APPLIED · CHAPTER 06

4가지 프레임워크 비교

힘장 × 정전기 조합 네 가지의 비교와 선택 기준.

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NOTE 32-06-00 · 4가지 프레임워크 비교

1. 일반 사항

A. 목적

  1. 이 노트는 힘장 두 가지와 정전기 처리 두 가지를 엇갈려 조합한 4가지 프레임워크를 비교한다.
  2. 이 노트는 UROPS 보고서 값 중 그대로 쓸 수 없는 값과 그 이유를 보고서 값과 함께 적는다.
  3. 이 노트는 비교를 다시 할 때의 실행 순서와 출력 파일 이름 규칙을 정한다.

B. 적용 범위

  1. 슬랩 기하의 Cu 표면 벤젠-에탄올 계(~1500-2500 원자)에 적용한다.
  2. 이 노트의 LAMMPS 명령어는 LAMMPS 22 Jul 2025 에서 opls.data 로 실행해 확인했다.

C. 결과 요약

  1. 이 가이드는 "어느 조합이 더 안정적이다"는 결론을 내리지 않는다.
  2. UROPS 보고서의 SEI 와 흡착 에너지는 힘장 비교에 쓸 수 없다.
  3. 같은 OPLS-AA 궤적에서 PPPM 과 MSM 의 첫 층 조성은 통계 오차 안에서 같다.
  4. 이 크기에서는 PPPM + slab 을 기본으로 쓰고, MSM 은 확인용으로 돌린다.

2. 준비 정보

A. 필요한 개념

  1. OPLS-AA 와 TraPPE-UA 의 차이(NOTE 32-03-00).
  2. PPPM 과 MSM 의 차이(NOTE 32-04-00).
  3. 5단계 프로토콜(NOTE 32-05-00).

B. 참조 자료

참조 제목
LAMMPS 공식 문서 https://docs.lammps.org/ (이 노트의 명령어는 LAMMPS 22 Jul 2025 에서 opls.data 로 확인)
LAMMPS 공식 문서, fix shake https://docs.lammps.org/fix_shake.html
M. P. Allen, D. J. Tildesley "Computer Simulation of Liquids", 2nd ed., Oxford University Press (2017)
PPPM vs MSM 글 같은 OPLS-AA 궤적의 블록 평균 재분석
3장 타입이 맞는 OPLS-AA 계수, Cu-유기 LJ
이전 시뮬레이션(UROPS run) 결과 이 가이드의 출발점

C. 사용 프로그램

항목 용도
LAMMPS 22 Jul 2025 4가지 프레임워크 실행, fix shake 구문 확인
integrated_analysis.py 네 조합에 공통으로 쓰는 분석 스크립트

D. 관련 파일

항목 용도
opls.data OPLS-AA 초기 데이터 파일
trappe.data TraPPE-UA 초기 데이터 파일
kspace_pppm.in, kspace_msm.in 정전기 처리 설정을 바꾸는 include 파일

3. 절차

A. 2×2 비교 설계

  1. 힘장 두 가지와 정전기 처리 두 가지를 엇갈려 네 조합을 만든다.
PPPM MSM
OPLS-AA OPLS+PPPM OPLS+MSM
TraPPE-UA TraPPE+PPPM TraPPE+MSM
  1. 다음 세 효과를 따로 떼어 비교한다.
    1. 힘장 효과: PPPM을 고정하고 OPLS-AA와 TraPPE-UA를 비교한다.
    2. 정전기 처리 효과: 같은 힘장에서 PPPM과 MSM을 비교한다.
    3. 상호작용 효과: 두 인자를 조합했을 때만 나타나는 효과를 본다(예: TraPPE+MSM이 다른 조합보다 유독 잘/못 동작하는 경우).

B. UROPS run 결과 확인

  1. UROPS 보고서가 표로 낸 네 조합의 SEI 와 흡착 에너지를 기록과 대조한다.
프레임워크 보고서 SEI 보고서 벤젠 흡착 에너지 기록에서 확인한 것
OPLS-AA + PPPM -0.686 -0.271 eV 2 ns production 완료. 첫 층 벤젠 몰분율 0.70 ± 0.05
OPLS-AA + MSM 0.809 -0.269 eV 2 ns production 완료. 첫 층 벤젠 몰분율 0.66 ± 0.03
TraPPE-UA + PPPM 0.867 -0.325 eV 초기 run 은 전하가 없었고 100→150 K 승온 중 Bond atoms missing 으로 멈춤
TraPPE-UA + MSM 0.930 -0.321 eV 위와 같은 입력(전하가 없어 kspace 가 없으므로 PPPM 과 같은 계산)

경고 SEI: 보고서의 정의는 $|x_\text{surf} - x_\text{bulk}| / (1 - x_\text{bulk})$ 이라 음수가 나올 수 없다. -0.686 은 계산이나 정의 중 하나가 틀린 것이다.

