반응하게 된다. 이때, 균열을 통해 침투되는 알루미늄의 양은 소량일 것이므로, 제2 밀봉재(732)에 포함된 구리와 반응하여 형성되는 합금의 조성은 상대적으로 구리가 많이 포함된 조성이다.
도 8을 참조하면 알루미늄과 구리가 반응할 경우 그 조성에 따라 융점이 달라지며, 특히 구리가 많이 포함된 조성의 합금인 경우 융점이 순수 알루미늄의 융점에 비해 높은 것을 알 수 있다. 가령 구리가 80%인 조성으로 가정하면, 이 조성에서의 알루미늄-구리 합금의 융점은 1000℃가 넘으므로, 700℃의 온도에서는 고체 상태가 된다(도 8의 'B'). 따라서, 제1 밀봉재(731)의 균열을 따라 침투한 알루미늄이 제2 밀봉재(732)에 포함된 구리와 만나게 되면 고체 상태의 알루미늄-구리 합금이 형성되게 되므로, 더 이상의 용융 금속의 침투는 억제된다.
이상에서는 제2 밀봉재(732)에 포함되는 합금원소로서 구리를 예로 들었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 용탕 내 용융 금속 원소와 반응하여 용융 금속 원소의 융점보다 높은 융점의 합금을 생성할 수 있는 합금원소이면 제한없이 사용될 수 있다. 가령, 도 9의 알루미늄(Al)-은(Ag) 2성분계 상태도에서 확인되는 바와 같이, 합금원소로 은(Ag)을 사용하더라도 알루미늄과의 반응에 의해 융점이 상대적으로 높은 합금이 생성되므로, 은(Ag)를 제2 밀봉재(732)에 포함하여 사용할 수도 있다.
한편, 도 7에서는 제1 밀봉재(731)의 상부에 제2 밀봉재(732)가 위치하는 것으로 도시하였으나, 제2 밀봉재(732)가 용탕과 직접 접하도록 하거나 제1 밀봉재(731) 없이 제2 밀봉재(732)만으로 밀봉재(730)를 구성하는 등 본 발명의 제4실시예의 기술사상의 범위 내에서 다양한 변형 실시예가 가능하다는 것은 통상의 기술자에게 자명할 것이다.
또한, 상기 밀봉재(730) 구조를 본 발명의 제1 내지 제3실시예에 따른 가스센서 패키지에 적용할 경우, 밀봉재의 기밀 특성을 더욱 향상시킬 수 있음은 물론이다.
이상 한정된 실시예 및 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다는 점은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 특허청구범위의 기재 및 그 균등 범위에 의해 정해져야 한다.
100, 200, 500, 600, 700: 가스센서 패키지
110, 210: 패키지 프레임
120, 220: 가스센서
121, 221: 고체전해질
122, 222: 기준전극
123, 223: 측정전극
130, 230, 730: 밀봉재
731: 제1 밀봉재
732: 제2 밀봉재
140, 240: 전압측정부
150, 250: 용탕
260, 660: 캡
261, 661: 연통홀
262, 662: 빈 공간

Claims (12)

  1. 패키지 프레임;
    상기 패키지 프레임 내에 삽입 고정되는 가스센서;
    상기 가스센서를 상기 패키지 프레임에 고정시키기 위한 밀봉재;
    내부에 빈 공간이 구비되고, 연통홀을 통해 상기 빈 공간과 외부가 연통되도록 형성되며, 상기 연통홀의 입구가 적어도 상기 패키지 프레임의 하부 끝단보다 상부에 위치하도록 상기 패키지 프레임에 결합된 캡을 포함하는 가스센서 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연통홀은 하방 경사지도록 형성된 것을 특징으로 하는 가스센서 패키지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가스센서는,
    고체전해질, 상기 고체전해질의 상부에 구비된 기준전극 및 상기 고체전해질의 하부에 구비된 측정전극을 포함하고,
    상기 연통홀의 입구는 상기 측정전극보다 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 가스센서 패키지.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 빈 공간에는 더미 고체금속이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 가스센서 패키지.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 캡은 상기 밀봉재를 덮는 구조로 되어 있어, 상기 밀봉재가 상기 캡 내부의 빈 공간에 노출되지 않는 것을 특징으로 하는 가스센서 패키지.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가스센서 패키지는 용탕 내에 삽입되어 용융 금속에 포함된 가스 농도를 측정하기 위한 것인 가스센서 패키지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 밀봉재는 제2 밀봉재를 포함하고,
    상기 제2 밀봉재는 상기 용융 금속과 반응하여 상기 용융 금속의 융점보다 고온의 융점을 가지는 합금을 형성하는 합금원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스센서 패키지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 밀봉재는 글래스 세라믹 재료 및 상기 합금원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스센서 패키지.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 밀봉재는 제1 밀봉재를 더 포함하고,
    상기 제1 밀봉재는 제2 밀봉재가 용탕에 직접 접하지 않도록 제2 밀봉재의 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 가스센서 패키지.
  10. 상부의 기준전극 및 하부의 측정전극을 구비한 가스센서가 밀봉재에 의해 패키지 프레임 내에 기밀 고정되고, 상기 패키지 프레임에 캡이 결합되고, 상기 캡에는 내부 빈 공간과 외부를 연통시키는 연통홀이 형성되며, 용탕으로 삽입 시 상기 연통홀을 통해 상기 빈 공간으로 들어온 용융 금속이 용탕에서 배출 시에 상기 빈 공간에 잔류하여 상기 측정전극을 외부 공기로부터 격리시키도록 형성된 가스센서 패키지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 캡 내부 빈 공간에는 적어도 상기 패키지 프레임의 하부 끝단보다 상부까지 돌출 형성되는 돌출부가 구비되는 것을 특징으로 하는 가스센서 패키지.
  12. 용탕 내에 삽입되어 용융 금속에 포함된 가스 농도를 측정하기 위한 가스센서 패키지로서, 상기 가스센서 패키지는,
    패키지 프레임;
    상기 패키지 프레임 내에 삽입 고정되는 가스센서;
    상기 가스센서를 상기 패키지 프레임에 고정시키기 위한 밀봉재를 구비하고,
    상기 밀봉재는 상기 용융 금속과 반응하여 상기 용융 금속의 융점보다 고온의 융점을 가지는 합금을 형성하는 합금원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스센서 패키지.

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