CHAPTER 03 · 시뮬레이션 만들기

단위계와 atom_style

단위계(lj/real/metal …) 선택과 atom_style 의 의미, 그리고 둘이 함께 결정하는 입력의 톤.

이 페이지에서 다룹니다

3.1 왜 단위계가 중요한가

LAMMPS는 내부적으로 항상 같은 산술을 수행하지만, 입력값과 출력값이 어떤 물리 단위로 해석되는지는 units 명령으로 정합니다. 한 번 정한 단위는 그 시뮬레이션 전체에 적용되며, 박스 정의 이후에는 바꿀 수 없습니다. 따라서 입력 스크립트 거의 첫 줄에 두는 것이 관례입니다.

units           real      # 또는 lj, metal, electron, si, cgs, micro, nano

기본값은 lj 입니다.

3.2 자주 쓰는 단위계 한눈에

units 길이 시간 에너지 질량 주된 사용처
lj σ (환원) τ (환원) ε (환원) m (환원) LJ/입자 시뮬레이션
real Å fs kcal/mol g/mol 생체·유기 분자 (OPLS, AMBER, CHARMM)
metal Å ps eV g/mol 금속·결정 (EAM, MEAM, Tersoff)
electron Bohr fs Hartree amu 전자 구조 또는 양자 결합
si m s J kg 표준 SI
cgs cm s erg g 고전 CGS
micro µm µs 유도값 pg 마이크로 입자 / 콜로이드
nano nm ns 유도값 ag 나노 스케일 MD

세 가지가 압도적으로 많이 쓰입니다.

  • real — 생체분자, 폴리머, 일반 유기물. 시간 단위 fs와 에너지 kcal/mol이 대부분의 분자역학 교과서와 일치합니다.
  • metal — 금속, 반도체, 산화물. EAM·Tersoff·MEAM 같은 금속용 포텐셜과 짝을 이룹니다.
  • lj — 환원 단위. 교과서 예제, 모델 입자, 빠른 테스트에 적합합니다.

3.3 단위 선택 기준

다음 두 기준이면 거의 모든 경우 결정할 수 있습니다.

  1. 어떤 힘장(또는 포텐셜)을 쓰는가? 힘장 파라미터가 보고된 단위와 같게 맞추는 것이 가장 안전합니다. OPLS·AMBER·CHARMM 계열 — real, EAM·MEAM·Tersoff 등 금속 포텐셜 — metal, 교과서 LJ 입자 — lj.

  2. 결과를 어떤 단위로 보고 싶은가? 매뉴얼에 따르면 LAMMPS의 모든 출력은 units 가 정한 단위로 표기됩니다. dump 의 좌표는 길이 단위, thermo 의 에너지는 에너지 단위 그대로 나옵니다. 분석 단계의 단위 통일을 위해 결과 보고 단위와 동일하게 맞추는 것이 편합니다.

단위가 바뀌면 모든 수치를 다시 환산해야 합니다

같은 시스템을 real 에서 metal 로 바꾸면, 온도·시간·에너지 값이 모두 다르게 해석됩니다. 예를 들어 timestep 1.0 은 real 에서는 1 fs, metal 에서는 1 ps를 의미합니다. 같은 숫자가 천 배 다른 시간을 가리킬 수 있으니, 단위를 바꾼다면 입력 전체를 다시 점검해야 합니다.

3.4 atom_style — 원자가 갖는 속성

atom_style 은 시뮬레이션 안의 한 원자가 어떤 속성을 갖는지 정의합니다. 이것 역시 박스가 만들어지기 전에 한 번 선언합니다.

atom_style      atomic     # 또는 charge, molecular, full, bond, angle, ...

기본값은 atomic 입니다.

자주 쓰는 atom_style

atom_style 갖는 속성 대표 사용 사례
atomic 위치, 속도, type LJ 입자, 단순 금속(EAM 등)
charge atomic + 전하 이온 결정, 단순 전해질
bond atomic + 결합 정보 결합만 있는 단순 폴리머
angle bond + 각도 가벼운 분자 (e.g. SPC 물 모델은 angle 또는 full)
molecular bond + angle + dihedral + improper 분자 시스템 (전하 X)
full molecular + 전하 대부분의 생체분자 시뮬레이션 (CHARMM, AMBER, OPLS)
dipole atomic + 쌍극자 모멘트 점쌍극자 모델
sphere atomic + 회전·반지름 거대 입자(DEM, granular)
ellipsoid sphere + 비등방 회전 Gay-Berne 같은 비대칭 입자

응용 단계에서 가장 흔히 마주치는 두 선택은 full(분자 + 전하)과 atomic(단순 입자)입니다. 일단은 이 둘만 기억해 두어도 무난합니다.

잘못 고른 atom_style 의 흔한 증상

  • "Bonds defined but no bond_style" 오류 — 데이터 파일이 결합 정보를 갖고 있는데 atom_style atomic 으로 선언한 경우.
  • 전하가 무시되어 에너지 값이 이상한 경우 — 데이터 파일에 전하가 있는데 atom_style atomic 또는 bond 로 선언한 경우.

데이터 파일을 만들거나 받았다면, 그 파일이 어떤 atom_style 을 가정해서 만들어졌는지 먼저 확인하는 습관이 안전합니다.

3.5 짝을 이루는 명령들

units 와 atom_style 은 그 다음에 오는 거의 모든 명령의 의미를 결정합니다. 특히 다음 명령들과 짝을 맞춰 두십시오.

  • mass — 단위계에 맞는 질량 값을 입력
  • pair_style, pair_coeff — 힘장 파라미터를 단위계에 맞게
  • timestep — real 은 보통 1.0 (fs), metal 은 0.001 (ps), lj 는 0.005 정도가 출발점
  • velocity ... create T — T 는 단위계의 온도 단위

3.6 다음 단계

단위계와 원자 표현이 정해졌다면, 그 다음은 실제로 박스를 만들고 원자를 채우는 단계입니다. 다음 장에서는 매뉴얼이 제시하는 세 가지 시스템 정의 방법(read_data / read_restart / lattice + create_atoms)을 비교합니다.