  1. 보고서 SEI 의 부호를 정의와 대조한다.

경고 흡착 에너지: 보고서 방법 절에 따르면 이 값은 힘장 에너지가 아니다. "최대 2.0 eV(벤젠), 1.5 eV(에탄올)의 지수형 거리 함수"로 계산한 값이다. 힘장이 주는 Cu-분자 상호작용 에너지가 아니므로 힘장 비교에 쓸 수 없다.

  1. 보고서 흡착 에너지를 힘장 비교에서 뺀다.

경고 PPPM 과 MSM 의 차이: 같은 OPLS-AA 궤적을 블록 평균으로 다시 분석하면 첫 층 조성은 두 방법이 통계 오차 안에서 같다 (PPPM vs MSM 글). 보고서가 말한 "정전기 방법 의존성"은 확인되지 않았다.

  1. PPPM 과 MSM 의 차이는 블록 평균 오차와 함께 판단한다.

경고 TraPPE-UA: 초기 TraPPE-UA run 두 개는 입력, 시드, 프로세스 수가 같아 비트 단위로 같은 계산이었고, 같은 스텝에서 멈췄다. 최종 보고서의 TraPPE-UA run 이 그 뒤 전하를 넣고 다시 돌린 것인지는 남은 입력으로 확인할 수 없다.

  1. TraPPE-UA 두 행을 정전기 처리 비교에 쓰지 않는다.

참고 그래서 이 가이드는 "어느 조합이 더 안정적이다"는 결론을 내리지 않는다. 비교를 다시 하려면 네 조합 모두 같은 데이터 파일과 같은 길이로 돌리고, 블록 평균으로 오차를 낸 뒤 비교한다(5.B).

C. 프레임워크별 예측 비교

  1. 두 힘장의 예측과 차이가 생기는 곳을 다음 표로 확인한다.
물리량 OPLS-AA TraPPE-UA 차이가 생기는 곳
표면 1차 흡착층 조성 측정 필요 측정 필요 벤젠 표현(전원자 vs UA)과 Cu-유기 LJ
에탄올 O-O g(r) 첫 피크 약 2.8 Å 예상 약 2.8 Å 예상 두 모형 모두 수산기 H 를 명시한다
평형화 시간 조성 프로파일로 판단 조성 프로파일로 판단 UA 는 자유도가 적어 빠를 수 있다

D. 가열 단계 불안정 대처

주의 가열 단계에서 계가 터지는 원인은 대개 아래 네 가지 중 하나다. 차례로 확인한다.

  1. 시간 스텝을 확인한다. X-H 신축 주기가 9–11 fs 이므로 SHAKE 없이 1.0 fs 는 큰 편이다.
  2. 시간 스텝을 0.5 fs 로 줄인다.
  3. 초기 구조의 중첩이 덜 풀렸는지 확인한다.
    1. opls.data 처럼 1 Å 이내로 붙은 쌍이 있는지 본다.
    2. 그런 쌍이 있으면 1단계를 충분히 돌린다.
  4. 열욕 설정을 확인한다.
    1. Langevin 은 damp 가 작을수록 열욕에 강하게 묶이므로 폭주를 일으키지 않는다.
    2. Nose-Hoover(fix nvt)는 damp 가 timestep 의 수십 배보다 작으면 온도가 크게 진동하므로 100 fs 정도로 둔다.

경고 thermo 온도의 분모: 고정된 Cu 를 포함한 thermo_temp 를 기준으로 열욕을 걸면 유기층이 목표보다 뜨거워진다.

  1. 열욕은 organic 그룹에 건다.

E. SHAKE 로 시간 스텝 늘리기

  1. opls.data 의 X-H 결합 타입을 확인한다. 2 (벤젠 C-H), 4·10 (CH₂ 의 C-H), 5·6·9 (CH₃ 의 C-H), 8 (O-H) 이다.
  2. H-C-H 각도는 CH₂ 의 것(타입 15)만 묶는다.

참고 각도 구속은 3원자 클러스터에만 걸린다. 그래서 H-C-H 각도는 CH₂ 의 것(타입 15)만 묶을 수 있다.

주의 데이터 파일에 없는 타입 번호(예: 11)를 주면 "Invalid bond type 11 index for fix shake" 오류가 난다. 벤젠 C-C(타입 1)처럼 클러스터끼리 이어지는 결합을 넣으면 "Shake clusters are connected" 오류가 난다.

  1. 다음 명령으로 X-H 결합과 CH₂ 각도를 묶고 시간 스텝을 2.0 fs 로 둔다.
fix             shake_xh organic shake 1.0e-4 20 0 b 2 4 5 6 8 9 10 a 15
timestep        2.0
  1. 잡힌 클러스터 수를 확인한다.
    1. 2원자 클러스터 700개(벤젠 C-H 600, O-H 100).
    2. 4원자 클러스터 100개(CH₃).
    3. 각도까지 묶은 3원자 클러스터 100개(CH₂).

경고 UROPS run 의 fix shake_OH ethanol shake 0.0001 20 0 b 8 a 6 은 O-H 결합 100개만 묶는다. 각도 타입 6 은 C-C-H 라 O-H 클러스터에 속하지 않으므로 무시된다.

  1. 기존 입력의 a 옵션 각도 타입이 묶인 클러스터에 속하는지 확인한다.

참고 fix shake의 b (bonds), a (angles), t (atom types), m (atom mass) 옵션은 LAMMPS fix shake 문서에 정리되어 있다.

F. 정전기 처리 선택

  1. 이 시스템(슬랩 기하, ~1500-2500 원자)에서 두 방법을 다음 표로 비교한다.
항목 PPPM MSM
초기 설정 복잡도 중간 (kspace_modify slab 3.0 필요) 낮음 (slab 보정 불필요)
2,471원자, 40 랭크 루프 시간 19,647 s 31,988 s (1.63배)
다중 노드 확장성 큰 시스템에서 FFT 병목 더 좋음
슬랩 처리 보정하면 문제없음 별도 처리 없이 지원
첫 흡착층 조성 (UROPS run) 0.70 ± 0.05 0.66 ± 0.03
  1. PPPM + slab 을 기본으로 쓴다. 이 크기에서는 구조가 같고 PPPM 이 더 빠르다.
  2. MSM 은 확인용으로 돌린다.

경고 TraPPE-UA 는 원자 수가 적어 스크리닝에 유리하지만, 전하를 넣지 않으면 PPPM/MSM 비교 자체가 의미가 없다.

  1. TraPPE-UA 로 정전기 처리를 비교할 때는 전하를 넣은 trappe.data 를 쓴다.

G. 출력 파일 이름 규칙

주의 여러 프레임워크를 같은 디렉터리에서 돌리면 출력 파일이 섞인다.

  1. 프레임워크마다 디렉터리를 하나 두고 다음처럼 이름을 붙인다.
<framework>/
├── 01_soft.log        stage1.restart
├── 02_min.log         stage2.restart
├── 03_heat.log        stage3.restart
├── 04_eq.log          stage4.restart
├── 05_prod.log        stage5.restart, final.data
├── dump.lammpstrj
├── profile_benzene.dat, profile_ethanol.dat, rdf.dat, stress_profile.dat
└── analysis_results/
  1. <framework>는 opls-pppm, opls-msm, trappe-pppm, trappe-msm 중 하나로 정한다.
  2. 로그 파일 이름은 lmp -in 01_soft.in -log 01_soft.log 처럼 실행할 때 정한다.

4. 시험 및 검사

A. 논문용 비교 항목

  1. 논문을 목표로 한다면 4가지 프레임워크를 모두 돌린다.
  2. 다음 세 항목을 보고한다.
    1. 힘장 효과: 같은 정전기 처리(예: MSM)에서 OPLS와 TraPPE 결과를 비교한다.
    2. 정전기 효과: 같은 힘장(예: TraPPE)에서 PPPM과 MSM 결과를 비교한다.
    3. 상호작용 효과: 4가지 조합의 ANOVA 또는 직접 비교를 한다.

참고 네 조합을 모두 보고하는 편이 논문에서 탄탄하다. 이렇게 엇갈려 비교해 두면 결과가 특정 힘장이나 정전기 방식에 기대지 않는다는 점을 보이기 쉽다. 방법에서 생긴 artifact와 실제 물리 효과를 가려내는 데도 도움이 된다.

5. 종료

B. 후속 작업

  1. 3.B 를 바탕으로 비교를 다시 할 때는 데이터 파일부터 다시 만든다: fcc(100) Cu 슬랩, 타입이 맞는 OPLS-AA 계수(3장), 의도한 Cu-유기 LJ.
  2. OPLS-AA + PPPM 으로 평형화 기준을 정한다. 벌크 조성 프로파일이 평평해질 때까지 돌린다.
  3. OPLS-AA + MSM 은 include kspace_pppm.in 을 kspace_msm.in 으로 바꿔 돌린다(pair style 도 같이 바뀐다).
  4. TraPPE-UA 두 조합은 전하를 넣은 trappe.data 로, 같은 길이만큼 돌린다.
  5. 표면 조성과 Cu-분자 상호작용 에너지(compute group/group)를 블록 평균 오차와 함께 표로 비교한다.
  6. 프레임워크 사이의 차이가 힘장과 정전기 처리에서만 나오도록 다음은 모두 똑같이 맞춘다.
    1. 같은 초기 데이터 파일 (opls.data 또는 trappe.data)
    2. 같은 시간 스텝, dump 빈도, thermo 출력 빈도
    3. 같은 평형화/production 시간
    4. 같은 분석 스크립트 (integrated_analysis.py)